氫氣在能源領域應用現狀

林濤

上海市節能減排中心有限公司 上海 200001

氫元素位于元素周期表的第一位，在自然中分布很廣。若按原子百分數計算，在地殼中氫原子所占比例高達17.0%。氫氣（H2）由雙氫原子組成的，無色無味無臭，極易燃燒的氣體，是氫的單質形態。其在常溫常壓下為氣態，密度僅為0.0899kg/m3。16世紀初，氫氣才通過將金屬置于強酸中的方法被人工生成?，F已被廣泛應用于醫療、工業生產及能源等多個領域。

每千克氫氣燃燒后產生的熱量為142.4MJ，約為汽油的3.0倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃燒產物為水。作為一種二次新能源，氫氣具有資源蘊含豐富，來源多樣，可儲存，可再生，燃燒熱值高，清潔無污染等特點，現已被世界多個國家視作戰略性能源來發展，將在21世紀世界能源舞臺上起到舉足輕重的作用[1]。

1 國內氫氣生產及制氫成本分析

1.1 國內氫氣產量及來源

2009年，我國成為全球氫氣產量最大的國家。至2016年，我國氫氣產量達到2188.0萬噸，占世界總產量的34.0%。其主要來源包括：煤氣化制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業副產制氫及電解水制氫等，其中：煤氣化制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業副產制氫產量占全國總產量的96.0%，電解水制氫產量僅占4.0%。

圖1 2014-2016年我國氫氣產量

圖2 中國氫氣產量結構圖

1.2 制氫企業分布情況

從制氫企業分布來看，我國的制氫企業主要集中在北京市、山東省、江蘇省、上海市、廣東省等省和直轄市，其氫產量超過全國總量的60.0%；從地區分布和行業發展速度來看，呈現東部沿海制氫企業多、發展較快，內陸制氫企業少、發展緩慢的特點[2]。

1.3 主要工藝制氫成本分析

根據有關行業研究資料顯示，我國煤氣化制氫成本約為6.0至10.0元/kg（0.5元/m3至0.9元/Nm3）；天然氣制氫成本約為13.0至23.0元/kg（1.2元/Nm3至2.1元/Nm3）；石油制氫成本約為18.0元/kg（1.6元/Nm3）；工業副產氫成本約為10.0元/kg至16.0元/kg（0.9元/Nm3至1.4元/Nm3）；電解水制氫成本約為19.0元/kg至38.9元/kg（1.7元/Nm3至3.5元/Nm3）。

圖3 制氫成本分析

2 氫氣在能源領域的應用

2.1 氫氣的主要應用

經過幾個世紀的發展，氫氣現已在化工原料、醫療健康、能源等多個領域得到廣泛地應用。目前，在能源領域，氫氣用量仍較少。未來，氫燃料電池、可再生能源利用、化石能源清潔利用等方面的應用，將是氫氣在能源領域規?；玫闹饕緩?。

表1 氫氣在能源領域的主要用途

2.2 在燃料電池領域的應用

目前，我國燃料電池主要應用于燃料電池汽車、無人機、通信基站、分布式發電系統（微網發電系統）及備用電源（應急電源）等領域。根據不同的應用領域，功率從0.03kW至200.0kW，適應溫度從-20.0℃至60.0℃的燃料電池，均有較成熟產品已投入市場[3]。

據有關資料統計，截至2015年底，我國氫燃料電池產業產值已超過200億元。預計在未來3至5年內，行業年產值將超過2000億元。從1998年至2017年9月，我國約有215家注冊企業直接從事氫燃料電池相關業務，分布于27個省和直轄市，逐步形成了京津冀、華東、華南、華中等4個氫燃料電池產業集群。

近年來，國內外氫燃料電池的發展尤為迅速。本田、奔馳、現代及豐田等多家世界知名汽車，從2007年開始陸續推出了自有品牌的氫燃料電池汽車。2018年公告的燃料電池汽車車型有80款，以客車和專用車為主，年銷量為1527輛，氫燃料電池汽車保有量已超過5000輛[4]。

表2 主要氫燃料電池系統企業及產品參數

加氫站是連接燃料電池汽車應用上下游的重要紐帶。根據香橙會前瞻產業研究院及其他公開資料整理，截至2020年12月，我國已建成的氫氣加注站共有118座，在建和擬建的加氫站數量達到為167座。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》（2019版）預測，到2035年，我國加氫站總數量將達到1000座及以上。從各省直轄市已建成加氫站的分布來看，廣東省最多，其次是山東、上海、江蘇和四川等省市。從加注能力來看，已建成加氫站加注壓力大多為35.0Mpa，日加注量在200kg至2000kg之間不等，其中，日加注量在200kg至500kg之間的加氫站數量最多。

2.3 在可再生能源領域的應用

在可再生能源利用方面的應用，是氫氣在能源領域規?；玫挠行緩胶托袠I發展的主要動力。到2020年底，我國可再生能源發電總裝機容量中，風力發電為2800GW，光伏發電為2500GW。風電、光電具有間歇性和不可預見性的特點，發電暫未被完全消納，造成能源的大量浪費。通過電解制氫，將富余風電、光電轉化為氫氣并儲存，可平穩風力電站和光伏電站負載，減小對電網的影響，并有效降低棄風棄光率。目前，采用氫儲能技術消納可再生能源的方式，已作為法國、英國、美國、挪威等世界上多個國家推動可再生能源發展的重要方式。2010年至2019年，我國江蘇、安徽、山西、河北及吉林等多個省市分別建成了示范項目，利用風電、光電制取氫氣[5]。

2.4 在化石能源清潔利用領域的應用

加氫是化石能源清潔利用的主要途徑，主要包括摻氫天然氣、油品質量提升和煤制油、氣的加氫。

據資料顯示，從2004年開始，美國以及德國、法國、荷蘭等歐洲國家專門開展了天然氣摻氫的相關研究和利用現有天然氣管道輸送氫氣的試點工程。根據管材、配件、天然氣成分和地理環境的不同，基于現有燃氣管網，摻氫體積分數可達12%至20%。摻氫天然氣可廣泛用于交通、工業和居民生活。摻氫天然氣的大規模應用，可帶來顯著的二氧化碳減排效益。

油品質量提升過程中的裂化和精制過程，煤制氣的氣化過程以及煤制油的液化過程，均需要消耗大量的氫氣。以油品質量提升為例，在煉油過程中，一般氫氣耗量約為原油質量的0.8%至1.4%。按2019年我國煉油產能86000萬t計算，則氫氣耗量約為688萬t至1204萬t。受日益嚴格的環保因素影響，煉油工藝的提升，大量煤制氣、煤制油項目的陸續成功投產，氫氣消耗量將持續增加，有望進一步推動氫氣在能源領域的規?；瘧?。

3 結語

（1）目前，我國是全球氫氣產量最大的國家。氫氣的應用主要集中在化工原料、醫療健康、清潔能源及能源載體等多個領域。其中，氫氣用作化工原料的耗量最大，用作能源的耗量比例仍較小?，F有氫氣產量中可用作能源的用量有待進一步理清。

（2）氫氣作為一種清潔的二次新能源，同時滿足資源環境和可持續發展的要求。隨著人們對環境保護重視程度的不斷加強，氫能在未來具有較好的發展前景。氫燃料電池、可再生能源利用、化石能源清潔利用等方面的應用，將是氫氣在能源領域規?；玫闹饕緩?。

（3）氫氣的制取、儲運和應用技術依然是影響氫氣在能源領域應用的關鍵因素。產業裝備關鍵性能指標和生產成本與國外先進水平仍存在差距，部分關鍵部件仍然依賴進口。產業裝備制造、標準、法規和政策等方面存在的瓶頸有待進一步突破[6]。

（4）在現有技術條件下，加氫成本較加注等能量水平下的汽柴油成本偏高。隨著氫氣的制取、儲運和應用等技術的升級，產業裝備的規?；a以及供氫基礎設施的不斷完善，有助于氫氣在能源領域的應用成本進一步降低，未來有望大規模進入市場。