環保視角下氫能產業發展研究

張保華

摘要：20世紀50年代以來，世界各國都把節能減排和環境保護作為重要的產業發展方向，特別是“溫室效應”、“低碳經濟”理念的推廣，由于氫能利用的最終生成物是純凈、無污染的水，符合各國低碳經濟和環保政策需求，氫能的利用就顯得更為重要。在環保的視角下，氫能的利用存在諸多約束條件下的利潤最大化問題，在燃料電池方面，進行氫能商業化利用的研究是有益的，但在“氫發電”或“氫社會”建設方面，其潛在的環境危害需要經過科學驗證，逐步開發，切莫急功近利。

關鍵詞：氫能；燃料電池；環境保護；利潤最大化

中圖分類號：X21 文獻標志碼：A

前言

氫元素是地球乃至宇宙中最豐富的元素，基礎能量密度約是汽油和天然氣的3倍，約是現行鋰電池的120倍，因此氫能被認為是“21世紀的終極能源”，氫燃料電池被稱為是“宇宙黑科技”、“外星科技”。

特別是20世紀50年代以來，世界各國都把節能減排和環境保護作為重要的產業發展方向，認為全球氣溫升高，形成“溫室效應”的主要元兇是人類工業活動過程中產生的二氧化碳，而氫能利用的最終生成物是純凈、無污染的水，所以氫能符合各國的低碳經濟和環保政策需求，更是備受關注?！兜谌喂I革命》作者杰里米·里夫金認為：三次能源革命存在一個規律：碳含量降低、氫含量上升。燃料中碳原子數目與氫原子的比例從固態的煤（1：1），到液態的石油（1：2），再到氣態的天然氣（1：4），脫碳不斷加速、含氫越來越高，這已成為能源開發利用的自然規律和趨勢。

中國國家發展改革委和國家能源局制定的《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》也把“氫能與燃料電池技術創新”作為重點任務，實現質子交換膜燃料電池（PEMFC）電動汽車的示范運行和推廣應用。

那么氫能就真的那么完美無缺，人類對氫能的認識到底有多少呢？

1 文獻綜述與評價

國內外對溫室氣體的研究主要集中在溫室氣體的政府管控、溫室氣體影響排名以及由此產生的氫能利用范圍等方面。2009年12月7日，美國環保署依據《空氣清潔法案》，在認真考慮科學證據和廣泛征求公正意見的基礎上，認為目前以及所預測到的大氣中的二氧化碳、甲烷、二氧化氮、氧化亞氮、全氟化物、六氟化硫6中溫室氣體的濃度危害到當前以及后代人的健康和福利，從而將“溫室氣體”列為污染物。2009年11月，國家發展和改革委員會發布的《中國應對氣候變化的政策與行動-2009年度報告》中指出中國將進一步把應對氣候變化納入經濟社會發展規劃，并繼續采取強有力的措施。

目前各國科學家普遍認為工業的發展導致了二氧化碳、甲烷等氣體排放增多，引發了“溫室效應”。但比利時皇家氣象學院的氣候專家呂克·德邦特里代在報告中指出，在人類排放的溫室氣體中，占總量最多的不是二氧化碳，而是水蒸氣，研究證明人類排放的溫室氣體中有75%是水蒸氣。更有研究表明，若以地球溫室效應的影響來排名，前四名的氣體是：水蒸氣（36%-70%）、二氧化碳（9%～26%）、甲烷（4%～9%）、臭氧（3%～7%）。理論分析認為不斷增加的水蒸氣導致溫度不斷上升，這又讓更多的水蒸氣被空氣所吸收，溫度升高和水蒸氣吸收成螺旋式增長，同時水蒸氣反饋還能增強其他溫室氣體的升溫效果，因此水蒸氣被認為是“被遺忘的溫室氣體”。

日本政府在2014年4月11口召開的內閣會議上通過了《能源基本發展計劃》，明確了二次能源結構的狀態以及加速實現氫社會的措施。在能源基本發展計劃中，首次出現了“氫發電”。在該基本計劃中，對政府的燃料電池、氫事業也提出了數量目標，2030年，家用燃料電池將達到530萬臺，2015年，FCV用加氫站將達約100個。在發電部門，作為CO2排放少的技術之一，氫發電正在普及，高效率的采用閉路循環的純氫、純氧發電也有可能在2050年實用化。氫發電站與現在大部分的、大規?；鹆Πl電站一樣，基本建在港灣附近，使用罐供給氫的能源載體。中國國家發展改革委、工業和信息化部和國家能源局在《中國制造2025-能源裝備實施方案》中也把百千瓦級質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術攻關和百千萬至兆瓦級固體氧化物燃料電池（SOFC）發電分布式能源系統建設作為主要任務。沈浩明認為，發展氫能和氫燃料電池汽車產業需要發揮舉國之力，進一步明確國家戰略導向，構建高層次協調機制，在政策層面統一步調、形成合力、做好引導。2016年廣東佛山、云浮兩地開始投入試運營的氫燃料電池公交車，采購費用約為500萬／輛，雖然每輛氫能源汽車能享受國家和地方的購置補貼合計100萬元，但價格遠高于傳統汽車和純電動新能源汽車。試驗認為只有完善氫能產業基礎設施，特別是加氫站的建設，才能助推氫能技術產業化發展。

2 研究設計

研究表明，化石燃料產生的煙氣中，一氧化氮約占90%以上，二氧化氮約占5%-10%，主要產生原因是燃料燃燒時，空氣中氮氣在高溫下與氧氣反應而產生，隨著反應溫度升高，其反應速率按指數規律增減，當溫度小于1500℃時，基本無氮氧化物生成，當溫度大于1500℃時，氮氧化物開始生成，每增加100℃，反應速率增大6-7倍。

可想而知，氫能的燃燒也能產生高溫，同樣存在產生氮氧化物的問題，因此氫能的利用過程中存在環保問題的約束。

在經濟學中，研究在約束條件下如何實現利潤最大化是非常重要的理論，假設氫能產業收益函數定義為γ（γ）=p（y）y（式中p為商品價格，y為商品種類），環保約束條件成本為c（y），為簡化期間，不考慮氫能生產的其他成本，氫能產業的利潤最大化問題就可以表示為：

maxγ（γ）-c（y）

s.t.c（y）≥0

它的一階條件是：

γ（γ）-c'（y）=0

這意味著，在氫能利用最佳處，應是氫能邊際收益等于氫能環保邊際成本。

對收益函數進行微分，可得到γ（γ）=p（y）+p（y）y，把該式帶人廠商的一階條件，就可達到以下的另外一種形式：

p（y）+p‘（y）y=c（y）

廠商利潤最大化問題的二階條件是：

y”（y）-c”（y）≤0

即：c”（y）≥y”（y）

這意味著氫能環保成本曲線的斜率大于等于氫能邊際收益曲線的斜率。

3 實證檢驗

由于氫能用于發電的實驗尚處于研究階段，無法開展氫能電廠的煙氣監測，但可類比現有的燃氣輪機發電設備，對利用天然氣（甲烷）燃燒發電后的排煙溫度和氮氧化物濃度的監測數據，用以判斷氫能發電潛在的環保問題。

對某燃氣輪機排煙溫度和氮氧化物排放濃度的監測數據見表1。

從表1中可看出：當天然氣（甲烷）用于燃氣發電，存在排煙溫度較高和氮氧化物高濃度排放的問題，可以推定，當氫能用于燃氣發電，也會存在與天然氣發電相同的環保問題。

另一方面，1克氫氣燃燒產生9克水蒸氣，1克甲烷燃燒產生2.25克水蒸氣，即等質量氫氣燃燒產生的水蒸氣質量是甲烷的4倍。如果全社會全部使用氫能發電，必將在環境中產生大量的水蒸氣，假如環境空氣中存在細顆粒物（PM2.5）、二氧化硫、氮氧化物、VOCs等污染物，它們與水蒸氣結合將形成霧霾，即水蒸氣是形成霧霾的重要前體物。

近來更有研究表明，氫氣一旦發生泄漏，升到高空后會與臭氧反應，可能會大面積破壞臭氧層，這將使得太陽產生的紫外線通過臭氧空洞直接照射地面對動植物和人類造成傷害。

4 結論

在環保的視角下，氫能作為二次能源，從源頭生產、過程利用和末端排放等方面都存在很大的不確定性，在環保諸多因素的約束條件下，氫能如何實現最大化利用，在經濟學方面和科技方面都需要深入探究，中國政府開展質子交換膜燃料電池（PEMFC）的研發以及日本豐田汽車公司對氫能的商業化利用，都只是把氫能在燃料電池方面進行了應用，由于電化學反應溫度低，且產生的水量較少并呈液態，尚不至于對環境空氣造成危害，而一旦氫能用于“氫發電”或“氫社會”建設，其潛在的環境危害需要經過科學驗證，逐步開發，切莫急功近利。