取消
摘要：本文将简单介绍发展氢能的必要性，为大家展示一个简化版的氢产业链模型，分析其未来可能的发展方向及发展瓶颈，希望读者对氢能有个初步的了解。
随着全球化石燃料消耗量日益增加，人类对环境造成的污染日益严重，能源的清洁化也成了能源供给行业的一个必然趋势，为了减少温室气体的排放，一场遍布全球低碳能源革命也正在轰轰烈烈的进行。而这一革命的基石毫无疑问是发展新能源技术，寻找一种作为化石能源替代品的清洁能源。
自然界中清洁能源的资源无处不在，想要将各类能源有效利用起来，却是一个不小的问题。虽然在各地风力发电、光伏早就已经不再是什么新鲜的事物，但是风能、光能作为大自然中无限的资源，却不是能够轻易控制的，由此获得的电能也毕竟是一种看不见摸不着的能量媒质，电能的存储、运输相比实实在在的化学燃料都要困难很多。一个值得努力的方向是，将这些不可控制的能量，转化为一种像化石燃料一样易于存储运输的化学能量载体。于是，人们发现了一种可以将电能，转化为气体的技术：Power-to-X，其中最直接的便是通过水解技术直接获得氢气，由此也拓展了一个全新的行业：氢能产业。
首先，让我们来看看氢气的特性
想必学过高中化学的理科生们都知道，氢气是由两个宇宙中最轻的原子组成的气体，无色无味、无毒、易燃，遇到火源，可引起爆炸，燃烧后除了水，什么也不会留下。听到爆炸，可能很多人都会不安，但是实际上我们平时使用地汽油和天然气也易爆炸。相比之下，氢气反而由于轻便，扩散得更快，更不易形成可爆炸的气雾。就算万一不幸泄露了，一般来说，氢气爆炸要达到两个条件，除了要满足氢气的爆炸极限（在空气中体积浓度在4%-75.6%），还要施加静电、明火或混合空气温度达到527℃及以上，才会爆炸，而且氢气的泄露能量和爆炸当量也只有天然气的40%，汽油气的1/22。
当然，涉及到作为燃料，热值也是很重要的一个标准。氢气的单位质量热值是33.33KWh/kg,是柴油的3倍多。但是由于氢气密度小，在压缩到700bar的时候，单位体积热值是1.3KWh/l;液化的时候，也才2.4KWh/l,相比柴油的10KWh/l,还是相对较小。
那么，为什么要发展氢能呢？
当前的我国的能源改革主要思想是，大力发展以风光为主的新能源，提高新能源发电比例。然而，新能源发电的波动性会对电网造成一定的影响，造成电网频率的波动，仅靠电池储能的很难实现大量的新能源的消纳。特别是在我国，三北地区的新能源装机容量巨大，但由于当地消纳能力有限，而且没有足够多的电力外送通道，因此在过去几年装机量快速增长的同时，弃光限电的情况也逐年恶化。除了建设大型的储能电站以外，一个更好的解决方案是：在风光过剩的地区，建设产氢设备，将多余的电力通过电解装置转化为氢气存储。产生的氢气，脱离了电能时间上和空间上的限制，相比之下更加便于运输和存储，同时也避免了电网管网的不稳定和扩建，而其本身也够成了一个完整的氢能产业链：首先，产生的氢气一方面可以像天然气一样，长期存储在地下气穴中，或大型的储氢站中，等到需要使用的时候，可以通过管道，或经过压缩，或经过液化由卡车运输至需求点，用于各种用途。
氢能利用的前景是什么样的呢？
提到氢气的利用，人们最熟悉的便是将氢气作为传统化工生产领域的生产原料。事实上，氢气是一种十分灵活的能源载体，是除了电力以外少有的零排放能量载体之一，燃烧后的产物只有水。氢气作为一种能源载体，在交通、工业和建筑等各个领域的能源供应中都有重要的应用（如上图），结合燃料电池技术，能够大大提高未来低碳能源系统的操作灵活性，足够当之无愧地被称为21世纪的终极能源。
然而，大多数氢和燃料电池技术仍处于商业化的早期阶段，并且由于其目前的成本太高，目前正在与包括其他可能替代技术有着强烈的竞争。其中最受瞩目的便是在新能源汽车行业的锂电和燃料电池路线之争。而恰好就在上周，特斯拉迎来特大喜报：盈利3.12亿美元！似乎这场锂电和燃料电池的纷争之中，锂电率先拿下了第一场胜利。
但是，需要了解的事实是，虽然锂电技术和燃料电池技术都早已有大量研究，但是锂电汽车产业比氢燃料电池汽车产业的商业化发展早了十几年，在过去的几年，提到新能源汽车人们所想到的是锂电池汽车，而氢能源汽车，仅仅是近几年静悄悄的走进了大众的视野。锂电池汽车在市场上试探了十几年，而燃料电池汽车的商业化阶段才刚刚开始，短短几年就成为了继锂电之后的第二大新宠。相比于锂电池汽车，氢燃料电池汽车有加氢快、续航持久等优点，比如：氢燃料电池汽车加氢时间一般在3-5分钟，而相比之下，纯电动汽车出于对电池的保护，充电时间少则半小时，多则达数个小时；此外燃料电池汽车的续航能力，也远超纯电动汽车。需要注意的是氢燃料电池汽车，本质上也是电动汽车，只不过是将动力储存在了化学燃料之中，经燃料电池转化为电，它的舒适度不会低于电动汽车。
除了在汽车行业的应用，燃料电池也可以应用在工业和建筑行业的能源供应中，横跨电力、供热和燃料三个领域应用。作为一种灵活的二次能源，氢能能够十分有效地将电网、热力管网和各类的终端燃料的利用结合起来（见下图），促使能源供应端融合，实现多能互补，提升能源使用效率。比如：
通过大型的燃料电池，可以将氢气再次转化为电能，实现电网的调峰调频；
另一方面也可以以一定比例混入燃气管网，实现与热力管网的耦合；
同时也可作为家庭和汽车用户的终端燃料使用。据了解，目前基于燃料电池技术的家用热点联产设备效率可以达到97%，其效率远高于普通的燃气机组热电联产。
氢能耦合各供能领域示意
氢能发展的瓶颈
虽说，氢能的利用前景一片大好， 但是目前氢能源产业仅处于将氢气从工业原料向能源利用初期阶段，其在未来的发展依旧处在初期的探索阶段，氢气的制造设备、运输设备以及加氢站等基础设施的建设，是发展氢能的第一步，这也是氢能发展即将面临的最大挑战。氢气的基础设施成本在其产业链上的每一环节都不容小觑。
·从生产环节上看，目前的氢气大多数依然来自化石能源制氢，占世界产氢量的96%，而用化石燃料制氢来供给交通、工业、建筑的能源，背弃节能减排的初衷，其效率、经济、环保性问题依然突出。而太阳能或风能等可再生能源制氢成本依旧高昂，但目前来看，有不断下降的趋势。
·从存储环节上看，虽然加压压缩储氢技术、液化储氢技术、金属氢化物储氢技术和有机化合物储氢技术均取得了较大进步，但储氢密度、储氢安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决，离大规模商业化应用还有一定差距。从笔者的模型计算来看，这部分的成本在未来有着最大的降低空间。
·从运输环节来看，如果想要通过管道运输氢气，目前只能以最多10%的比例与天然气混合输入管网，而单独建造氢气运输管网，从目前的需求量来看，平均成本过高；如果以物流车形式运输，其成本相对较低，但仍然有待进一步降低。
·从利用环节上看，加氢站的建设，直接关系到了氢气的普及范围。一方面，氢气用能需求不足，导致加氢站投入平均成本过高、难以大规模铺设；另一方面，加氢站的布局不足，又使得氢能发展严重的受阻，如此形成恶性循环。
因此，氢能的利用依旧是面临着诸多障碍，而笔者的拙见是，目前的重点更应该是大量投入科研精力，力求实现重大技术突破、降低成本；政府提供政策扶持，度过前期的瓶颈期；同时也要针对现状，提前布局好氢能产业的发展，尤其是大规模制氢设备的选址、储氢洞穴探查、加氢站的布局，同时厘清发展思路和定位，保证氢能的稳定发展。
小结：
作为一种公认的清洁能源，氢能当之无愧被称为21世纪最具发展前景的二次能源，能够有效解决可再生能源的消纳问题，以解决全球化石能源危机、全球变暖以及环境污染等问题。毋庸置疑，氢能发展的一个重要方向，会是在未来的交通、建筑和工业的能源供应方面。为实现我国氢能产业的良好发展，应在不断突破技术、成本壁垒的同时，参考国外成熟经验案例，准备布局氢能产业；同时，以市场为主导，制定合理政策，规划化各环节基础的建设，保障氢能产业有条不紊的发展。（玉昇）
