趙永志，蒙波，陳霖新，王賡，鄭津洋，顧超華，張鑫，張俊峰

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氫能源的利用現(xiàn)狀分析

趙永志1，蒙波1，陳霖新2，王賡3，鄭津洋1，顧超華1，張鑫1，張俊峰1

（1浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江杭州 310027；2中國電子工程設(shè)計院，北京 100840；3中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191 ）

氫能是公認(rèn)的清潔能源，它具有儲運(yùn)方便、利用途徑多樣、高利用率及來源廣泛等特點(diǎn)，可為解決能源危機(jī)、全球變暖和環(huán)境污染提供幫助。當(dāng)前，一些發(fā)達(dá)國家已將氫能列為國家能源體系中的重要組成部分，我國在氫能的研究及產(chǎn)業(yè)化方面也投入巨大。本文綜合考慮氫能在能源和化工領(lǐng)域的應(yīng)用，較為全面地總結(jié)了氫能作為清潔能源在燃料電池汽車、分布式發(fā)電、燃料電池叉車和應(yīng)急電源，作為能源載體在可再生能源消納以及作為重要化工原料在油品質(zhì)量升級和煤制清潔能源各方面的國內(nèi)外利用現(xiàn)狀，分析明確了氫清潔能源的利用是目前推動氫能發(fā)展的主要動力，氫能源載體的利用有助于可再生能源和氫能的協(xié)同發(fā)展，而氫化工原料的利用則是目前最有希望實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?；玫挠行緩?，同時指出氫的制取、儲運(yùn)和燃料電池技術(shù)依然是制約氫能發(fā)展的關(guān)鍵因素。

氫能；清潔能源；能源載體；化工原料

煤、石油、天然氣等化石能源是當(dāng)今社會的能源消耗主體，隨著消費(fèi)總量的不斷提高，正面臨儲量減少，開采難度加大，生產(chǎn)邊際成本上升的困境。研究認(rèn)為，2020年之前，全球石油產(chǎn)量將到達(dá)頂點(diǎn)，天然氣產(chǎn)量的頂點(diǎn)也將在不久之后到達(dá)，隨之而來的供不應(yīng)求勢必導(dǎo)致世界范圍內(nèi)石油和天然氣價格的飛漲。面對這樣的能源危機(jī)，人們該如何應(yīng)對？

全球變暖和環(huán)境污染對能源的使用提出了新的要求，由其導(dǎo)致的超強(qiáng)臺風(fēng)、颶風(fēng)、海嘯等災(zāi)害，暴雨、暴雪、高溫、霧霾、酸雨等極端天氣時有發(fā)生，控制溫室氣體和污染物的排放已迫在眉睫。面對全球日益嚴(yán)峻的減排任務(wù)，人們又該如何應(yīng)對？

氫能，是公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源[1-2]，它有助于解決能源危機(jī)、全球變暖以及環(huán)境污染，其開發(fā)利用得到了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。本文將圍繞氫能的利用展開，在確定氫能的戰(zhàn)略定位之后，討論了氫作為清潔能源、能源載體以及化工原料的應(yīng)用，較為全面地總結(jié)了國內(nèi)外氫能的利用現(xiàn)狀，總結(jié)面臨的挑戰(zhàn)的同時提出涵蓋能源和化工領(lǐng)域的氫能發(fā)展方式是推動氫能全面發(fā)展的重要途徑。

1 氫能的戰(zhàn)略定位

2001年，在一個由聯(lián)合國發(fā)展計劃署發(fā)起的論壇上，皇家荷蘭殼牌公司的主席菲爾·瓦特說[3]：“石油和天然氣是最重要的礦物燃料，它們曾經(jīng)把整個世界推進(jìn)了工業(yè)時代，但21世紀(jì)它們將為以氫經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的能源新制度革命讓出發(fā)展空間。”縱觀全球，自進(jìn)入21世紀(jì)以來，氫能的開發(fā)利用步伐逐漸加快，尤其是在一些發(fā)達(dá)國家，都將氫能列為國家能源體系中的重要組成部分，人們對其寄予了極大的希望和熱忱。

氫具有清潔無污染、儲運(yùn)方便、利用率高、可通過燃料電池把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的特點(diǎn)，同時，氫的來源廣泛，制取途徑多樣[4]。這些獨(dú)特的優(yōu)勢使其在能源和化工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，集中表現(xiàn)為3個方面，如圖1所示。首先，氫能是一種理想的清潔能源。不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)物只有水，且效率高。隨著燃料電池技術(shù)的不斷完善，以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)將使氫能的清潔利用得到最大發(fā)揮，主要表現(xiàn)在氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、氫燃料電池叉車和應(yīng)急電源產(chǎn)業(yè)化初現(xiàn)端倪。其次，氫能是一種良好的能源載體，具有清潔高效、便于存儲和輸運(yùn)的特點(diǎn)。可再生能源，特別是風(fēng)能和太陽能在近十年來發(fā)展迅猛，但由于本身的不穩(wěn)定，導(dǎo)致其電力上網(wǎng)難，出現(xiàn)大量的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了它們的發(fā)展。將多余電量用于電解制氫，可大規(guī)模消納風(fēng)能、太陽能，制得的氫既可作為清潔能源直接利用，還能摻入到天然氣中經(jīng)天然氣管網(wǎng)輸運(yùn)并利用。最后，氫氣還是化石能源清潔利用的重要原料。成熟的化石能源清潔利用技術(shù)對氫氣的需求量巨大，其中包括煉油化工過程中的催化重整、加氫精制以及煤清潔利用過程中的煤制氣加氫氣化、煤制油直接液化等工藝過程，推進(jìn)氫能在這些方面的應(yīng)用有望加速氫能的規(guī)?；?。

2 以燃料電池為核心的氫能應(yīng)用

氫能是一種理想的清潔能源，其在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展氫能清潔利用的關(guān)鍵。燃料電池是將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有轉(zhuǎn)換效率高、零排放等特點(diǎn)，是最佳的氫能利用技術(shù)。近年來，燃料電池技術(shù)的不斷完善帶動了以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、氫燃料電池叉車以及應(yīng)急電源的應(yīng)用已接近產(chǎn)業(yè)化。

2.1 氫燃料電池汽車

汽車是人類邁向工業(yè)時代的重要標(biāo)志，是社會進(jìn)步的關(guān)鍵因素。然而，傳統(tǒng)車用燃料面臨緊缺，且產(chǎn)生的汽車尾氣是導(dǎo)致全球變暖和環(huán)境污染的主要因素之一，這使得汽車工業(yè)找到新的技術(shù)以替代傳統(tǒng)的燃油技術(shù)并降低污染物排放變得尤為緊迫。氫燃料電池汽車（FCEV）可實(shí)現(xiàn)真正的零排放、零污染，是傳統(tǒng)燃油汽車?yán)硐氲奶娲?，也是氫能清潔利用的主要方式，圖2給出了一種燃料電池汽車的概念設(shè)計圖[5]。

目前，交通用燃料電池的批量生產(chǎn)成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW[6]，這大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013年3月，現(xiàn)代汽車ix35燃料電池車批產(chǎn)型號在韓國蔚山工廠下線[7]，現(xiàn)代成為全球首個批量生產(chǎn)氫燃料電池車的汽車企業(yè)。同年，日本三大車企分別與其它巨頭結(jié)盟，推進(jìn)燃料電池汽車的商業(yè)化，它們是豐田和寶馬、本田和通用、日產(chǎn)和戴姆勒及福特，先后計劃于2015—2017年期間實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車上 市[8]，其中，豐田燃料電池汽車mirai已于2014年12月15日正式上市銷售[9]。在國內(nèi)，氫燃料電池汽車開發(fā)也緊隨其步，在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會及深圳大運(yùn)會期間都開展了燃料電池汽車的示范項目[10]。特別是2014年3月，上海汽車集團(tuán)與德國大眾汽車簽署聯(lián)合聲明，雙方將開展燃料電池技術(shù)合作，并宣布于2015年推出80輛燃料電池汽車，進(jìn)入商業(yè)化示范階段[11]。

然而，氫的制取與儲運(yùn)、燃料電池性能的提高、以及加氫站的建設(shè)等問題仍是制約燃料電池汽車發(fā)展的主要因素，在產(chǎn)業(yè)初期，僅靠企業(yè)一己之力很難取得長足進(jìn)步，還需很大程度依靠政府部門相關(guān)政策頒布及資金投入方面的支持。

2.2 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電一般是指靠近最終用戶或者就在最終用戶處（工廠、商業(yè)企業(yè)、公共建筑、街區(qū)、私人住戶）的集成或者單機(jī)的小型發(fā)電裝置。它具有利用技術(shù)種類多、發(fā)電規(guī)?？纱罂尚　⒃O(shè)備容易安裝及可滿足不同需求等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、商業(yè)和住宅的供電問題提供解決方案。

目前，以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)開始初步商業(yè)化。其中，日本的家用燃料電池發(fā)展領(lǐng)先于世界，截至2013年10月，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（CHP）安裝量已達(dá)57000套，單套售價也已從2009年的350萬日元降至今日的200萬日元左右，有望至2016年降至（70～80）萬日元，到時可完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[8]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）是現(xiàn)有家用CHP最常用的燃料電池類型。CHP的安裝方式主要分為兩類，即離網(wǎng)和并網(wǎng)安裝，前者為避免受負(fù)載波動的影響，使得系統(tǒng)的復(fù)雜性和價格提高，而后者可在用電高峰階段實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)補(bǔ)充供電，當(dāng)用電量較少時可向電網(wǎng)輸入多余電量，為了得到更高的效率，熱存儲單元對于兩者都是不可或缺的，圖3給出了并網(wǎng)安裝的家用CHP示意圖[12]。此外，燃料電池在工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域的應(yīng)用正在開發(fā)中[13-14]，美國能源部資助項目“FutureGen”中SOFC與熱機(jī)的300kW級工程示范裝置發(fā)電效率達(dá)52%，熱電聯(lián)供后效率可達(dá)到80%以上[15]。在我國，國家能源局于2014年4月下發(fā)豁免部分發(fā)電項目電力業(yè)務(wù)許可證的通知，為包括分布式發(fā)電等在內(nèi)的分布式能源、清潔能源發(fā)展創(chuàng)造了相對寬松的環(huán)境，可有效推動國內(nèi)燃料電池分布式發(fā)電的發(fā)展。

將燃料電池系統(tǒng)的壽命提高到80000h是目前發(fā)展燃料電池分布式發(fā)電最具挑戰(zhàn)的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)燃料電池的耐久性和成本指標(biāo)，估計到2020年燃料電池在世界范圍內(nèi)分布式發(fā)電領(lǐng)域的占有量將高達(dá)50%[16]，這為電力供應(yīng)提供了新的途徑，同時提高了供電質(zhì)量和可靠性，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

2.3 氫燃料電池叉車

叉車是物流行業(yè)中必不可少的搬運(yùn)工，是工業(yè)車輛中的重要設(shè)備，但同汽車一樣，大多數(shù)叉車依然使用化石燃料提供動力，產(chǎn)生的尾氣對環(huán)境造成了很大的破壞。保守估計，我國內(nèi)燃叉車保有量約35萬臺，叉車參與的所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，總量估計高達(dá)上千萬噸[17]，因此，將零排放的燃料電池用于叉車行業(yè)的環(huán)境效益顯著，而且，有相關(guān)報道表明燃料電池叉車的效率可在內(nèi)燃叉車的基礎(chǔ)上提高30%～50%[18]。

目前，燃料電池叉車在發(fā)達(dá)國家中的使用已經(jīng)開始。2005年，產(chǎn)自豐田的世界首臺FCHV-F型燃料電池叉車在德國漢諾威舉行的世界最大國際物流展上亮相，隨后，美國Cat公司、德國STILL叉車公司、美國Crown公司、美國Raymond公司等紛紛推出自己的燃料電池叉車。其中美國Plug Power公司的GenDrive 1990燃料電池可完美取代電動叉車的蓄電池，其客戶名單包括寶馬、可口可樂、聯(lián)邦快遞等大公司[19]，據(jù)《FUEL CELL 2000》2013年4月研究報告，目前北美地區(qū)有3500輛燃料電池叉車在用，其中Plug Power公司占有北美燃料電池叉車市場85%的份額。反觀國內(nèi)叉車市場，內(nèi)燃叉車仍占據(jù)主導(dǎo)地位，燃料電池叉車的研發(fā)也才剛剛起步，未來還有很大的發(fā)展空間。

除具有與燃料電池汽車零排放的相同特點(diǎn)之外，燃料電池叉車的使用相對集中，因此方便實(shí)現(xiàn)燃料的集中供給，這將大大減少加氫站建設(shè)方面的投入，這也是燃料電池叉車發(fā)展領(lǐng)先汽車的主要原因。

2.4 應(yīng)急電源

信息技術(shù)部門、銀行、醫(yī)院等重要企業(yè)或機(jī)構(gòu)與人們的日常生活息息相關(guān)，關(guān)乎每個人的切身利益，為了在發(fā)生電力供應(yīng)不足或中斷的情況下能夠保證這些部門繼續(xù)正常工作，要求必須備有強(qiáng)大的應(yīng)急電源系統(tǒng)。常用應(yīng)急電源系統(tǒng)包括鉛酸蓄電池組和移動油機(jī)。但是，鉛酸蓄電池組笨重、備電時間有限且不確定、容易造成環(huán)境污染、對環(huán)境溫度要求苛刻；移動油機(jī)后勤保障復(fù)雜、易造成廢氣污染和噪聲污染等。相比之下，氫燃料電池，以其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長（鉛酸蓄電池的2～10倍[20]）等特點(diǎn)開始受到應(yīng)急電源市場越來越多的青睞。

將氫燃料電池應(yīng)用于應(yīng)急電源的企業(yè)眾多，比如蘋果公司、微軟公司、威瑞森公司、AT&T公司、奧巴哈第一國家銀行等。尤其是通信用燃料電池應(yīng)急/備用電源，已成熟商業(yè)化應(yīng)用5年以上，應(yīng)用規(guī)模達(dá)到了近萬套級，我國三大電信運(yùn)營商已有百余套燃料電池備用電源投入使用[21]。而且，燃料電池應(yīng)急電源的可靠性也在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗證，2012年10月25號ElectraGen?-ME 燃料電池系統(tǒng)為在受颶風(fēng)桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機(jī)服務(wù)領(lǐng)域挽回了大約50%的損失[22]。2012年攀業(yè)公司在中國移動開設(shè)的首個燃料電池試驗局PBP-3000運(yùn)營至今，期間經(jīng)歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運(yùn)行依然穩(wěn)定[23]。

燃料電池的穩(wěn)定可靠性是其在應(yīng)急電源領(lǐng)域推廣的重要優(yōu)勢，當(dāng)然，成本因素仍是限制其規(guī)模化應(yīng)用的主要原因，可以設(shè)想，隨燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)成本繼續(xù)降低，燃料電池在應(yīng)急電源領(lǐng)域的應(yīng)用也將進(jìn)一步加大。

3 以氫為載體的可再生能源應(yīng)用

風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用受間歇性和不可預(yù)測性的影響，造成大量能源的浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了它們的發(fā)展。氫能是一種良好的能源載體，通過電解制氫的方式將風(fēng)電、光伏電轉(zhuǎn)化為氫氣可提高風(fēng)能、太陽能的使用量和利用效率[24-25]，制得的氫氣可直接利用，還可摻入現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輸運(yùn)和利用，其流程如圖4所示。

3.1 可再生能源消納

近年來，可再生能源特別是風(fēng)能、太陽能發(fā)展迅猛，已成為部分國家和地區(qū)的重要能源之一。2013年，全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量為35GW，累計裝機(jī)容量達(dá)到318.12GW，其中，我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量16.09GW，累計裝機(jī)容量為91.4GW，居世界第一位[26]；同年，全球太陽能光伏新增裝機(jī)容量超過36GW，累計裝機(jī)容量超過132GW，其中我國新增并網(wǎng)裝機(jī)容量11.3GW，累計裝機(jī)容量18.1GW，亦居世界第一位[27]。然而，風(fēng)能、太陽能的不穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重的棄電。據(jù)統(tǒng)計，2013年單就我國已運(yùn)營的風(fēng)場“棄風(fēng)”量就超過162億千瓦時，棄風(fēng)率達(dá)到10.74%[26]。

發(fā)展可再生能源，儲能是關(guān)鍵[28]?？稍偕茉吹膬δ芗夹g(shù)主要包括蓄電池蓄能、壓縮空氣蓄能、抽水蓄能及氫儲能技術(shù)，其各自特點(diǎn)如表1所示，通過比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫儲能技術(shù)的成本得到控制，相較于其他儲能技術(shù)，將具有明顯的優(yōu)勢。目前，許多國家已開始借用氫儲能技術(shù)消納可再生能源的方式來推動可再生能源發(fā)展。

表1 儲能技術(shù)的比較

法國阿海琺集團(tuán)的“MYRTE”項目，集成了氫能系統(tǒng)和太陽能光伏電廠，在科西嘉島運(yùn)作，旨在通過調(diào)峰和平穩(wěn)光伏電廠負(fù)載來穩(wěn)定電網(wǎng)。歐盟的資助項目“NGRID”，包括1MW的電解槽和儲氫容量達(dá)33MW?h的金屬氫化物，計劃將在意大利運(yùn)行。此外，加拿大、美國、英國、西班牙、挪威等國，都有氫儲能技術(shù)的示范項目運(yùn)行[29-33]。國內(nèi)也開展了一些氫消納可再生能源的示范項目，2010年年底，在江蘇沿海建成了首個非并網(wǎng)風(fēng)電制氫示范工程[34]，利用1臺30kW的風(fēng)機(jī)直接給新型電解水制氫裝置供電，日產(chǎn)氫氣120m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。2013年11月，河北建投集團(tuán)與德國邁克菲能源公司和歐洲安能公司簽署了關(guān)于共同投建河北省首個風(fēng)電 制氫示范項目的合作意向書，其中包括建設(shè)100MW的風(fēng)電場、10MW的電解槽和氫能綜合利用裝置[35]。

氫儲能技術(shù)巧妙地結(jié)合了可再生能源和氫能的共同發(fā)展，與當(dāng)前人們追求可再生能源及清潔能源的利用趨勢一致。目前，其高昂的投資成本及關(guān)鍵裝置燃料電池、氫氣儲運(yùn)設(shè)備之間的配置與優(yōu)化等問題是限制其發(fā)展的主要因素，當(dāng)各環(huán)節(jié)進(jìn)一步發(fā)展，制氫成本最終得到控制時，其發(fā)展?jié)摿薮?，有望取代傳統(tǒng)制氫，成為既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的制氫方式。此外，制得的氫氣可直接摻入到現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸運(yùn)，這很大程度上減少了氫能的輸運(yùn)成本，有助于推動氫能的大規(guī)模使用。

3.2 可再生能源制得氫氣摻入天然氣的利用

利用可再生能源制氫，可制得大量的氫氣。按照2013年的“棄風(fēng)”量計算，保守估計可制得23.7億立方米氫氣。對于這些氫氣，研究者不得不面臨它的輸運(yùn)問題。常用的輸氫方式有長管拖車、液氫罐車及管道輸運(yùn)，然而，前兩者輸運(yùn)規(guī)模小，且成本高，后者的建設(shè)耗時耗財巨大。因此，將可再生能源制得的氫氣摻入到天然氣，組成摻氫天然氣（HCNG），再通過現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送的方式的提出受到了國際上廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是目前大規(guī)模輸氫的最佳選擇。研究發(fā)現(xiàn)，將氫氣的摻入體積分?jǐn)?shù)控制在17%以下時，基本不會對天然氣管網(wǎng)造成影響[36-37]。

國際上專門針對HCNG開展了一些研究工作。2004—2009年期間，由歐洲委員會支撐的“NATURALHY”項目比較系統(tǒng)的研究了氫氣摻入對整個天然氣系統(tǒng)的影響[38]。2008—2011年，在荷蘭的Ameland開展了有關(guān)將風(fēng)電氫摻入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)的研究，其中2010年年均氫氣摻入體積分?jǐn)?shù)高達(dá)12%[39]。此外，美國能源部（DOE）也對HCNG投入了大量的研究[40-41]。在德國的Falkenhagen，一個具有2MW“電轉(zhuǎn)氫”能力的示范電廠于2013年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線[42]。法國環(huán)境與能源控制署（ADEME）贊助的“GRHYD”項目也是將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分?jǐn)?shù)最高將達(dá)到20%[43]。然而，要開展天然氣管道輸送HCNG，受管道材料、管道配件、天然氣成分及地理環(huán)境的影響，選取合適的摻氫體積分?jǐn)?shù)依然是研究的重點(diǎn)。

HCNG用途廣泛，可用作交通燃料、清潔燃?xì)夂凸I(yè)爐燃料，其中，交通燃料的使用是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，使用氫氣體積分?jǐn)?shù)20%的HCNG的國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到國Ⅳ要求[34]。倘若實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模HCNG的利用，其不僅帶來良好的環(huán)境效益，更有希望緩解我國東部地區(qū)天然氣儲量不足的現(xiàn)狀。

4 氫在化石能源清潔利用中的應(yīng)用

氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)境污染成為全球性的危機(jī)，主要責(zé)任歸咎于化石能源的使用。為了倡導(dǎo)清潔能源的高效利用，控制碳排放量，化石燃料的清潔利用至關(guān)重要。油品質(zhì)量升級和煤制清潔能源是化石能源清潔利用的主要途徑，而加氫則是這些過程中的重要環(huán)節(jié)[44-46]。

4.1 油品質(zhì)量升級

原油是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，然而因其不可再生性使之儲量日益減少，開采難度逐年加大且質(zhì)量不斷降低。特別是最近十年，我國煉油行業(yè)加工高硫和重質(zhì)原油的比例越來越大，原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化的趨勢越發(fā)明顯，但與此同時為追求環(huán)境效益，國家對油品質(zhì)量提出了更高的要求，因此迫切需要提高原油加工深度以提高油品質(zhì)量。

氫氣是煉油企業(yè)提高輕油收率、改善產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的原料。煉油過程中的耗氫主要集中在催化重整和加氫精制工藝，如圖5和圖6所示[47]。整個過程的氫耗一般介于原油質(zhì)量的0.8%～1.4%，如果按照2015年我國預(yù)計的7億噸煉油能力計算[48]，當(dāng)氫耗取原油質(zhì)量的1%時，耗氫量高達(dá)700萬噸。而隨著煉廠各種臨氫工藝的快速發(fā)展，加氫裝置數(shù)量的不斷增多，氫氣的需量將進(jìn)一步加大。目前，氫氣成本已是煉廠原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素[49]。

面對如此巨大的氫氣需求量，選擇經(jīng)濟(jì)的制氫方式至關(guān)重要，目前，全球范圍內(nèi)煉油企業(yè)中的90%制氫裝置都采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法，但考慮到化石能源的減少以及可再生能源制氫成本的下降，由可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來源，這不但具有潛在的成本優(yōu)勢，而且環(huán)境效益明顯。

4.2 煤制清潔能源

我國呈現(xiàn)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展煤制清潔能源，被認(rèn)為是應(yīng)對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的路徑之一，具有重要的戰(zhàn)略意義。

煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑[50]。其中，煤制氣的加氫氣化過程以及煤制油直接液化過程中需要通入大量的氫氣，具體工藝見圖7和圖8[51-52]。僅以神華煤炭直接液化項目為例，按照優(yōu)化后的工藝計算，每單位小時處理250t干煤的耗氫量就高達(dá)19.186t/h[53]。

由國務(wù)院辦公廳下發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020）》中明確指出，要穩(wěn)妥實(shí)施和推進(jìn)煤制氣、煤制油示范工程和技術(shù)研發(fā)。目前，我國已投產(chǎn)的煤制氣項目產(chǎn)能約40億立方米，預(yù)計到2020年其產(chǎn)能將達(dá)到600億立方米[54]。有關(guān)煤制油，僅2014年就有多個百萬噸級甚至600萬噸級的項目獲得國家發(fā)展與改革委員會的審批[55]。隨著示范項目的陸續(xù)成功投產(chǎn)，煤制氣、煤制油項目的投入力度將進(jìn)一步加大，屆時氫氣的需求量也將大大增加，對推動氫氣的規(guī)模化利用作用明顯。類似于油品質(zhì)量升級過程中的氫氣來源，當(dāng)煤制清潔能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，使用由可再生能源制得的氫氣依然是較好的選擇。

在現(xiàn)有條件下，油品質(zhì)量升級及煤制清潔能源工藝基本完善，并考慮到其過程對大量氫氣的需求，使得氫氣作為化工原料在該領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)有條件下推進(jìn)氫能規(guī)模化利用的最佳方式。

5 結(jié) 語

（1）涵蓋能源和化工領(lǐng)域的氫能利用是推動氫能全面發(fā)展的重要途徑，其主要包括在清潔能源、能源載體以及化工原料3個方面的應(yīng)用。首先，氫作為清潔能源的利用是當(dāng)今世界上發(fā)展最快、環(huán)境效益最佳的氫能利用途徑，也是目前推動氫能快速發(fā)展的主要動力；其次，氫作為能源載體用來消納可再生能源的利用已在全球開始推廣，有助于可再生能源和氫能的協(xié)同發(fā)展，利用前景廣闊；最后，氫氣作為化石能源清潔利用的重要原料，需求量巨大，是現(xiàn)有條件下加速氫能規(guī)模化利用的關(guān)鍵。

（2）氫的制取與儲運(yùn)、燃料電池性能的提高與成本的降低、以及加氫站的建設(shè)等問題是目前限制以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，解決這些問題是實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

（3）氫能助推可再生能源的發(fā)展，解決氫的經(jīng)濟(jì)性制取及大規(guī)模輸運(yùn)是關(guān)鍵，其中，將可再生能源制得的氫氣摻入到現(xiàn)有天然氣管道的輸送方式被認(rèn)為是現(xiàn)階段最有效的輸氫方式，但選取合適的摻氫體積分?jǐn)?shù)受多種因素影響，因地而異。

（4）當(dāng)可再生能源制氫的成本得到控制，將可再生能源制得的氫氣作為化石能源清潔利用的原料具有明顯的環(huán)境效益和成本優(yōu)勢。

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Utilization status of hydrogen energy

ZHAO Yongzhi1，MENG Bo1，CHEN Linxin2，WANG Geng3，ZHENG Jinyang1，GU Chaohua1， ZHANG Xin1，ZHANG Junfeng1

（1Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；2China Electronics Engineering Design Institute，Beijing 100840，China；3China National Institute of Standardization，Beijing 100191，China）

Hydrogen is widely recognized as clean energy. It can be stored and transported conveniently，utilized in multiple ways and efficiently，and also has rich resources，which makes it a real help for resolving energy crisis，environment pollution and global warming. At present，hydrogen is classified as an important part of the national energy structure in some developed countries. In China，enormous investments have been made in research and industrialization associated with hydrogen. In this paper，hydrogen applications in energy and chemical sectors are considered and the utilization of hydrogen in China and abroad is presented. Hydrogen is used in fuel-cell vehicles，distributed power generation，fuel-cell forklifts and emergency power supplies as clean energy. It is used in renewable energy consumption as energy carrier and in oil upgrading and clean coal as feedstock. The use as clean energy is the primary way to promote hydrogen development and the use as energy carrier can contribute to coordinated development of renewable energy and hydrogen. Under current conditions，the use as feedstock is a promising way to achieve large-scale utilization of hydrogen. Besides，the production，storage and transportation of hydrogen and fuel cell technology are still the barriers which restrict hydrogen development.

hydrogen；clean energy；energy carrier；chemical feedstock

TK 91

A

1000–6613（2015）09–3248–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.007

2015-02-09；修改稿日期：2015-04-09。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2012AA051504）及國家自然科學(xué)基金（51206145）項目。

趙永志（1977—），男，博士，副教授，主要從事高壓儲氫、氫安全、化工過程裝備及計算顆粒力學(xué)方面的研究。聯(lián)系人：顧超華，碩士，副教授，主要從事先進(jìn)能源承壓設(shè)備、極端承壓設(shè)備方面的研究。E-mail guchaohua@zju.edu.cn。