五、氢能

5.1 氢能的优势

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。           

氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：

重量最轻：标准状态下，密度为 0.0899g/l，－252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。

导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。

普遍元色：据估计它构成了宇宙质量的 75%，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。

理想的发热值：除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

燃烧性能好 :点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快

无毒：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化

5.2 氢能的技术发展

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：

重量最轻：标准状态下，密度为 0.0899g/l，－252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。

导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。

普遍元色：据估计它构成了宇宙质量的 75%，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。

理想的发热值：除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

燃烧性能好 :点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快

无毒：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化

5.3 氢能的产业分类

氢能源技术的进步是实现氢能源产业化的必要条件。氢能产业链三大环节，每个环节都很很高的技术壁垒和难题，未来氢能源行业发展重心将集中于上游的电解水制氢、中游的化学储氢和下游的燃料电池领域。

5.3.1上游制氢：电解水制氢将成主流，成本将随电价下降而下降

氢能是一种二次能源不可以直接获得，需要通过制备获得。目前制氢技术主要有传统能源和生物质的热化学重整、水的电解和水的光解。其中化石能源重整是主导，成本低并且已"有利可图"，但不可持续、不环保；电解水制氢将成主流，成本将随电价而下降；光解水效率太低，期待技术突破。
虽然目前电解水制氢成本远高于石化燃料，而煤气化制氢和天然气重整制氢相对于石油售价已经存在利润空间。但是用化石燃料制取氢气不可持续，不能解决能源和环境的根本矛盾。并且碳排放量高，煤气化制氢二氧化碳排放量高达193kg/GJ，天然气重整制氢也有69kg/GJ，对环境不友好。而电解水制氢是可持续和低污染的，这种方法的二氧化碳排放最高不超过30kg/GJ，远低于煤气化制氢和天然气重整制氢。同时电解水制氢的技术相对已经比较成熟，制氢效率也已经能达到70%，未来电解水成本下降也是必然趋势。
近几年，可再生能源发电的装机总量和发电量都在快速增长，电价的下降是必然趋势。中国已有相关政策出台，发改委下发关于适当调整陆上风电标杆上网电价的通知，将第I类、II类和III类资源区风电标杆上网电价每千瓦时降低2分钱。 

电解水制氢成本未来会下降。电价下降和技术发展、规模化效应，都会使氢气成本下降，并且一般新技术的产业化都走在完全实现经济性之前，电解水产业即将兴盛。 

5.3.2、中游储运：高密度储氢是关键，储氢材料突破将助力氢能大发展 

氢是所有元素中最轻的，在常温常压下为气态，密度仅为0.0899kg/m3，是水的万分之一，因此其高密度储存一直是一个世界级难题。储氢问题一旦突破，氢能必将迎来繁荣发展。储氢材料储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。储氢材料最大的优势是储氢体积密度大，相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少。并且操作容易、运输方便、成本低、安全等，恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点，成为最具发展潜力的一种储氢方式。但是它们仍然存在一些技术问题待解决。

5.3.3、下游应用：交通领域起飞在即，无人机上的应用有望成为突破口

氢能源的应用有两种方式：

一是直接燃烧（氢内燃机），

二是采用燃料电池技术，

燃料电池技术相比于氢内燃机效率更高，故更具发展潜力。目前以燃料电池技术为基础的应用已经很广阔，现阶段主要分布在叉、固定式和便携式三个方面，燃料电池车正在大力推进中，未来将遍及所有能源相关下游包括汽车、发电和储能等领域。无人机发展至今已在很多领域发挥了巨大的作用，近两年也逐步进入人们的视野成为市场的热点，特别是消费级无人机迎来爆发。但是目前无人机大多使用锂电池供能，受限于锂电池容量密度，而无人机不同于汽车，对质量更敏感，需要尽可能减轻起飞重量，无法携带大容量电池，因此其续航能力一直是一个很大的软肋。通常情况下，无人机续航在30-60分钟左右，并且每次充电时间长。氢燃料电池具有续航时间长，加注氢气时间短几分钟就能完成，同时生命周期内性能衰减小的绝对优势，成为无人机功能体系的一个强势可替代选项。

5.4 氢气储能的优势

可再生能源是人类社会的重要发展方向。可再生能源的消纳是制约可再生能源发展的关键技术之一。由于可再生能源（如水电、风能、太阳能）的间歇性特点，不能长时间持续、稳定地输出电能，导致大量弃风、弃光现象发生。储能技术可将可再生能源发电储存起来，在需要时释放，以保障可再生能源发电持续、稳定的电能输出，提高电网接纳间歇式可再生能源的能力。
以往的储能技术分为物理储能、化学储能及热储能。物理储能包括机械储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能）与电磁储能（超级电容器、超导储能）；化学储能基于电化学原理进行储电，如铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，实现热能的直接利用或热发电。这些技术的主要目的均是储电，利于充放电短周期内的就地使用，若需要进行长周期的储能，如不同季节，储电则会受到其容量的限制。
在新能源体系中，氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，其能量密度（140MJ/kg）是固体燃料（50MJ/kg）的两倍多。且燃烧产物为水，是最环保的能源，既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等。因此，氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体。对可再生和可持续能源系统而言，氢气是一种极好的能量存储介质。氢气作为能源载体的优势在于：①氢和电能之间通过电解水与燃料电池技术可实现高效率的相互转换；②压缩的氢气有很高的能量密度；③氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力。同时，可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能，更利于储存与运输。所存储的氢气可用于燃料电池发电，或单独用作燃料气体，也可作为化工原料。 

5.5 氢能的终极发展目标

燃料电池是高效清洁利用氢能的最佳工具，燃料电池技术是普及氢能利用的核心技术。近年来，该技术在国际范围内已取得了重大突破，并开始在多个应用领域进入商业化运营阶段。

各国争相发展的终极能源

世界范围随着氢能应用技术发展逐渐成熟，以及全球应对气候变化压力的持续增大，氢能产业的发展在世界各国备受关注，氢能及燃料电池技术作为促进经济社会实现低碳环保发展的重要创新技术，已经在全球范围内达成了共识，多国政府都已出台氢能及燃料电池发展战略路线图，美国、日本、德国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度。氢能开发与利用已成为发达国家能源体系中的重要组成部分。如全球发展氢能最积极国家之一的日本，近年发布了一系列激励政策，并在氢燃料电池领域取得超过1500件专利。

在车用能源领域，氢能燃料电池被认为是实现车辆使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术方案，是未来汽车产业技术竞争的制高点。目前，欧美日等发达国家已开发出多款氢燃料电池汽车，并配套建设加氢站。2017年，宝马，奔驰、通用等公司都开始商业化发售氢燃料电池汽车。

自2011年以来，我国政府有关部门从战略、产业结构、科技、财政等方面相继发布了一系列政策，引导并鼓励包括氢燃料电池和相关产业在内的氢能产业发展。但目前国内在燃料电池技术发展、氢能产业装备制造等方面相对滞后，氢能产业发展速度落后于发达国家。

氢能与燃料电池行业属于前瞻性新兴产业。中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟成立后，将一方面通过集聚相关产业在产、学、研各方面的技术资源，加强协同创新，统筹推动包括制氢、储运氢、加氢基础设施、燃料电池应用的全产业链技术突破，加快掌握更多关键核心技术；另一方面，加强产业及市场协同，统筹指导联盟成员凝练自身研发与产业优势，在氢能利用技术、安全技术、氢能技术标准上开展深度合作，推动氢能和燃料电池在国防、分布式能源、汽车动力、储能装备等方向的跨领域应用，建立融投资机制以吸引风险投资和发起基金，加速推广中国的氢能产业布局，共同推进中国氢能社会的构建。