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★ 國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司丁一銘

★ 北京卓越電力建設(shè)有限公司李鑫，莊磊，王保偉

★ 北京京電電網(wǎng)維護集團有限公司管道分公司哈岳，劉占鵬

摘要：氫氣作為一種新型的電力能源供應(yīng)體系，具有清潔、高效、安全等優(yōu)勢，但也存在著成本高、效率低等問題，因此需要通過構(gòu)建以合理有效的氫燃料電池系統(tǒng)為主的能源互聯(lián)網(wǎng)來提高其運行性能并降低運營成本。本文針對上述問題進行了分析與研究，主要包括：（1）目前氫能應(yīng)用現(xiàn)狀的綜合評價；（2）從理論基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合目前國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況以及當(dāng)前所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，建立適合我國氫能行業(yè)特點的可持續(xù)發(fā)展模型；（3）對未來氫能源發(fā)展的展望。

中國的能源主要依賴于化石燃料，它們屬不可再生資源。根據(jù)國家能源局2021年統(tǒng)計，僅煤炭消費就占能源消費總量的56.8%。但這種能源結(jié)構(gòu)不能減少溫室氣體（GHG）的排放，因此依賴不可再生資源的狀態(tài)是難以持續(xù)維持的。中國幅員遼闊，擁有豐富的太陽能和風(fēng)能等可再生能源，然而這些能量來源的問題在于其性質(zhì)的不規(guī)律性，它們產(chǎn)生的能量不能被有效地儲存起來。目前，利用這些能量來發(fā)電，然后通過水電解，以氫的形式儲存起來的方式正在被越來越多的國家應(yīng)用，以此來控制化石能源消費，改善能源結(jié)構(gòu)[1]。

1 氫能應(yīng)用現(xiàn)狀

氫是一種清潔、可再生和豐富的能源載體[2]，只有在燃燒時才會產(chǎn)生水蒸氣。氫的熱值很高，按重量計算是傳統(tǒng)化石燃料的3倍。氫的能量可以作為燃料電池的燃料有效地釋放出來，或者直接燃燒而不排放任何溫室氣體。此外，氫還廣泛應(yīng)用于煉油和氨生產(chǎn)等其他工業(yè)生產(chǎn)過程中。目前主要的制氫方法是天然氣蒸汽重整，全世界約有50%的氫是用這種方法處理的，其中只有約4%來自可再生能源。由可再生能源產(chǎn)生的氫被稱為綠色氫，因為它不涉及化石燃料，也不涉及溫室氣體排放。如果綠色氫能夠為燃料電池汽車提供動力，那么就可以大大減少溫室氣體排放。此外，氫也可以在國內(nèi)用作燃料，氫燃燒產(chǎn)生的唯一產(chǎn)物是水，可以在水的電解過程中再用作原料，產(chǎn)生氫氣，如圖1所示，這樣就形成了氫氣循環(huán)，一個無碳排放且環(huán)保的循環(huán)體系。

圖1 氫供應(yīng)鏈與可再生資源的綠色制氫

天然氣可以通過蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化制氫，也可以用生物質(zhì)氣化制氫。綠色氫是利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源電解水生產(chǎn)的，然后將氫儲存和運輸?shù)饺剂险臼褂肹3]。

氫能作為清潔的二次能源，具有環(huán)保、低碳等特點。《中國氫能產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測，到2030年我國氫氣需求量將達到6000萬噸/年（折合11350億美元），在終端能源體系中占比約5%[4]。因此，發(fā)展和推廣使用氫氣成為了當(dāng)前亟待解決的重要問題。近年來，隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，燃料電池汽車開始進入商業(yè)化應(yīng)用階段。截至2021年5月底，全國已有30個城市發(fā)布了相關(guān)政策文件或規(guī)劃目標(biāo)，其中有22個城市計劃建設(shè)加氫站或者新建加氣站。預(yù)計2025年底前還將有26個城市加入“十四五”規(guī)劃，進一步推動加氫站建設(shè)。氫能的成本較高，目前仍處于研發(fā)試驗階段。未來隨著規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，以及產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加大對氫源供應(yīng)與儲運環(huán)節(jié)的投入，氫能源技術(shù)及產(chǎn)品價格將會有所降低，從而帶動下游氫燃料車銷量增加并拉動上游制氫行業(yè)發(fā)展。

2 氫能應(yīng)用目前遇到的限制

在氫能利用循環(huán)中存在著一些制約因素，主要表現(xiàn)在制氫環(huán)節(jié)和儲氫環(huán)節(jié)。水電解制氫的效率比其他方法要高，但成本相對較高可能會阻礙其生產(chǎn)。電解通常比傳統(tǒng)能源生產(chǎn)成本更昂貴，在某些情況下，電解槽對水的雜質(zhì)很敏感，在此過程中需要使用純度較高的純凈水，這也會增加氫氣生產(chǎn)成本。在正常的大氣條件下，氫是以蒸氣的形式存在的。氫氣作為蒸汽的能量密度比汽油和天然氣低得多，因此，必須將氫氣壓縮成液態(tài)或其他方式儲存。儲氫方法是一項正在進行的研究，包括在不同條件下的化學(xué)儲存和物理吸收，并使用不同的材料來提高其氫氣容量。要發(fā)展氫循環(huán)或氫經(jīng)濟，解決上述兩個制約因素在現(xiàn)階段至關(guān)重要。

根據(jù)目前的研究，雖然氫能與化石燃料等傳統(tǒng)能源載體相比具有一定的優(yōu)勢，但完整的氫能技術(shù)仍不成熟，成本較高，沒有人能夠確定氫經(jīng)濟是否會真正到來，或者何時有可能用完整的氫技術(shù)取代現(xiàn)有的主要能源技術(shù)。建設(shè)整個能源網(wǎng)絡(luò)的最終成本可能高達數(shù)萬億美元。完整氫能技術(shù)的應(yīng)用不僅包括生產(chǎn)可再生氫氣，還包括如何儲存和運輸氫氣。因此，根據(jù)目前氫能相關(guān)技術(shù)的水平，構(gòu)建一個完整的氫能技術(shù)體系需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施。在這些基礎(chǔ)設(shè)施中，有些需要重新開發(fā)和設(shè)計。盡管存在上述問題，但氫能仍有很好的發(fā)展前景。大多數(shù)氫能專家認為，氫能可以在大約半個世紀(jì)內(nèi)穩(wěn)定地成為主要的能源載體，因為氫能在技術(shù)和環(huán)境方面都有一定的優(yōu)勢。目前最關(guān)鍵的問題是如何建立一個完整的氫生產(chǎn)、儲存、運輸和應(yīng)用的一體化網(wǎng)絡(luò)。

目前，制氫技術(shù)有很多，可以用來制氫的原料也有很多。使用天然氣、煤炭和其他原料生產(chǎn)的氫不能稱為可再生氫。使用化石能源（太陽能、風(fēng)能或核能等）以外的技術(shù)生產(chǎn)的氫，或者像CCS（碳捕獲和儲存）這樣不產(chǎn)生任何溫室氣體排放的氫，可以被稱為可再生氫。

目前應(yīng)用最廣泛的方法是水電解和生物質(zhì)氣化。雖然電解水是目前最直接、最方便的制氫方法，但由于生產(chǎn)所需的電力成本較高，且與其他方法相比生產(chǎn)率較低，不建議今后繼續(xù)使用這種方法。在新的生產(chǎn)技術(shù)方面，生物和光電化學(xué)仍處在實驗室探索階段。

假設(shè)氫的生產(chǎn)能力和能源供應(yīng)能力已經(jīng)達到與化石燃料相同的水平，下一步要解決的是如何大規(guī)模儲存和運輸氫。在對氫氣生產(chǎn)方法進行廣泛研究的同時，對氫氣儲存和運輸技術(shù)的研究也在進行中。目前，儲氫方法主要有地下液化氫儲罐和可運輸壓縮氫儲罐。作為一種可行的大規(guī)模儲氫方法，人們正在研究地下洞穴、含水層和天然氣田等地?zé)釛l件是否適合大規(guī)模儲氫。在氫氣輸送方面，除了使用壓縮罐輸送外，研究表明，將氫氣和天然氣按一定比例混合后，可以通過天然氣管道輸送。可單獨輸氫的管道尚未研究成功，但可以預(yù)見，隨著未來氫能產(chǎn)業(yè)的增長，氫管道的研究和建設(shè)將成為輸氫研究的主要方向。下文將介紹一個適合中國發(fā)展的大型的氫運輸和分銷網(wǎng)絡(luò)。

3 符合國情的氫能發(fā)展路線分析

氫氣能源相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施包括大規(guī)模儲備倉庫以及穩(wěn)定的運輸方式影響著國內(nèi)大型城市電力能源的穩(wěn)定性。中國的大型城市非常區(qū)域化，以北京、上海、廣州、深圳等超一線城市為核心在中國版圖上呈現(xiàn)出多個大型城市群。很多地區(qū)的電力設(shè)施高度集中，城市化發(fā)展快速，這些城市群都具有較強的工業(yè)能力，氫氣生產(chǎn)行業(yè)的潛力很高，可以通過管道或管拖車來實現(xiàn)中短距離的氫氣輸送。像這樣的地區(qū)可以安裝大型的、位于中央?yún)^(qū)域的氫氣能源生產(chǎn)設(shè)施，以便在短距離內(nèi)按需向周圍城市提供氫氣能源。

3.1 儲氫技術(shù)

高壓儲氫是最常用的儲氫技術(shù)，通常采用高壓氣瓶作為容器[5]。材料范圍從碳鋼容器到錳容器、鉻鉬容器和不銹鋼容器。如今，更復(fù)雜類型的特殊合金容器也用于儲氫。由于氫密度小，儲存效率不是很高。當(dāng)壓力達到15MPa時，儲氫質(zhì)量密度小于3%[6]。因此，在不斷開發(fā)新材料、新工藝的基礎(chǔ)上，氣體容器的充裝壓力也需要不斷提高。但需要注意的是，如果氫壓過高，可能會導(dǎo)致氫分子逃離容器壁或造成氫脆。為了解決這一問題，目前的研究主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）容器材料的選擇。通過選擇合適的材料性能，容器能承受更高的壓力和更輕的重量，可以減少氫分子通過容器壁，避免氫脆。目前，在浸漬樹脂的碳纖維容器外包層上，鍛鋁合金襯墊效果最好。容器的最大壓力為70MPa，貯氫密度約為7%~8%。（2）在容器中加入一些吸氫物質(zhì)，這可以大大提高壓縮氫的儲氫密度，甚至達到“準(zhǔn)液化”的程度。當(dāng)壓力降低時，氫氣會自動逸出[7]。該技術(shù)對于實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的儲氫具有重要意義。

近年來，MOFs（金屬有機骨架）作為一種新型的理想支架結(jié)構(gòu)材料，被用于氫能源儲存領(lǐng)域。它使用有機材料作為支架的框架，并使用金屬分子作為鏈接點，使材料的表面積最大化。它的孔徑是納米級的。通過減小孔徑，增加孔隙數(shù)量，可以進一步擴大比表面積，增加存儲空間。MOFs材料可以從氧化鋅和對苯二甲酸酯等許多廉價的原料中提取，因此沒有成本。但目前，其制備技術(shù)尚處于發(fā)展階段，短期內(nèi)無法投入實際應(yīng)用。綜上所述，高壓儲氫是一項較為成熟的技術(shù)，但在壓力、容量、重量等方面都無法得到更好的改進，還需要注意安全問題。由于其他新型儲氫方式尚未真正實現(xiàn)工業(yè)化、民用化普及，基于價格考慮，目前較多采用高壓儲氫方式進行儲氫。

3.2 氫氣運輸

地下管道可用于將大型儲氫設(shè)施與氫氣生產(chǎn)側(cè)或用戶側(cè)連接起來。目前，在全球范圍內(nèi)的地下天然氣儲存主要是利用地面儲罐來完成運輸和存儲。而地下管線則可以分為兩種形式：一是直接鋪設(shè)到地表；二是通過隧道或者其他方式連接至地面。由于城市發(fā)展對能源需求越來越高，因此地下管線建設(shè)成為必然。但對于如何提高施工效率以及降低成本，一直是工程技術(shù)人員研究的重點。傳統(tǒng)的天然氣管線管理系統(tǒng)存在著系統(tǒng)復(fù)雜、缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫接口、無法提供全面有效的信息管理、難以滿足實時監(jiān)控需要等問題。針對以上情況，在新型氫氣管道輸送系統(tǒng)中采用分布式數(shù)據(jù)管理模式，提出了一種面向分布式數(shù)據(jù)中心的氫氣管線信息系統(tǒng)整體架構(gòu)。該體系包括三個部分：主服務(wù)器（Prime），中間件平臺（Mobile Developer）以及應(yīng)用層軟件。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)的不斷成熟，基于這些技術(shù)的地下管網(wǎng)信息化管理逐漸得到重視并開始應(yīng)用于實際工作中。以“智慧”為核心的新型地下氫氣能源管線信息管理系統(tǒng)解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)從信息采集、分析處理到?jīng)Q策支持全過程的可視化管理。

下一步對中國未來的氫氣能源市場全面評估需要對目前公開的各種儲氫技術(shù)和輸氫技術(shù)進行模糊層次分析法（AHP）的分析和評價。因為層次分析法可以將需要逐級比較的技術(shù)與不同重要程度的技術(shù)進行比較，以直觀地、嚴(yán)格地確定符合標(biāo)準(zhǔn)的最技術(shù)性的解決方案。然后，利用收集到的數(shù)據(jù)和AHP方法選擇的技術(shù)，設(shè)計一個完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，模擬從原料生產(chǎn)到產(chǎn)品應(yīng)用的各個產(chǎn)業(yè)鏈過程，為中國未來的氫能源市場對電力能源系統(tǒng)的影響提供可能的評估。

4 未來展望

儲氫技術(shù)還需要大量的研究和開發(fā)，這與成熟的再生氫生產(chǎn)技術(shù)相比是有一定差距的。儲氫問題是可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，由于現(xiàn)有技術(shù)和材料的限制，只有在某些特定領(lǐng)域采用先進技術(shù)才能實現(xiàn)高效、安全地制氫。例如，在航空航天工業(yè)中，美國航天局目前使用的液化氫儲存方法從所儲存氫的質(zhì)量和體積性能來看是理想的，但其成本極其昂貴，而且相關(guān)的安全技術(shù)非常復(fù)雜，不適合民用。根據(jù)現(xiàn)有的研究，對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)儲氫技術(shù)的研究具有一定的可行性，現(xiàn)有的儲氫技術(shù)主要包括：壓縮儲氫技術(shù)（氣體）、液態(tài)氫儲存、玻璃微球儲氫及有機復(fù)合儲氫。下一步將對現(xiàn)有的氫技術(shù)以成本、安全性和儲氫效率為主要因素，對各種儲氫技術(shù)進行AHP分析，結(jié)合每種技術(shù)本身的優(yōu)缺點，對最佳綜合儲氫技術(shù)進行評價。

氫氣輸送技術(shù)離不開儲氫技術(shù)。從某種意義上說，氫氣輸送技術(shù)是一種移動儲氫技術(shù)。如何高效儲存氫氣，確保運輸過程中的安全，不僅是氫氣運輸?shù)膯栴}，也是氫氣儲存的問題。在各種運輸載體的成熟發(fā)展和應(yīng)用條件下，如何以可再生能源為能源，實現(xiàn)可再生能源產(chǎn)品向目標(biāo)設(shè)備或工業(yè)設(shè)施的高效、安全輸送，是氫能運輸技術(shù)的關(guān)鍵問題。例如，氫能可以取代化石燃料，取代火力發(fā)電，成為可持續(xù)的氫能發(fā)電，但如何在短時間內(nèi)高效、低成本地向發(fā)電廠供應(yīng)大量的氫。此外，氫能汽車等氫能源移動設(shè)備也需要有固定的加氫站，以不斷補充所需的氫。目前最理想的方法是通過大量的管道網(wǎng)絡(luò)以氣體的方式將氫輸送到目的地。一個完整的氫氣輸送管網(wǎng)需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施和相應(yīng)成熟的氫氣輸送技術(shù)。此外，對于氣態(tài)氫、液態(tài)氫和固態(tài)氫的運輸，也在研究不同類型的運輸技術(shù)，但重點是如何保證運輸過程中的安全和運輸效率。因此，氫能運輸技術(shù)的層次分析法應(yīng)考慮和評價運輸效率、運輸安全、運輸能力和運輸成本等因素。

氫能源的應(yīng)用場景將從工業(yè)領(lǐng)域向交通、發(fā)電等其他行業(yè)拓展。目前，氫氣主要還在化工領(lǐng)域進行利用，而在交通方面則以燃料電池汽車為代表。雖然短時間看氫氣能源會使部分制造業(yè)、城市居民的用電成本上升，但隨著技術(shù)發(fā)展以及成本下降，未來氫能有足夠的潛力代替煤、石油的化石能源，在電力能源網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要地位。

作者簡介:

丁一銘（1994-），男，北京人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，研究方向為新型電力系統(tǒng)與高壓電纜線路故障檢修。

李   鑫（1983-），男，北京人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，研究方向為新型電力系統(tǒng)與高壓電纜線路故障檢修。

哈   岳（1980-），男，北京人，助理工程師，大專，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，研究方向為新型電力系統(tǒng)與高壓電纜線路故障檢修。

劉占鵬（1987-），男，河北辛集人，助理工程師，大專，現(xiàn)就職于北京京電電網(wǎng)維護集團有限公司管道分公司，研究方向為新型電力系統(tǒng)與高壓電纜線路故障檢修。

莊   磊（1986-），男，河北保定人，助理工程師，本科，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，研究方向為新型電力系統(tǒng)與高壓電纜線路故障檢修。

王保偉（1972-），男，北京人，助理工程師，現(xiàn)就職于北京卓越電力建設(shè)有限公司，研究方向為高壓電纜線路故障檢修。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年12月刊