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★ 國網北京市電力公司電纜分公司丁一銘

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摘要：氫氣作為一種新型的電力能源供應體系，具有清潔、高效、安全等優勢，但也存在著成本高、效率低等問題，因此需要通過構建以合理有效的氫燃料電池系統為主的能源互聯網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）目前氫能應用現狀的綜合評價；（2）從理論基礎出發，結合目前國內氫能產業發展情況以及當前所面臨的技術挑戰，建立適合我國氫能行業特點的可持續發展模型；（3）對未來氫能源發展的展望。

中國的能源主要依賴于化石燃料，它們屬不可再生資源。根據國家能源局2021年統計，僅煤炭消費就占能源消費總量的56.8%。但這種能源結構不能減少溫室氣體（GHG）的排放，因此依賴不可再生資源的狀態是難以持續維持的。中國幅員遼闊，擁有豐富的太陽能和風能等可再生能源，然而這些能量來源的問題在于其性質的不規律性，它們產生的能量不能被有效地儲存起來。目前，利用這些能量來發電，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用，以此來控制化石能源消費，改善能源結構[1]。

1 氫能應用現狀

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生水蒸氣。氫的熱值很高，按重量計算是傳統化石燃料的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，氫還廣泛應用于煉油和氨生產等其他工業生產過程中。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，氫也可以在國內用作燃料，氫燃燒產生的唯一產物是水，可以在水的電解過程中再用作原料，產生氫氣，如圖1所示，這樣就形成了氫氣循環，一個無碳排放且環保的循環體系。

圖1 氫供應鏈與可再生資源的綠色制氫

天然氣可以通過蒸汽甲烷轉化制氫，也可以用生物質氣化制氫。綠色氫是利用太陽能、風能等可再生能源電解水生產的，然后將氫儲存和運輸到燃料站使用[3]。

氫能作為清潔的二次能源，具有環保、低碳等特點。《中國氫能產業白皮書》預測，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，發展和推廣使用氫氣成為了當前亟待解決的重要問題。近年來，隨著燃料電池技術的不斷成熟，燃料電池汽車開始進入商業化應用階段。截至2021年5月底，全國已有30個城市發布了相關政策文件或規劃目標，其中有22個城市計劃建設加氫站或者新建加氣站。預計2025年底前還將有26個城市加入“十四五”規劃，進一步推動加氫站建設。氫能的成本較高，目前仍處于研發試驗階段。未來隨著規模效應逐漸顯現，以及產業鏈上下游企業加大對氫源供應與儲運環節的投入，氫能源技術及產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發展。

2 氫能應用目前遇到的限制

在氫能利用循環中存在著一些制約因素，主要表現在制氫環節和儲氫環節。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。電解通常比傳統能源生產成本更昂貴，在某些情況下，電解槽對水的雜質很敏感，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。要發展氫循環或氫經濟，解決上述兩個制約因素在現階段至關重要。

根據目前的研究，雖然氫能與化石燃料等傳統能源載體相比具有一定的優勢，但完整的氫能技術仍不成熟，成本較高，沒有人能夠確定氫經濟是否會真正到來，或者何時有可能用完整的氫技術取代現有的主要能源技術。建設整個能源網絡的最終成本可能高達數萬億美元。完整氫能技術的應用不僅包括生產可再生氫氣，還包括如何儲存和運輸氫氣。因此，根據目前氫能相關技術的水平，構建一個完整的氫能技術體系需要大量的基礎設施。在這些基礎設施中，有些需要重新開發和設計。盡管存在上述問題，但氫能仍有很好的發展前景。大多數氫能專家認為，氫能可以在大約半個世紀內穩定地成為主要的能源載體，因為氫能在技術和環境方面都有一定的優勢。目前最關鍵的問題是如何建立一個完整的氫生產、儲存、運輸和應用的一體化網絡。

目前，制氫技術有很多，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的氫不能稱為可再生氫。使用化石能源（太陽能、風能或核能等）以外的技術生產的氫，或者像CCS（碳捕獲和儲存）這樣不產生任何溫室氣體排放的氫，可以被稱為可再生氫。

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

假設氫的生產能力和能源供應能力已經達到與化石燃料相同的水平，下一步要解決的是如何大規模儲存和運輸氫。在對氫氣生產方法進行廣泛研究的同時，對氫氣儲存和運輸技術的研究也在進行中。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熱條件是否適合大規模儲氫。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，但可以預見，隨著未來氫能產業的增長，氫管道的研究和建設將成為輸氫研究的主要方向。下文將介紹一個適合中國發展的大型的氫運輸和分銷網絡。

3 符合國情的氫能發展路線分析

氫氣能源相關的基礎設施包括大規模儲備倉庫以及穩定的運輸方式影響著國內大型城市電力能源的穩定性。中國的大型城市非常區域化，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出多個大型城市群。很多地區的電力設施高度集中，城市化發展快速，這些城市群都具有較強的工業能力，氫氣生產行業的潛力很高，可以通過管道或管拖車來實現中短距離的氫氣輸送。像這樣的地區可以安裝大型的、位于中央區域的氫氣能源生產設施，以便在短距離內按需向周圍城市提供氫氣能源。

3.1 儲氫技術

高壓儲氫是最常用的儲氫技術，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。當壓力達到15MPa時，儲氫質量密度小于3%[6]。因此，在不斷開發新材料、新工藝的基礎上，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，這可以大大提高壓縮氫的儲氫密度，甚至達到“準液化”的程度。當壓力降低時，氫氣會自動逸出[7]。該技術對于實現大規模、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構材料，被用于氫能源儲存領域。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，其制備技術尚處于發展階段，短期內無法投入實際應用。綜上所述，高壓儲氫是一項較為成熟的技術，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工業化、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施與氫氣生產側或用戶側連接起來。目前，在全球范圍內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。由于城市發展對能源需求越來越高，因此地下管線建設成為必然。但對于如何提高施工效率以及降低成本，一直是工程技術人員研究的重點。傳統的天然氣管線管理系統存在著系統復雜、缺乏統一的數據庫接口、無法提供全面有效的信息管理、難以滿足實時監控需要等問題。針對以上情況，在新型氫氣管道輸送系統中采用分布式數據管理模式，提出了一種面向分布式數據中心的氫氣管線信息系統整體架構。該體系包括三個部分：主服務器（Prime），中間件平臺（Mobile Developer）以及應用層軟件。近年來，隨著大數據、云計算等信息技術的不斷成熟，基于這些技術的地下管網信息化管理逐漸得到重視并開始應用于實際工作中。以“智慧”為核心的新型地下氫氣能源管線信息管理系統解決方案能夠實現從信息采集、分析處理到決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和輸氫技術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與不同重要程度的技術進行比較，以直觀地、嚴格地確定符合標準的最技術性的解決方案。然后，利用收集到的數據和AHP方法選擇的技術，設計一個完整的氫能產業鏈，模擬從原料生產到產品應用的各個產業鏈過程，為中國未來的氫能源市場對電力能源系統的影響提供可能的評估。

4 未來展望

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

氫氣輸送技術離不開儲氫技術。從某種意義上說，氫氣輸送技術是一種移動儲氫技術。如何高效儲存氫氣，確保運輸過程中的安全，不僅是氫氣運輸的問題，也是氫氣儲存的問題。在各種運輸載體的成熟發展和應用條件下，如何以可再生能源為能源，實現可再生能源產品向目標設備或工業設施的高效、安全輸送，是氫能運輸技術的關鍵問題。例如，氫能可以取代化石燃料，取代火力發電，成為可持續的氫能發電，但如何在短時間內高效、低成本地向發電廠供應大量的氫。此外，氫能汽車等氫能源移動設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絡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需要大量的基礎設施和相應成熟的氫氣輸送技術。此外，對于氣態氫、液態氫和固態氫的運輸，也在研究不同類型的運輸技術，但重點是如何保證運輸過程中的安全和運輸效率。因此，氫能運輸技術的層次分析法應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。

氫能源的應用場景將從工業領域向交通、發電等其他行業拓展。目前，氫氣主要還在化工領域進行利用，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、城市居民的用電成本上升，但隨著技術發展以及成本下降，未來氫能有足夠的潛力代替煤、石油的化石能源，在電力能源網絡中占據重要地位。

作者簡介:

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

李   鑫（1983-），男，北京人，工程師，本科，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統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，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統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，現就職于北京京電電網維護集團有限公司管道分公司，研究方向為新型電力系統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，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線路故障檢修。

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

參考文獻：

[1] 楊靜媛. 智能電網服務 "智慧天津" [N]. 中國電力報, 2013.

[2] 馬紅翠, 陳景潤, 樊耀亭. 水解預處理對秸稈類生物質發酵生物制氫的影響[C]. 中國化學會2008年中西部地區無機化學、化工學術交流會, 2008.

[3] The University of British Columbia. Clean Energy Research Centre: Hydrogen[EB/OL].

[4] 楊明清, 楊一鵬. 俄羅斯氫能源開發現狀及未來發展[J].石油石化節能, 2021.

[5] 周曉明. 全球視野下江蘇新能源產業發展研究報告[M]. 南京: 東南大學出版社, 2010.

[6] 劉關君, 李永峰, 陳紅. 綠色能源[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2012.

[7] 歐訓民. 氫能制取和儲存技術研究發展綜述[J]. 能源研究與信息, 2009, 25 (1) : 1 - 4.

摘自《自動化博覽》2022年12月刊