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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(hù)集團(tuán)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(shì)，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(yùn)行性能并降低運(yùn)營成本。本文針對(duì)上述問題進(jìn)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(píng)價(jià)；（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(diǎn)的可持續(xù)發(fā)展模型；（3）對(duì)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(jì)，僅煤炭消費(fèi)就占能源消費(fèi)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(chǔ)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(chǔ)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(fèi)，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(shí)才會(huì)產(chǎn)生水蒸氣。氫的熱值很高，按重量計(jì)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?yàn)樗簧婕盎剂希膊簧婕皽厥覛怏w排放。如果綠色氫能夠?yàn)槿剂想姵仄囂峁﹦?dòng)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(gè)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(chǔ)存和運(yùn)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(diǎn)。《中國氫能產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測(cè)，到2030年我國氫氣需求量將達(dá)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(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。截至2021年5月底，全國已有30個(gè)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(gè)城市計(jì)劃建設(shè)加氫站或者新建加氣站。預(yù)計(jì)2025年底前還將有26個(gè)城市加入“十四五”規(guī)劃，進(jìn)一步推動(dòng)加氫站建設(shè)。氫能的成本較高，目前仍處于研發(fā)試驗(yàn)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(duì)氫源供應(yīng)與儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的投入，氫能源技術(shù)及產(chǎn)品價(jià)格將會(huì)有所降低，從而帶動(dòng)下游氫燃料車銷量增加并拉動(dòng)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(chǔ)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(duì)較高可能會(huì)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(duì)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(huì)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(chǔ)存。儲(chǔ)氫方法是一項(xiàng)正在進(jìn)行的研究，包括在不同條件下的化學(xué)儲(chǔ)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(jì)，解決上述兩個(gè)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(shì)，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(jì)是否會(huì)真正到來，或者何時(shí)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(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的最終成本可能高達(dá)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(chǔ)存和運(yùn)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(gè)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(jì)。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(rèn)為，氫能可以在大約半個(gè)世紀(jì)內(nèi)穩(wěn)定地成為主要的能源載體，因?yàn)闅淠茉诩夹g(shù)和環(huán)境方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。目前最關(guān)鍵的問題是如何建立一個(gè)完整的氫生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(chǔ)存和運(yùn)輸氫。在對(duì)氫氣生產(chǎn)方法進(jìn)行廣泛研究的同時(shí)，對(duì)氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)的研究也在進(jìn)行中。目前，儲(chǔ)氫方法主要有地下液化氫儲(chǔ)罐和可運(yùn)輸壓縮氫儲(chǔ)罐。作為一種可行的大規(guī)模儲(chǔ)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(chǔ)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(dú)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(gè)適合中國發(fā)展的大型的氫運(yùn)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(chǔ)備倉庫以及穩(wěn)定的運(yùn)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(gè)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(qiáng)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(shí)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(chǔ)氫技術(shù)

高壓儲(chǔ)氫是最常用的儲(chǔ)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(chǔ)氫。由于氫密度小，儲(chǔ)存效率不是很高。當(dāng)壓力達(dá)到15MPa時(shí)，儲(chǔ)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(huì)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(gè)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(chǔ)氫密度，甚至達(dá)到“準(zhǔn)液化”的程度。當(dāng)壓力降低時(shí)，氫氣會(huì)自動(dòng)逸出[7]。該技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的儲(chǔ)氫具有重要意義。

近年來，MOFs（金屬有機(jī)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(chǔ)存領(lǐng)域。它使用有機(jī)材料作為支架的框架，并使用金屬分子作為鏈接點(diǎn)，使材料的表面積最大化。它的孔徑是納米級(jí)的。通過減小孔徑，增加孔隙數(shù)量，可以進(jìn)一步擴(kuò)大比表面積，增加存儲(chǔ)空間。MOFs材料可以從氧化鋅和對(duì)苯二甲酸酯等許多廉價(jià)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(shí)際應(yīng)用。綜上所述，高壓儲(chǔ)氫是一項(xiàng)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(jìn)，還需要注意安全問題。由于其他新型儲(chǔ)氫方式尚未真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、民用化普及，基于價(jià)格考慮，目前較多采用高壓儲(chǔ)氫方式進(jìn)行儲(chǔ)氫。

3.2 氫氣運(yùn)輸

地下管道可用于將大型儲(chǔ)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(chǔ)存主要是利用地面儲(chǔ)罐來完成運(yùn)輸和存儲(chǔ)。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(duì)能源需求越來越高，因此地下管線建設(shè)成為必然。但對(duì)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(diǎn)。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(shí)時(shí)監(jiān)控需要等問題。針對(duì)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(gè)部分：主服務(wù)器（Prime），中間件平臺(tái)（Mobile Developer）以及應(yīng)用層軟件。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(shí)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(duì)中國未來的氫氣能源市場(chǎng)全面評(píng)估需要對(duì)目前公開的各種儲(chǔ)氫技術(shù)和輸氫技術(shù)進(jìn)行模糊層次分析法（AHP）的分析和評(píng)價(jià)。因?yàn)閷哟畏治龇梢詫⑿枰鸺?jí)比較的技術(shù)與不同重要程度的技術(shù)進(jìn)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(jì)一個(gè)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈過程，為中國未來的氫能源市場(chǎng)對(duì)電力能源系統(tǒng)的影響提供可能的評(píng)估。

4 未來展望

儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)技術(shù)才能實(shí)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(chǔ)存方法從所儲(chǔ)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(duì)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的研究具有一定的可行性，現(xiàn)有的儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括：壓縮儲(chǔ)氫技術(shù)（氣體）、液態(tài)氫儲(chǔ)存、玻璃微球儲(chǔ)氫及有機(jī)復(fù)合儲(chǔ)氫。下一步將對(duì)現(xiàn)有的氫技術(shù)以成本、安全性和儲(chǔ)氫效率為主要因素，對(duì)各種儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行AHP分析，結(jié)合每種技術(shù)本身的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)最佳綜合儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

氫氣輸送技術(shù)離不開儲(chǔ)氫技術(shù)。從某種意義上說，氫氣輸送技術(shù)是一種移動(dòng)儲(chǔ)氫技術(shù)。如何高效儲(chǔ)存氫氣，確保運(yùn)輸過程中的安全，不僅是氫氣運(yùn)輸?shù)膯栴}，也是氫氣儲(chǔ)存的問題。在各種運(yùn)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(shí)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(yùn)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(shí)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(dòng)設(shè)備也需要有固定的加氫站，以不斷補(bǔ)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(gè)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(duì)于氣態(tài)氫、液態(tài)氫和固態(tài)氫的運(yùn)輸，也在研究不同類型的運(yùn)輸技術(shù)，但重點(diǎn)是如何保證運(yùn)輸過程中的安全和運(yùn)輸效率。因此，氫能運(yùn)輸技術(shù)的層次分析法應(yīng)考慮和評(píng)價(jià)運(yùn)輸效率、運(yùn)輸安全、運(yùn)輸能力和運(yùn)輸成本等因素。

氫能源的應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行利用，而在交通方面則以燃料電池汽車為代表。雖然短時(shí)間看氫氣能源會(huì)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(jiǎn)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?yàn)樾滦碗娏ο到y(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?yàn)樾滦碗娏ο到y(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?yàn)樾滦碗娏ο到y(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(hù)集團(tuán)有限公司管道分公司，研究方向?yàn)樾滦碗娏ο到y(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?yàn)樾滦碗娏ο到y(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?yàn)楦邏弘娎|線路故障檢修。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊