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氢能发展现状与研究前沿①

2018-12-12 00:10admin中国电力时空网

氢能是指以氢及其同位素为主导的反应中或氢在状态变化过程中所释放的能量。它可以产生于氢的热核反应,也可来自氢与氧化剂发生的化学反应。前者称为热核能或聚变能,其能量非常巨大,通常属核能范畴;后者称为燃料反应的化学能,就是人们通常所说的氢能。氢作为能源,具有许多优点:①所有元素中,氢的质量最轻,它是除核燃料外发热量最大的燃料,它的高位发热量为142.35kJ/kg,是汽油发热值的3倍;②氢是自然界中存在最丰富的元素,据估算它构成了宇宙质量的75%,在地球上,自然氢存在的量极其稀少,但氢元素却非常丰富,水是最丰富的含氢物质,其次是各种化石燃料(天然气、煤和石油等)及各种生物质等;③氢本身无毒,与其他燃料相比,氢气和大气中的氧气燃烧或反应后,只生成水,因而清洁无污染;④氢的燃烧性能好,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;⑤氢能利用形式多样,即可通过燃烧产生热能,在燃气轮机、内燃机等热力发动机中产生机械功,又可以作为燃料用于燃料电池;⑥氢可以以气态、液态或固态形式、金属氢化物形式和吸附氢等形式存在,因此能适应储运及各种应用环境的不同需求。氢能和电能一样,没有直接的资源蕴藏,都需要从别的一次能源转化得到,所以,氢能是一种二次能源。与电和热等载能体相比,氢最大的特点是可以大规模地以化学能形式储存。作为一种二次能源,氢能具有的优势和对能源可持续发展支持的潜力是多方面的。氢能不仅对未来长远的能源系统(聚变核能和可再生能源为主)具有巨大意义,而且对人类仍将长期依赖的化石能源系统也具有重要的现实意义。氢能体系的内涵可理解为建立在氢能制备、储存、运输、转换及终端利用基础上的能源体系。在这样的体系中,氢作为能源载体,成为能源流通的货币或商品,氢能既是与电力并重而又互补的优质二次能源,又可以直接应用于各种动力或转化装置的终端燃料能源,渗透并服务于社会经济的各个方面。21世纪人类将迈入氢经济时代,然而要真正实现氢作为能源的广泛使用,还需要解决氢的规模生产、储存、输运及高效转化利用等一系列关键科学技术问题。从世界氢能迅猛发展的势头看,21世纪前20~40年将是各种氢能关键技术商品化和产业化的重要阶段,其技术实用性和生产成本等都将取得重大突破。我国应尽早制定我国氢能发展总体战略规划,大力开展相应关键技术的研发与示范。

氢能发展现状与研究前沿①

(一)国际能源署(IEA)的氢能战略

IEA的氢能项目战略目标为,通过国际合作和信息分享,推动、协调并保持氢能领域的创新性研究、开发和示范活动。主要关注技术、能源安全、环境、经济性、市场、部署以及拓展等七个方面的内容。IEA氢能项目自1977年以来,已经实施和正在部署的实施项目达到28个,20多个国家承担了氢能利用和制备方面的项目。这些项目针对的前景为:氢能在未来经济中的各个方面发挥重要作用,形成清洁的可持续发展的全球能源供应体系。项目实施的目标为:加快氢能实施和推广应用。项目实施的战略为:加强国际合作和信息交流,促进、协调并维持创新研究、发展和示范活动。2005年12月,国际能源署发布了《氢能与燃料电池前景展望(Prospects for Hydrogen and Fuel Cells)》报告,对氢能在未来能源供给多样性,以及限制二氧化碳排放方面的作用给予期待,同时,探究了氢能发展潜力和燃料电池在未来能源市场的地位。但从真正进入市场方面来看,报告认为氢能和燃料电池还需要实现重大的技术突破,在降低成本同时还需要政府的政策扶持。报告认为,基于氢能的特点,用于车辆系统的氢能与燃料电池研发最为热门。而在众多车用能源可选技术方案中,氢能源燃料电池可能是最难实现的方案。这也吸引了全球政府和公司最大关注兴趣及空前的研发投入。目前,全球范围内有约400项的车用氢能与燃料电池示范项目在进行过程中,在最有利的条件得以满足的情况下,到2050年,全球30%的车辆将会以氢能燃料电池驱动,即大约7亿辆汽车的保有量。

(二)美国的氢能发展战略

美国从本国能源供应安全角度出发,为了能够逐渐减少对国外进口石油的依赖,较早开始了氢能和燃料电池的研发。从立法、政策和国家重大研究项目的立项三个层面来确保美国氢能和燃料电池技术的国际领先地位。2001年,美国政府再次通过2001氢能法案(HydrogenEnergyActof2001),主要涉及氢能商业化应用的研究和演示以及开发氢能生产的方法,减少环境影响,降低从可再生能源和非可再生能源制氢的成本和能耗,该法案还明确拨款4亿美元作为2002~2006年度研究经费。迄今为止,美国已经启动实施了三个氢能重大研究计划。

氢能发展现状与研究前沿①

首先是2002年开始实施的自由汽车合作研究和燃料行动计划(Freedom CAR and Fuel Initiative)。2003年,美国总统布什宣布,拨款17亿美元实施这一计划,其中12美元用于在未来5年发展关于氢能生产、储存和分配所需的技术和基础设施。该计划的主要目标是:降低氢能成本,2010年前使氢能成本从当前汽油的4倍降低到与之同一水平;②提供有效的氢能存储技术,实现氢燃料电池的经济可行性;③到2020年使燃料电池汽车的市场竞争力于内燃机汽车相当,实现燃料电池汽车的商业化。其次是2003年2月美国政府宣布启动的未来一代(FutureGen)计划。该计划为期10年,总经费10亿美元,目标是涉及、建造并运行276MW示范工厂,生产电力和氢能并实现零排放,以此证明煤基零排放技术的工程、经济和环境可行性,以实现煤清洁发电,最终达到零排放的目标以及CO2的永久封存。第三就是美国能源部为了配合美国能源政策的实施,提出的一个庞大的全面涉及氢能生产、储存、运输和燃料电池应用的氢能计划(Hydrogen, Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program),该计划的主要内容包括:①开发针对短期、中期和长期目标的氢能生产技术;②开发廉价和低重量储氢技术,解决固定氢源和车载氢源,同时解决氢的运输问题;③开发和优化氢的安全高效利用方法,减少排放或达到零排放;④为公用事业部门和交通部门的应用确定可持续的氢能供应系统;⑤对技术和过程进行评估和分析,确定能够实现氢能利用的途径。美国能源部提出的氢能计划的近期,中期和远期目标分别为:近期目标以化石能源和电解水提供氢气,从而使氢气以具有竞争力的价格提供给终端应用;中期目标发展分布式的燃料电池发电系统和燃料电池汽车在交通运输上的广泛应用;长期目标是以可再生能源系统产氢为社会提供洁净的、丰富的能源;最终目标是以可再生能源生产廉价氢,使得氢能够广泛用作洁净能源的载体和燃料。

美国能源部对氢能的展望为:未来20年,出于对全球气候变化和能源安全的关注,氢能将在一些特定市场的应用上取得突破,最终,氢能和电能将来自可再生能源,但是,化石能源在这期间仍将是主要的过渡性资源。燃料电池技术的发展将提供一个机遇,使得氢在交通部门和发电方面的应用具有广阔的市场前景。至此,美国对氢能的规划从最初对高效过程的追求逐渐过渡到摆脱石油资源的依赖和CO2的减排上,并形成了相对成熟的“氢经济”构想,提出了四个自由的原则:①摆脱对国外石油的依赖;②消除CO2和其他污染物的排放;③国民能够不受时间、地点和车型的限制自由驾车出行;④便利地获得燃料供应。

(三)欧盟的氢能发展战略

2002年,欧盟委员会主席普罗迪在15个成员国会议上表示,欧洲已确定新能源使用目标,即到2010年,欧洲电力需求的22%,所有能源需求的12%必须来自新能源,到2020年所有可替代能源的5%来自氢。为实现此目标,欧盟委员会拨款20亿美元作为未来5年可转换能源项目的研究经费,研发经费比过去5年增加了20倍,研究目标集中于燃料电池的发展。2003年,总金额高达175亿欧元的欧盟第六框架协议开始启动,其第一轮资金支持的氢能项目约有30个,共投入资金1亿欧元,涉及氢能制造(1460万欧元)、氢能贮藏(1070万欧元)、氢能安全及其标准制订(750万欧元)、氢能的传输(2134万欧元)、氢能的最终应用(1350万欧元)、高温燃料电池(1510万欧元)、SOFC燃料电池(1495万欧元)、便携式燃料电池(275万欧元)以及其他通用技术研发(21万欧元)。尽管欧盟对氢能及燃料电池的投入规模较大,但是相对于FP6的175亿欧元资金投入总额,其份额很小,不到1%。目前,欧盟正在实施从2007年至2013年的第七个研究、技术发展与示范活动框架计划(简称FP7),总预算为505.21亿欧元,其中能源领域的预算总额为23.50亿欧元,研究目标是优化目前能源结构,以可再生、无污染的多样化能源为基础,减少对进口燃料的依赖;提高能源效率,包括能源的合理利用及储存;应对能源供应安全和气候变化问题的同时,提高欧洲工业的竞争力。该计划中设立了专门的氢能和燃料电池专题。

(四)日本的氢能发展战略

日本从自身资源贫瘠的国情特点出发,非常重视新能源的开发,也是最早系统制定氢能发展规划的国家。早在20世纪80年代,日本政府就成立了新能源和工业技术发展组织,负责日本燃料电池的技术开发。

氢能发展现状与研究前沿①

日本通产省于1993年启动了世界能源网项目,其目标是为构建一个环球能源网络以实现氢能的高效供给、输送与利用。该计划分为三个阶段,第一阶段(1993~1998年)主要分析氢生产、储存和利用的可行性,投资78亿日元,进行基础研究;第二阶段(1999~2005年)推出氢的生产、储存和利用示范工艺;第三阶段(2006~2020年)实现氢的生产、储存和利用商品化。该项目计划总投入30亿美元。目前,WE-NET计划已在燃料电池现场发电或车用以及氢运输和储存方面开展了广泛的研究,并取得了较大进展。WE-NET计划在第一阶段结束后,做出了修改,将第二阶段缩短至2002年,投资81亿日元,第三阶段改为2003~2007年,主要发展氢能的安全使用和基础设施的建设。为配合WE-NET第三阶段的实施,NEDO在2002年启动了为期三年的氢能与燃料电池示范项目,以期对氢能基础设施、燃料电池车等进行前面的测试和评估。

(五)中国的氢能发展

作为世界上最大的发展中国家,我国政府重视发展氢能及其应用技术。目前,在氢能及燃料电池领域,已经初步形成了从基础研究、应用研究到示范演示的全方位格局。在基础研究方面,科技部973计划已资助多个氢能项目:2000年,973计划“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”项目启动,总经费3000万元;2008年,国家科技部支持973计划“利用太阳能规模制氢的基础研究”项目继续滚动,开展“高效低成本直接太阳能化学及生物转化与利用的基础研究”项目研究工作,经费总额4200万元;在氢能与燃料电池技术应用示范研究方面,科技部863计划也给与了重点资助:2001年,科技部投资3000万元开展863计划后续能源主题“氢能技术和高温燃料电池技术”研究;2002年,科技部启动电动汽车重大科技专项,在863计划中安排8.8亿元开展燃料电池客车和轿车研究,以期在燃料电池、燃料电池发动机及整车系统方面形成一整套拥有自主知识产权的核心技术,最终开发成功燃料电池公交车和燃料电池轿车;2006年科技部863计划设立了“氢能及燃料电池技术”专题,共发布9个研究方向,包括制氢技术、储氢和输氢技术、燃料电池技术和氢安全技术等4个探索导向类以及分布式小型天然气及液体燃料制氢技术、新型储氢技术、加氢站系统技术、电站用质子交换膜燃料电池技术、固体氧化物燃料电池技术等5个目标导向类,立项48个课题,支持经费7313万元。

2008年北京奥运会期间,我国自主开发的多辆氢燃料电池城市客车和燃料电池轿车首次投入运行。燃料电池城市客车在北京公交801路(区间)上示范运行,全天平均行程约85公里。本次燃料电池城市客车的示范运行不仅是科技奥运的“明星工程”之一,同时也是FCB项目的一部分,示范运行时间为期1年,将持续至2009年7月。燃料电池轿车作为公务VIP用车在奥运中心投入示范运营,与近500辆各类电动汽车一道,实现了奥运核心区污染零排放。在北京中关村科技园区永丰高新技术产业基地的北京新能源交通示范园建有占地面积近4000平方米的加氢示范站,一期包括加氢示范站外供氢气贮存、加注系统和新能源车辆示范运行维护基地,已于2006年10月建成。二期包括新能源产业创新中心、新能源交通教育馆、现场制氢装置等,现已建成全面投入使用。燃料电池车加氢需要20分钟,加满后行驶250公里左右。基本上,一辆车每天回站加氢一次。在日前召开的2008(首届)中国绿色能源汽车发展高峰论坛上,科技部部长万钢说:“我国自主研发的节能与新能源汽车,在这次奥运示范运行考核中表现得非常出色,得到了各国代表的好评,取得了圆满的成功。”

经过几年的努力,我国在氢能领域取得了较大成绩。一是形成了一支专业研究队伍,目前,包括中科院、高等院校在内的十几个科研机构在氢能领域开展研究工作;二是在氢能领域形成了一大批具有自主知识产权的新技术、新材料和新工艺;三是多家单位联合开发成功了燃料电池公交车和燃料电池轿车,并进入演示阶段。以上海神力、中科院大连化物所以及武汉理工大学为代表的研究团体初步建立了车用燃料电池自主知识产权体系,积累了燃料电池的车用经验。尽管如今国际社会对氢能特别是氢燃料电池车的研究持更加冷静和务实的态度,但在氢能及燃料电池技术研发与示范方面的努力一刻也没有停止。发达国家依然投入大量的人力物力开展研究,开发各种高效率、高可靠性和低成本的新一代氢能利用新技术,以期推动氢能及燃料电池的技术进步,促进其商业化进程。