氫能與燃料電池電動汽車第3章 氫的應(yīng)用

氫能與燃料電池電動汽車HydrogenEnergy&FuelCellElectricVehicle機(jī)械工業(yè)出版社目錄第3章氫的應(yīng)用3.1概述3.2氫用作清潔的燃料3.3氫原子能——核聚變3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1概述

氫的用途廣泛，除核燃料外，氫的發(fā)熱值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，其熱值是汽油的三倍，且其質(zhì)量能量密度也大約是汽油的3倍，可供發(fā)電、供熱、交通利用，使用過程不產(chǎn)生污染。近年來，氫能利用形式多，既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。用氫代替煤和石油，不需對現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用。因此概括起來，氫能的利用方式主要有三種：①通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能；②直接燃燒；③核聚變。所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出十倍，在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體，在航天，交通，工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛使用（見表3-1和圖3-1），氫能的開發(fā)正在引發(fā)一場深刻的能源革命，并將可能成為21世紀(jì)的主要能源。

3.1概述表3-1氫的用途

3.1概述圖3-1氫在各領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1概述

尤其是近年來，日本在氫燃料電池車領(lǐng)域的技術(shù)突破，使大家越來越關(guān)注氫能技術(shù)，尤其是在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。氫燃料電池車相比傳統(tǒng)汽車，具有無污染，無噪聲，無傳動部件的優(yōu)勢，相比電動車，具有續(xù)航里程長，充電時(shí)間短的優(yōu)勢。除了在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，氫能源還可用于大中規(guī)模的儲能和發(fā)電，可作為工業(yè)能源、化工原料等，用途非常廣泛。目前，美、歐、日等發(fā)達(dá)國家都從國家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度，制定了長期的氫能源發(fā)展戰(zhàn)。時(shí)至今日，氫能的利用已有長足進(jìn)步。自從1965年美國開始研制液氫發(fā)動機(jī)以來，相繼研制成功了各種類型的噴氣式和火箭式發(fā)動機(jī)。美國的航天飛機(jī)已成功使用液氫做燃料。我國長征2號、3號也使用液氫做燃料。利用液氫代替柴油，用于鐵路機(jī)車或一般汽車的研制也十分活躍。氫汽車靠氫燃料、氫燃料電池運(yùn)行也是溝通電力系統(tǒng)和氫能體系的重要手段。所以，研究利用氫能已成為當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.1依靠氫能飛上天1869年俄國著名學(xué)者門捷列夫整理出化學(xué)元素周期表，把氫元素放在周期表的首位，從氫出發(fā)，尋找眾多的元素與氫元素之間的關(guān)系，至此對

氫的研究和利用更加科學(xué)系統(tǒng)化了。至1928年，德國齊柏林公司利用氫的巨大浮力，制造了世界上第一艘“LZ—127齊柏林”號飛艇

，首次把人們從德國運(yùn)送到南美洲，實(shí)現(xiàn)了空中飛渡大西洋的航程。大約經(jīng)過十年的運(yùn)行，航程16萬多公里，使1.3萬人感受了飛上田的驚奇，這是氫能利用的奇跡。

目前，各類航空器均采用專用航空燃料。航空燃料為石油制品，燃燒尾氣中含有氮氧化物，而目前各類民航飛機(jī)及部分軍用飛機(jī)之飛行高度均在大氣平流層，因此，航空器尾氣在光化學(xué)反應(yīng)下分解臭氧，成為大氣層臭氧空洞的重要污染源之一。氫氣重量輕，比重小，熱能高，已經(jīng)應(yīng)用于人類一些生產(chǎn)和生活活動。利用氫能作為動力，可減少航空器飛行負(fù)重，為民航飛機(jī)提供更多載重量，為軍用飛機(jī)提供更長時(shí)間航程動力保證。氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源進(jìn)人高能耗的航空行業(yè)，可減少傳統(tǒng)不可再生能源的消耗，減少環(huán)境的破壞。氫能應(yīng)用于航空器，可減少現(xiàn)有航空器尾氣污染，改造航空器動力系統(tǒng)，甚至可帶來航空行業(yè)的新革命。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.1依靠氫能飛上天

二十世紀(jì)以來，隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展，氫能已經(jīng)為人類航天所用。氫氣作為自然界分子量最小的物質(zhì)，在質(zhì)量上擁有其他物質(zhì)不可比擬的特性。科學(xué)家們使用液氫液氧作為航天器推進(jìn)器燃料，這一技術(shù)已經(jīng)不斷成熟，對于氫能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用可能集中在以下兩個(gè)方面。（1）開發(fā)小型液氫液氧動力推進(jìn)系統(tǒng)

借鑒航天工業(yè)應(yīng)用液氫燃料的成熟經(jīng)驗(yàn)，可開發(fā)小型民用及軍用航空液氫／液氧動力推進(jìn)系統(tǒng)。其反推噴氣式工作原理，有利于航空器飛行速度的進(jìn)一步提高。液氫服氧動力推進(jìn)系統(tǒng)相對于目前使用的一般航空燃料系統(tǒng)具有重量上的優(yōu)勢。如若液氫服氧推進(jìn)器不能在航空器起飛加速和降落減速時(shí)完全適用目前的地面條件，可借鑒航天器的發(fā)射飛行經(jīng)驗(yàn)，在液氫/液氧推進(jìn)系統(tǒng)中配備常規(guī)燃料推進(jìn)系統(tǒng)。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.1依靠氫能飛上天（2）開發(fā)原子氫能動力系統(tǒng)

雖然液氫／液氧系統(tǒng)體積較小，但是其易燃易爆的特性在廣泛應(yīng)用于民航工業(yè)中有較大的難度，同時(shí)保持氫氧液體狀態(tài)的高壓低溫條件也對飛行器的制造、維修、飛行帶來了高度的挑戰(zhàn)。如能在常溫常壓下儲存氫氣，可帶來氫能在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。利用納米技術(shù)，選用特定的物質(zhì)，在原子或分子水平上，構(gòu)成特殊的原子儲存管道，利用特殊方法，將氫氣以原子形式儲存于儲存材料的管道之中。利用這種原理，可在一立方厘米的材料中儲存幾百升的氫氣。在地面大氣壓下，氫氣可安全的儲存運(yùn)輸，到達(dá)萬米高空后，氣壓驟減，使用特殊的技術(shù)，使儲存材料中的氫氣源源不斷的釋放而出。這種技術(shù)，需配備一系列專用技術(shù)手段，從氫氣的儲存材料的開發(fā)到氫氣的充人、釋放，及氫氣動力推進(jìn)器的開發(fā)。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車1．氫內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

氫燃料發(fā)動機(jī)根據(jù)氫能源的純度可以分為純氫燃料和摻氫燃料兩種，純氫燃料在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用是在原來以汽油作燃料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，改為完全用氫能源作燃料，這種發(fā)動機(jī)的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)主要有：只是通過和空氣進(jìn)行簡單的混合就能夠很容易地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)氫能源和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后的產(chǎn)物只有水和氮氧化合物，不會產(chǎn)生固體物質(zhì)，所以對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的損害非常小，相對來說對汽車所用的潤滑油幾乎不會產(chǎn)生污染；但是由于氫能源的在燃燒時(shí)溫度高，會產(chǎn)生很大的熱量等特點(diǎn)，導(dǎo)致通過應(yīng)用氫能源的發(fā)動機(jī)經(jīng)常會遇到早燃、回火、敲缸、發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷高等問題?，F(xiàn)在很多研發(fā)成功的氫內(nèi)燃機(jī)都是混合動力的，氫能源在作為汽車發(fā)動機(jī)的燃料時(shí)，還可以和其他的燃料一起使用，它只是作為燃料的一部分，這種應(yīng)用也稱為摻氫燃料發(fā)動機(jī)，通過在燃料中摻雜一部分氫能源，可以有效地提高汽油機(jī)的使用性能。例如，在一次補(bǔ)充燃料后不能到達(dá)目的地，但能找到加氫站的情況下就使用氫為燃料；或者先使用液氫，然后找到普通加油站加汽油。這樣就不會出現(xiàn)加氫站還不普及的時(shí)候人們不敢放心使用氫動力汽車的情況。氫內(nèi)燃機(jī)由于其點(diǎn)火能量小，易實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，故可在更寬闊的工況內(nèi)得到較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用

目前，燃料電池按其電解質(zhì)不同，常用的燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等，其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）操作溫度低、啟動速度快，是車用燃料電池的首選。1）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的應(yīng)用。目前發(fā)展最快的燃料電池是質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池，也叫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。其工作溫度約為80℃，工作效率很高，電力密度高，體積相對較小，能在嚴(yán)寒條件下快速啟動，最適合用做車用燃料電池。美國最早用于阿波羅飛船的一種小型燃料電池稱為美國型，實(shí)為離子交換膜燃料電池，它的發(fā)電效率高達(dá)75%，運(yùn)行溫度低于100℃，但是必需以純氧作氧化劑。后來，美國又研制一種用于氫能汽車的燃料電池，充一次氫可行300公里，時(shí)速可達(dá)100公里，這是一種可逆式質(zhì)子交換膜燃料電池，發(fā)電效率最高達(dá)80％。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用2）融熔碳酸鹽型燃料電池（MCFC）的應(yīng)用。融熔碳酸鹽型燃料電池一般稱為第二代燃料電池，其運(yùn)行溫度650℃左右，發(fā)電效率約55％，日本三菱公司已建成10千瓦級的發(fā)電裝置。這種燃料電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，由于工作溫度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氫、一氧化碳、天然氣等均可。氧化劑用空氣，發(fā)電成本每千瓦小時(shí)可低于40美分。3）固體氧化物燃料電池（SOFC）的應(yīng)用。固體氧化物型燃料電池被認(rèn)為是第三代燃料電池，其工作溫度較高，一般在800~1000℃左右，發(fā)電效率可超過60%，目前不少國家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進(jìn)行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時(shí)低于20美分。在商業(yè)和工業(yè)用氫燃料電池發(fā)電領(lǐng)域，2017年日本廠商已正式將固體氧化物型氫燃料電池投入市場。預(yù)計(jì)到2025年，結(jié)合余熱利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)（是指一種電力技術(shù)使其發(fā)電成本與現(xiàn)有電力成本持平的能力）。其中，低壓發(fā)電的設(shè)備資本性支出應(yīng)降至50萬日元/千瓦，發(fā)電成本應(yīng)降至25日元/千瓦時(shí)；高壓發(fā)電的設(shè)備資本性支出應(yīng)降至30萬日元/千瓦，發(fā)電成本應(yīng)降至17日元/千瓦時(shí)。另外，還要提高固體燃料電池的發(fā)電效率和耐久性。屆時(shí)，發(fā)電效率要超過55%，未來則要超過65%，耐久性則要由目前的9萬小時(shí)增至2025年的13萬小時(shí)。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用

（1）在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

氫能的交通利用即以氫燃料電池驅(qū)動汽車、船舶、火車、城市輕軌及飛機(jī)等交通工具。氫燃料電池汽車(FCEV)是目前最主要的交通利用方式，在一些國家已開始小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。燃料電池電動汽車可為用戶提供低碳出行選擇，與此同時(shí)，提供的駕駛性能可與傳統(tǒng)車輛相媲美。FCEV是對電池驅(qū)動電動車(BEV)的補(bǔ)充，能夠克服當(dāng)前電池在中高負(fù)載循環(huán)過程中存在的一些限制（重量、可行駛里程和燃料加注時(shí)間等）。用電解裝置實(shí)現(xiàn)可再生能源電力制氫，有利將波動性較高的可再生能源電力(VRE)整合能源系統(tǒng)中（圖3-3）。它們將電動交通市場擴(kuò)展到高性能電動車領(lǐng)域（長途或高利用率車輛，例如卡車、火車、公共汽車、出租車、渡船、游輪、航空、叉車），當(dāng)前而言，在這些領(lǐng)域中，電池的使用仍然受限。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車圖3-3氫氣整合應(yīng)用

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（1）在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

表3-2列出了氫和這些氫基燃料在不同運(yùn)輸方式下的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。行業(yè)

目前氫的作用需求角度未來發(fā)展機(jī)遇挑戰(zhàn)汽車和貨車(輕型汽車)汽車在運(yùn)營中，大部分在加州、歐洲和日本，中國有示范營運(yùn)全球汽車預(yù)計(jì)繼續(xù)增長；氫可以占領(lǐng)部分市場氫：加注時(shí)間短，儲存能量增加重量少，尾氣排放零，燃料電池可能比鋰電池更具競爭力氫：燃料補(bǔ)給站最初利用率低，增加了燃料成本；減少所需的燃料電池和儲存費(fèi)用；從井-車輪的效率損失

卡車和巴士(重型汽車)示范和利基市場：~25000輛叉車；~500輛公共汽車~400輛卡車；~100貨車。預(yù)計(jì)到2019年底，中國將有數(shù)千輛公交車和卡車

強(qiáng)勁增長行業(yè)；長距離和重型應(yīng)用對氫很有吸引力

專屬車隊(duì)可協(xié)助克服加氫站使用率低的挑戰(zhàn)；長距離和重型是有吸引力的選擇Power-to-liquid：耗電量大，生產(chǎn)成本高氨：接近最終用戶的腐蝕性和有害物質(zhì)意味著，使用可能仍然僅限于專業(yè)操作人員表3-2氫在不同行業(yè)的適用性

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（1）在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

表3-2氫在不同行業(yè)的適用性（續(xù)）

海運(yùn)海運(yùn)僅限于小型船舶的示范項(xiàng)目和大型船舶的船上電源供應(yīng)到2030年，海運(yùn)活動將增長45%左右。2020年的空氣污染目標(biāo)和2050年的溫室氣體目標(biāo)可以促進(jìn)氫燃料的發(fā)展Power-to-liquid：有限地改變分配、業(yè)務(wù)和設(shè)施的現(xiàn)狀；還通過提高產(chǎn)量最大限度地利用生物量氫：與電池一起，可在港口和滑行過程中提供船上能源供應(yīng)Power-to-liquid：目前的價(jià)格是煤油的4到6倍，從長期來看將會下降到1.5到2倍，有可能導(dǎo)致價(jià)格上漲和需求下降

鐵路

德國有兩列氫火車

鐵路是許多國家的主要交通工具

氫動力列車在鐵路貨運(yùn)(低網(wǎng)絡(luò)利用率的區(qū)域線路和跨境貨運(yùn))方面最有競爭力鐵路是最電氣化的運(yùn)輸方式；氫動力列車和部分電氣化的電池電動列車都是替代非電氣化列車的選擇，而非電氣化列車在許多地區(qū)都很重要

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（1）在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

表3-2氫在不同行業(yè)的適用性（續(xù)）

航空

僅限于小型示范項(xiàng)目和可行性研究發(fā)展最快的客運(yùn)模式。純氫燃料需要更大的存儲容量和重新設(shè)計(jì)，使Power-to-liquid和生物燃料對這種模式更具吸引力Power-to-liquid：有限地改變分配、業(yè)務(wù)和設(shè)施的現(xiàn)狀；還通過提高產(chǎn)量最大限度地利用生物量氫：與電池一起，可在港口和滑行過程中提供船上能源供應(yīng)Power-to-liquid：目前的價(jià)格是煤油的4到6倍，從長期來看將會下降到1.5到2倍，有可能導(dǎo)致價(jià)格上漲和需求下降

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（2）氫能在儲能等固定式領(lǐng)域的應(yīng)用

氫能的固定式應(yīng)用主要是以氫燃料電池系統(tǒng)作為建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源。微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置（FCmCHP）是氫能固定式應(yīng)用的重要分支，也是一種備受關(guān)注的新型分布式能源技術(shù)。裝置將天然氣或城市燃?xì)庵卣茪?，并用燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，將發(fā)電過程副產(chǎn)的熱量綜合利用，輸出功率通常不超過5kW，發(fā)電效率和熱利用效率可分別達(dá)到40%，能源綜合利用效率超過80%。與目前領(lǐng)先的供熱鍋爐相比，雖然這種裝置的整體能效優(yōu)勢不大，但將能源供應(yīng)從集中式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际?；在滿足房屋供熱需求的同時(shí)，承擔(dān)部分電力供應(yīng)，可以與風(fēng)電、光伏發(fā)電等波動性發(fā)電系統(tǒng)互補(bǔ)使用。微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置在全球的發(fā)展分布很不均衡，主要發(fā)展區(qū)域僅有日本和歐洲。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（2）氫能在儲能等固定式領(lǐng)域的應(yīng)用

日本自2009年開始推廣家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（Ene-farm），這是目前世界上規(guī)模最大、推廣最成功的商業(yè)化燃料電池利用系統(tǒng)。家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)利用城市管網(wǎng)天然氣或液化石油氣，通過燃料電池技術(shù)同時(shí)生產(chǎn)電和熱水，一套裝置大約可提供日本普通家庭平均能耗的40%～60%。到2018年7月，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)已累計(jì)售出23萬套，單個(gè)裝置成本比推廣初期下降了60%以上。歐洲國家大多既要解決居民供暖問題，又要避免電網(wǎng)鋪設(shè)的高額投資問題，開展氫能固定式應(yīng)用是一種較好的解決方案。

3.2氫用作清潔的燃料3.2.2利用氫能可開車2．氫燃料電池應(yīng)用（2）氫能在儲能等固定式領(lǐng)域的應(yīng)用

目前燃料電池適合中、小型燃料電站，根據(jù)科學(xué)家的預(yù)測，未來的電網(wǎng)系統(tǒng)很可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電站共存狀態(tài)。大電網(wǎng)系統(tǒng)有其優(yōu)越性的同時(shí)，也存在無法避免的缺陷，因?yàn)楦唠妷洪L距離輸電時(shí)有6%～8%的損失，如熱量損失等。如果利用分散的中小型燃料電站，建立在公寓、大學(xué)校園、醫(yī)院、超級市場等處，就可以減少大電網(wǎng)送電損失(輸氫損失一般僅為3%)。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，像美國這樣電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的情況下，對燃料電池的市場需要依然很大(約為17000MW以上)，所以說中小型分散電站，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。作為人口大國，我國亦將是這樣?，F(xiàn)在，美國lPugoPwer公司已推出一種家用3～5kW級的燃料處理器(實(shí)際上就是將天然氣加工成氫的裝置)PEMFC發(fā)電裝置，估計(jì)所發(fā)電量的成本可比利用電網(wǎng)降低20%。可以想象，其優(yōu)越性是很明顯的，其市場也不可忽視。3.3氫原子能——核聚變（1）能量巨大、來源豐富

核聚變反應(yīng)釋放出的能量比核裂變反應(yīng)更加巨大。核聚變反應(yīng)所用的輕核材料氘在海水中大量存在。從1立方米海水中可獲得的能量，相當(dāng)于從10噸煤中所獲得的能量。熱核聚變反應(yīng)堆的應(yīng)用，可以利用從海水中提取的蘊(yùn)藏量極其豐富的氘作為燃料，使地球上浩瀚的海洋成為人類取之不盡、用之不完的能量寶庫。因此，核聚變能的開發(fā)利用有可能根本改變未來世界的能源前景，而核裂變能的開發(fā)利用則不大可能做到這一點(diǎn)。有的科學(xué)家認(rèn)為，在沒有出現(xiàn)小型核聚變這種奇跡的情況下，核能將無法對世界能源做出重大貢獻(xiàn)。1989年，全球417座核電站生產(chǎn)的電力，在全球能源消耗總量中只占大約5.4%。（2）干凈、無污染

核聚變反應(yīng)不會產(chǎn)生放射性核廢物，也不會產(chǎn)生煙塵、酸雨和溫室效應(yīng)。這對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境十分有利。3.3氫原子能——核聚變（3）安全可靠

在核聚變反應(yīng)過程中，若有任何東西出了問題，則核聚變反應(yīng)就會自動停止。有些專家認(rèn)為，現(xiàn)存的核裂變技術(shù)所包含的引起嚴(yán)重核事故的風(fēng)險(xiǎn)太大。核聚變反應(yīng)不存在這種風(fēng)險(xiǎn)。

（4）廉價(jià)經(jīng)濟(jì)

利用核聚變能發(fā)電燃料消耗少，能源利用率高。溫室核聚變不需要巨額投資和復(fù)雜儀器。另外，人們新近估計(jì)，清理美國軍事核（裂變）垃圾，可能要花2000億美元。核聚變能的開發(fā)利用，不需要花這種大筆的經(jīng)費(fèi)。

熱核反應(yīng)，或原子核的巨變反應(yīng)，是當(dāng)前很有前途的新能源。參與核反應(yīng)的氫原子核，如氫、氘、氟、鋰等從熱運(yùn)動獲得必要的動能而引起的聚變反應(yīng)。熱核反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)，可在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但目前尚無法加以利用。如能使熱核反應(yīng)在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有控制的產(chǎn)生于進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)。這正是目前在進(jìn)行試驗(yàn)研究的重大課題。受控?zé)岷朔磻?yīng)是聚變反應(yīng)堆的基礎(chǔ)。聚變反應(yīng)堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又取之不盡的能源。3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

鋼鐵和高溫?zé)崮苌a(chǎn)為低排放氫需求的增長提供了巨大的潛力。假設(shè)目前阻礙氫在這些地區(qū)廣泛應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)能夠克服，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)將是降低成本和擴(kuò)大規(guī)模。從長遠(yuǎn)來看，用氫生產(chǎn)所有的初級鋼在技術(shù)上應(yīng)該是可行的，但這將需要大量的低碳電力(約2500TW·h/yr，約占當(dāng)今全球發(fā)電量的10%)，而且只有在沒有政策支持的情況下，才能以非常低的電價(jià)獲得經(jīng)濟(jì)效益。表3-3概述了氫在煉油、化工和鋼鐵行業(yè)的使用情況的當(dāng)前和可能的未來工業(yè)用途。3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用行業(yè)

目前氫的作用2030年氫需求長期需求低碳?xì)涔?yīng)機(jī)遇挑戰(zhàn)

煉油主要用于去除原油中的雜質(zhì)(如硫)和提升重質(zhì)原油。少量用于油砂和生物燃料。增加7%的政策。受更嚴(yán)格的污染法規(guī)推動，但石油需求增長放緩雖然高度依賴未來的石油需求，但到2050年很可能仍將是一個(gè)巨大的需求來源，即使是在與巴黎協(xié)定兼容的道路上。用CCUS改造天然氣或煤制氫。用低碳電力生產(chǎn)的氫取代商業(yè)用氫。氫的生產(chǎn)和使用與煉油業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，這使得取代現(xiàn)有產(chǎn)能成為一項(xiàng)艱難的業(yè)務(wù)。氫氣成本對煉油利潤率影響很大。

化學(xué)品生產(chǎn)氨和甲醇生產(chǎn)的中心，并用于其他幾個(gè)較小規(guī)模的化學(xué)過程。由于經(jīng)濟(jì)和人口的增長，現(xiàn)有的氨和甲醇政策下增加了31%。盡管材料效率高(包括回收利用)，對現(xiàn)有用途的氫需求仍將增長；作為氫基燃料的清潔用途，可能會產(chǎn)生新的氨和甲醇需求。用CCUS改造或新建氫氣。使用低碳?xì)渖a(chǎn)氨和甲醇(尿素和甲醇仍然需要碳的來源)。低碳?xì)涔?yīng)的競爭力取決于天然氣和電力價(jià)格。CCUS改造并不是一個(gè)普遍的選擇。表3-3氫在工業(yè)上的應(yīng)用和未來的潛力3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用表3-3氫在工業(yè)上的應(yīng)用和未來的潛力（續(xù)）

鋼鐵生產(chǎn)7%的初級鋼生產(chǎn)是通過直接還原鐵(DRI)路線進(jìn)行的，這需要?dú)?。高爐路線產(chǎn)生的副產(chǎn)品氫氣作為混合氣體，常在現(xiàn)場使用。與目前占主導(dǎo)地位的高爐路線相比，在現(xiàn)有政策下，DRI路線的使用量將增加一倍。即使考慮到材料效率的提高，鋼材需求仍在不斷增長。從長遠(yuǎn)來看，100%以氫為基礎(chǔ)的生產(chǎn)可以顯著增加對低碳?xì)涞男枨?。用CCUS改造DRI設(shè)施。在目前的DRI路線中，大約30%的天然氣可以替代電解氫。充分轉(zhuǎn)化鋼廠使用氫作為關(guān)鍵還原劑。需要更高的生產(chǎn)成本和/或流程變更。CCUS的直接應(yīng)用通常預(yù)計(jì)成本更低，盡管這些都是高度不確定的。來自直接電氣化的長期競爭。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫

煉油——將原油轉(zhuǎn)化為各種最終用戶產(chǎn)品，如運(yùn)輸燃料和石化原料——是當(dāng)今最大的氫用戶之一。大約3800萬噸H2/年，或占全球氫總需求的33%(純氫和混合氫)，被煉油廠用作原料、試劑和能源。大約三分之二的氫是在煉油廠的專用設(shè)施中生產(chǎn)的，或者是從商業(yè)供應(yīng)商那里購買的。氫的使用約占煉油廠總排放量的20%，每年產(chǎn)生約2.3億噸二氧化碳。隨著對石油產(chǎn)品硫含量的監(jiān)管收緊，煉油廠目前對氫的大規(guī)模需求將會增長。這為從更清潔的途徑獲取氫提供了一個(gè)潛在的早期市場，可以降低運(yùn)輸燃料的排放強(qiáng)度。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫

目前煉油廠主要耗氫工藝為加氫處理和加氫裂化。加氫處理主要用于去除雜質(zhì)，尤其是硫(通常簡稱為脫硫)，在全球煉廠氫的使用中占很大比例。如今，煉油廠從原油中去除約70%的天然硫。隨著人們對空氣質(zhì)量的擔(dān)憂加劇，要求進(jìn)一步降低最終產(chǎn)品含硫量的監(jiān)管壓力越來越大。盡管需求持續(xù)增長，到2020年，精煉產(chǎn)品的含硫量將比2005年減少40%(圖3-12)。精煉產(chǎn)品中允許的硫含量繼續(xù)下降，而石油需求繼續(xù)增加。加氫裂化是一種利用氫將重質(zhì)渣油轉(zhuǎn)化為高附加值石油產(chǎn)品的過程。對輕餾分油和中餾分油的需求正在增長，對重餾分油的需求正在下降，這導(dǎo)致加氫裂化的使用增加。除了加氫處理和加氫裂化，煉油廠使用或生產(chǎn)的一些氫不能經(jīng)濟(jì)地回收，并作為燃料作為廢氣混合物的一部分燃燒。美國、中國和歐洲是煉油廠氫的最大消費(fèi)國。這三個(gè)地區(qū)約占煉廠氫消耗總量的一半，反映了它們加工的原油量和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度。氫也被用來升級油砂和加氫處理生物燃料。對于油砂來說，從原始瀝青中去除硫所需要的氫的量因技術(shù)的改進(jìn)和所生產(chǎn)的合成原油的質(zhì)量而有很大的不同。總的來說，每處理一噸瀝青大約需要10公斤的氫氣。由此產(chǎn)生的合成原油仍然需要在煉油廠使用氫氣進(jìn)行精煉。對于生物燃料，加氫處理可以去除氧氣，提高植物油和動物脂肪的燃料質(zhì)量，并將其加工成柴油替代品。這一過程每生產(chǎn)一噸生物柴油需要大約38公斤氫氣，但在隨后的精煉步驟中不需要進(jìn)一步的氫氣。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫圖3-12石油產(chǎn)品中允許的硫含量注：mb/d=每天一百萬桶。Source：IEA(2018a)，WorldEnergyOutlook2018.

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫1.未來煉油對氫的潛在需求

近幾十年來，由于煉油活動不斷增加，對加氫處理和加氫裂化的要求不斷提高，煉油廠對氫的需求大幅度增加。隨著全球燃料規(guī)格進(jìn)一步降低可接受的硫含量水平，這一趨勢將繼續(xù)下去。包括中國在內(nèi)的許多國家已經(jīng)將汽油或柴油等道路運(yùn)輸燃料的含硫量要求降低到0.0015%以下，其他國家也可能引入類似的標(biāo)準(zhǔn)。國際海事組織(InternationalMaritimeOrganization)也出臺了新的船用燃料法規(guī)，規(guī)定從2020年起，船用燃料的硫含量不得超過0.5%(IEA，2019a)，這很可能導(dǎo)致船用燃料生產(chǎn)對氫的需求大幅增加。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫1.未來煉油對氫的潛在需求2030年以后，目前的趨勢和政策表明，隨著收緊產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的范圍縮小，以及石油對運(yùn)輸燃料的需求受到效率提高和電氣化的雙重影響，氫需求增長的步伐將放緩。煉油商還可能提高從煉廠廢氣中回收氫的效率，降低額外制氫的要求。在符合《巴黎協(xié)定》目標(biāo)的情況下，煉油廠的氫需求將會下降，石油需求下降的影響將超過氫強(qiáng)度上升的影響。不管未來全球能源需求的走向如何，一個(gè)共同的方面是，現(xiàn)有煉油廠在預(yù)計(jì)的氫需求中占主導(dǎo)地位。全球已經(jīng)有足夠的煉油能力來滿足對石油產(chǎn)品的預(yù)期需求。再加上煉油廠的壽命較長，這限制了大幅增加煉油產(chǎn)能的空間。因此，從今天到2030年，大約80-90%的累積目標(biāo)氫供應(yīng)(包括專門的現(xiàn)場生產(chǎn)和商業(yè)采購)將來自這兩種情況下的現(xiàn)有煉油廠(圖3-13)。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫1.未來煉油對氫的潛在需求圖3-13未來煉油對氫的需求有兩種不同的途徑注：專用供貨是指現(xiàn)場專用生產(chǎn)和商戶采購。Source：IEA2019.Allrightsreserved.

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.1煉油用氫2.在減少排放的同時(shí)滿足未來煉油對氫的需求

氫生產(chǎn)——除非作為煉油作業(yè)的副產(chǎn)品供應(yīng)——目前造成相當(dāng)大的二氧化碳排放。在全球范圍內(nèi)，用于煉油廠的氫生產(chǎn)每年排放約2.3億噸二氧化碳，約占煉油廠總排放量的20%。未來需求和排放都將上升。如果未來的需求增長是用煤炭來滿足的，那么二氧化碳排放水平將進(jìn)一步上升。在中國等國，煤炭在沒有CCUS的情況下被廣泛用于生產(chǎn)氫。因此，以一種更清潔的方式生產(chǎn)氫，對于大幅減少煉油業(yè)務(wù)的排放至關(guān)重要。其他關(guān)鍵措施——如能源效率和燃料從排放密集型燃料轉(zhuǎn)向其他燃料——已在許多煉油廠得到廣泛采用，限制了進(jìn)一步減排的機(jī)會。在這種背景下，再加上目前已經(jīng)存在的巨大需求，煉油行業(yè)為低碳?xì)涮峁┝艘粋€(gè)潛在的早期市場。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.2化工產(chǎn)品用氫

目前，化工行業(yè)是氫需求的第二大和第三大來源：氨(3100萬噸H2/年)和甲醇(1200萬噸H2/年)。其他相對較小的應(yīng)用使其總需求達(dá)到4600萬噸H2/yr，或純氫和混合氫總需求的40%。它也是產(chǎn)生副產(chǎn)氫的一個(gè)來源，這些副產(chǎn)氫既在該行業(yè)內(nèi)部消耗，也分布在其他地方使用。化工行業(yè)消耗的氫絕大部分是用化石燃料生產(chǎn)的，這就產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的溫室氣體排放。降低排放水平對該行業(yè)能源使用的可持續(xù)性是一個(gè)重要挑戰(zhàn)，也是利用低碳?xì)涞囊粋€(gè)重要機(jī)會。

化工行業(yè)生產(chǎn)一系列復(fù)雜的產(chǎn)品，從塑料和化肥到溶劑和炸藥，如氨和甲醇、乙烯、丙烯、苯、甲苯和混合二甲苯等。這幾種“初級化學(xué)品”約占化工行業(yè)能源消耗的三分之二，其對能源產(chǎn)品作為原材料投入(所謂的“原料”)的需求占絕大部分。氫是幾乎所有工業(yè)化學(xué)品分子結(jié)構(gòu)的一部分，但只有一些初級化學(xué)品需要大量的專用氫氣生產(chǎn)作為原料，尤其是氨和甲醇(圖3-14)，超過3100萬噸H2/年以上的氫為原料用于制氨，1200萬噸H2/年以上的氫用于制甲醇。另外200萬噸H2/年是在一些生產(chǎn)過程中消耗一小部分(例如過氧化氫和環(huán)己烷生產(chǎn))，但這些消耗的大部分來自該部門產(chǎn)生的副產(chǎn)品氫。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.2化工產(chǎn)品用氫圖3-142018年氨和甲醇生產(chǎn)對氫的需求注：只包括一次化工生產(chǎn)>1Mt/yr的生產(chǎn)路線；石油是指石腦油、石油氣等成品油產(chǎn)品。2018年的數(shù)據(jù)是基于以下來源的前幾年數(shù)據(jù)的估計(jì)。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.2化工產(chǎn)品用氫1.未來化工領(lǐng)域?qū)涞臐撛谛枨?/p>

隨著對氨和甲醇需求的增長，初級化工生產(chǎn)對氫的需求將從今天的4400萬噸/年增加到2030年的5700萬噸/年(圖3-15)。從2018年到2030年，現(xiàn)有氨應(yīng)用的需求將以每年1.7%的速度增長，此后還將繼續(xù)增長。在此期間，以工業(yè)應(yīng)用需求為代表的份額增長得更快；在2030年以后，許多地區(qū)的氮肥使用量可能會開始趨于平穩(wěn)，甚至下降。從2018年到2030年，用于現(xiàn)有用途的甲醇需求將以每年3.6%的速度增長。甲醇-烯烴/甲醇-芳烴需求的增長速度高于總需求的增長速度，同期為每年4.1%，其中幾乎所有的增長都來自中國。按照這一增長速度，到2030年，這些現(xiàn)有應(yīng)用的甲醇產(chǎn)量將需要1900萬噸H2/年，而目前為1200萬噸H2/年。圖3-15初級化工生產(chǎn)對氫的需求是現(xiàn)有的應(yīng)用注：MTO=甲醇-烯烴；MTA=甲醇-芳烴。甲醇的工業(yè)應(yīng)用包括目前燃料添加劑的使用(如甲基叔丁基醚)和熱固性塑

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.2化工產(chǎn)品用氫1.未來化工領(lǐng)域?qū)涞臐撛谛枨?/p>

長期以來，化石燃料一直是氨和甲醇生產(chǎn)中氫和碳的一種既方便又經(jīng)濟(jì)的來源。2018年，用于生產(chǎn)這兩種產(chǎn)品氫的化石燃料約為2.7億噸石油當(dāng)量/年，約相當(dāng)于巴西和俄羅斯聯(lián)邦油需求的總和。由于天然氣(重整)生產(chǎn)比煤炭(氣化)生產(chǎn)效率更高，前者占?xì)渖a(chǎn)總量的65%，但還不到生產(chǎn)氫所需能源投入的55%。天然氣和煤炭的區(qū)域價(jià)格差異也是工藝路線選擇的關(guān)鍵決定因素。幾乎所有用于化工領(lǐng)域的煤制氫都是在中國生產(chǎn)和使用的。

3.4氫在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用3.4.2化工產(chǎn)品用氫2.在減少排放的同時(shí)滿足未來化工行業(yè)對氫的需求