氫氣作為清潔能源的研發(fā)現(xiàn)狀

氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人類?duì)氫能應(yīng)用在200年前就產(chǎn)生了興趣，到20世紀(jì)70年代以來，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開展了氫能研究。隨著國(guó)際氣候變化和對(duì)石油進(jìn)口依賴程度的不斷加深，導(dǎo)致人們對(duì)氫能市場(chǎng)生存能力發(fā)展的普遍興趣。從歷史的角度上說，能源觀念的轉(zhuǎn)變需要花費(fèi)幾十年才能實(shí)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)政府、跨國(guó)公司和個(gè)人企業(yè)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)將是加速能源轉(zhuǎn)換的必要因素。已有的一些有關(guān)氫能研發(fā)順序的問題也會(huì)影響氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。目前氫能研究主要集中在如下三個(gè)方面：

一、燃料電池公司

雖然燃料電池價(jià)格非常昂貴且氫能使用并非電動(dòng)汽車所必需，但其實(shí)踐應(yīng)用仍得到人們審慎鄭重的思考。這是因?yàn)闅淠茈姵卦趯浜脱蹀D(zhuǎn)換為低壓、直流電時(shí)可達(dá)55％～60％高效能，是內(nèi)燃機(jī)效率的三倍。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明燃料電池可發(fā)揮85％的潛在效率，甚至更高。在將其與一臺(tái)具有80％效能的電動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用時(shí)，可產(chǎn)生高于直接使用氫能內(nèi)燃機(jī)2～3倍的效能。起碼有一半的優(yōu)勢(shì)燃料電池技術(shù)可以利用，研究者們正在從事質(zhì)子交換膜(PEM)的研究，質(zhì)子交換膜技術(shù)是在電解時(shí)用碳氟化合物與一個(gè)Nafion類型的聚合體膜進(jìn)行離子交換，質(zhì)子交換膜電池具有起動(dòng)速度快、高能量密度和耐久性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。質(zhì)子交換膜電池的工作溫度在50℃～80℃間，能夠按照汽車運(yùn)行電量的需求變化調(diào)整電量的輸出。世界上已有100多家燃料電池生產(chǎn)商，除此之外，還有許多的汽車和石油公司積極參與該領(lǐng)域的研發(fā)、生產(chǎn)工作。Ballard是一家大型且正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期的加拿大公司，與DaimlerChrysler和Ford公司共擔(dān)10年風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)劃投入10億美元資金，到2010～2012年打造生產(chǎn)商業(yè)實(shí)用型氫能汽車，目前尚未有利潤(rùn)回報(bào)，因而其計(jì)劃和商業(yè)前景與其產(chǎn)品的主要用戶緊密相連。

二、機(jī)動(dòng)車輛公司

幾乎所有主要的汽車公司和在美國(guó)、歐洲和日本的幾家小型公司都積極立項(xiàng)開發(fā)氫能汽車。大多數(shù)汽車公司的氫能汽車原型需要使用燃料電池。20世紀(jì)60年代寶馬車率先研發(fā)氫能汽車模型，開此行業(yè)先河。它現(xiàn)在的汽車采用液氫供能且最高限速為240英里，希望到2010年提供使用。本田汽車和豐田汽車于2002年12月在加利福尼亞首次投放幾輛氫能動(dòng)力燃料電池汽車，并希望與寶馬汽車和Nissan汽車共同進(jìn)入美國(guó)的汽車零售市場(chǎng)，成為汽車行業(yè)的“新軍”，這些燃料電池汽車最高限速235英里，這些汽車制造商計(jì)劃于2004年在美國(guó)的加利福尼亞出售80輛不同類型的氫能汽車。其他汽車公司在2004年也相繼做了些安排。GM公司計(jì)劃大量生產(chǎn)一種被稱為"自控"的、時(shí)速可達(dá)200英里的燃料電池汽車。由于這種車零部件較少，預(yù)期生產(chǎn)成本較低，起初GM的銷售目標(biāo)為100萬(wàn)輛，到2010年前承擔(dān)全世界的"自控"車銷售，盡管這個(gè)數(shù)額可能到2015～2025年實(shí)現(xiàn)更加現(xiàn)實(shí)一些。第三家美國(guó)主要的汽車制造商福特公司計(jì)劃于2004年下半年在薩克拉曼、底特律、奧蘭多試制30種混合燃料電池汽車，BP公司和Ballard公司也對(duì)此項(xiàng)計(jì)劃予以支持。 在這些市場(chǎng)計(jì)劃中還隱含著對(duì)氫燃料傳輸基礎(chǔ)設(shè)施、小型蒸汽及甲烷重整器、地區(qū)燃料站電解劑的需求及其成本的預(yù)想。但在當(dāng)前，氫能汽車的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的承受能力，超出了降低空氣污染、溫室氣體、以及提高能源安全性成本效益選擇。

三、能源公司

BP和Royal Dutch Shell兩家跨國(guó)石油公司立足于氫能研發(fā)和改革技術(shù)：Shell公司和BP公司分別于1998和1999年設(shè)立了性質(zhì)不同的商業(yè)單位以從事氫能的研發(fā)。同時(shí)由兩家主要的石油公司承擔(dān)了可再生能源發(fā)展和減少溫室氣體排放研發(fā)重任。ChevronTexaco和Exxon Mobil公司也設(shè)立了氫能研究計(jì)劃，只是Exxon Mobil公司在減少溫室氣體排放的相關(guān)研究上承擔(dān)較少。 BP和Shell公司的研究?jī)?nèi)容廣泛地涉獵了世界范圍的氫能研究計(jì)劃，到2006年Shell公司已投資10億美元從事氫能研發(fā)和商業(yè)化活動(dòng)。另一個(gè)具有氫能實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的能源公司的工作是發(fā)展氫燃料供應(yīng)站和氫能高速公路。除主要的石油公司外，Stuart 能源系統(tǒng)公司、Linde AG和空氣產(chǎn)品與化學(xué)品公司已將其營(yíng)業(yè)范圍擴(kuò)大到氫能零售。歐洲幾個(gè)著名氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展國(guó)正在努力開展研發(fā)工作，特別是冰島和歐洲聯(lián)盟分別在1999年和2002年的前景規(guī)劃中確立了本國(guó)將成為世界氫能經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的地位。

目前各國(guó)政府也都推出了各自的的氫能研發(fā)計(jì)劃及相關(guān)政策

一、歐盟

伴隨著德國(guó)制定的歐洲大陸最先進(jìn)的氫能規(guī)劃出臺(tái)，最重要且最具首創(chuàng)精神的區(qū)域政策的制定當(dāng)屬歐盟（EU）和歐洲委員會(huì)（EC）。2003年，歐盟（EU）和歐洲委員會(huì)（EC）發(fā)表的一篇重要報(bào)告和行動(dòng)計(jì)劃，闡述了有關(guān)氫能利用的遠(yuǎn)大前景。這篇報(bào)告是歐洲委員會(huì)承諾長(zhǎng)期發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的重要文件，各個(gè)國(guó)家政治團(tuán)體對(duì)該項(xiàng)工作的重視程度已超過了冰島和日本。

2010年前的階段目標(biāo)是研制以天然氣為原料的用于發(fā)電的初級(jí)燃料電池產(chǎn)品。專家組認(rèn)為到2020年成員國(guó)當(dāng)中會(huì)有5％的新型汽車和2％的船舶使用氫能產(chǎn)品，到2030～2040年市場(chǎng)占有額會(huì)不斷提高，并預(yù)計(jì)在2020～2050年間可再生能源和先進(jìn)的核能會(huì)成為主要的氫能源。盡管在天然氣技術(shù)發(fā)展道路上會(huì)有一些危險(xiǎn)性，但歐洲委員會(huì)預(yù)言即使在遙遠(yuǎn)的未來，來源于碳隔離化石燃料的氫能產(chǎn)品與可再生能源及核能一起都將仍然扮演重要的角色。

二、美國(guó)和加拿大

北美對(duì)氫能研發(fā)產(chǎn)生興趣始于1973年的石油危機(jī)，當(dāng)時(shí)成立了國(guó)際氫能協(xié)會(huì)，并在美國(guó)邁阿密海灘召開了有關(guān)該主題的第一屆國(guó)際會(huì)議，美國(guó)能源研究開發(fā)署（ERDA）對(duì)氫能研究計(jì)劃加以扶持，作為對(duì)美國(guó)政府能源自給不成功計(jì)劃部分的一種彌補(bǔ)。但投入資金在20世紀(jì)70年代每年從未超過2.4億美元，少于西歐同類計(jì)劃的資金投入。美國(guó)政府資金投入持續(xù)下降至20世紀(jì)80年代，直到20世紀(jì)90年代，伴隨著對(duì)全球氣候變化和減少石油進(jìn)口依賴關(guān)注程度的提高才得以回升。

加拿大也已成為發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)的最活躍的國(guó)家之一，并在這一領(lǐng)域眾多主導(dǎo)行業(yè)中占有獨(dú)特地位，加拿大工業(yè)部是兩個(gè)政府領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)之一，它與加拿大自然資源部聯(lián)合設(shè)立了一個(gè)技術(shù)合作企業(yè)計(jì)劃，以加速氫能技術(shù)的發(fā)展、商業(yè)化和及早采用。還將分配0.2億加元給優(yōu)秀的技術(shù)革新計(jì)劃，這些計(jì)劃涉及性能提高和降低成本方面的技術(shù)。然而對(duì)于能源原材料供給，加拿大在此方面做出的努力所得到的結(jié)果尚不清楚，充足而又廉價(jià)的水力電氣資源在一些省可能依然受到偏愛。

三、巴西

巴西關(guān)注可選擇能源的發(fā)展已有30年歷史，自1973～1974年國(guó)際石油危機(jī)以后，于1975年提出國(guó)家乙醇計(jì)劃，隨即巴西成為世界乙醇燃料發(fā)展規(guī)模最大的國(guó)家，特別是供汽車使用的含水乙醇和乙醇－汽油混合燃料，這種燃料由蔗糖發(fā)酵而成，每年總產(chǎn)量超過30億加侖。由于該系統(tǒng)由原始能量轉(zhuǎn)換而成，產(chǎn)品僅有33％能夠符合乙醇燃料的要求，因此，研究提高生產(chǎn)效率的技術(shù)尤為重要。巴西正在進(jìn)行這樣一項(xiàng)研究：將生物能量轉(zhuǎn)換成氫。假設(shè)巴西本國(guó)的再生能源、水力電力能以及生物燃料具有很高的可依賴度，政府預(yù)言可將這些能源作為氫能生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料。將風(fēng)能和光電電池應(yīng)用于氫生產(chǎn)也是可能的，在巴西應(yīng)用非峰值水力電氣進(jìn)行大規(guī)模的電解氫生產(chǎn)應(yīng)考慮到其成本僅為從化石燃料中獲取氫的一半。已有50萬(wàn)噸的氫供工業(yè)應(yīng)用，然而，這些僅是巴西氫能源研發(fā)的一個(gè)開端。

四、冰島和挪威

兩個(gè)最為關(guān)注氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國(guó)家是位于北歐地區(qū)的冰島和挪威。冰島曾于1999年2月公開發(fā)表一項(xiàng)引起世人關(guān)注的國(guó)家目標(biāo)：至2030年冰島要將其經(jīng)濟(jì)過渡到氫能經(jīng)濟(jì)。由于沒有化石燃料資源，擁有2.94萬(wàn)居民的冰島開始著手開發(fā)本國(guó)豐富的水力電力資源和地?zé)豳Y源，以此滿足超過一半的能源需求以及接近100％的電力需求。冰島重要的汽車業(yè)與船舶業(yè)所賴以生存的石油進(jìn)口代價(jià)十分高昂，進(jìn)而成為促成氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃形成的動(dòng)因。由于低廉的2分/kWh的電力價(jià)格，冰島每年可生產(chǎn)出2000噸電解氫，希望通過提供充足的可再生氫以滿足本國(guó)整個(gè)運(yùn)輸業(yè)的能源需求。

雖然挪威也有近100％可再生電力能源產(chǎn)生于本國(guó)豐富的水力電力資源，但與冰島不同，挪威在豐富的天然氣資源、產(chǎn)品、高級(jí)轎車、石油以及柴油機(jī)燃料等方面存在高額稅收。這些情況使得挪威極為適合實(shí)現(xiàn)向氫能利用方面的轉(zhuǎn)變。挪威于2003年建立了國(guó)家氫能委員會(huì)，并于2004年遞交了委員會(huì)報(bào)告。報(bào)告制定了最初的10年發(fā)展規(guī)劃并推薦借鑒美國(guó)的125～145美元債券方法，用發(fā)行長(zhǎng)期債券的方法來收回短期債券。挪威已在斯塔萬(wàn)格與奧斯陸之間建成一條長(zhǎng)達(dá)580公里的氫能高速公路，沿著這條高速公路將建成幾個(gè)新型燃料供應(yīng)站（Bak,2003c）。北美西海岸也有類似的氫能高速公路計(jì)劃。

五、日本和韓國(guó)

在國(guó)際上，日本在努力發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)方面是最具影響力的國(guó)家之一，不僅表現(xiàn)在研發(fā)上，而且體現(xiàn)在產(chǎn)品計(jì)劃上。以下幾個(gè)方面的因素決定了日本的先導(dǎo)地位：日本政府承諾簽署到2010年減少6％溫室氣體的目標(biāo)草案；日本本國(guó)運(yùn)輸行業(yè)對(duì)石油進(jìn)口的極大依賴性；日本需要維護(hù)本國(guó)高新技術(shù)形象和經(jīng)濟(jì)兩方面超級(jí)強(qiáng)國(guó)的地位。

世界能源網(wǎng)工程估計(jì)氫能產(chǎn)品來源于可再生能源的潛力在日本可達(dá)到210G Nm3/年，預(yù)計(jì)到2030年可再生氫能產(chǎn)品僅占到氫能產(chǎn)品消費(fèi)總量的大約15％。據(jù)估計(jì)，日本到2030年氫能產(chǎn)品的消費(fèi)總量為49.6G Nm3/年，僅占能源消費(fèi)總量的大約4％。液化法已成為儲(chǔ)存與運(yùn)輸大規(guī)模氫能產(chǎn)品的主要方法。世界能源網(wǎng)工程已廣泛地開展液化設(shè)備與液化罐的研發(fā)工作。對(duì)氫燃燒汽輪機(jī)的研發(fā)是世界能源網(wǎng)工程研發(fā)的另一重要領(lǐng)域，預(yù)期具有60％效率的實(shí)驗(yàn)設(shè)備將用于試驗(yàn)開發(fā)。據(jù)世界能源網(wǎng)預(yù)測(cè)，在近期內(nèi)甲醇和汽油重整仍將是最具可行性的燃料電池應(yīng)用技術(shù)，而將純氫能技術(shù)的應(yīng)用作為一項(xiàng)長(zhǎng)期目標(biāo)。

——————————————————————————————————————

相關(guān)鏈接：高純氫氣