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氫能作為一種清潔的可再生能源，具有可儲(chǔ)可輸?shù)奶攸c(diǎn)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。氫能可以通過一定的途徑轉(zhuǎn)化為電能，氫能燃料也正逐步應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和燃料電池。

       據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)顯示，2014年全球由于發(fā)電所產(chǎn)生的二氧化碳總排放量為323億噸，其中中國(guó)已成為全球碳排放的第一大國(guó)，每年的碳排放增長(zhǎng)量已超過北美和歐洲的總和。

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近年來，雖然中國(guó)的發(fā)電技術(shù)取得了持續(xù)提升，例如超高壓、超臨界和超超臨界機(jī)組相繼推出，流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電技術(shù)不斷取得使用，但整個(gè)電力行業(yè)仍然存在著能源效率偏低和碳排放過高的問題。因此，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)清潔能源更大范圍的應(yīng)用仍是一個(gè)艱巨的任務(wù)。

氫能作為一種重要的綠色清潔能源，具有零排放、高能利用率、高可靠性以及利于遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。氫能是解決世界能源問題的一種優(yōu)選方案，能極大限度地降低碳排放。氫能既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為原料應(yīng)用于燃料電池，還可以轉(zhuǎn)換成同態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料例。20世紀(jì)70年代以來，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家加快了氫能發(fā)電技術(shù)的研究步伐。目前，通過氫能發(fā)電在部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入了建設(shè)試點(diǎn)的階段。但對(duì)中國(guó)電力行業(yè)而言．目前仍以火力發(fā)電為主，氫能技術(shù)的應(yīng)用較少，已大幅落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。

（河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用大規(guī)模的風(fēng)電進(jìn)行電解水制氫）

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技術(shù)可行性

氫能是氫及同位素氘、氚為主體的反應(yīng)或氫的狀態(tài)變化過程中所釋放的能量，氫能可以轉(zhuǎn)化為電能、機(jī)械能和熱能。通過氫能發(fā)電機(jī)和燃料電池兩種技術(shù)手段，均可以實(shí)現(xiàn)由氫能向電能的轉(zhuǎn)化。

氫能發(fā)電機(jī)

氫能發(fā)電機(jī)特指以氫氣為原料的發(fā)電機(jī)，原理類似傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，經(jīng)過吸氣、壓縮、爆炸、排氣過程，帶動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生電流輸出。氫能發(fā)電機(jī)是一種環(huán)保型的發(fā)電設(shè)備，具有無噪音、零排放和移動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（勝動(dòng)科技 氫氣/汽油雙燃料發(fā)電機(jī)組）

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將氫能發(fā)電機(jī)整合到電網(wǎng)電力輸送線路中，可以與制氫裝置協(xié)同作用，在用電低谷時(shí)電解水制備氫氣，用電高峰時(shí)再通過氫能發(fā)電，以此實(shí)現(xiàn)電能的合理化應(yīng)用，減少資源浪費(fèi)。2013年德國(guó)建成一座500千瓦級(jí)別的混合能源試點(diǎn)電站，該電站以氫能源作為電力存儲(chǔ)中介，電解制備得到的氫以燃燒的形式驅(qū)動(dòng)氫能發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能可以直接進(jìn)入電力輸送網(wǎng)，也能用于發(fā)電站繼續(xù)電解水。

PEMFC燃料電池

PEMFC燃料電池是當(dāng)前在氫能應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)之一。其工作原理為氫氣與氧氣（或空氣）發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水并釋放出電能，即電解水的逆反應(yīng)。PEMFC燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖，當(dāng)陽極和陰極分別供給氫氣和氧氣(或空氣)時(shí)，在催化劑的作用下，氫氣在陽極上被氧化離解成電子和氫原子。氧氣在陽極上被還原接受電子反應(yīng)生成水。與此同時(shí)，電子在外電路的連接下形成電流，向外部釋放電能。

PEMFC燃料電池工作原理示意圖

與傳統(tǒng)燃料電池相比，PEMFC燃料電池內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能至電能，在能量轉(zhuǎn)化過程中無燃燒放熱，從而擺脫了經(jīng)典熱機(jī)理論——卡諾循環(huán)的限制，氫能的理論利用率可達(dá)80％。PEMFC燃料電池具有能在室溫下快速啟動(dòng)、無電解質(zhì)液流失、比功率高以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

氫能發(fā)電市場(chǎng)分析

PEMFC燃料電池可應(yīng)用于固定或移動(dòng)式電站、備用峰值電站、備用電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)等發(fā)電設(shè)備。小型PEMFC氫能發(fā)電機(jī)的商業(yè)化前景也被廣泛看好，容量為3千瓦、5千瓦、10千瓦甚至200千瓦等級(jí)熱電聯(lián)用的PEMFC氫能發(fā)電機(jī)已經(jīng)在旅館、飯店、商廈等場(chǎng)所取得應(yīng)用。

（HONDA 燃料電池發(fā)電機(jī)）

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在規(guī)模更大的發(fā)電站方面，2010年意大利建成投產(chǎn)功率為16兆瓦的氫能發(fā)電站，該發(fā)電站每小時(shí)消耗氫氣1300噸，總發(fā)電效率約為42％，年發(fā)電量可達(dá)6000萬千瓦時(shí)，不僅能夠滿足2萬戶家庭的用電量，而且每年可減少6萬噸的二氧化碳排放量。2010年華南理工大學(xué)成功研發(fā)建造出PEMFC燃料電池示范電站，能源利用率達(dá)到90％，該電站產(chǎn)生的電能直接輸送到學(xué)校的380伏低壓電網(wǎng)上，可滿足華工國(guó)際學(xué)術(shù)中心的正常用電需求。另外，2012年陶氏化學(xué)公司與通用公司在美國(guó)得克薩斯州合作建設(shè)了大型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)可生產(chǎn)1兆瓦的電能，并最終能夠供應(yīng)35兆瓦的電能。

（全球首座氫能發(fā)電站：意大利弗西納氫電站）

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據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年氫能發(fā)電占美國(guó)全國(guó)發(fā)電的比例為7.9％，該數(shù)值低于火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電，但卻高于風(fēng)能發(fā)電。2012年，全球燃料電池系統(tǒng)的出貨量近3萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)約34％，相較于2008年增長(zhǎng)超過321％，其中，固定式燃料電池增長(zhǎng)最為顯著，從2008年的2000臺(tái)迅速上升至2012年的2.5萬臺(tái)。據(jù)日經(jīng)BP清潔技術(shù)研究所預(yù)測(cè)，隨著氫能各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)，全球氫能源市場(chǎng)規(guī)模將從2015年的7萬億日元左右逐步上升至2050年的約160萬億日元。而隨著氫能發(fā)電市場(chǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，氫消費(fèi)量也將隨之增加，預(yù)計(jì)從2015年的小于1萬億立方米上升到2050年的6.5萬億立方米。
政府早在2006年即已將氫能技術(shù)列為中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一，近年來更是持續(xù)加大研發(fā)和示范投入。當(dāng)前，中國(guó)已經(jīng)形成了從基礎(chǔ)研究到示范演示的氫能利用格局，并初步建立了一支包括高等院校、科研院所和電力企業(yè)的氫能研究與應(yīng)用隊(duì)伍。對(duì)中國(guó)的電力行業(yè)而言，在分布式風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)儲(chǔ)能和智能微電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域，氫能發(fā)電技術(shù)均具有廣闊的應(yīng)用前景。

氫能發(fā)電成本收益分析

目前，燃料電池發(fā)電成本大約在2.5-3元/度，而中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)電方式的電價(jià)都在1元/度以下，例如，風(fēng)電發(fā)電成本約為0.5元/度，太陽能發(fā)電成本最高約0.8-1元/度，而火電發(fā)電成本僅有0.25元/度。

重金屬催化劑鉑使用量和電解槽裝置是燃料電池發(fā)電高成本的原因之一。值得指出的是，PEMFC燃料電池的成本正處于下降趨勢(shì)。據(jù)美國(guó)能源部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年P(guān)EMFC燃料電池的成本為47美元/千瓦，相比2002年下降了82.9％，并已接近美國(guó)能源部設(shè)定的2017年的目標(biāo)價(jià)30美元/千瓦。
在發(fā)電站建造成本方面，傳統(tǒng)火力發(fā)電站的建造成本約為1300美元/千瓦。而在北美固定式燃料電池價(jià)格明顯下降的背景下，燃料電池發(fā)電站的建造成本目前為1500—2000美元/千瓦，相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電方式而言已不存在太大差距。
總體而言，由于成本過高和配套設(shè)施的不完善，氫能發(fā)電技術(shù)的普及度并不高。相信隨著氫能發(fā)電技術(shù)的不斷更新，氫能市場(chǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，以及政府在政策上的持續(xù)支持，氫能發(fā)電成本會(huì)在未來大幅降低?？紤]到氫能發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn)，未來氫能技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用前景仍然值得期待。

氫能發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)分析

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

儲(chǔ)氫技術(shù)是利用氫能的關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)所在。氫在常溫常壓下呈氣態(tài)，密度很小，僅為空氣的十四分之一。壓縮儲(chǔ)氫是最常用的儲(chǔ)氫方式，目前高壓儲(chǔ)氫密度較低，普通鋼瓶在20.0MPa壓力下儲(chǔ)氫的重量百分比僅為1.6左右。

采用復(fù)合材料氣罐可以提高耐壓力和儲(chǔ)氫量，如玻璃纖維增強(qiáng)鋁金屬罐、碳纖維增強(qiáng)鋁金屬罐等，儲(chǔ)氫壓力可達(dá)30MPa，儲(chǔ)氫密度可增加到3.9的重量百分比。但是，壓縮儲(chǔ)氫的方式存在著泄露和氫脆現(xiàn)象等安全隱患，并且增加金屬罐內(nèi)壓力時(shí)，需要消耗更多的壓縮功。

政策風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)前世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家均在大力開展氫能發(fā)電的研究和試點(diǎn)，部分項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，將氫能利用作為未來可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。中國(guó)在氫能的研究和利用方面也相繼出臺(tái)了一系列利好政策，當(dāng)前中國(guó)在氫能發(fā)電領(lǐng)域的投資多來源于政府資金?？梢?，政府的支持是目前中國(guó)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵因素。
而氫能在電力行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用之前，尚存在著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不健全，氫能發(fā)電成本過高，制氫、儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)存在安全風(fēng)險(xiǎn)等一系列問題。上述問題的解決不能一蹴而就，因此在電力行業(yè)推進(jìn)氫能技術(shù)的應(yīng)用，最好采取先試點(diǎn)再推廣的策略。特別是大規(guī)模項(xiàng)目的開展更不能盲目，需要預(yù)先制定可行性方案，并鼓勵(lì)科研機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)共同參與。從而科學(xué)合理地加快氫能產(chǎn)業(yè)化步伐。

結(jié)語

氫能是可再生的清潔能源，在電力行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。利用氫能發(fā)電機(jī)和PEMFC燃料電池等技術(shù)手段將氫能有效地轉(zhuǎn)化為電能，不僅為應(yīng)對(duì)化石能源的日益枯竭提供了一條可行之路，更能有效解決二氧化碳超量排放所產(chǎn)生的環(huán)境問題。
但氫能在電力行業(yè)的推廣面臨著以下問題：氫能發(fā)電成本較高，基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善，極大地阻礙了市場(chǎng)化進(jìn)程；中國(guó)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)薄弱，并網(wǎng)不穩(wěn)定，電網(wǎng)規(guī)劃的進(jìn)度落后于新能源技術(shù)的發(fā)展速度；氫能技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴政策引導(dǎo)，內(nèi)在動(dòng)力不足。因此，中國(guó)在電力行業(yè)推廣氫能利用時(shí)，需要結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，先試點(diǎn)再推廣，積極穩(wěn)妥地將氫能技術(shù)納入到低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中來。