氢能优势、性质、分类、制取与输运方式有哪些？

氢的输运方式主要有气态输运、液态输运和固体输运三种方式。

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。能帮助可再生能源大规模 消纳，实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能，加速推进工业、建筑、交通等领域 的低碳化。氢气的制取方式多样，产物无污染；氢能作为能量的主要利用方式是燃料电 池，通过电化学反应直接将化学能转化为电能，能量转化过程不受卡诺循环的限制，能 量转化效率很高；此外，氢能可以广泛应用于工业、交通、建筑、发电等领域。

氢气制备的历史。氢气最早记载于十六世纪，瑞士炼金术士 Paracelsus 发现铁同 酸作用所产生的“空气”是可燃的。1766 年，英国化学家 Cavendish 第一次分离得到 纯净的氢气，并通过实验证明了氢气同其他可燃性气体的区别。1784 年，Cavendish 又 通过实验证明氢气在氧气中燃烧生成水，随后用电流把水分解成氢和氧。1783 年，法 国化学家 Lavoisier 将它命名为 Hydrogen。Lavoisier 是通过水蒸气对赤热铁的作用而 制得氢的。

氢元素分布广泛。氢元素在地壳中的丰度较高，为 0.14%。在宇宙中氢是最富饶的 一种元素，并且是星球中一切聚变过程的根源。化合态氢最常见形式是水和有机物(石 油和煤炭、天然气、生命体等)。较少情况下，存在为同氮、硫或卤素的化合物（火山 气和矿泉水）。 氢单质分布稀少。自由态的氢气单质较为稀少，在大气中仅约占 107 分之一。常存 在于火山气中，有时夹藏在矿物中，有时出现在天然气中和少数某些绝氧发酵过程中。 由于氢气在空气中的扩散系数为 0.61cm2 /s（约为甲烷的 4 倍），所以氢气会很快地从大 气圈中逃逸到外层空间。

氢气的物理性质。天然界存在的氢主要是最轻的同位素 1H。单质氢是由两个氢原子 以共价键的形式结合而成的双原子分子。氢气是一种无色无味无嗅的气体，在通常况下 密度为 0.08988g/L，约为空气密度的十三分之一。用液态空气对氢气进行冷冻，或将高 压氢气通过绝热膨胀，都可以将氢气液化。在减压下令液氢蒸发，可以将氢冻结成固体。 氢气在常见溶剂中的溶解度很低。

氢气的化学性质。由于组成氢气的两个氢原子之间存在较强的共价键，氢气在常温 下化学性质稳定。1）氢气具有可燃性。在点燃或加热的条件下，氢气很容易和多种物 质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时，可安静燃烧，发出淡蓝色火焰，放出热量，有 水生成。2）氢气具有还原性。氢气的化学性质活泼，与氧发生化合反应生成水，容易 发生燃烧和爆炸。3）氢气具有氧化性。氢气是由氢原子共价形成的双原子分子，而每 个氢原子可以分别获得一个电子形成负氢离子，这种情况见于和强还原性金属发生反应。 在工业上利用氢的化学性质制备氢气。这些方法大致可以分为三大类：质子性溶剂 的还原反应(金属同水或酸的作用，碳同水蒸气的作用等)；氢化物或络合氢化物的氧化 反应；含氢化合物的分解反应(如烃类和水的分解)。

氢气很难从自然界中直接大量获取，需要依靠不同的技术路径和生产工艺进行制备。 目前，主要制氢路径包括化石能源重整、工业副产提纯和电解水制氢。根据生产来源和碳 排放量的不同，氢气可以分为灰氢、蓝氢、绿氢三种类型。 灰氢是指通过化石重整（煤、天然气）、工业副产（焦炉煤气、化肥工业、氯碱、轻 烃利用等）等生产的氢气。取自化石燃料的氢，如来源于煤炭和天然气的氢，排放相对 较高，但成本更低。灰氢是当前的主流氢气，约占全球氢气产量的 95%。灰氢主要应用 于内部需求，即直接用于氢气生产站点。 蓝氢是在灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCS）而制取的氢 气，是灰氢过渡到绿氢的重要阶段。

绿氢是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后，通过电解工序制取的氢气。 绿氢的制取技术路线主要为电解水，其碳排放可以达到净零。 此外，国外还将核能制氢称为粉氢。粉氢是以来源丰富的水为原料，利用核能大规 模生产的氢气。热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望与核能耦合的先进制氢工艺。

氢气的制取主要有化石能源重整、工业副产提纯和电解水制氢三种方式。氢气作为 化工生产的原料和中间产品，通常会通过化石能源重整制氢，工业副产提纯制氢等方式 进行制取。相比上述两种方式，电解水制氢的原料和生产过程都以清洁能源为主，应当 作为大力发展的最重要的制氢技术路线。目前，电解水制氢技术成熟度较低、产业尚未 完全规模化，成本远高于其他几种氢能生产方式。 1）化石能源重整制氢。煤制氢历史悠久，通过气化技术将煤炭转化为合成气，再 经水煤气变换分离处理以提取高纯度的氢气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气 等多种产品的原料，广泛应用于煤化工、石化、钢铁等领域。煤制氢技术路线成熟高效， 可大规模稳定制备，是当前成本最低的制氢方式。

天然气制氢技术中，蒸汽重整制氢较为成熟，也是国外主流制氢方式。天然气制氢 工艺的原理就是先对天然气进行预处理，然后在转化炉中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化 碳和氢气等，余热回收后，在变换塔中将一氧化碳变换成二氧化碳和氢气的过程。为控制氢气制取环节的碳排放，化石能源重整制氢需结合碳捕集与封存(CCUS) 技 术。CCUS 是一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新技术。

2）工业副产提纯制氢。以焦炉煤气、轻烃裂解副产氢气和氯碱化工尾气等为主的 工业副产氢由于产量相对较大且相对稳定，也成为现阶段氢气的供给来源之一。工业副 产氢气主要分布在钢铁、化工等行业，提纯利用其中的氢气，既能提高资源利用效率和 经济效益，又可降低大气污染，改善环境。 焦炉煤气。据中国氢能联盟，每吨焦炭可产生焦炉煤气约 350-450 立方米，焦炉 煤气中氢气含量约占 54%-59%。除用于回炉助燃、城市煤气、发电和化工生产外，剩 余部分可采用变压吸附（PSA）提纯技术制取高纯氢。氯碱化工尾气。大型氯碱装臵多 数配套盐酸和聚氯乙烯等生产装臵，以平衡氯气并回收（60%左右的副产氢气可以得到 回收）。此外，甲醇及合成氨工业、丙烷脱氢 (PDH) 项目的合成气含氢量在 60%-95% 之间，可通过纯化技术制取满足燃料电池应用的氢气。

工业副产提纯制氢可提供百万吨级氢气供应，能为氢能产业发展初期就近提供低成 本、分布式氢源。但该路线同样面临碳捕捉封存问题，从中长期来看，钢铁、化工等工 业领域需要引入无碳制氢技术替代化石能源实现深度脱碳，将从氢气供给方转变为需求 方。

3）电解水制氢技术。目前，电解水制氢技术主要有碱性水电解槽（AE）、质子交 换膜水电解槽（PEM） 和固体氧化物水电解槽（SOEC）。其中，碱性电解槽技术最为 成熟，生产成本较低。质子交换膜电解槽流程简单，能效较高，但因使用贵金属电催化 剂等材料，成本偏高。固体氧化物水电解槽采用水蒸气电解，高温环境下工作，能效最 高，但尚处于实验室研发阶段。 未来，可再生能源发电制氢的潜力很大。一方面作为全周期零碳排放技术，随着可 再生能源发电平价上网，电解水制氢成本将持续下降。另一方面当波动性可再生能源在 电源结构中占到较高比重时，单纯依靠短周期储能将无法满足电力系统稳定运行需要。

氢的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式。高压气态储氢已得到广 泛应用，低温液态储氢在航天等领域得到应用，有机液态储氢和固态储氢尚处于示范阶段。 气态储氢。高压气态储氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是现阶段主要的 储氢方式，分为高压氢瓶和高压容器两大类。其中钢质氢瓶和钢质压力容器技术最为成熟， 成本较低。

液态储氢。液态储氢具有储氢密度高等优势，可分为低温液态储氢和有机液体储氢。 低温液态储氢将氢气冷却至-253℃，液化储存于低温绝热液氢罐中，液化过程耗能大、易挥发、成本高、对隔热装臵要求苛刻。有机液体储氢，利用某些不饱和有机物与氢气进行 可逆加氢和脱氢反应，实现氢的储存。有机液态储氢安全性高，但存在着反应温度较高、 脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化等问题。 固体储氢。固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过 化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储。固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低安全性 好、放氢纯度高等优势，其体积储氢密度高于液氢。但存在着吸放氢温度偏高循环性能较 差等问题。

氢的输运方式主要有气态输运、液态输运和固体输运三种方式。目前，我国氢能示 范应用主要围绕工业副产氢和可再生能源制氢产地附近布局，氢能储运以高压气态方式为 主。据中国氢能联盟预计，至 2030 年，车载储氢将以气态、低温液态为主，多种储氢技 术相互协同，氢的输运将以高压、液态氢罐和管道输运相结合。至 2050 年氢气管网将密 布于城市、乡村，车载储氢将采用更高储氢密度、更高安全性的储氢技术。 气态运输。高压气态输运可分为长管拖车和管道输运 2 种方式。高压长管拖车是氢气 近距离输运的重要方式，技术较为成熟。管道输运是实现氢气大规模、长距离运输的重要 方式，据中国氢能联盟，管道运行压力一般为 1.0 至 4.0MPa，具有输氢量大、能耗小和 成本低等优势，但建造管道一次性投资较大。在初期可积极探索掺氢天然气方式，以充分 利用现有管道设施。

液态输运。液氢输运通常适用于距离较远、运输量较大的场合。据中国氢能联盟，其 中，液氢罐车可运 7 吨氢，铁路液氢罐车可运 8.4 至 14 吨氢，专用液氢驳船的运量则可 达 70 吨。采用液氢储运能够减少车辆运输频次，提高加氢站单站供应能力。目前，我国 尚无民用液氢输运案例。 固态输运。轻质储氢材料（如镁基储氢材料）兼具高的体积储氢密度和重量储氢率作 为运氢装臵具有较大潜力。将低压高密度固态储罐仅作为随车输氢容器使用，加热介质和 装臵固定放臵于充氢和用氢现场，可以同步实现氢的快速充装及其高密度高安全输运，提 高单车运氢量和运氢安全性。

氢的主要用途包括燃料用氢、原料用氢、储能用氢三类。氢能可以在多个生产和消 费环节作为替代能源进行使用，在重工业、交通、建筑、电力行业中均有不同的应用场景， 其中最主要的用途包括燃料用氢、原料用氢、以及储能用氢三类。 燃料用氢。主要场景包含重型道路交通、船运、航空、发电等领域。氢气易燃且热值 高，燃烧产物仅为水，不排放二氧化碳等温室气体，与传统的化石燃料（石油、天然气、 煤炭）相比，氢是终端零排放的清洁能源，可作为供热或供电的燃料。目前燃料用氢的应 用在全球范围内尚为有限，主要限制因素是燃氢轮机等设备设施的技术成熟度低、经济性 不高，相应的基础设施和政策标准尚不完善。

原料用氢。主要场景包含钢铁、化工等领域。氢气是重要的工业气体，氢元素的强还 原性被用于多种化学反应，是众多化合物的基础元素之一。化工行业需要用氢制备甲醇、 合成氨等多种产品，冶铁需要利用氢气作为还原剂，多种高端材料的制造在生产流程中均 需要使用氢气进行加工。 储能用氢。主要场景包含电力储能领域。作为储能的一种形式，在一定的环境条件和 容器中储存液态氢或气态氢，或将氢转换为化合物（如合成氨），增强氢能用于燃料/原料 的灵活性。