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2 0 1 0 年第 3 期 上 海 电力 氢能经济发展现状及展望 李兵 ， 王培红 ( 东南大学 能源 与环境学 院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 氢能作为一种高效 的清洁能源 ， 其发展潜 力巨大 ， 越来越受 到世界各 国的重视 。文章介绍 了美 国 、 欧 洲 、 日本等 国家不 同类型 的氢能经济发展现状 ， 结合支撑氢能经济发展的关键技术 问题 ， 比较并分析了典型的 制氢技术与 氢利用技 术。分析 了我 国氢能经济发展历程和现状 ， 并对我 国发 展氢能源经济提 了建议。 关键词 ： 氢能经济 ； 氢 产业 ； 燃料 电池 中 图分 类号 ： TQ1 】 6 2 文献 标 识 码 ： A l 引 言 近 现代 的工 业 文 明均 以化 石 燃 料 为 基 础 ， 化 石燃料 的大规模 运用 在推 动社 会经 济快 速发 展并 提高人 民生 活水 平 的 同时 ， 也 带 来 了严 重 的环 境 污染 。C O 、 S O 、 NO 的 大 量排 放 ， 导 致 了温 室 效应 和酸雨 的形 成 ， 严 重 威胁 着人类 的生存 环境 。 此外 ， 由于 化石 燃 料 的不 可 再 生 性 以及 世 界 经 济 对能 源 的刚性需 求 ， 能源 危机 日益 加剧 。 面对 能源危 机 和 能 源价 格 快 速 上 涨 的 压 力 ， 寻找替 代 能源 的 呼声 越 来 越 高 ， 氢 能作 为 一种 高 效的清洁能源 ， 引起了世界各 国和科研机构 的高 度重视， “ 氢能经济” 的概念因此浮出水面。 “ 氢 能经济 ” 可 以理解 为 以氢能 等清 洁能 源为 主 的清 洁经济 ， 是充 分利 用氢 能众 多 的优 越 性质 ， 以人类 需求 和 市场 为 目标 ， 所进 行 的氢 能研 发 、 生 产 、 储 存 、 运输 、 经 营 、 管 理 等 经 济 活 动 的总 称l 】 。 发展 “ 氢 能经济 ” 可 以部 分摆脱 人类 对 化石 能源 的 依赖 ， 实 现人类 社会 的可 持续 发展 。 2 国外“ 氢能经济” 发展近况 近 年来 ， 美 国 、 欧 盟 、 E l 本 等 相 继 制定 了 氢 能 发展 规划 ， 投人 大 量 经 费 支持 氢能 开 发 和 应 用示 范 活动 。 美 国 已制 定 了 国家 氢 能 发 展路 线 图 ， 并 宣 布 政府 拨 款 1 7 亿 美 元支持 实施 氢燃 料 电池及 基础 设施 技术 开发计 划 和 自由车技术 开 发计划 ， 上 述研 究计 划 的研究 领域 包括 氢气 制造 、 储存 、 运输 成本 的 降低 ； 车载燃 料 电池成 本 的降低 ； 氢燃 料 电 池成 本 的降低 以及 相关标 准 的制定 l_ 2 等 。美 国能 源部 已经 与 Mi l l e n n i u m C e l l 等 著 名 的科 技 研 发 公 司签 订 合 同 ， 在 2 0 0 4年 至 2 0 0 6年 问 出 资 3 5 0 万 美元 资 助其氢 能 研 究 计 划 ， 以降 低 美 国对 国外 石 油 的依赖 ， 促进 美 国 国 内能 源 资 源 的多 样 化 应 用 。 美 国前 总统 布 什 曾表示 ， 美 国将 致 力 于 发 展 氢 燃料 电池 车辆 以及 氢 能 基 础 供应 设 施 的建设 ， 以维护 生 态环境 并保 证美 国在 能源 保 障方面 取得 更 大 的 自主性 。 欧 盟 各 国 则 致 力 于 研 究 氢 燃 料 电 池 ， 并 于 2 0 0 2年 1 O月 成立 “ 氢燃 料 和燃 料 电池技 术 ” 科 研 小组 ， 论证 燃料 电池 在 欧盟 能 源 可 持 续 发展 体 系 中 的作 用 。 “ 欧洲 清洁 城市 运输 项 目计划 ” 已经 为阿 姆斯 特丹 、 巴塞罗那 、 汉堡 、 斯 图加 特 、 伦 敦 、 卢 森堡 、 马 德里 、 斯德 哥尔 摩 和波 尔 图 9个 城 市 各安 排 3辆 燃 料 电池公 共 汽车试 用 。运行 以来 ， 性 能稳定 ， 为 减少 C O 排 放 做 出了很 大贡献 。 日本 政府采 用 了积 极 的鼓 励政 策 ， 投 入 大 量 资金 致力 于研究 车 用燃 料 电池和 固定装 置燃 料 电 池技术 。2 0 0 1年 1月 ， 日本 经 济产 业 省 的 “ 燃 料 电池 实用 化 战略研 究 会 ” 报告 提 出 了指 导氢 能 和 燃料 电池 技术 发 展 的 国 家行 动 纲 领 ， 并 明确 制 定 了分 阶段 实现燃 料 电池 实用 化 的 目标 。 日本 政府 将投 入 研 发 资金 1 1 O亿美 元 ， 分 阶 段 以实 现 下列 目标 ： 2 0 1 0年 燃 料 电 池 总 装 机 容 量 达 到 2 2 0 0 0 Mw ， 2 0 3 0年 投入 使用 燃料 电池 汽车 1 5 0 0万 辆 ， 在全 国建 成 了 8 5 0 0个 加氢 站 为其 提供 能源 。据 估计 ， 燃 料 电池 将 成为 E t 本最 具竞 争力 的新产 业 。 此外 ， 水 电和 天然气 丰 富的挪威 于 2 0 0 3年成 立 了国家 氢能 源 委 员会 ， 目前 正 在 斯 塔 万格 和奥 斯陆 间建 设 5 0 0 k m 的 氢 能源公 路 。加 拿 大 和 巴 1 73 上 海 电力 2 O 1 O 年第3 期 西 也都希 望 利 用廉 价水 电推 广 氢 能 。人 口仅 2 8 万 的 冰岛 5 8 的能源 和近 1 0 0 的 电力 来 自水 电 和地热 ， 早 在 1 9 9 9年 就提 出到 2 0 3 0年 将 率 先 建 成氢经济 ， 首 先更换 首都雷 克雅 未克全部 公交 车 ， 到 2 0 3 0年将使全部机动车和渔船使用氢燃料 电 池 。 3 发展“ 氢能经济” 的关键技术 3 1制氢技 术 氢 能的开 发利 用 首 先要 解 决 的是 制 氢技 术 ， 氢 源 问题 已成 为发展 氢能经 济 的主要瓶 颈 。 目前 国际上 主要 的制氢方 式为 ： 电解水 制氢 、 化石燃 料 制 氢 以及 生 物质 制 氢 等 。下 面从 原料 来 源 、 技 术 优 势 、 经 济效益 以及对 环 境 的影 响等 方 面进 行 比 较 嘲 。 ( 1 ) 电解 水制 氢 电解 水制 氢是 一 种完 全 清 洁 的制 氢 方式 ， 当 两个电极( 阴极和阳极) 分别通过直流电， 并且浸 入水中时， 在催化剂和直流电的作用下 ， 水分子在 阳极失 去电子 ， 被分解 为氧气 和 氢离子 ， 氢离子 通 过 电解 质和 隔膜到达 阴极 ， 与 电子结合 生成氢 气 ， 这 个过程 就是 电解水 制氢 ， 其 装置 即 电解 槽 ， 目前 电解水制氢 的效率约为 5 O 9 6 7 0 。为 了提高 制 氢效率 ， 电解 通常 在高压 环境下 下进行 ， 采用 的 压 力多 为 3 0 5 0 MP a 。电解 水 制 氢 的特 点 是 能耗高 而效率 低 ， 因此 利 用 常规 能 源 生产 的 电能 来 大规模 电解水 制氢 ， 显然很 不经 济 ， 但 在 电价 较 低 ， 而需要高纯氢气 ， 或者要求的产氢率不大时， 电解水 制氢还 是可 以采用 的 。非并 网 的风 电制 氢 也 已经 引起关 注 。 ( 2 ) 化石 燃料制 氢 利用 化石燃 料 制 氢 主要 有 2条 技 术 路线 ： 一 是 以煤 炭为 原 料 ， 经 过 气 化 、 C O 变 换 、 酸性 气 体 脱 除 、 氢气 提纯 等工 艺过程制 取氢气 ； 二是 以天 然 气 为原 料 ， 在催 化 剂作 用 下 与水 蒸 气 反应 制 取 氢 气 。以煤为原料来制氢成本高 ， 在获取氢资源的 同时排放出大量 C O 。 气体 ， 使温室效应加剧 。利 用 天然 气制 氢技术成 熟 、 生产 量 大 ， 虽然 也排放 出 C O 等 温 室气 体 ， 但 污 染 比煤 制 氢要 小 得 多 ， 是 目前 大规模 制氢 的主要途径 。由于天然 气和煤 都 是宝贵 的燃料 和化工 原料 ， 其 储量 有限 ， 且制氢 过 程会对环境造成污染 ， 因此用它们来制氢显然仍 旧摆脱 不 了人 们对 常规能 源的依 赖和对 自然环 境 一 1 74一 的破 坏 。 ( 3 ) 生物质制 氢 生物质 资源丰 富 ， 是重 要 的可再生 能源 ， 生物 制氢 的过程 大都 在 室温 和 常 压下 进 行 ， 不仅 消 耗 小 ， 环境 友好 ， 还 可 以充 分 利用 各 种废 弃物 ， 因此 生物制 氢技术 具有 良好 的环境性 和安全 性 。生物 制氢 主要包 括生物 质气化 制氢 和微生 物光合 制氢 两种 。生物 质气化 制氢是 将生物 质原料 ( 如 薪柴 、 锯末 、 麦秸 、 稻草 等) 压 制成 型 后 ， 在气 化 炉 ( 或 裂 解炉 ) 中进行 气化 或裂解反 应可 制得含 氢燃料 气 。 微生物光合制氢是以各种工业和生活有机废水及 农副产品的废料作为原料 ， 利用某些水藻， 如小球 藻 、 固氮蓝 藻等 以太 阳光 为能源 ， 通过光 合作 用制 氢 。 目前生 物质 制 氢技 术 仍 在 不 断发 展 ， 但 大 多都 只停 留在实验 阶段 ， 开发经 济 、 高效 的生 物质 制氢 技术 ， 并 与燃 料 电池技 术相结 合 ， 以实现 生物 质资源的高效清洁利用 ， 极具发展潜力 ， 是实现氢 能经 济的重要 途径 。 3 2氢能 利用技 术 燃 料 电池是将 “ 氢能经 济” 从 设想 变为现 实 的 关键 技术 ， 是氢 能 的 最佳 利 用方 式 。燃 料 电池 是 一 种 电化学 能量转 换装置 ， 能够 不通过 燃烧 ， 将 贮 存在燃料氢气 中的能量与氧化剂反应直接转化成 电能 ， 具有能 源转换效率 高、 环保、 可靠 的特点。 基本原 理是 电解水 的逆 反 应 ： 把加 注 的 氢 和空 气 中的氧分别 供给 阴 极 和 阳极 ， 氢 通过 阴极 向外 扩 散和 电解质 发生 反应 后 分 解为 氢 离 子 和 电子 ， 产 生 电流的 同时氢 离 子通 过 外部 负载 ， 到 达 阳极 与 氧结合 生成水 。 目前发达国家纷纷将大型燃料 电池的开发作 为研究的重点， 企业界也纷纷投入巨资， 从事相关 技术 的研 究 与开发 ， 并取得 了许 多重要成 果 ， 使 得 燃料电池即将取代传统内燃机而广泛应用于汽车 上 。美 国通用 汽车公 司 已研制成 功使用 液氢燃 料 电池产生动力的零排放概念车 ， 该车加速快 ， 操作 灵活 ， 最高 时速 可达 1 4 0 k m h ； 日本本 田汽 车 公 司于 2 0 0 5年 推 出了氢动力 燃料 电池 ， 装 配于其 位 于美 国生产基 地 的 F C X燃料 电池 汽车之 中 ， 该 公 司在今 后 四年 内将 把氢动 力燃料 电池轿 车推 向全 球 。 我 国的质子交 换膜燃 料 电池 也 已经 达到装 车 水平 。2 0 0 6年 由江苏镇 江 江奎 科技 有 限公 司 、 清 华大 学 、 奇瑞 汽车 三方 自主研发 的“ 示 范性氢燃 料 2 0 1 0 年第 3 期 上 海 电力 轿 车研 制项 目” 通过 国家 级专 家组 评 审 ， 标 志着我 国第 一 台具 有完 全 自主 知识产 权 的 以氢 燃料 为动 力 的汽车研 制 成功 ， 我 国 氢动 力 技 术 已达 国 际 同 步 领先 水平 ； 2 0 0 8年春 兰研 究 院 氢能 综 合 利用 工 程 技 术 中心 建成 燃料 电池 研 发 测 试平 台 ， 实 施 1 O k w 级质 子交 换 膜 燃 料 电池 电 源项 目， 建 设 车 用 燃 料 电池 中试生 产线 。 研 发氢 燃料 电池 技术 并将 其规 模化 应用 于汽 车工业是未来“ 氢能经济” 发展的趋势 ， 但燃料 电 池 的成本 居 高不下 也 成为制 约 其商业 化应 用 的瓶 颈 。据估 计 ， 目前 燃 料 电 池 的成 本 是 5 0 0美 元 k W ， 这 是消 费者 难 以接 受 的 ， 如 何利 用原 材 料 技 术的突破 、 批量生产形成 的规模效应 来降低燃料 电池 的生产成 本 ， 成 为 燃 料 电池 汽 车 实用 化 的关 键 。 4 中国“ 氢能经济” 发展现 状及 其分析 我 国对 氢能 的研 究 与发 展 可 追 溯 到 2 0世 纪 6 0年代 ， 目前 我 已经 形成 了从 基 础 研 究 到示 范 演 示 的全方位 格 局 ， 初 步形 成一 支 由高等 院校 、 科研 院所 、 石油化工及汽车工业等部 门为主的从事氢 能研究 、 开 发和 应用 的 专业 队伍 。2 0 0 0年 科技 部 启动 了 9 7 3基 础 研究 项 目， 内容 为 氢 能 的规 模制 备 、 储 运 和燃料 电池 的相 关研 究 ， 该 项 目针 对氢 能 领域 的若 干 科 学 命 题 和 核 心 技 术 开 展 基 础 性 研 究 。2 0 0 1 2 0 0 5年 ， 国家科 技 部 8 6 3电动 汽 车重 大专项设立“ 燃料电池电动车” 课题 ， 以期在燃料 电池 、 燃 料 电池 发 动 机 以及 整 车 系 统 方 面形 成 一 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 。 经 过近 几年 的努 力 ， 我 国在 氢 能 和燃 料 电池 技术领域取得了较大进展 ， 在氢制备 储运等技术 领 域 ， 我 国的天然 气 制氢 以引 进技术 为 主 ， 技 术相 对 成熟 ， 与 发达 国家 的差距 不 大 ； 在 燃料 电池 技术 领 域 ， 我 国 已 经 掌 握 了诸 如 电催 化 剂 、 质 子 交 换 膜 、 双极 板 材料 等关键 技 术 ， 与 国际先进 水平保 持 同步 ， 但 在关 键零 部 件 规 模 生 产 和 电 堆批 量 组 装 及 相关 性能 指标 ， 我 国还 落后 于先进 国 家 。 中国 的氢能 研 究 发 展仍 处 于 初 步 阶 段 ， 研 发 投 入有 限 ， 遇 到 的瓶颈 主要 有 以下三个 ： ( 1 ) 制氢 成 本 高 是 瓶 颈 之一 。氢属 于 二 次 能 源 ， 地球 上单 质氢 含量 微乎 其微 ， 只 能 由其 它 能源 转 化得 到 。化石燃 料 制氢 消耗 能源 的同 时排放 出 大量 温 室气 体 ， 污 染 环 境 。 目前 的关 键 问 题 是 以 尽可 能小 的代 价 和成本 获得 氢 能源 。 ( 2 ) 安全则是氢经济的另一大挑战。氢气 比 石油 更容 易挥 发 ， 同时 无 色 无 味 等独 特 物 理 特质 决定 了其 火焰 不 可见 、 气 味也 闻不着 、 着火 范 围更 宽、 火焰传播速度更高 、 更容易泄漏、 更容易爆炸。 这使得氢气的储存、 运输和补充都成为亟待攻关 的难 题 。 ( 3 ) 氢能经济体系的建立是第三个亟待解决 的问 题 ， 没 有 足够 的车 辆 ， 燃 料供 应 商 不 愿投 资 ； 而未 建立起 加 氢站 网络 ， 汽 车制造 商 又不会 行动 ， 造 成 了氢燃 料 网络投 资 和氢燃 料 汽车 开发 之问 的 矛盾 ， 而这 只是 整 个 氢 能 经 济体 系建 设 众 多 矛盾 中的一 个缩 影 l 5 。 5 建 议 ( 1 ) 宣 传 引 导 政 府应 大力 宣 传 氢 能 相关 的知 识 与 技 术 ， 提 高公 众 和企业 对 氢 能 的认 知 与认 同 ， 吸 引企 业 参 与氢能经济的建设 ， 逐渐形成有利 于“ 氢能经济” 的发 展社 会氛 围 。 ( 2 ) 政 府 鼓 励 政府 应对 氢 能 经济 的发 展 予 以重 视 ， 制 定 有 利 于氢 能源产 业 发 展 的优 惠 政 策 ， 并 对 氢能 源 产 业进行财政、 税收、 价格和资金等方面的扶持； 选 择重 点企 业进 行 试 点 并形 成产 业 化 ， 构 建 产 业体 系 ； 鼓 励相 关 企业 协 同建 设 具 有 中 国特 色 的 氢 能 经济 。 ( 3 ) 科技 支撑 加 大对氢 能 技术 研 究 与开 发 的 投 资 ， 重 点研 究高 效低 成本 的可 再 生 能 源制 氢 技 术 、 经 济 高效 安全 的氢 储存 和 输 配技 术 、 燃 料 电池 电堆 集 成技 术 、 燃 料 电池 发 电及 车 用动力 系统 集成 技术 ， 形成 氢能制备 、 储存 以及燃料电池等相关 的技术规范 与标 准 。 氢能 是一 个 环境 友 好 的清 洁 能源 ， 代 表着 未 来 能 源高 效清 洁 的 发展 趋 势 ； 氢能 的开 发 和利 用 是 一 个 巨大的产 业 链 ， 发 展 “ 氢 能经 济 ” 有 望成 为 新 的经济增 长 点 ； 我 国是 一个 发展 中的大 国 ， 改善 能源结构、 发展低碳清洁能源是保障我国经济可 持 续健 康发 展 的必 然 选择 。因 此 可 以预 期 ， 建设 有 中国特 色的“ 氢能 经济 ” 将在 未来 中国的发展 过 程 中发 挥更 加重 要 的作用 。 一 1 75 上 海 电力 2 0 1 0 年第 3 期 风能利用的多元化发展方向 胡 立 业 ( 华东 电力试验研究 院有 限公 司， 上海2 0 0 4 3 7 ) 摘要 ： 风能是最有开发利用前景和技术相对较成熟 的一种可再生能源。文章分析 了国内外风力发电现状与 技术 发展趋势 ， 探讨风 能利用 的发展方 向。介 绍 了风机 的多种形式 ， 包括海 上风电 、 风 电并 网与对 电网的影 响、 压缩空气 蓄能发 电技术 ， 提出了解决调峰蓄能问题 、 大 中小型风机共 同发展是今后我 国风电发展 的主要方 向。建议建设小容量压缩空气蓄能燃气 轮机发 电与小型风力发 电结合 的示范装置 。 关键 词： 风力发电 ； 海上风电 ； 现代小型风机 ； 并网与非并网风电； 压缩空气 蓄能发 电 中 图分 类 号 ： TK8 9 文 献 标 识 码 ： B 1 引言 国际上 提 出 了“ 在 2 0 5 0年 将 C O 的排 放 量 降低 5 O ” 的指 标 。然 而 ， C O 。降 低一 半 的诱 人 前 景并非毫 无代 价 ， 需 要 全世 界 增加 巨额 的 额外 投 资 。 目前 可 再 生 能 源 产 业 还 处 于 大 量 投 入 阶 段 ， 远 没有 转化为生 产力 。 从某种 意义上 讲 ， 经 济 性是 衡 量 可再 生 能源 技术 优劣 的重要标 准 。风 力发 电是近期 内最 具大 规模 开发利 用价值 ， 适合 商业 开发 的可再生 能源 ， 技术 相对成 熟 ， 发 电成本 接近 常规能 源 ， 因此 近年 来 在世界 范 围内得到 高速发展 。世 界风能 学会主 席 P r e b e n Ma e g a a r d预 计 2 0 1 0年 风 能行 业 的市 场 额达 6 0 0亿美 元 。 2 0 0 6 年 我 国 可 再生能 源 法 实施 ， 对 风 电 的 发 展有很 大 的推动 作 用 。 中国各 大 动力 公 司 ( 实 力雄 厚 的发 电设 备 制造 企 业 ) 都 已进 入 风 电国产 领 域 。然 而 ， 在风 电产业 如火 如荼建设 的 同时 ， 国 内风机也从 供给 不足迅 速演变 成产 能过剩 。尽管 这一 说法 尚存争 议 ， 但 国内产 能 饱 和度 较 高 已是 不 争的事 实 。 事实上， 由于受电网建设滞后与严重缺乏调 参考文献 ： 1 马 涛国外氢能源经济发展现状及对我国的启示 E J 3 节 能技术 ，2 0 0 8 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 2 4 3 2 8 2 刘 娅， 徐 峰世界 氢能 与氧 经济 的发展 概况 与不 同认识 J 世界科技研究与发展 ，2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 ) ：1 0 1 1 0 6 3 3 李言浩 ， 马沛生 ， 郝树仁中小 规模 制 氢方 法 J 化 工进 展 ， 2 0 0 1， 2 O( 9 ) ： 22 5 E 4 3 欧训民氢能制取和储存技术研究发展综述E J 能源研究 与信息 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 4 E s 唐仁杰 ， 张若云中国氢能经 济发展策略研究 I- J 集 团经 济研究 ， 2 0 0 6 ( 2 0 ) ： 6 9 7 0 6 蔡炽柳氢能及应用前景分析 J 能源开发， 2 0 0 8 ( 0 5 ) ： 3 9 4 1 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 2 0 8 作者简介 ： 李 兵( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研 究方 向为汽 轮 机 热 力 系统 分析 理 论 。 ( 责任编辑 ： 杜 建军) Hy d r o g e n e n e r g y e c o n o my c u r r e nt s t a t u s a n d pr o s pe c t LI Bi ng， WA NG Pe i ho n g ( C o l l e g e o f e n e r g y a n d e n v i r o n me n t ， S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C