浅析氢能在综合能源系统中的应用

浅析氢能在综合能源系统中的应用

赵 宇

国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司 内蒙古 015000

摘要：在全球气候变暖，大气污染严重，资源紧缺的大环境下，氢能作为一种清洁能源具有十分重要的开发利用意义，因此氢能又被视为21世纪最具价值的高效能源之一。本文主要从氢能的特点和氢能在综合能源系统中的四大应用进行阐述，以促进氢能技术和产业的发展。

关键词：氢能 综合能源 应用前景

1. 氢能的特点

氢是一种重要的工业原料，更是一种清洁能源，具有清洁环保、储能高效、应用丰富等多个特点。

1. 氢能是制取方式多样、清洁环保的二次能源

氢的制取方式多种多样，目前国内的制取方式主要有：煤制氢、甲醇制氢、天然气制氢、工业副产制氢、炼厂气制氢、电解水制氢、焦炉煤气制氢等。氢经过化学反应直接转化成电能和水，没有污染物的排放，比汽油、柴油等化石资源更清洁更环保。

2. 氢能是非常棒的能源互联介质

电力、热力、液体燃料等能源之间的转化需要氢能作为转化介质，是目前唯一能实现各种能源转化和优化的途径。当前主要的能源体系是电网、热网和油气管网，氢能借助燃料电池技术可以进行不同能源之间的转化，还可以把化石燃料与再生能源转化成热力和电力，逆反应产生的氢燃料可以替代化石燃料，可以进行能源储存，因此氢能可以轻松地在各种能源之间进行转化，是非常理想的能源互联介质。

3. 氢能是可以大规模应用的储能资源

随着石油、煤等不可再生资源的持续减少以及可再生资源渗透率的不断提升，随着社会发展对各种资源的需求量日渐加大，储能在能源系统中的作用与日俱增。电能、热能不能满足大容量、长周期的储能需求，而氢能可以轻松实现电能和热能大容量、长周期的存储需求，对未来可再生能源体系的稳定运行提供了强有力的保障。

4. 氢能的应用范围十分广范

氢能的应用范围十分宽广，在交通、建筑、工业等主要领域发挥着重要的作用。例如，应用于交通运输领域的燃料电池汽车，在可再生能源的整合与发电中作为储能媒介，为建设领域提供电和热，为工业领域提供清洁环保的高效能源。氢能的发展前景不可限量，但在存储、运输方面和燃料电池终端应用技术方面比较薄弱，应加大研发力度，促进氢能更高效的发展和应用。

二、氢能在综合能源系统中的应用路径

大部分氢气主要应用于工业领域，为钢铁、炼化、冶金等重工业行业提供能源，减少碳排放和环境污染。氢能还可以广泛应用在交通运输、建筑等领域，既可以将燃料电池技术应用在汽车、高铁、地铁、货轮等方面，有效降低了交通运输工具对石油和天然气的依赖性，还可以进行分布式发电，为住宅和商业建筑供电供热。

1. 氢能在工业领域中的应用

氢能在工业上的应用途径主要有三方面：第一方面是炼油，氢是炼油工业的基本原料之一，在炼油过程中，催化裂化和热裂化都需要加氢工艺去除杂质，还需要加氢工艺保护炼油过程中的催化剂，从而提高炼油的效率和精纯度。第二方面是化工领域，氢气可用于甲醇、合成氨、合成甲烷、盐酸和化肥等工业原料的合成。第三方面是钢铁领域，氢气可以替代普通高炉或碱性氧气转炉中用到的天然气和焦炭。由于氢的合成燃料存储方便，运输快捷，为铁路、海路和航空提供了足够的清洁燃料。

2. 氢能在交通运输领域中的应用

氢作为交通燃料，是可以替代石油和天然气的清洁燃料，因为氢具有广泛的适用性和二氧化碳的零排放，而交通工具的尾气排放是空气污染的一个重要因素，因此交通运输部门和环境保护部门都希望通过快速减排减少空气污染，这主要依赖燃料电池的应用。常见的燃料电池主要有碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等，其中磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有冷起动和快起动的特点，常用做移动电源，而交通运输行业常用的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，这种电池在工作温度、催化剂稳定性、电效率等方面有明显优势。氢能燃料电池在交通运输领域的应用主要包括以下几个方面：第二，小型汽车、公共汽车、卡车和货车等日常的道路运输；第二，货船、客船、港口等海洋运输事业；第三，地铁、高铁、火车、轨道列车等铁路领域的应用；第四，客机、货机等航空领域的应用；第五，还应用在一些太空装备和深海装备中。氢在海洋、铁路、航空领域中的应用目前处于示范阶段，主要起辅助作用，而欧美国家碳排放的持续增长为氢能的应用提供了广阔的空间。世界上第一列氢燃料电池有轨电车于2017年10月在河北唐山唐胥铁路投入商业运营，填补了该领域的空白，实现了碳零排，且这辆氢燃料电池有轨电车不用架设接触网，不需要充电桩。2020年1月，美国国防部和能源部启动了氢燃料电池应急救援车项目，就氢燃料电池应急救援车研发合同开展招标，旨在实现跨领域跨部门的低成本氢气生产、运输、存储和利用的目的。

3. 氢能在能源企业中的应用

全球范围内，氢能的发电比例特别小，不到总发电量的1%，但是由于全球温度变暖，碳排量居高不下，所以能源行业对氢能的需求越来越大，氢能在能源企业中的应用路径主要有以下几个方面：第一，氢能为燃气轮机和燃料电池提供燃料成为备用电源或实行离网供电，对于偏远地区和易停电地区的电源供应提供了保障，是一个灵活性的电源；第二，氢能转化成氨与煤粉共同燃烧，大大降低了燃煤电厂的碳排放量；第三，氢能以压缩气体、合成甲烷或氨的方式存储，可能平衡电力需求并可减弱再生能源的间歇性波动。氢能提供能源安全的保障，能解决全球变暖的问题，所以国土面积小、资源依赖性强的日本曾表示要率先实现“氢能社会”，就是将氢能广泛应用在日常生活与经济生活中，与电力、热力共同构成能源的三大支柱。因此日本针对这一目标有明确的发展规划，到2025年要让氢能利用的市场众所周知；到2030年要建立大规模氢能供给体系并实现氢燃料发电；到2040年要完成零碳氢燃料供给体系建设。

4. 氢能在建筑热电方面的应用

在生活住宅领域，传统能源大部分应用于供暖、热水和烹饪。氢与天然气混合，通过燃料电池热电联产技术为生活住宅提供连续性和灵活性的热能和电能。早在2009年，日本的燃气公司与松下集团共同研发的“Ene-farm”家庭燃料电池项目投入商业实施，这种氢能燃料电池不依赖电网独立运行，对于地震频发的日本有重要意义。同时，发电产生的热能可以进行家庭取暖和热水供应，方便又环保。2019年6月世界上第一台氢燃料家用锅炉在荷兰罗森堡开启运行。锅炉燃烧的氢是风能或太阳能产生的，实现了二氧化碳零排放。

三、总结

氢能作为一种清洁环保、应用范围广范、易于存储、能源转化的高效二次能源，对未来能源与电能、热能的发展问题起着非常重要的作用，在工业领域、交通运输领域、能源企业和建筑热电领域都有极其广范的应用空间。因此要保持环境保护的初心，通过提升技术研发能力,并从国家的战略层面促进我国氢能产业健康、快速的发展.

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