《氢能与燃料电池电动汽车第2章 氢能.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氢能与燃料电池电动汽车第2章 氢能.pptx（59页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、氢能与燃料电池 电动汽车Hydrogen Energy&Fuel Cell Electric Vehicle机械工业出版社目 录第2章 氢能2.1化石燃料带来环境问题2.2不排放污染物的能源清洁能源2.3世界氢能开发进展2.4氢能利用现状和前景2.5我国氢能发展现状和展望2.1化石燃料带来环境问题作为人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而，化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭。化石能源的利用，也是造成环境变化与污染的关键因素。大量的化石能源消费，引起温室气体排放，使大气中温
2、室气体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。1860年以来，全球平均气温提高了0.40.8。IPCC(政府间气候变化专门委员会)所做的气候变化预估报告的结论是，CO2为温室气体的主要部分，其中约90%以上的人为CO2排放是化石能源消费活动产生的。化石能源，特别是煤炭的使用带来大量的二氧化硫和烟尘排放，也是造成我国大气污染的主要来源。尽管应对措施初步遏制了酸雨范围逐步扩大的趋势，但酸雨仍在局部地区加重；机动车尾气污染等问题日益严重，特别是在大城市，煤烟型空气污染已开始转向煤烟与尾气排放的混合型污染。随着化石能源储量的逐步降低，全球能源危机也日益迫近。以化石能源为主的能源结构，具有明显的不可持
3、续性。2.1化石燃料带来环境问题可再生能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的能源资源总称。可再生能源的特点，恰恰是可再生性和环境友好性。按照技术种类，可再生能源可分为太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。过去30年间，全球可再生能源增长率，超过了一次能源的增长率。增长速度最快的分别是，风电、太阳能和地热。在1971年至2004年间，风电增长了48.1%，太阳能增长了28.1%，地热能增长了7.5%。小水电、生物质发电、地热、风电等可再生能源发电技术，在价格上已经具有了市场竞争力。我国自可再生能源法颁布实施以来，可再生能源产业也取得了高速发展。截至2008年底
4、，我国有70多家风电设备整机生产企业，总生产能力已接近1000万千瓦。风电装机容量连续翻番，2008年当年完成装机容量620万千瓦，超过过去20年的总和，累计达到1217万千瓦，居世界第四位。根据欧洲可再生能源委员会估计，到2050年，可再生能源将能满足全球50%的一次能源需求，其中，70%的电力将来自于可再生能源(包括水电)，装机容量为71亿千瓦，年发电21400TWh(太瓦时)。预计到2050年，可再生能源将占世界一次能源的三分之一，并满足能源增长的大部分需求。事实说明，努力减少对化石能源的依赖，是保证未来人类文明得以延续的必然选择，不断提高可再生能源在全部能源中所占比重，最终实现对化石能
5、源的替代，是人类社会发展的必然趋势。2.2高效零污染的能源2.2.1太阳能太阳能（图2-2）一般指太阳光的辐射能量，它是一种巨大且对环境无污染的能源，地球每秒钟获得的太阳能量相当于燃烧500万吨优质煤发出的能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。利用太阳能可以建成温室大棚、太阳房等节能建筑；太阳集热器作为热源可代替传统锅炉；使用太阳能热水器和太阳灶等，可节约生活燃料；太阳能还可用来淡化水、制冷、发电；太阳能电池在人造地球卫星上已被成功使用，现在开始转向地面应用。利用光电池直接把太阳能转换为电能，是利用太阳能的最有前途方式。利用太阳能发电，可省去费用庞大
6、的输电设备，随着太阳能电池转换效率的提高及太阳能电力成本的降低，其发电成本将大大低于目前各种发电成本，前景非常诱人。可以预见，太阳能将成为21世纪人类的一种主要能源。图2-2太阳能发电2.2高效零污染的能源2.2.1太阳能1太阳能光伏光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。2太阳能光热现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建
7、筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。3太阳光合能植物利用太阳光进行光合作用，合成有机物。因此，可以人为模拟植物光合作用，大量合成人类需要的有机物，提高太阳能利用效率。2.2高效零污染的能源2.2.2核能核能是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特爱因斯坦的方程E=mc2，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。1.核能的释放形式核能的释放主要有三种形式：（1）核裂变能 谓核裂变能是通过一些重原子核（如铀-235、铀-238、钚-239等）的裂变释放出的能量。（2）核聚变能 由两个或两个以上氢原子核（如氢的同
8、位素氘和氚）结合成一个较重的原子核，同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应，其释放出的能量称为核聚变能。（3）核衰变 核衰变是一种自然的慢得多的裂变形式，因其能量释放缓慢而难以加以利用。2.2高效零污染的能源2.2.2核能2.核能的缺陷1）资源利用率低。2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素，其最终处理技术尚未完全解决。3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进。4）核不扩散要求的约束，即核电站反应堆中生成的钚-239受控制。5）核电建设投资费用仍然比常规能源发电高，投资风险较大。2.2高效零污染的能源2.2.3海洋能海洋面积占地球总面积的70.8，一望无际的汪洋大海不仅为人类
9、提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。海洋新能源是指依附在海水中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。据估计，全球海洋能的蕴藏量大约是776亿kW。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。海洋能具有以下特点：1）海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。2）海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭。2.2高效零污染的能源2.
10、2.3海洋能3）海洋能有较稳定与不稳定能源之分。较稳定的为温度差能、盐度差能和海流能。不稳定能源分为变化有规律与变化无规律两种。属于不稳定但变化有规律的有潮汐能与潮流能。人们根据潮汐潮流变化规律，编制出各地逐日逐时的潮汐与潮流预报，预测未来各个时间的潮汐大小与潮流强弱。潮汐电站与潮流电站可根据预报表安排发电运行。既不稳定又无规律的是波浪能。4）海洋能属于清洁能源，也就是海洋能一旦开发后，其本身对环境污染影响很小。2.2高效零污染的能源2.2.3海洋能1波浪发电波浪能发电（图2-4）是利用海面波浪的垂直运动、水平运动和海浪中水的压力变化产生的能量发电。波浪发电装置的原理、结构均较简单，因而不仅经
11、济且效果显著。据科学家推算，地球上波浪蕴藏的电能高达90万亿度。海上导航浮标和灯塔已经用上了波浪发电机发出的电来照明。大型波浪发电机组也已问世。我国在也对波浪发电进行研究和试验，并制成了供航标灯使用的发电装置。波能将会为我国的电业作出很大贡献。1910年，法国人波拉岁奎第一次成功地进行了海洋波浪能的发电试验，并获得了千万电力。从国际上看，波力发电技术已日趋成熟，正向实用化、商业化发展。从经济性方面看，将海洋波浪能发电用于岛屿上、航标灯上或结合防波堤工程，效益是肯定的。图2-4波浪发电2.2高效零污染的能源2.2.3海洋能2潮汐发电潮汐能发电（图2-5）是利用海水涨、落潮的能量转变为电能。潮汐能
12、发电是在海洋能中发展最早、规模最大和技术最成熟的一种。据世界动力会议估计，到2020年，全世界潮汐发电量将达到1000-3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站，发电能力24万千瓦，已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站，总容量达到3000千瓦。图2-5潮汐发电2.2高效零污染的能源2.2.3海洋能3海水温差能海洋温差能，就是不同深度海水水温之差的热能。由于太阳辐射，海水温度随水深的增加而降低，由此产生了温度差异，这一温差中包含着巨大的能量。赤道地区的热海水由于重力作用下沉，流向两极地区，由此产生大尺度的海洋环流，从而也常年保持着海水不同层面的温度
13、差，形成海水温差能据测量，如把赤道附近的海水作为热源，2000m以上的深层海水作为冷源，上、下层温度差可达26以上，只要把赤道海域宽10kg厚10m的表层海水，冷却到冷源的温度，其发出的电力就够全世界用一年，可见其能量之巨大。海洋温差能的主要用途是发电，即利用海水表层与深层的温差进行发电。我国从20世纪80年代初开始在广州、青岛和天津等开展温差发电研究，1986年广州研制完成开式温差能转换试验模拟装置，1989年又完成了雾滴提升循环试验研究。总体来说，对于温差能发电的利用目前仍处于研究阶段。2.2高效零污染的能源2.2.4风能风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它
14、蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风能最常见的利用形式为风力发电（图2-6）。风力发电有两种思路，水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机应用广泛，为风力发电的主流机型。图2-6风力发电2.2高效零污染的能源2.2.5生物质能生物质能是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。生物质能原料包括农作物秸秆、动物粪便、农林产品加工中的副产品等。生物质能的资源丰富并且是资源节约型和环境友好型的能源。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿t，其中蕴
15、含的能量相当于全世界能源消耗总量的1020倍，但利用率不到3%。与矿物质能源相比，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能有以下优点：1）可再生性，每年都可再生，且产量大；2）可储藏性和可替代性；3）资源丰富；2.2高效零污染的能源2.2.5生物质能4）二氧化碳零排放。在使用过程中几乎没有SO2产生，生物质能源燃料燃烧所释放出的CO2大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2，所以应用生物质能源时CO2的排放可以认为是零生物质能源的原料虽多种多样，但主要仍为两大类，即工农业生产的废弃物和有
16、目的种植的能源林。生物质能利用技术主要有四个方面：生物质能直燃发电；生物质固化成型；生物质液化；生物质气化。2.2高效零污染的能源2.2.5生物质能1生物质能直燃发电自1990年至今，生物质发电在欧美许多国家开始大发展，特别是2002年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质能的开发利用开始在全球加快推进。截至2004年，世界生物质发电装机已达3900万kW，年发电量约2000亿kWh，可替代7000万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。2生物质固化成型生物质固化成型技术是将分散的的各类生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度，在一定的温度、湿度和压力条件下，使原料颗粒位置重新排列并
17、发生机械变形和塑性变形，成为规则形状的密度较大的固体燃料.固化成型燃料既可以提高原料的密度、减少运输和储运成本，又可以改善原料的燃烧性能、提高燃烧效率，是解决生物质资源规模化利用的有效方法。2.2高效零污染的能源2.2.5生物质能3生物质液化生物质液化技术主要是指生物质的热裂解液化.生物质的热裂解液化是指在中温(500)高加热速率(可达1000/s)和极短的气体停留时间(约2s)的条件下生物质发生的热降解反应，生成的气体经快速冷却后可获得液体生物油，所得的油品基本上不含硫、氮和金属成分，是一种绿色燃料.生产过程在常压和中温下进行，工艺简单、成本低、装置容易小型化、产品便于运输、存储，因此生物质
18、热解液化技术受到国际上的广泛重视.4生物质气化生物质气化是在不完全燃烧条件下，利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂，将生物质转化为含CO，H2，CH4等可燃气体的过程.目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具实用性的一种.沼气技术是生物质气化技术利用最广泛的。据统计，截至2008年底我国户用沼气池已达2800多万口，大中型沼气设施达到了8000多处，沼气年利用量已达120亿立方米。在此基础上，各地方政府和企业又纷纷宣布投资数10亿元甚至上百亿元进军生物质能市场。预计到2020年农村新增沼气用户将达到6200万户。6我国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。2
19、006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2000万m3。2.2高效零污染的能源2.2.6地热能地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。放射性热能是地球主要热源。地热（图2-7）包括深部地热资源和浅层地热能，属于可再生洁净能源和资源，也称地质新能源。与煤炭、石油、天然气等传统不可再生能源相比，地热能具有清洁、环保、分布广泛、可再生、不受外界条件影响的优势。地热是一种清洁的可再生资源，广泛用于供暖、洗浴、养殖、种植和发电。到2005年，世界地热直接利用设备容量为2.81010W，总产量7.421013W
20、h；地热发电总装机容量8.9109W，发电量5.681013Wh。冰岛是世界上地热利用率最高的国家，冰岛地热田全国有800多处，利用地热能，冰岛人发电、家庭取暖、温室种植和养鱼等，已被普遍开发。冰岛政府提供的数据显示，地热已保证了冰岛55%的能源供应。我国地热资源丰富，分布广泛，已有5500处地热点，地热田45个，地热资源总量约320万MW。图2-7地热能2.2高效零污染的能源2.2.7氢能氢的原子序数为1，常温常压下呈气态，在超低温、高压下又可成为液态。作为能源，氢能具备其他能源所没有的特点：一是可再生性的清洁能源。氢的燃烧产物是水，无二氧化碳和氮氧化物的排放，基本实现温室气体和污染物的零排
21、放，无污染。同时水又可以通过多种方式重新转化为氢，实现能源的循环利用，永无止尽。二是化学活性高，燃烧性好，发热值高。在397范围内均可燃，发热值是汽油的3倍。三是资源丰富，来源多样。氢在宇宙中是最丰富的物质，他在构成宇宙的物质中约占75%。可见氢能是可以同时满足资源、环境和持续发展要求的能源，这是其他能源所不能比拟的，其应用前景看好。遗憾的是，目前条件下以氢能全面替代化石燃料仍为时过早。首先，因为氢能的利用主要是通过燃料电池转化为电能，而氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，因氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。其次更致命的问题是，由于目前氢气的提取主
22、要是通过电解水或者利用天然气，如此则同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳的排放。2.2高效零污染的能源2.2.7氢能随着全球性的能源短缺、国际油价不断创出新高、燃煤火电对环境的污染和气候变暖问题的日益突出，积极推进能源革命，大力发展可再生能源，加快绿色能源推广应用，已成为各国各地区培育新的经济增长点的重大战略选择。与常规能源相比，绿色能源有无污染、清洁、可再生的特性且实用性强等特点。绿色能源的开发利用难度大，经济效益偏低，必须创新理论，应用新技术、新设备进行规模生产。在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的
23、情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142kJ的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。2.3世界氢能开发进展1.美国和加拿大氢能源经济的发展现状美国对氢能源的关
24、注要追溯到1973年的石油能源危机时期。在1973年石油危机时期，美国成立了国际氢能源组织，并且在迈阿密召开了第一次国际会议。由于美国当时的能源自给项目失败，美国国家能源研究和开发组织从1970年开始赞助氢能源的研究，但是至今为止每年的投资也未能超过2400万美元，这跟西欧国家的此类投资有着很大的差距。在上个世纪80年代，美国对于氢能源项目的研究投资急剧减少，直到90年代人们日渐关注全球气候变化及石油进口的依赖才重新肩用此项投资。2001年l1月，美国召开了国家氢能发展展望研讨会，勾画了氢经济蓝图：“在未来的氢经济中，美国将拥有安全、清洁以及繁荣的氢能产业：美国消费者将象现在获取汽油、天然气或
25、电力那样方便地获取氢能；氢能的制备将是沽净的，没有温室气体排放；氢能将以安全的方式输送；美国的商业和消费者将氢作为能源的选择之一；美国的氢能产业将提供全球领先的设备、产品和服务。”2002年，美国能源部建立了氢、燃料电池和基础设施技术规划办公室，提出了向氢经济过渡的2030年远景展望报告。2.3世界氢能开发进展1.美国和加拿大氢能源经济的发展现状美国总统布什通过联邦政府投资了从20022007年之间的1.7亿美元，被称为自由合作汽车研究。氢能源研究投资总额3200万，其中1700万是作为研究可再生氢能源的研究。这一项目的目的是为了降低氢能源的成本，研究有效的氢存储以及氢燃料的供给。2003年1
26、月28日，美国总统布什宣布肩动总额超过12亿美元氢燃料计划，该计划的核心目的在于降低美国对国外石油的依赖性，促进美国国内能源资源的可持续的多样化应用，降低能源生产和使用后CO2的排放，增加发电的可靠性与效率。该项目所涉及的研究领域包括氢气的制造、运输、存储、氢燃料电池、技术认证、教育、标准法规、安全、系统集成与分析等领域，并且针对这些研究领域分别提出了研究的具体目标，主要的研究目的在于降低制氢、储氢和运输成本，降低车载质子交换膜燃料电池的成本，完善制氢系统的技术认证，完成氢燃料电池车的技术标准制定，出版有关安全规程的手册，确立有关氢经济与燃料电池技术的教育普及运动。2.3世界氢能开发进展美国从
27、2003年上半年起就在国际上积极倡导发展氢经济。在美国的大力推动下，2003年11月20日由美国、澳大利亚、巴西、加拿大、中国、意大利、英国、冰岛、挪威、德国、法国、俄罗斯、日本、韩国、印度、欧盟委员会参加的氢经济国际伙伴计划在华盛顿宣告成立，这杯志着国际社会在发展氢经济上已初步达成共识。也为美国发展氢经济提供了国际合作的基础。至此，美国发展氢经济的准备工作可以说已初步完成。美国能源部氢能技术研究、开发与示范行动计划的出台表明，美国发展氢经济已从政策的评估、制定阶段开始进入了以技术研发、示范为起点的系统化实施阶段。加拿大也是氢能源研发中最积极的国家之一，在氢能源技术领域中处于领先地位。加拿大工
28、业部和加拿大自然资源保护部门起创建了技术合作项目，以促进氢能源项目的开发和商业化应用，以求氢技术能够更早的得到应用。2003年加拿大以改善空气质量和降低温室效应为目的的研究曾经投入资金2亿1千5百万美元。2.3世界氢能开发进展2.冰岛和挪威氢能源经济的发展现状对氢能源经济转换最重视的北欧国家是冰岛和挪威。冰岛是研究氢能走廊、氢经济的理想场所，主要有以下五个原因：冰岛是一个面积小却高度发达的国家，其中绝大多数居民居住在Reykjavik地区，因此小项目在这里比在大城市有深远的影响力(3辆公交汽车就占了交通汽车总量的4%)：冰岛过去有从一种能源换为使用另种能源的经历，如在1940年到1975年期间
29、，房间供暖从使用石油转换到使用地温加热，因此人们更容易接受能源使用的变革；冰岛和其他发达国家有着相似的运输系统及他标准，因此任何项目的结果对其他发达社会也是有效的；冰岛环境恶劣、季节变化较大、地形复杂，这些都将有助于新氢能技术的评价：99%的冰岛能源来于可再生的地温以及水力电气能源，因此能通过地热蒸汽涡轮以及水力发电来生产氢气。2.3世界氢能开发进展2.冰岛和挪威氢能源经济的发展现状1999年2月冰岛宜称本国将在2030年完成氢能源经济的转换，成为世界上第一个完全由可再生能源供能的经济实体。冰岛是一个无任何石油能源，人口仅有294000的国家，用自身丰富的水力电气和地热资源供应国民一半以上的能
30、源需求和几乎全部的电力需求。冰岛大量的汽车及渔船动力都是靠石油进维持，这些也就是最初氢能源转换计划的目标。由于低廉的电力价格，冰岛每年可生产出2000t电解氢，希望通过提供充足的可再生氢以满足本国整个运输业的能源需求。2.3世界氢能开发进展2.冰岛和挪威氢能源经济的发展现状冰岛新能源组织正在研发种具有备选燃料电池的运输工具：氢能燃料电池巴士，甲醇燃料电池汽车和最终的氢能汽车。这研究已从999年与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司，皇家荷兰壳牌集团和挪威氢能集团几家汽车制造公司合作。实验的第阶段花费800万美元，完成了自2002年起在雷克雅对3辆石油燃料电池巴土的测试。第二阶段逐渐在其首都城市或者其他地方
31、完成对整个80辆的测试，将花费5000万美元。第一个氢能源加油站已于2003年在雷克雅向公众开放，接下来将会在冰岛人口最多的中心城市建设大约20个同类的加油站。第三阶段将导入甲醇燃料电池汽车作为一个过度阶段最终转向氢能源，这计划也是起始于将冰岛的捕鱼舰队转向甲醇是起始于将冰岛的捕鱼舰队转向甲醇燃料电池。最后一个阶段在2030年将所有的动力运输工具包括捕鱼船的全部转换为氢能源燃料电池。2.3世界氢能开发进展3.日本氢能源经济的发展现状日本在努力发展氢经济方面是最具影响力的国家之一，不仅表现在研发上，而且体现在产品计划上。以下几个方面的因素决定了日本的先导地位：日本政府承诺签署到2010年减少6%
32、温室气体的目标草案：日本本国运输行业对石油进口的极大依赖性：日本需要维护本国高新技术形象和经济两方面超级强国的地位。日本政府在今年4月，发布了第五次能源基本计划。在这一个计划中，日本政府将氢能源汽车的数量，计划从2020年的4万辆，增加到2025年的20万辆。到2030年，氢能源汽车的普及数将达到80万辆。2.3世界氢能开发进展4.巴西氢能源经济的发展现状巴西对发展备选能源的浓厚兴趣已有30年的历史。在1973年的石油危机之后，巴西开展了国家乙醇计划项目的研究。这之后酒精燃料电池曾大规模的应用于世界各地，特别是汽车动力的水合酒精和汽油酒精混合燃料，是由甘蔗发酵得到的种物质，全部产量超过了每年3
33、0亿加仑。另一方面，由于这种方法只能提取33%的原始能源转换为酒精燃料，所以研究出增加量产效率的技术也是非常重要的。其中一种方法是在巴西正在研究的将生物能转化为氢能源的技术。巴西在可持续能源方面的研究主要是从水力电能以及生物能方面的，政府也计划将这两种方法作为氢能源量产的基础。将风能和光电电池应用于氢生产也是可能的，巴西应用非峰值水力电气进行大规模的电解氢生产。巴西现已有50万吨的氢供工业应用，然而，这些仅是巴西氢能源研发的一个开端。2.3世界氢能开发进展5.印度氢能源经济的发展现状印度一直是发展中国家中更新能源领域的一个先驱，它拥有一个成熟稳固的非常规能源部(MNSE)，该部门成立已有10多
34、年，然而开展此项科研则可以追溯到20多年前。印度真正把氢能作为可更新能源的研究还是最近的事情，目前仅局限在研发和一些宣传推广计划上。可以预见的是，可作为分布式发电和汽车燃料的氢能的商业用途，让印度人越来越有兴趣，因为这很有可能给印度的农村地区带来福音，因为他们现在使用的是不经济的电网发电，汽车燃料使用的也是昂贵的进口汽油。2.4氢能利用现状和前景2.4.1氢能的战略定位2001年，在一个由联合国发展计划署发起的论坛上，皇家荷兰壳牌公司的主席菲尔瓦特说：“石油和天然气是最重要的矿物燃料，它们曾经把整个世界推进了工业时代，但21世纪它们将为以氢经济为基础的能源新制度革命让出发展空间。”纵观全球，自
35、进入21世纪以来，氢能的开发利用步伐逐渐加快，尤其是在一些发达国家，都将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，人们对其寄予了极大的希望和热忱。氢具有清洁无污染、储运方便、利用率高、可通过燃料电池把化学能直接转换为电能的特点，同时，氢的来源广泛，制取途径多样。这些独特的优势使其在能源和化工领域具有广泛应用，集中表现为3个方面，如图2-8所示。首先，氢能是一种理想的清洁能源。不管是直接燃烧还是在燃料电池中的电化学转化，其产物只有水，且效率高。随着燃料电池技术的不断完善，以燃料电池为核心的新兴产业将使氢能的清洁利用得到最大发挥，主要表现在氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车和应急电源产业化初现
36、端倪。其次，氢能是一种良好的能源载体，具有清洁高效、便于存储和输运的特点。可再生能源，特别是风能和太阳能在近十年来发展迅猛，但由于本身的不稳定，导致其电力上网难，出现大量的弃风、弃光现象，严重制约了它们的发展。将多余电量用于电解制氢，可大规模消纳风能、太阳能，制得的氢既可作为清洁能源直接利用，还能掺入到天然气中经天然气管网输运并利用。2.4氢能利用现状和前景2.4.1氢能的战略定位最后，氢气还是化石能源清洁利用的重要原料。成熟的化石能源清洁利用技术对氢气的需求量巨大，其中包括炼油化工过程中的催化重整、加氢精制以及煤清洁利用过程中的煤制气加氢气化、煤制油直接液化等工艺过程，推进氢能在这些方面的应
37、用有望加速氢能的规模化利用。图2-8氢能的用途2.4氢能利用现状和前景2.4.2以燃料电池为核心的氢能应用1氢燃料电池汽车汽车是人类迈向工业时代的重要标志，是社会进步的关键因素。然而，传统车用燃料面临紧缺，且产生的汽车尾气是导致全球变暖和环境污染的主要因素之一，这使得汽车工业找到新的技术以替代传统的燃油技术并降低污染物排放变得尤为紧迫。氢燃料电池汽车（FCEV）可实现真正的零排放、零污染，是传统燃油汽车理想的替代品，也是氢能清洁利用的主要方式，图2-9给出了一种燃料电池汽车的概念设计图。图2-9基于本田2005FCX模型的FCEV概念设计图2.4氢能利用现状和前景2.4.2以燃料电池为核心的氢
38、能应用1氢燃料电池汽车在我国，国家能源局于2014年4月下发豁免部分发电项目电力业务许可证的通知，为包括分布式发电等在内的分布式能源、清洁能源发展创造了相对宽松的环境，可有效推动国内燃料电池分布式发电的发展。将燃料电池系统的寿命提高到80000h是目前发展燃料电池分布式发电最具挑战的技术难点。当实现燃料电池的耐久性和成本指标，估计到2020年燃料电池在世界范围内分布式发电领域的占有量将高达50%，这为电力供应提供了新的途径，同时提高了供电质量和可靠性，具有广阔的发展与应用前景。2.4氢能利用现状和前景2.4.2以燃料电池为核心的氢能应用2氢燃料电池叉车叉车是物流行业中必不可少的搬运工，是工业车
39、辆中的重要设备，但同汽车一样，大多数叉车依然使用化石燃料提供动力，产生的尾气对环境造成了很大的破坏。保守估计，我国内燃叉车保有量约35万台，叉车参与的所有环节产生的碳排放量，总量估计高达上千万吨，因此，将零排放的燃料电池用于叉车行业的环境效益显著，而且，有相关报道表明燃料电池叉车的效率可在内燃叉车的基础上提高30%50%。2.4氢能利用现状和前景2.4.2以燃料电池为核心的氢能应用2氢燃料电池叉车目前，燃料电池叉车在发达国家中的使用已经开始。2005年，产自丰田的世界首台FCHV-F型燃料电池叉车在德国汉诺威举行的世界最大国际物流展上亮相，随后，美国Cat公司、德国STILL叉车公司、美国Cr
40、own公司、美国Raymond公司等纷纷推出自己的燃料电池叉车。其中美国PlugPower公司的GenDrive1990燃料电池可完美取代电动叉车的蓄电池，其客户名单包括宝马、可口可乐、联邦快递等大公司，据FUELCELL20002013年4月研究报告，目前北美地区有3500辆燃料电池叉车在用，其中PlugPower公司占有北美燃料电池叉车市场85%的份额。反观国内叉车市场，内燃叉车仍占据主导地位，燃料电池叉车的研发也才刚刚起步，未来还有很大的发展空间。除具有与燃料电池汽车零排放的相同特点之外，燃料电池叉车的使用相对集中，因此方便实现燃料的集中供给，这将大大减少加氢站建设方面的投入，这也是燃料
41、电池叉车发展领先汽车的主要原因。2.4氢能利用现状和前景2.4.2以燃料电池为核心的氢能应用3应急电源信息技术部门、银行、医院等重要企业或机构与人们的日常生活息息相关，关乎每个人的切身利益，为了在发生电力供应不足或中断的情况下能够保证这些部门继续正常工作，要求必须备有强大的应急电源系统。常用应急电源系统包括铅酸蓄电池组和移动油机。但是，铅酸蓄电池组笨重、备电时间有限且不确定、容易造成环境污染、对环境温度要求苛刻；移动油机后勤保障复杂、易造成废气污染和噪声污染等。相比之下，氢燃料电池，以其具有的能源效率高、环境友好、占地面积小、质量轻、运行稳定可靠、寿命长（铅酸蓄电池的210倍）等特点开始受到应
42、急电源市场越来越多的青睐。2.4氢能利用现状和前景2.4.3以氢为载体的可再生能源应用风能、太阳能的开发利用受间歇性和不可预测性的影响，造成大量能源的浪费，严重制约了它们的发展。氢能是一种良好的能源载体，通过电解制氢的方式将风电、光伏电转化为氢气可提高风能、太阳能的使用量和利用效率，制得的氢气可直接利用，还可掺入现有天然气管网实现大规模输运和利用，其流程如图2-11所示。图2-11可再生能源制氢流程2.4氢能利用现状和前景2.4.3以氢为载体的可再生能源应用1可再生能源消纳发展可再生能源，储能是关键。可再生能源的储能技术主要包括蓄电池蓄能、压缩空气蓄能、抽水蓄能及氢储能技术，其各自特点如表2-
43、1所示，通过比较发现，当氢储能技术的成本得到控制，相较于其他储能技术，将具有明显的优势。目前，许多国家已开始借用氢储能技术消纳可再生能源的方式来推动可再生能源发展。图2-11可再生能源制氢流程蓄电池蓄能便于模块化操作不适于大规模储能操作灵活压缩空气蓄能效率高存储容量低适用于大规模储能抽水蓄能效率较高地理环境要求苛刻成本较低适用于大规模储能氢储能能量密度高成本高储能时间长氢能用途广泛可掺入天然气管网适用于大规模储能2.4氢能利用现状和前景2.4.3以氢为载体的可再生能源应用1可再生能源消纳氢储能技术巧妙地结合了可再生能源和氢能的共同发展，与当前人们追求可再生能源及清洁能源的利用趋势一致。目前，其
44、高昂的投资成本及关键装置燃料电池、氢气储运设备之间的配置与优化等问题是限制其发展的主要因素，当各环节进一步发展，制氢成本最终得到控制时，其发展潜力巨大，有望取代传统制氢，成为既经济又环保的制氢方式。此外，制得的氢气可直接掺入到现有的天然气管网进行输运，这很大程度上减少了氢能的输运成本，有助于推动氢能的大规模使用。2.4氢能利用现状和前景2.4.3以氢为载体的可再生能源应用2可再生能源制得氢气掺入天然气的利用利用可再生能源制氢，可制得大量的氢气。按照2013年的“弃风”量计算，保守估计可制得23.7亿立方米氢气。对于这些氢气，研究者不得不面临它的输运问题。常用的输氢方式有长管拖车、液氢罐车及管道
45、输运，然而，前两者输运规模小，且成本高，后者的建设耗时耗财巨大。因此，将可再生能源制得的氢气掺入到天然气，组成掺氢天然气（HCNG），再通过现有天然气管网输送的方式的提出受到了国际上广泛的关注，被认为是目前大规模输氢的最佳选择。研究发现，将氢气的掺入体积分数控制在17%以下时，基本不会对天然气管网造成影响。HCNG用途广泛，可用作交通燃料、清洁燃气和工业炉燃料，其中，交通燃料的使用是当前的研究重点。研究发现，使用氢气体积分数20%的HCNG的国产内燃机的排放标准可达到国要求。倘若实现了大规模HCNG的利用，其不仅带来良好的环境效益，更有希望缓解我国东部地区天然气储量不足的现状。2.4氢能利用现
46、状和前景2.4.4氢在化石能源清洁利用中的应用1油品质量升级氢气是炼油企业提高轻油收率、改善产品质量必不可少的原料。炼油过程中的耗氢主要集中在催化重整和加氢精制工艺，如图2-12和图2-13所示。整个过程的氢耗一般介于原油质量的0.8%1.4%，如果按照2015年我国预计的7亿吨炼油能力计算，当氢耗取原油质量的1%时，耗氢量高达700万吨。而随着炼厂各种临氢工艺的快速发展，加氢装置数量的不断增多，氢气的需量将进一步加大。目前，氢气成本已是炼厂原料成本中仅次于原油成本的第二位成本要素。图2-12催化重整工艺流程简图图2-13加氢精制工艺流程简图2.4氢能利用现状和前景2.4.4氢在化石能源清洁利
47、用中的应用2煤制清洁能源煤制天然气、煤制油是煤炭清洁利用的重要途径。其中，煤制气的加氢气化过程以及煤制油直接液化过程中需要通入大量的氢气，具体工艺见图2-14和图2-15。仅以神华煤炭直接液化项目为例，按照优化后的工艺计算，每单位小时处理250t干煤的耗氢量就高达19.186t/h。图2-12催化重整工艺流程简图图2-13加氢精制工艺流程简图2.4氢能利用现状和前景2.4.4氢在化石能源清洁利用中的应用2煤制清洁能源在现有条件下，油品质量升级及煤制清洁能源工艺基本完善，并考虑到其过程对大量氢气的需求，使得氢气作为化工原料在该领域的应用成为现有条件下推进氢能规模化利用的最佳方式。1）涵盖能源和化
48、工领域的氢能利用是推动氢能全面发展的重要途径，其主要包括在清洁能源、能源载体以及化工原料3个方面的应用。首先，氢作为清洁能源的利用是当今世界上发展最快、环境效益最佳的氢能利用途径，也是目前推动氢能快速发展的主要动力；其次，氢作为能源载体用来消纳可再生能源的利用已在全球开始推广，有助于可再生能源和氢能的协同发展，利用前景广阔；最后，氢气作为化石能源清洁利用的重要原料，需求量巨大，是现有条件下加速氢能规模化利用的关键。2.4氢能利用现状和前景2.4.4氢在化石能源清洁利用中的应用2煤制清洁能源2）氢的制取与储运、燃料电池性能的提高与成本的降低、以及加氢站的建设等问题是目前限制以燃料电池为核心的新兴
49、产业发展的主要因素，解决这些问题是实现燃料电池商业化应用的关键。3）氢能助推可再生能源的发展，解决氢的经济性制取及大规模输运是关键，其中，将可再生能源制得的氢气掺入到现有天然气管道的输送方式被认为是现阶段最有效的输氢方式，但选取合适的掺氢体积分数受多种因素影响，因地而异。4）当可再生能源制氢的成本得到控制，将可再生能源制得的氢气作为化石能源清洁利用的原料具有明显的环境效益和成本优势。2.4氢能利用现状和前景2.4.5绿氢氢能目前成为一个热门的行业，被看成未来的能源。在氢气的获取方面，根据二氧化碳的排放量，氢可以分为灰氢（煤炭等化石能源制氢）、蓝氢（氯碱、焦化等工业富产氢）、绿氢（水电、风电、光
50、电、核电等可再生能源制氢），其中，通过可再生能源制取、零碳排放的氢被称作“绿氢”，发展氢能就是为了实现能源的“去碳化”，而只有通过无碳能源生产的“绿色的氢”，才能实现这一目标。2.5我国氢能发展现状和展望2.5.1氢能的特点1.来源多样、清洁、环保、高效的二次能源氢是二次能源，能通过多种方式制取，资源制约小，利用燃料电池，氢能通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物，相比汽柴油、天然气等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环限制，发电效率超过50%，是零污染的高效能源。2.理想的能源互联媒介氢能是实现电力、热力、液体燃料等各种能源品种之间转化的媒介，是在可预见的未来实现跨能源网络协同优化的唯一