专栏名称: 3060

传播国家2030年碳达峰/2060年碳中和的政策、知识、技术与优良做法

氢作为替代能源的技术挑战

3060 · 公众号 · · 2025-01-23 10:34

正文

粉丝 7.6 万+， 欢迎各种形式的合作共赢

感谢您的认可和支持 ！

3060

《氢眼所见》：有缘可添加微信“13480834343”

氢气具有高能量密度和与可再生能源系统的兼容性，是减少温室气体排放的一种前景广阔的清洁能源解决方案。然而，氢的广泛应用面临着生产成本高、基础设施有限、价值链不发达等挑战。下文详述了氢作为替代能源的各种技术挑战。

3060

一、氢气的技术分析

下图1 展示了常见燃料的质量能量密度。氢气的质量能量密度高达 143 MJ/千克（MJ/kg），是目前质量能量密度最高的燃料之一，远远超过了许多传统化石燃料。相比之下，甲烷在环境压力下的质量能量密度为 55.6 兆焦耳/千克（MJ/kg），而汽油、柴油和煤油的质量能量密度都在 46 兆焦耳/千克左右（MJ/kg）。这一差异意味着，在相同质量下，氢气的能量密度是甲烷的两倍多，是汽油或柴油的三倍多。这种高质量能量密度尤其是在高效能源储存和运输至关重要的领域带来了巨大的优势。例如，在运输领域，氢气的高质量能量密度使车辆可以用更少的燃料行驶更远的距离，这使得其在长途卡车运输、航空和海运方面特别有优势。电池驱动的电动汽车受限于当前电池技术较低的能量密度，而氢燃料电池则不同，它可以在一定质量下储存更多能量。这使氢成为重量和空间受限行业的理想解决方案。

图1：普通燃料的重量能量密度

除运输外，氢的高质量能量密度使其成为大规模储能的理想解决方案，这对于平衡日益依赖风能和太阳能等间歇性可再生能源的电网的供需至关重要。它可以在能源过剩时生产、储存，然后用于发电或作为工业生产的燃料。这种高效的储能能力使氢成为未来能源系统中的关键角色，尤其是在全球向低碳解决方案迈进的过程中。在钢铁制造和化工生产等能源密集型行业，氢气可以替代化石燃料，从而大幅减少碳排放。氢气的高能量密度还有助于开发结构紧凑的大容量存储系统，尤其适用于难以定期运送燃料的偏远或离网地区。

氢气的闪点极低，约为 -231 ^◦ C，是常用燃料中闪点最低的，如下表 1 所示。这一独特特性使氢气更容易汽化和点燃，从而简化了启动和点火系统的设计。因此，氢动力发动机在极寒条件下特别可靠，非常适合在恶劣环境中工作。例如，即使长时间暴露在冰冷的环境气温下，氢气汽车也能毫不费力地启动。相比之下，甲烷和丙烷等其他燃料的闪点较高，分别为 -188 ^◦ C 和 -104 ^◦ C，需要更多能量才能点燃。汽油（闪点为 -45 ^◦ C）和柴油（闪点为 62 ^◦ C）等燃料在寒冷条件下的挥发性更低，因此在极端环境中快速点火的效率较低。

表1：一些常见燃料的闪点和可燃性范围

氢气的可燃范围为 4~75%，比其他常见燃料的可燃范围大得多。例如，汽油的可燃范围为 1~7.6%，丙烷的可燃范围为 2.2~9.6%，甲烷的可燃范围为 5.3~15%。这种宽泛的可燃性范围使氢气可以在空气中不同浓度的环境下点燃和燃烧，从而提高了氢气在不同条件下的性能，而不需要额外的系统，如涡轮增压器，其他燃料通常需要使用涡轮增压器才能在低压或高海拔条件下有效运行。因此，氢气的燃点低、可燃性范围广，使其成为极端环境和挑战性条件下的理想燃料，在其他燃料可能难以发挥作用的情况下，氢气却能提供可靠、高效的点火和运行。

如下图2 所示，氢气虽然具有较高的重力能量密度，但与大多数传统化石燃料相比，其体积能量密度非常低，从而限制了氢气的使用。这意味着单位体积内，氢气所含的能量远远低于煤油、柴油和汽油等传统燃料。例如，体积能量密度最高的煤油为 36.7 兆焦耳/升（MJ/L），每升所含的能量几乎是液氢的四倍，而液氢的体积能量密度仅为 10.1 兆焦耳/升。同样，体积能量密度为 34.6 兆焦耳/升的柴油和体积能量密度为 34.2 兆焦耳/升的汽油在单位体积的能量含量方面也远远超过氢气。即使氢气被压缩到 700 bar，其体积能量密度也仅为 5.6 兆焦耳/升，仍然远远低于大多数液态化石燃料。甲烷在常压下的体积能量密度为 0.0378 兆焦耳/升，略高于氢气在常压下的体积能量密度，常压下氢气体积能量密度仅为 0.0107 兆焦耳/升。

图2：常见燃料的体积能量密度

很明显，储存氢气的主要挑战在于要获得与化石燃料相同的能量，需要更大的储存量。这就需要开发专门的存储系统，这些系统可能更加昂贵和复杂，特别是在考虑到运输和加注的基础设施时。例如，在运输应用中，车辆需要容纳更大或更多的燃料箱，以实现与汽油或柴油动力车辆相当的续航能力。氢气的体积能量密度较低，这使得发电或工业等固定应用领域的存储基础设施设计变得更加复杂。这些设施需要为氢气储存分配更多的空间和资源，可能会增加成本和物流的复杂性。

总之，虽然氢的低体积能量密度带来了巨大的挑战，特别是在存储和基础设施方面，但它也推动了更高效、更紧凑的存储系统的设计创新。克服这些挑战对于充分发挥氢作为可持续能源载体在交通运输、工业和能源存储等各个领域的潜力至关重要。

3060

二、氢气应用面临的挑战

氢作为一种能源载体具有巨大的潜力，因为它质量能量密度高、适应性强，并且能够用于不产生排放物的应用中。尽管具有这些优势，但一些挑战阻碍了氢能作为主要能源的广泛应用。必须对这些障碍有透彻的了解，才能妥善解决和克服这些障碍。下面说明了用氢气作为能源有关的主要障碍。

1、生产和销售的复杂性

以环保和经济高效的方式制氢仍然是一个主要障碍。目前最主要的方法是蒸汽甲烷重整（SMR）和煤制氢，这种方法依赖化石能源并会副产二氧化碳。采用低碳或无碳生产方法至关重要，例如使用可再生能源驱动的电解水制氢。这种转变受到诸如费用增加和对额外技术进步的要求等挑战的阻碍。此外，建立广泛的分销网络的过程涉及建设管道和加气站，需要大量财政资源和精心的组织规划。

2、能效挑战

氢气的生产、储存和运输需要大量能源，这对其整体效率产生了负面影响。在压缩和液化阶段会产生大量的能量消耗，而压缩和液化对储存和运输又至关重要。要最大限度地提高氢气的效率，减少氢气的能量损耗，就必须在氢气的整个生命周期内重视提高能源效率。

3、存储技术限制

氢气的体积能量密度较低，与汽油等传统燃料相比，储存相同数量的能量需要更大的体积，这给储存带来了巨大挑战。

物理和材料储存方法在容量、安全性和成本方面各有利弊。例如，压缩气体存储虽然相对简单，但需要很高的压力（通常在 700 bar左右）才能存储足够数量的氢气，从而引发了对材料疲劳、泄漏和整个系统安全的担忧。另一方面，液态氢存储需要极低的温度（约 -253 ^◦ C）来保持其液态，这就给绝缘、液化能耗以及存储和运输过程中的沸腾损失带来了挑战。低温压缩氢储存结合了低温和高压压缩，可提供更高的储存密度并减少沸腾损失，但因其复杂性和成本而带来挑战。

与传统的物理方法不同，基于材料的氢气存储通过在固体材料中存储氢气，提供了安全、高效和紧凑的解决方案。这些系统包括物理吸附，即氢分子被弱吸附在 MOFs（金属有机框架）和沸石等材料上，从而提供快速、可逆的存储，但需要在低温条件下才能获得更高的容量。另外，化学吸附涉及与金属氢化物等材料的化学键合，可在环境条件下实现适合长期使用的高密度存储，但需要较高的活化能，并受到反应位点可用性的限制。

面对这些具体挑战，所有储存方法都必须解决与效率、可扩展性和成本效益相关的问题。要想大规模采用氢气，储氢技术不仅必须克服这些技术障碍，还必须在经济上与传统燃料具有竞争力。这就需要不断进行研发工作，改进氢气储存所涉及的材料、设计和工艺，确保它们满足广泛使用所需的安全性、容量和成本要求。

4、安全和公众认知

氢气的易燃性很高，而且易燃极限范围很广（在空气中为 4%-75%），这给氢气从生产到储存和运输的整个生命周期带来了巨大的安全挑战。与传统燃料不同，氢气更容易点燃，燃烧时火焰不可见，如果处理不当，会增加意外火灾或爆炸的风险。氢气的点火能量低，分子体积小，容易泄漏，可渗透通常含有其他气体的材料，从而加剧了这些安全风险。

氢气具有高度易燃性，在储存、运输和生产过程中可能会带来重大危险，为了降低与氢气相关的安全风险，必须实施强有力的安全协议。主要措施包括采用先进的泄漏检测技术，如红外传感器和催化检测器，这些技术可对潜在泄漏发出预警。高压储存系统应配备泄压和排气装置，以防止过压。充足的通风和隔离区对于避免氢气在密闭空间内积聚、降低点火风险至关重要。储氢系统中使用的材料必须具备抗氢脆性能，通常需要专门的合金和涂层。氢基础设施必须遵循既定的安全标准，如国际标准化组织（ISO）等，以确保氢价值链不同阶段的安全一致性。通过采用惰性气体注入、防爆设备和适当的接地措施，可将火灾和爆炸风险降至最低。通过整合这些安全措施，氢气系统可以安全运行，为更广泛地采用氢气作为可持续能源铺平道路。

5、利益攸关方参与和公众认知

公众接受度是成功采用氢技术的关键因素，但有几个障碍需要解决。主要由于氢气的易燃性以及氢气在各行各业相对较新的应用，安全问题往往是首要问题。此外，许多人可能并不完全了解氢的生产、储存和运输过程，从而导致对其安全性和可靠性的不确定性。

对氢气环境影响的误解，以及对基础设施复杂性的认识，可能会进一步阻碍氢气被广泛接受。要克服这些障碍，必须采取包括教育、明确的沟通和政策措施在内的综合战略。公众教育的重点应该是消除误解，提供易于获取的准确信息，介绍氢气的安全措施、环境效益及其在减排中的作用。强调现实世界中有效使用氢气的成功案例可以建立信心并展示其实际应用。

通过公开讨论鼓励公众参与，对于解决关切问题和促进理解至关重要。公共论坛、教育推广和数字平台可以作为人们提问和专家解答的空间。确保社区在与氢有关的决策中拥有发言权也将提高透明度，有助于建立对该技术的信任。政府政策可以通过为氢能技术制定明确的安全法规和标准，使公众更容易理解如何确保安全，从而支持公众接受氢能技术。此外，为氢能基础设施的发展提供财政激励和支持，可以降低成本门槛，使氢能更容易获得。坚实的政策基础还能让行业和消费者确信氢技术是可行和安全的。

最后，政府机构、行业和研究机构之间的合作对于克服公众接受的障碍至关重要。通过合作，这些团体可以推动氢能技术的发展，消除人们的顾虑，并最终将氢能定位为一种安全、可持续和变革性的能源，从而加快氢能在向清洁能源未来过渡过程中的作用。

6、经济竞争力

氢气要想有效地与传统化石燃料竞争，就必须克服生产、分配和使用过程中的重大经济挑战。氢气的生产成本较高，尤其是通过可再生能源电解产生的氢气。灰氢的成本最低，但由于其排放量高，因此不可持续。蓝氢集成了二氧化碳捕获和储存系统，是一种更具可持续性的替代品，但成本适中。绿氢无排放，但由于可再生电解的相关费用较高，其成本仍然很高。生产、储存和运输基础设施的成本进一步挑战了氢与化石燃料的经济竞争力。要克服这些障碍，就需要技术进步，如更高效的生产方法、更好的存储解决方案以及扩大规模经济。支持性政策，包括政府对研究和创新的激励和补贴，对于降低成本和使氢能成为更可行的能源选择至关重要。通过解决这些经济障碍，氢有可能成为一种具有竞争力的可持续能源。

7、与现有基础设施的整合

由于氢气的独特特性，将氢气整合到现有能源基础设施中涉及大量的技术挑战。由于氢的分子尺寸较小，在设计上不适合处理氢的材料中可能会造成脆性，因此对现有系统（如管道和储存设施）的改造非常复杂。此外，与天然气相比，氢的能量密度较低，这意味着需要运输和储存更大量的氢，因此需要对储罐和运输方法进行改造。开发专为氢气设计的全新基础设施也是成本高昂、物流复杂，因为必须符合严格的安全标准，以控制氢气的高易燃性和泄漏可能性。要确保这种新的基础设施与现有系统兼容，同时在经济上可行，就需要大量的创新、投资和监管支持。

8. 可扩展性和资源管理

扩大氢气生产规模以满足日益增长的需求需要大量投资和有效管理氢气原料，如水和可再生能源。确保可靠和可持续的供应链对于氢技术的长期可行性和可扩展性至关重要。应对这些复杂的挑战需要政府、行业、研究人员和政策制定者的共同努力。对研究、技术开发和支持性政策的投资对于克服障碍和释放氢作为清洁和可持续能源解决方案的全部潜力至关重要。随着氢能技术的进步和规模经济的实现，氢能将在实现全球能源向低碳未来过渡的目标中发挥关键作用。

“ 3060 ”除原创外，均转载自其他媒体/公号，开头明显标示来源，“ 原文阅读 ”附有原文链接。

CCTC®

想深入了解

氢作为替代能源的技术挑战

正文

请到「今天看啥」查看全文