周凌云，王 超

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081；2.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇淮安，223003）

非并網(wǎng)風(fēng)電制氫及其在綠色交通物流中的應(yīng)用

周凌云1，王 超2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081；2.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇淮安，223003）

全球二氧化碳減排巨大壓力給了氫能一次絕好的發(fā)展機(jī)遇，也加速了氫能技術(shù)的發(fā)展。水分解制氫是制氫技術(shù)的主要方向，但其依賴(lài)用電分解，能耗巨大，唯有與其他潔凈能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等相匹配，才能降低成本。針對(duì)風(fēng)電間歇波動(dòng)、不可直接并網(wǎng)特點(diǎn)，探索開(kāi)發(fā)利用我國(guó)黃海輻射沙洲豐富的風(fēng)能資源，提出基于非并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)制氫及其在綠色交通物流中應(yīng)用模式和途徑，對(duì)于綜合開(kāi)發(fā)風(fēng)電資源、拓展氫能應(yīng)用和綠色交通物流發(fā)展具有重要意義。

氫能；輻射沙洲；非并網(wǎng)風(fēng)電；綠色交通物流；運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)鏈

1 氫能特點(diǎn)與發(fā)展

在世界能源結(jié)構(gòu)中，煤炭、石油和天然氣等化石能源在自然界中的儲(chǔ)量是有限的，加之目前日益加重的能源消耗、環(huán)境惡化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的壓力，迫使清潔能源成為全世界開(kāi)發(fā)和利用的研究熱點(diǎn)。在人們探索的眾多新能源中，氫能以其熱值高、無(wú)污染、不產(chǎn)生溫室氣體等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，成為可再生能源中最有發(fā)展前景的能源形式，正在引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[1]。

氫作為二次能源，愈來(lái)愈受到人們的重視，人們正在試驗(yàn)使用氫能給工廠和家庭供電、供熱，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)、船舶、摩托車(chē)、自行車(chē)[2]。氫是元素周期表中 1號(hào)元素，相對(duì)原子質(zhì)量為1.008，是已知元素中最輕的一個(gè)，也是宇宙中普遍存在的元素。氫通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣（H2），它是無(wú)色無(wú)味，極易燃燒的雙原子的氣體，氫氣是密度最小的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0℃和一個(gè)大氣壓）下，每升氫氣只有0.089 9 g重——僅相當(dāng)于同體積空氣質(zhì)量的2/29。氫能（hydrogen energy）具有高揮發(fā)性、高能量，是能源載體和燃料，有可能在世界能源舞臺(tái)上成為一種舉足輕重的二次能源。氫能是一種二次能源，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)一定的方法利用其他能源制取的，而不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開(kāi)采。相對(duì)于其他載體如汽油、乙烷和甲醇來(lái)講，氫能具有來(lái)源豐富、質(zhì)量輕、能量密度高、綠色環(huán)保、儲(chǔ)存方式與利用形式多樣等特點(diǎn)，因此氫作為電能這一潔凈能源載體最有效的補(bǔ)充，可以滿(mǎn)足幾乎所有能源的需要，從而形成一個(gè)解決能源問(wèn)題的永久性系統(tǒng)。氫能作為一種高效、清潔、可持續(xù)的“無(wú)碳”能源，被很多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家譽(yù)為是21世紀(jì)的綠色能源，是人類(lèi)未來(lái)的能源。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)[3，4]。

1)燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。

2)氫是世界上最干凈的能源，在燃燒或催化氧化后的產(chǎn)物為液態(tài)水或水蒸氣，不會(huì)產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，制氫、儲(chǔ)氫、輸運(yùn)以及利用的各個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)環(huán)境幾乎都可以實(shí)現(xiàn)“零排放”。

3)資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源。

4)氫能利用形式多，可以靈活高效地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，應(yīng)用領(lǐng)域包括航天動(dòng)力、交通運(yùn)輸、燃燒發(fā)電、化工原料及民用等。

5)可采取氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)（氫的固態(tài)化合物）的方式來(lái)存儲(chǔ)，可以適應(yīng)不同環(huán)境的不同需求。

美國(guó)著名學(xué)者里夫金（Rifkin）2002年指出，“全球化石能源經(jīng)濟(jì)向氫能經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型、氫能經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)將引發(fā)人類(lèi)歷史上下一次重大的技術(shù)革命、商業(yè)革命和社會(huì)革命”[5]。氫能源已得到世界各國(guó)的普遍關(guān)注，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家對(duì)氫能領(lǐng)域的投入逐年增加，以便在未來(lái)氫能源的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)。1996年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了“未來(lái)氫法案”，開(kāi)展了氫能制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用示范研究；2002年日本推出了氫能和燃料電池示范項(xiàng)目Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project（JHFC）；加拿大也是發(fā)展氫能最為活躍的國(guó)家之一，加拿大負(fù)責(zé)氫能計(jì)劃的官方機(jī)構(gòu)為National Hydrogen Association(NHA)，該協(xié)會(huì)組織了加拿大工業(yè)部、自然資源部以及多家公司開(kāi)展氫能計(jì)劃[6]。目前，氫能技術(shù)在美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)已進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)施階段。中國(guó)可以考慮把氫能的開(kāi)發(fā)和推動(dòng)氫經(jīng)濟(jì)列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，推進(jìn)“氫經(jīng)濟(jì)”產(chǎn)業(yè)革命。率先成功啟動(dòng)氫經(jīng)濟(jì)是我國(guó)逐漸擺脫對(duì)海上石油供給線(xiàn)的依賴(lài)，擺脫潛在的海上封鎖，成功取得全球長(zhǎng)期戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)的關(guān)鍵，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化、實(shí)現(xiàn)中國(guó)和平發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。在第18屆世界氫能大會(huì)(WHEC 2010)上，中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部萬(wàn)鋼部長(zhǎng)指出，“中國(guó)要制訂國(guó)家氫能規(guī)劃，加大對(duì)氫能的投入，擴(kuò)大氫能示范和應(yīng)用，加強(qiáng)氫能的國(guó)際合作”。

2 氫能的制取原理

到目前為止，在氫源的開(kāi)發(fā)和制氫技術(shù)領(lǐng)域有3個(gè)方向，分別為化石燃料的裂解[7]、生物制氫[8]和水電解制氫三大類(lèi)型。由于生物制氫技術(shù)目前存在的問(wèn)題較多，所以目前全世界大約96%的氫來(lái)自化石燃料的裂解，其余為水電解制氫。化石能源制氫受到本身資源和排放CO2的制約，不是長(zhǎng)遠(yuǎn)的方向。水資源豐富，是主要的氫礦，也是未來(lái)獲取氫源的重要途徑[9]。在氫能經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期規(guī)劃中，水分解制氫是未來(lái)制氫技術(shù)的主要方向。在自然界中，氫易和氧結(jié)合成水，必須用電分解的方法把氫從水中分離出來(lái)。如果用煤、石油和天然氣等燃燒所產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)換成的電支分解水制氫，則較為昂貴。目前水分解制氫因耗電量大、電價(jià)高導(dǎo)致氫氣成本高，推廣使用受到限制。制氫技術(shù)中電解制氫唯有與其他潔凈能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等相匹配，才能發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)而共促發(fā)展。這些潔凈能源由于其能量與時(shí)間的關(guān)系具有波動(dòng)性，所以在發(fā)電時(shí)系統(tǒng)給出的電能是間歇性的，通常不可直接進(jìn)入電網(wǎng)，因此探索利用非并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)制氫具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

圖1 氫能制取一般原理Fig.1 The general principle of hydrogen production

3 氫能制取新途徑——黃海輻射沙洲非并網(wǎng)風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用

3.1 黃海輻射沙洲風(fēng)電綜合開(kāi)發(fā)利用背景

在人類(lèi)跨入21世紀(jì)的時(shí)候，一個(gè)海岸與海洋環(huán)境資源開(kāi)發(fā)與保護(hù)熱潮正在全球范圍興起。黃海輻射沙洲作為我國(guó)海岸和海涂資源開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域備受人們的關(guān)注，而且黃海輻射沙洲風(fēng)況資源豐富，在解決能源和環(huán)境問(wèn)題方面具有重要的應(yīng)用前景。黃海輻射沙洲及其沿岸地區(qū)蘊(yùn)藏著極其豐富的土地、生物、航運(yùn)、旅游資源，是我國(guó)海洋支柱產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的優(yōu)選基地之一。然而，黃海輻射沙洲這一面積2.4萬(wàn)多平方千米，由70余條沙脊和幾個(gè)主要通道組成的特殊巨型沉積地貌體系，在環(huán)境方面存在波浪與潮流作用活躍、泥沙搬運(yùn)、岸線(xiàn)沖淤不穩(wěn)、生態(tài)脆弱等諸多不利因素[10]，其綜合開(kāi)發(fā)必須特別注重走環(huán)境與資源可持續(xù)發(fā)展的道路。

3.1.1 黃海輻射沙洲沉積和淤長(zhǎng)機(jī)理研究

輻射沙洲海域具備潮流脊的形成機(jī)制和發(fā)育基本條件，豐富的泥沙和長(zhǎng)期穩(wěn)定的特殊輻射狀潮流場(chǎng)是南黃海輻射狀沙脊群形成和發(fā)育的充分和必要條件。豐富的泥沙主要受歷史時(shí)期徑流的影響，它是輻射沙洲的形成和演化的重要基礎(chǔ)。從近代輻射沙洲發(fā)育階段，可以看出徑流的作用主要表現(xiàn)在大量泥沙的供應(yīng)上，它為輻射沙洲的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。輻射沙脊群沉積物的主要成分是分選良好的細(xì)砂，表面洼地含有粉砂。輻射沙脊主體是長(zhǎng)江系統(tǒng)的細(xì)砂物質(zhì)，而細(xì)粒的粘土、粉砂物質(zhì)明顯受廢黃河（北部）及現(xiàn)代長(zhǎng)江（南部）的補(bǔ)給。

輻射沙洲群由東沙、竹根沙、蔣家沙、冷家沙、條子泥等大型沙洲組成，在這些沙洲之間分布著西洋、陳家塢槽、苦水洋、黃沙洋、爛沙洋等大型潮溝[11]。輻射沙脊的分、合、消、長(zhǎng)及岸灘的沖、淤變化主要受強(qiáng)潮控制。自黃河北移以來(lái)，沙洲區(qū)一直在進(jìn)行物質(zhì)的重新分配，水沙均很活躍，然而這一海域受兩個(gè)潮波系統(tǒng)的控制。以南黃海無(wú)潮點(diǎn)（32°30′N(xiāo)，120°10′E附近）為中心的左旋潮波系統(tǒng)控制著北部海區(qū)，南部海區(qū)受自東海傳入的前進(jìn)潮波系統(tǒng)的控制。兩者在東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)蹲門(mén)村東海域輻合[12]。近千年來(lái)，古長(zhǎng)江、古黃河、淮河入海泥沙在此淤積，形成了世界上罕見(jiàn)的輻射狀沙脊群，此輻射中心在弶港，由輻射點(diǎn)向北東和南東方向分布，有共10條形態(tài)完整的大型水下沙脊，物質(zhì)組成主要是細(xì)沙，這就生成了這一海域廣袤的淤長(zhǎng)型灘涂資源[13]。這一淺海輻射沙洲每年以100 m左右的速度向大海延伸，總面積達(dá)2.4×104km2?？傮w而言，輻射沙洲的形成與發(fā)展取決于豐富的泥沙、東中國(guó)海流系與蘇北海岸、山東半島構(gòu)成的特殊地形的相互作用。目前，沙脊群具有向西北方向遷移延伸、整體逐漸向南偏移的趨勢(shì)，其中北部沙脊群存在向南移動(dòng)的趨勢(shì)，而南部沙脊群呈向岸的移動(dòng)趨勢(shì)，且整體表現(xiàn)為內(nèi)淤外蝕及區(qū)域差異特征。

3.1.2 黃海輻射沙洲風(fēng)能資源的影響研究

淺海輻射沙洲海上風(fēng)能資源豐富，在全球的淺海沙洲中，中國(guó)東臺(tái)和英國(guó)莫克姆海灣兩處淤長(zhǎng)型大型輻射沙洲非常適合發(fā)展大規(guī)模、超大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)，其中位于江蘇蘇北沿海海域的較大，且每年以100 m左右的速度向大海延伸。江蘇蘇北沿海淺海輻射沙洲風(fēng)能資源優(yōu)良，通過(guò)調(diào)查和仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)得70 m高平均風(fēng)速達(dá)到8.0 m/s以上，其潮上沿岸灘涂60萬(wàn)畝（約400 km2），70 m高平均風(fēng)速為7.2 m/s；潮間灘涂140萬(wàn)畝（約900 km2），70 m高平均風(fēng)速為8.0 m/s；再向東延伸，近海還有大片輻射狀淺水沙灘200萬(wàn)畝（約1 300 km2），70 m高平均風(fēng)速為8.4 m/s，是全球難得建設(shè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)的理想場(chǎng)區(qū)[14]。

該區(qū)域地質(zhì)條件好，據(jù)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)部門(mén)資料，在江蘇沿黃海一線(xiàn)，沿海灘涂全線(xiàn)地質(zhì)成因一致，地層以海相沉積為主，處于南洋潮與北洋潮的交匯處，江河入海水流到達(dá)這里時(shí)已形成基本不含淤泥的細(xì)沙沉積地層，是典型的“鐵板沙”。埋深1 m以下地層承載力達(dá)到10～14 t/m2，8 m以下達(dá)到18 t/m2，16 m以下達(dá)到23 t/m2，是發(fā)展海上風(fēng)電理想的地質(zhì)條件，可大大降低風(fēng)電場(chǎng)地基工程的建設(shè)難度和造價(jià)。

該區(qū)域氣象條件好，歷史上無(wú)臺(tái)風(fēng)正面登陸。根據(jù)氣象觀測(cè)資料顯示，該區(qū)域臺(tái)風(fēng)既少、又比較集中，易于防范，對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場(chǎng)并不構(gòu)成危害，卻能在這一時(shí)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)難得的“滿(mǎn)發(fā)”?？傮w而言，該區(qū)域很少發(fā)生災(zāi)害性天氣，經(jīng)濟(jì)條件、并網(wǎng)條件、運(yùn)輸安裝條件、地形地質(zhì)條件俱佳，環(huán)境影響評(píng)估良好，是布設(shè)單機(jī)容量2～5 MW的風(fēng)電機(jī)組、占據(jù)海域面積數(shù)千平方千米的超大型海上風(fēng)電場(chǎng)的理想之地。在這塊2.4×104km2淺海輻射沙洲，如開(kāi)發(fā)15%的風(fēng)能資源，按照面積決定裝機(jī)總?cè)萘克惴ǎ?D）計(jì)算，裝機(jī)容量可達(dá)5.4×107kW左右，再按年有效發(fā)電系數(shù)0.25計(jì)算，即可興建一個(gè)相當(dāng)于年產(chǎn)4.25×107t標(biāo)準(zhǔn)煤（相當(dāng)于年開(kāi)采量2.98×107t原油）、每年減排1.12×108t CO2的永續(xù)綠色能源基地，打造“海上綠色三峽”，而且不占用一畝耕地、不產(chǎn)生一個(gè)移民、也沒(méi)有生態(tài)安全問(wèn)題[14]。

3.2 黃海輻射沙洲非并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)及在制氫領(lǐng)域應(yīng)用前景

海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)利益相關(guān)方較少、不與其他發(fā)展項(xiàng)目爭(zhēng)地、可以大規(guī)模開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)，受到風(fēng)電開(kāi)發(fā)商關(guān)注。我國(guó)黃海輻射沙洲地帶風(fēng)況資源優(yōu)越，是目前世界上最好、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)價(jià)值的風(fēng)電場(chǎng)之一。

由于風(fēng)能的自身特性，導(dǎo)致風(fēng)電的波動(dòng)性、間歇性和不規(guī)則性，使電網(wǎng)難以承受海上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的巨大電能，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)率難以超過(guò)10%已成為一個(gè)世界性難題。風(fēng)電并網(wǎng)是目前世界上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的唯一應(yīng)用方式。而海上風(fēng)電場(chǎng)由于施工難度和集中輸變電等經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，又必須大規(guī)模開(kāi)發(fā)。針對(duì)這一世界性的難題，顧為東研究員領(lǐng)銜的項(xiàng)目組于1986年提出大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電直接應(yīng)用這一原創(chuàng)性思路，即風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高耗能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域，主要適用于5×105～1×107kW以上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電的這種非并網(wǎng)運(yùn)行方式與傳統(tǒng)風(fēng)電并網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面。

1)采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差(電流波動(dòng))、相位差、頻率差難以控制的問(wèn)題，繞開(kāi)電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

2)突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使大規(guī)模風(fēng)電在非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中的供電比例能達(dá)到100%，也拓展了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域。

3)風(fēng)力機(jī)經(jīng)專(zhuān)項(xiàng)適配后，結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，風(fēng)能利用效率得到提高，還節(jié)省并網(wǎng)所需的大量輔助設(shè)備，大幅度降低風(fēng)電場(chǎng)制造成本和風(fēng)電價(jià)格。

采用非并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)，可以在輻射沙洲地區(qū)建設(shè)若干“低碳型”綠色工業(yè)園區(qū)，利用風(fēng)能替代化石能源，在園區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)“高碳能源向無(wú)碳能源”的跨越。從而，建立起多元化的100%消耗掉風(fēng)電的非并網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，徹底解決海上“風(fēng)電三峽”大規(guī)模風(fēng)電的應(yīng)用難題。

我國(guó)有全世界最大的風(fēng)電裝機(jī)容量，但大部分無(wú)法有效并網(wǎng)。將這部分能源轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存利用，是一種有效的儲(chǔ)能手段?，F(xiàn)在看來(lái)，高效率的制氫的基本途徑，是非并網(wǎng)利用風(fēng)能。如果能用風(fēng)能來(lái)制氫，那就等于把無(wú)窮無(wú)盡的、分散的風(fēng)能轉(zhuǎn)變成了高度集中的干凈能源了，其意義十分重大。目前，大豐非并網(wǎng)風(fēng)電制氫系統(tǒng)驗(yàn)證示范基地已經(jīng)建設(shè)，具體如圖2所示。

4 非并網(wǎng)風(fēng)電制氫在綠色交通中的應(yīng)用

4.1 氫能在綠色交通中應(yīng)用前景

伴隨著整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，在人類(lèi)物質(zhì)文明大大提高的同時(shí)，地球上的資源也在日益枯竭，我們的生態(tài)環(huán)境也正一步一步地面臨威脅。然而整個(gè)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中最重要的一環(huán)是交通運(yùn)輸業(yè)。交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步，但是與此同時(shí)也給我們的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。

圖2 大豐非并網(wǎng)風(fēng)電制氫系統(tǒng)驗(yàn)證示范工程Fig.2 Demonstration project of hydrogen production system based on non-grid-connected wind power in Dafeng City

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，環(huán)境越來(lái)越受到人們的重視，并逐漸深入到經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，綠色運(yùn)輸、物流應(yīng)運(yùn)而生。綠色運(yùn)輸、物流是建立在可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益、社會(huì)利益和環(huán)境利益的統(tǒng)一。

用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用。氫可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。加快氫能在運(yùn)輸物流中的利用，是一項(xiàng)重大戰(zhàn)略舉措，對(duì)優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)、帶動(dòng)城市綜合發(fā)展、促進(jìn)城市群的形成，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境等均有重大作用。

4.2 氫能在綠色交通中應(yīng)用措施

4.2.1 建設(shè)氫能運(yùn)輸走廊

以氫能運(yùn)輸走廊開(kāi)發(fā)為契機(jī)，從產(chǎn)業(yè)低碳化、交通清潔化、主要污染物減量化、可再生能源利用規(guī)?；确矫嫒骈_(kāi)展節(jié)能減排綜合示范，發(fā)揮示范帶動(dòng)作用，促進(jìn)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，推動(dòng)節(jié)能減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。2011年6月15日，以“氫能科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展與戰(zhàn)略”為主題的第400次香山科學(xué)會(huì)議上，顧為東研究員首次提出了建設(shè)“中國(guó)沿海（京滬）氫能高速公路”的構(gòu)想，得到與會(huì)依寶廉院士、馬建新教授等專(zhuān)家的熱烈響應(yīng)和支持。江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院牽頭負(fù)責(zé)編寫(xiě)《中國(guó)·沿海（京滬）氫能高速公路可行性研究報(bào)告》。此外，《淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶》規(guī)劃：以淮河流域風(fēng)電場(chǎng)為依托，建設(shè)沿淮氫能運(yùn)輸走廊示范區(qū)；以淮河干流、入海水道為中心，重點(diǎn)突破，帶動(dòng)淮河支流、京滬運(yùn)河、公路等氫能運(yùn)輸走廊建設(shè)；循序漸進(jìn)，依次推動(dòng)，從淮河干流地區(qū)向東中部地區(qū)擴(kuò)散帶動(dòng)我國(guó)氫能運(yùn)輸走廊建設(shè)。

4.2.2 氫能汽車(chē)和機(jī)車(chē)的推廣

氫能高速公路開(kāi)通的前提條件是要有大量氫能車(chē)的出現(xiàn)和使用。據(jù)美國(guó)工程院預(yù)計(jì)，氫燃料電池車(chē)將在2015年批量進(jìn)入發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)，并在15年至20年之內(nèi)取代現(xiàn)有燃油車(chē)及混合動(dòng)力車(chē)，占據(jù)全球汽車(chē)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。更有甚者，像寶馬、通用、豐田等全球主要的汽車(chē)公司已提前作好了技術(shù)儲(chǔ)備。日本采用液氫作燃料組裝的燃料電池示范汽車(chē)，已進(jìn)行了上百萬(wàn)公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)，其經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和安全性均較好。此外，美國(guó)和加拿大計(jì)劃在從加拿大西部到東部的大鐵路上采用液氫和液氧為燃料的機(jī)車(chē)。這些對(duì)于中國(guó)氫能汽車(chē)及氫能機(jī)車(chē)的研發(fā)、推廣具有重要意義。未來(lái)我國(guó)應(yīng)在高端、長(zhǎng)途、重載的交通工具領(lǐng)域，加快氫燃料電池及交通裝備的研發(fā)和應(yīng)用。其中，燃料電池電動(dòng)機(jī)車(chē)用于鐵路的各種工程作業(yè)車(chē)、地鐵檢修車(chē)、施工車(chē)、地鐵調(diào)車(chē)、礦山用車(chē)及特殊用途的車(chē)輛是未來(lái)一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

4.2.3 建設(shè)專(zhuān)門(mén)輸氫管道

氫運(yùn)輸主要運(yùn)輸4種狀態(tài)的氫：低壓氫氣、高壓氫氣、液氫和固態(tài)氫。運(yùn)輸技術(shù)主要有管道運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸。液氫運(yùn)輸?shù)哪芰啃矢撸莾H液化過(guò)程就消耗三分之一的氫能量，同時(shí)還存在氫氣蒸發(fā)和運(yùn)輸設(shè)備絕緣的復(fù)雜技術(shù)要求?？梢?jiàn)，液氫只適合于短途運(yùn)輸。

采用船運(yùn)或卡車(chē)運(yùn)輸氫氣目前最為常見(jiàn)，但運(yùn)輸?shù)牧糠浅Ｓ邢蓿簩?duì)于20 MPa壓縮氫氣，運(yùn)輸500 kg氫需要40 t的卡車(chē)。對(duì)于大規(guī)模集中制氫和長(zhǎng)距離輸氫來(lái)說(shuō)，管道運(yùn)輸是最合適的。實(shí)際上，目前的天然氣管道也可用來(lái)輸送氫氣（德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等）。

4.2.4 拓展氫能運(yùn)輸物流裝備產(chǎn)業(yè)鏈

氫能系統(tǒng)涉及氫氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注，以及燃料電池和相關(guān)專(zhuān)業(yè)運(yùn)輸工具等，是龐大的系統(tǒng)工程，如圖3所示。目前，阻礙氫能應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)正在逐一被攻克，并且隨著其在全世界范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，氫能將在未來(lái)可再生能源體系中處于非常重要的位置，可以同時(shí)滿(mǎn)足資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的要求，無(wú)限期地為人類(lèi)所用。未來(lái)要進(jìn)一步深化對(duì)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究，以先進(jìn)氫能運(yùn)輸物流裝備制造產(chǎn)業(yè)為契機(jī)。

圖3 氫能運(yùn)輸物流裝備產(chǎn)業(yè)鏈Fig.3 The equipment industry chain of hydrogen transport and logistics

4.2.5 打造發(fā)展新型能源交通的先導(dǎo)區(qū)

氫能商業(yè)化進(jìn)展仍然很慢，就發(fā)達(dá)國(guó)家而言，即使氫能技術(shù)已經(jīng)成熟，但仍處于示范階段。我國(guó)須將應(yīng)對(duì)氣候變化的新任務(wù)、新要求納入交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排工作的整體部署中統(tǒng)籌推進(jìn)，把氫能交通、物流示范工程建設(shè)作為現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的重要抓手，努力提高交通運(yùn)輸行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的綜合能力，形成若干發(fā)展新型能源交通的先導(dǎo)區(qū)。

5 未來(lái)研究展望

目前看來(lái)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍停留在示范階段，產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題還很多，例如，如何進(jìn)一步降低氫氣的精制成本和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本？高壓儲(chǔ)存設(shè)備的輕量化方面沒(méi)有突破，一些高壓氣瓶需要進(jìn)口，如何解決國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題？由于氫氣的長(zhǎng)距離管道輸送成本較高，在100 km的范圍內(nèi)輸送比較合理，如何解決長(zhǎng)距離氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸問(wèn)題？

總體而言，氫能系統(tǒng)及其配套技術(shù)尚未成熟，且未成體系，還要靠產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合攻關(guān)獲得突破。此外，要加大對(duì)氫能的扶持力度，優(yōu)化氫能政策，降低燃料電池成本、稅收、碳稅。同時(shí)，要鼓勵(lì)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新大規(guī)模使用風(fēng)能電、太陽(yáng)能電，或用低谷的水電來(lái)制取，降低氫能利用成本，推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

[1] 顧忠茂.氫能利用與核能制氫研究開(kāi)發(fā)綜述[J].原子能科學(xué)與技術(shù)，2006，40(1)：30-35.

[2] 毛宗強(qiáng).氫能——21世紀(jì)的綠色能源[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] Sigfusson T I.Hydrogen energy-abundant，efficient，cleana debate over the energy system of change[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(10)：44-52.

[4] 張 軻，劉述麗，劉明明，等.氫能的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(5)：116-119.

[5] 張志強(qiáng)，鄭軍衛(wèi).氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展前瞻及我國(guó)的對(duì)策[J].科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響，2006(3)：21-25.

[6] 張 聰.世界氫能技術(shù)研究和應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油石化節(jié)能，2014(8)：56-59.

[7] O’Brien J E，McKellar M G，Harvego E A,et al.High-temperature electrolysis for large-scale hydrogen and syngas production from nuclear energy-summary of system simulation and economic analyses [J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(10)：4808.

[8] Balat E，Kirtay H.Hydrogen from biomass—Present scenario and future prospects[J].International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(14)：7416.

[9] 毛宗強(qiáng).無(wú)限的氫能——未來(lái)的能源[J].自然雜志，2006，28(1)：14-18.

[10] 任美鍔.江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報(bào)告[M].北京：海洋出版社，1986.

[11] 黃海軍.南黃海輻射沙洲主要潮溝的變遷[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2004，24(2)：1-7.

[12] 陳可鋒，陸培東，王艷紅，等.南黃海輻射沙洲趨勢(shì)性演變的動(dòng)力機(jī)制分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（2）：267-272.

[13] 王 穎.黃海陸架輻射沙脊群[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[14] 顧為東，周志瑩，邱 濤.長(zhǎng)三角淺海輻射沙洲風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)與非并網(wǎng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].資源科學(xué)，2009，31（11）：1856-1861.

Research on hydrogen production and its application in green transportation and logistics based on non-gridconnected wind power system

Zhou Lingyun1，Wang Chao2
（1.Transportation and Economy Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.School of Traffic Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huaian，Jiangsu 223003，China）

Global carbon dioxide emissions pressure gives a good development opportunity for hydrogen energy，and it also accelerates the development of hydrogen energy technology. The water decomposition is the main direction of hydrogen production technology，but it needs huge electricity energy consumption.In order to reduce the cost of hydrogen energy，the water decomposition should rely on other clean energy such as solar energy，wind energy.For the wind intermittent fluctuation and non-grid-connected features，the paper explores the development and utilization of rich wind energy resources in the Yellow Sea radial sand ridges，and proposes the hydrogen production technology based on non-grid-connected wind power.The application mode and ways of hydrogen energy in green traffic are analyzed for expanding the comprehensive development of wind power resources，hydrogen energy and green transportation.

hydrogen energy；radiation shoal；non-grid-connected wind power；green transportation and logistics；transportation industry chain

U116

A

1009-1724（2015）03-0050-06

2014-12-09

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“區(qū)域物流生態(tài)系統(tǒng)自組織演化機(jī)理及和諧性辨別研究”（7140309）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“物流資源整合與調(diào)度優(yōu)化研究”（71132008）

周凌云，1980年出生，男，湖南祁東縣人，副教授，研究方向?yàn)榫C合運(yùn)輸、物流系統(tǒng)工程；E-mail：zlycsu@163.com