● 閆慧忠/文

未來(lái)，推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展包括5 個(gè)重要因素：環(huán)境（Environment），能源（Energy），經(jīng)濟(jì)（Economics），公平（Equity），教育（Education），其中環(huán)境與能源是最重要且密不可分的兩個(gè)方面。大規(guī)模工業(yè)化進(jìn)程中，人類無(wú)節(jié)制地開(kāi)發(fā)和破壞自然資源造成環(huán)境持續(xù)惡化：大面積土地退化、大氣和江海污染加劇、森林面積急劇減少、淡水資源日益短缺、大氣層臭氧空洞擴(kuò)大、生物多樣性受到威脅、溫室效應(yīng)導(dǎo)致的自然災(zāi)害等等，其中與能源利用相關(guān)度很高的環(huán)境影響是空氣污染和溫室效應(yīng)。

空氣污染又稱大氣污染，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義，空氣污染指由于人類活動(dòng)或自然過(guò)程引起某些物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時(shí)間，并因此危害了人類的舒適、健康和福利或環(huán)境的現(xiàn)象。100 多種空氣污染物來(lái)自自然因素（如森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等）和人為因素（如工業(yè)廢氣、生活燃煤、汽車尾氣、核爆炸等），且以后者為主。

空氣污染會(huì)對(duì)人體健康、植物、氣候產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。人需要呼吸空氣以維持生命,一個(gè)成年人每天呼吸大約2 萬(wàn)多次，吸入空氣達(dá)15 立方米～20立方米。大氣污染物對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)是呼吸道疾病與生理機(jī)能障礙，以及眼鼻等黏膜組織受到刺激而患病?？諝馕廴緯?huì)減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射量，導(dǎo)致人和動(dòng)植物因缺乏陽(yáng)光而生長(zhǎng)發(fā)育不好；增加大氣降水量，在大工業(yè)城市的下風(fēng)位地區(qū)，降水量更多；硫酸雨毀壞森林、農(nóng)作物、輕工制品、金屬、建筑物等；增高大工業(yè)城市近地面空氣的溫度，氣象學(xué)中稱作“熱島效應(yīng)”；大氣中大量CO2能吸收來(lái)自地面的長(zhǎng)波輻射，使近地面層空氣溫度增高，叫做“溫室效應(yīng)”；如果大氣中CO2含量增加25%，近地面氣溫可以增加0.5℃～2℃；如果增加100%，近地面溫度可以增高1.5℃～6℃。CO2含量如果持續(xù)增加，使得南北極的冰川融化，導(dǎo)致陸地大面積減少。1930 年12 月比利時(shí)的馬斯河谷工業(yè)煙霧污染事件、1948 年10 月美國(guó)的多諾拉二氧化硫蔓延事件、20 世紀(jì)40 年代初期美國(guó)的洛杉磯光化學(xué)煙霧污染事件、1952 年12 月英國(guó)的倫敦?zé)熿F事件（煤塵廢氣污染）等對(duì)人類和自然界造成了嚴(yán)重的后果。中國(guó)工業(yè)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)整體PM2.5水平遠(yuǎn)超國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（25 微克/立方米），北京2015年的峰值高達(dá)1000 微克/立方米，逼近倫敦“霧霾殺人事件”水平。

溫室效應(yīng)歸結(jié)為一句話：碳的排放量及速度超過(guò)了地球的吸收力。氣候變暖的罪魁禍?zhǔn)拙褪嵌趸嫉葴厥覛怏w，焚燒化石燃料、砍伐森林并焚燒等等，都會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，溫室氣體能夠高度透過(guò)太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光，吸收地面輻射中的紅外線，使得地球溫度越來(lái)越高。溫室效應(yīng)的危害，除了我們熟知的冰川融化、海平面上升之外，還會(huì)導(dǎo)致全球降水量的重新分配，嚴(yán)重影響全球自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，并最終影響人類的生存。氣候變暖會(huì)導(dǎo)致部分動(dòng)植物物種因種種不適應(yīng)而發(fā)生種群數(shù)量減少、遷移、生態(tài)退化，一些瀕危物種難逃滅絕厄運(yùn)。假如各國(guó)不采取措施，全球變暖保持目前的趨勢(shì)，那么到2100 年地球升溫幅度將達(dá)4.3℃，約六分之一的物種將面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)。2015 年巴黎協(xié)定提出2℃溫升目標(biāo)，爭(zhēng)取1.5℃。2020 年3 月，歐盟向聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約（UNFCCC）提交了歐盟低排放長(zhǎng)期戰(zhàn)略，目標(biāo)是2050 年溫室氣體中和。2020 年9 月，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)分別是2030 年、2060 年。

空氣污染、氣候異常的紅色警報(bào)拉響，我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)？改革能源結(jié)構(gòu)，多采用無(wú)污染能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電）和低污染能源（如天然氣），對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)處理（如燒煤前先進(jìn)行脫硫）、改進(jìn)燃燒技術(shù)等均可減少排污量。另外，在污染物未進(jìn)入大氣之前，使用除塵消煙技術(shù)、冷凝技術(shù)、液體吸收技術(shù)、回收處理技術(shù)等消除廢氣中的部分污染物，可減少進(jìn)入大氣的污染物數(shù)量。

一、能源概論

構(gòu)成客觀世界的三大基礎(chǔ)是物質(zhì)、能量和信息。宇宙間一切運(yùn)動(dòng)著的物體都有能量的存在和轉(zhuǎn)化，人類的一切活動(dòng)都與能量及其使用緊密相關(guān)。能量是一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化和相互作用的度量，廣義地講，就是“產(chǎn)生某種效果（變化）的能力”。目前為止，人類認(rèn)識(shí)的能量有六種形式：機(jī)械能、熱能、電能、輻射能、化學(xué)能、核能。能量具有狀態(tài)性、可加性、傳遞性、轉(zhuǎn)換性、做功性和貶值性。

能源是能夠直接或經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換而獲取的某種能量的自然資源，可簡(jiǎn)單地理解為含有能量的資源。由于能源形式多樣，通常有多種不同的分類方法，從不同的側(cè)重面來(lái)反映能源的各種特征，或按能源的來(lái)源、形成、使用分類，或從技術(shù)、環(huán)保角度進(jìn)行分類。按來(lái)源分為地球自身蘊(yùn)藏的能源（核能、地?zé)崮艿龋?、?lái)自地球外天體的能源（宇宙射線、太陽(yáng)能及其相關(guān)能源）、地球與其他天體相互作用的能源（潮汐能）；按利用程度分為常規(guī)能源（煤炭、石油、天然氣、水能）、新能源（太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒊毕?、核能、生物質(zhì)能）；按獲得方式分為一次能源（煤、石油、天然氣、風(fēng)能、水能）、二次能源（電、蒸汽、焦炭、煤氣、氫）；按可否再生分為可再生能源（水能、風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能）、非再生能源（石油、煤、天然氣、核燃料）；按本身性質(zhì)分為燃料能源（石油、煤、天然氣、地?zé)?、氫）、非燃料能源（風(fēng)能、水能、海流、潮汐、波浪、雷電、火山爆發(fā)、電磁能）；根據(jù)對(duì)環(huán)境的影響分為清潔能源（太陽(yáng)能、水能、海洋能、氫能）、非清潔能源（石油、煤、天然氣）。

能源的發(fā)展經(jīng)歷了薪柴時(shí)期（18 世紀(jì)前），煤炭時(shí)期（18 世紀(jì)～20 世紀(jì)中期），石油時(shí)期（20世紀(jì)中期以來(lái)），以太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、氫能為代表的清潔能源時(shí)期（21 世紀(jì)）?？梢钥闯觯茉吹陌l(fā)展歷史是減碳增氫的歷史。

為了合理地選擇和使用能源，必需對(duì)各種能源進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)。通常能源評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：對(duì)環(huán)境的影響、儲(chǔ)量、品位、地理分布、能量密度、可再生性、儲(chǔ)存的可能性、供能的連續(xù)性、開(kāi)發(fā)費(fèi)用和利用費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用與損耗等。

我國(guó)能源體系存在不安全、不平衡、不可持續(xù)的問(wèn)題。能源安全問(wèn)題：2017 年，石油進(jìn)口量突破4 億噸，對(duì)外依存度高達(dá)68.85%，70%石油進(jìn)入交通運(yùn)輸領(lǐng)域；天然氣進(jìn)口量946 億立方米，39%的天然氣依靠進(jìn)口。煤炭利用問(wèn)題：80%通過(guò)燃燒發(fā)電和供熱，碳排放量大，污染嚴(yán)重；低質(zhì)褐煤保有儲(chǔ)量約1300 億噸，占煤炭?jī)?chǔ)量13%，氫含量相對(duì)高，開(kāi)發(fā)利用不足?？稍偕茉窗l(fā)展問(wèn)題：可再生能源并網(wǎng)消納困難。2017 年可再生能源發(fā)電量占比僅增加0.7%，全年可再生能源電量達(dá)1007 億千瓦時(shí)。碳排放問(wèn)題：我國(guó)提出2030 年減排目標(biāo)是單位GDP 的二氧化碳排放比2005 年下降60%～65%，以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)為我國(guó)碳排放目標(biāo)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)問(wèn)題：電力作為我國(guó)終端能源消費(fèi)的主體，其最大問(wèn)題是無(wú)法高效存儲(chǔ)?？稍偕茉吹慕尤霂?lái)的不確定性影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

解決能源問(wèn)題（短缺、污染）需要做好兩方面的工作，一是合理利用傳統(tǒng)能源，重視環(huán)境保護(hù)；二是開(kāi)發(fā)利用新能源，改善能源結(jié)構(gòu)。當(dāng)前可開(kāi)發(fā)利用的新能源主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、核能、氫能等。

二、氫能戰(zhàn)略

氫能是能源與環(huán)境問(wèn)題的終極解決方案。未來(lái)綠氫比重將大幅提升，交通領(lǐng)域、分布式電站逐漸成為核心應(yīng)用場(chǎng)景。

為什么是氫呢？氫是元素周期表中第一個(gè)元素，是原子量最小的元素，氫原子本身可以發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)，理論上具有最大的能量密度。實(shí)際上氫是地球上能量密度最高的燃料，燃燒熱值為142 kJ/g，是天然氣和汽油的2 倍多，是煤的4 倍，是酒精的5 倍多。氫是宇宙中最豐富的元素，海洋的總體積約為13.7 億立方千米，若把其中的氫提煉出來(lái)，約有1500 億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上礦物燃料的9000 倍。氫是最潔凈的燃料，使用清潔能源從水中獲得，作為能源使用后唯一的產(chǎn)物是水。

世界各國(guó)十分重視氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均把氫能上升到戰(zhàn)略地位。美國(guó)對(duì)氫能的關(guān)注要追溯到20 世紀(jì)70 年代的石油危機(jī)時(shí)期，從氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、下游應(yīng)用以及基礎(chǔ)設(shè)施方面均有布局。政府于1996 年推出《氫能前景法案》；2002 年發(fā)布《國(guó)家氫能發(fā)展路線圖》，標(biāo)志著美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)從構(gòu)想轉(zhuǎn)入行動(dòng)階段。2003 年正式啟動(dòng)《總統(tǒng)氫燃料倡議》，2004 年發(fā)布《氫立場(chǎng)計(jì)劃》，2014 年頒布《全面能源戰(zhàn)略》，確定了氫能在交通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用。2019 年9 月，能源部宣布啟動(dòng)29 個(gè)H2@Scale項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)低負(fù)擔(dān)且可靠的規(guī)?；爸茪?、運(yùn)氫、儲(chǔ)氫”和氫的應(yīng)用。2017 年，日本發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，主要目標(biāo)是2030 年左右實(shí)現(xiàn)氫能源發(fā)電商業(yè)化。首次提出了“氫能社會(huì)”的概念，涵蓋了制氫、儲(chǔ)氫和氫能利用及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。豐田公司已經(jīng)推出第二代氫能源汽車（FCV PLUS）。日本氫能經(jīng)濟(jì)路線圖是一條自下而上的發(fā)展路徑：第一階段（2015 年～2025 年）是燃料電池的商業(yè)化，擴(kuò)大氫能使用場(chǎng)景；第二階段（2025年～2030 年）是推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)，洽談氫氣的國(guó)際供應(yīng)，降低氫氣價(jià)格，建立完全成熟的氫能發(fā)電和大規(guī)模氫氣供應(yīng)體系；第三階段（2030年～2040 年）是對(duì)氫氣供應(yīng)體系的產(chǎn)業(yè)鏈加速進(jìn)行戰(zhàn)略性研究和規(guī)劃，建立大規(guī)模零CO2排放+碳捕集和封存（CCS）和可再生能源的供氫系統(tǒng)。氫能產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)規(guī)模：2030 年為1 萬(wàn)億日元（約合590 億元人民幣），2050 年為8 萬(wàn)億日元（約合4720 億元人民幣）。2020 年6 月，德國(guó)聯(lián)邦出臺(tái)了具有里程碑意義的《德國(guó)國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，38 項(xiàng)具體措施為德國(guó)的氫能源技術(shù)轉(zhuǎn)型作出了重要的指引。2020年7 月，歐盟正式通過(guò)《歐盟能源系統(tǒng)集成戰(zhàn)略》和《歐盟氫能戰(zhàn)略》，為推動(dòng)氫能發(fā)展制定了中長(zhǎng)期“三步走”和近期20 項(xiàng)具體行動(dòng)計(jì)劃。德國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃是一條由上至下的發(fā)展道路：2006 年起，研究與探索階段；2020 年前，市場(chǎng)準(zhǔn)備和驗(yàn)證可行性階段；2020 年左右，商業(yè)化加速階段，建成一定規(guī)模的加氫站網(wǎng)絡(luò)以支持燃料電池車的大規(guī)模使用。

我國(guó)從2006 年將氫能及燃料電池寫入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020 年）》；在2020 年5 月的政府工作報(bào)告中重點(diǎn)提及了氫燃料電池的投入研發(fā)；2019 年6 月，中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，氫能將成為中國(guó)能源體系重要組成部分，到2050 年氫能在能源體系占比約為10%，年產(chǎn)值超過(guò)10 萬(wàn)億元。加氫站達(dá)到1 萬(wàn)座以上，交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)氫能普及應(yīng)用。2022 年3 月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合研究制定發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021～2035 年）》，明確了氫的能源屬性以及我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位、總體要求、發(fā)展目標(biāo)、具體任務(wù)、保障措施。

內(nèi)蒙古自治區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖包括氫制備、氫儲(chǔ)存、氫運(yùn)輸、氫加注、氫應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈。氫是內(nèi)蒙古的優(yōu)勢(shì)資源，盡管綠氫占比很小。氫應(yīng)用主要是氫燃料電池汽車、燃料電池分布式電站、風(fēng)光氫儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)、燃料電池備用電源、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)、其它工業(yè)應(yīng)用等場(chǎng)景。

氫能利用產(chǎn)業(yè)鏈包括上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)、下游應(yīng)用三個(gè)主要環(huán)節(jié)。氫能實(shí)用化需要解決的技術(shù)問(wèn)題有制氫、儲(chǔ)存和運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)化（應(yīng)用）。

制氫是將存在于天然或合成的化合物中的氫元素，通過(guò)化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)化為氫氣。根據(jù)原料不同，氫氣的制備方法可以分為非再生制氫和可再生制氫，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物質(zhì)。主要有五種技術(shù)路線，每種技術(shù)的成本及環(huán)保屬性都不相同。全球目前的氫氣產(chǎn)量中，近99%的氫氣制造仍然高度依賴天然氣和煤等化石燃料，其中來(lái)自天然氣的氫氣產(chǎn)量占到76%。按照生產(chǎn)來(lái)源：使用可再生能源電解水得到的氫氣，是零排放的，也被稱為“綠氫”；以化石能源為原料，通過(guò)蒸汽甲烷重整（SMR）或自熱重整（ATR）等方法制造的氫氣，被稱為“灰氫”，成本較低，但是碳強(qiáng)度較高；在甲烷蒸汽重整與自熱重整制氫過(guò)程中增加碳捕捉和貯存環(huán)節(jié)（CCS），這樣制出的氫氣被稱為“藍(lán)氫”，可以降低碳排放量，但無(wú)法消除所有碳排。未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)中綠氫比例將會(huì)逐步提高，日本目前的綠氫比例超過(guò)50%。隨著新能源電價(jià)的降低，綠氫的成本也將大幅度下降，按目前光伏發(fā)電價(jià)格0.1 元/KWh，堿性電解水的價(jià)格可以降到10元/千克以下，質(zhì)子膜（PEM）電解水的價(jià)格可以降到20 元/千克，具備了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

氫氣密度僅為0.0899kg/m3，只有空氣的1/14，是世界上密度最小的氣體，因此其高密度儲(chǔ)存是一個(gè)世界級(jí)難題。氫能的存儲(chǔ)和輸運(yùn)有以下方式：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表1 所列。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用并且發(fā)展比較成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，其儲(chǔ)存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣能耗低、充裝和排放速度快。致命的弱點(diǎn)是體積比容量低，DOE 的目標(biāo)體積儲(chǔ)氫容量70 克/升，而鋼瓶目前達(dá)到的體積比容量?jī)H有40 克/升。

表1 儲(chǔ)氫方式及其特點(diǎn)

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫不經(jīng)濟(jì)：液態(tài)氫是將氫氣深冷至-253℃以下液化，密度是氣體氫的845 倍，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度可以達(dá)到5.7%。液態(tài)氫便于替換傳統(tǒng)能源，儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單，體積占比小。但制取液氫的能耗較大（液化相同熱值的氫氣耗電量是壓縮氫氣的11 倍以上，約占成本60%左右），液氫的存儲(chǔ)也需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器，儲(chǔ)存容器需要抗凍、抗壓以及必須嚴(yán)格絕熱。所以這種方法僅適用于不太計(jì)較成本且短時(shí)間內(nèi)需迅速耗氫的航天航空領(lǐng)域。

有機(jī)液體儲(chǔ)氫是通過(guò)不飽和液體有機(jī)物的可逆加氫和脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫。有機(jī)液體具有高的質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度?，F(xiàn)常用材料環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷等在常溫常壓下呈液態(tài)，與汽油類似，可用現(xiàn)有管道設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全方便，并且可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸：催化加氫和脫氫反應(yīng)可逆，儲(chǔ)氫介質(zhì)可循環(huán)使用。不足之處：技術(shù)操作條件苛刻，加氫和脫氫的配置較高，脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低，且容易發(fā)生副反應(yīng)，釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)焦失活。

固態(tài)儲(chǔ)氫方式能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲(chǔ)氫方式的不足，且具有儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等優(yōu)點(diǎn)，特別適合對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合，如在燃料電池汽車上的使用，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式。儲(chǔ)氫合金的存儲(chǔ)體積密度普遍高于液氫，主要是因?yàn)閮?chǔ)氫合金形成氫化物后，氫的相對(duì)密度大于液氫。由于儲(chǔ)氫合金安全、無(wú)污染、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于潛艇、船舶等需要配重及港口等對(duì)重量不敏感的大型器械方面。

可在通常溫度及壓力條件下可逆、快速、大量吸/放氫的固態(tài)儲(chǔ)氫介質(zhì)是稀土系儲(chǔ)氫合金。稀土儲(chǔ)氫合金是由A、B 兩類元素按一定的化學(xué)計(jì)量比組成的金屬間化合物，基本組成包括AB2、AB3、A2B7、A5B19、AB4、AB5 型，A 為氫鍵合能力強(qiáng)的稀土元素（一般以La 元素為主，其它稀土元素用于調(diào)整吸/放氫特性），B 為氫鍵合能力弱的非稀土元素（一般以Ni 元素為主）。其中，AB2、AB5型合金為單一晶格結(jié)構(gòu)，AB3、A2B7、A5B19、AB4型合金是由AB2、AB5 型亞單元構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用的AB5 型LaNi5 基儲(chǔ)氫合金的重量?jī)?chǔ)氫密度一般為1.4%左右，我國(guó)“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“稀土新材料”重點(diǎn)專項(xiàng)提出開(kāi)發(fā)高能量密度稀土儲(chǔ)氫材料，有效儲(chǔ)氫容量超過(guò)1.7 wt%，進(jìn)一步超過(guò)2 wt%。盡管如此，稀土儲(chǔ)氫合金的重量?jī)?chǔ)氫密度仍然低于其它幾種儲(chǔ)氫方式，有必要利用稀土元素獨(dú)特的性能研究開(kāi)發(fā)稀土改性輕金屬氫化物、化學(xué)儲(chǔ)氫材料、高比表面積氫吸附材料等。

氫氣運(yùn)輸方式有氣態(tài)、液態(tài)、有機(jī)液體、管道和固態(tài)。氣態(tài)氫主要使用長(zhǎng)管拖車和低壓管道運(yùn)輸。液態(tài)氫、有機(jī)液體氫運(yùn)輸是利用槽罐車等輸送。固態(tài)氫氣運(yùn)輸是通過(guò)金屬氫化物實(shí)現(xiàn)氫氣輸送。有機(jī)液體和固態(tài)氫氣運(yùn)輸由于技術(shù)、成本等條件制約，尚未進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。

長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸儲(chǔ)存壓力為20MPa，氫氣的重量只占總運(yùn)輸重量的1%～2%。經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑為200千米左右。長(zhǎng)管拖車在制氫廠一般通過(guò)壓縮機(jī)充裝，平均每輛加注時(shí)間約8 小時(shí)。針對(duì)小規(guī)模用戶，可采用15MPa 壓力的氫氣鋼瓶和氫氣集裝格運(yùn)輸。

液氫罐車是氣氫拖車單車運(yùn)量的10 倍多，大大提高了運(yùn)輸效率，適合大批量、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。缺點(diǎn)是液氫儲(chǔ)存、輸送過(guò)程均有一定的蒸發(fā)損耗。國(guó)外已有廣泛應(yīng)用，某些地區(qū)液氫槽車運(yùn)輸超過(guò)了氣氫運(yùn)輸規(guī)模。

2018 年初，由多家日本企業(yè)組成的新一代氫能鏈技術(shù)研究合作組（AHEAD）實(shí)現(xiàn)了全球首次遠(yuǎn)洋氫氣運(yùn)輸，從文萊生產(chǎn)甲基環(huán)己烷、經(jīng)由遠(yuǎn)洋運(yùn)輸至日本、再在日本分離氫氣，年供給規(guī)模達(dá)到210 噸，將用于燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電。德國(guó)HT 公司，基于二芐基甲苯為儲(chǔ)氫載體LOHC技術(shù)。儲(chǔ)氫量達(dá)到6.23wt%，產(chǎn)品可常規(guī)運(yùn)輸，目前LOHC 儲(chǔ)氫示范裝置已在德國(guó)、美國(guó)運(yùn)行。

低壓（工作壓力1MPa～4MPa）管道運(yùn)氫適合大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)氫，比高壓運(yùn)氫能耗更低，但由于氫脆現(xiàn)象，管道材料有特殊要求，因此管道建設(shè)的初始投資較大。我國(guó)的輸氫管道僅有100 公里，目前在天然氣管網(wǎng)中摻混氫氣（≤20%），運(yùn)輸結(jié)束后提純氫氣。根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》所制定的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線，到2030 年，我國(guó)燃料電池汽車將達(dá)200 萬(wàn)輛，同時(shí)將建成3000 公里以上的氫氣長(zhǎng)輸管道。成本最低的管道運(yùn)輸是未來(lái)發(fā)展方向。在0～1000 千米范圍中，管道運(yùn)輸?shù)某杀咀畹汀＿\(yùn)輸距離在250 千米內(nèi)時(shí)，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本低于液氫槽車，超過(guò)250千米則后者更具成本優(yōu)勢(shì)?！吨袊?guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》提出了未來(lái)氫能運(yùn)輸環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑：在氫能市場(chǎng)滲入前期，氫的運(yùn)輸將以長(zhǎng)管拖車、低溫液氫、管道運(yùn)輸方式因地制宜、協(xié)同發(fā)展。中期（2030 年）氫的運(yùn)輸將以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運(yùn)相結(jié)合，針對(duì)不同細(xì)分市場(chǎng)和區(qū)域同步發(fā)展。遠(yuǎn)期（2050 年）氫氣管網(wǎng)將密布城市、鄉(xiāng)村，成為主要運(yùn)輸方式。

氫氣運(yùn)輸過(guò)程中的安全問(wèn)題：氫氣無(wú)毒；擴(kuò)散迅速；遇雷電、靜電、明火或溫度達(dá)到700 ℃就可以燃爆。但除非密閉空間，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。氫氣運(yùn)輸?shù)男屎徒?jīng)濟(jì)性需要綜合考慮能量效率、運(yùn)輸量、運(yùn)輸里程和氫的損耗。全球氫氣輸運(yùn)的趨勢(shì)是通過(guò)增加單次運(yùn)輸?shù)臍錃饬縼?lái)提高運(yùn)營(yíng)效率。美國(guó)Hexagon Lincoln 已開(kāi)發(fā)25MPa 的IV 型容器，并實(shí)現(xiàn)管束車商業(yè)化裝配，儲(chǔ)氫量可提升至885 公斤。林德公司開(kāi)發(fā)了一種50MPa 復(fù)合材料壓力容器（垂直加載），單次最多能運(yùn)輸1.1 噸氫氣。

在用氫方面，國(guó)際氫能委員會(huì)的預(yù)測(cè)，2050 年全球氫能源消費(fèi)占比達(dá)到18%，市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)2.5萬(wàn)億元。氫能是唯一可同時(shí)用于交通、儲(chǔ)能、發(fā)電等領(lǐng)域的新能源。

中國(guó)目前年產(chǎn)氫氣2000 萬(wàn)噸，其中50%用于石油和煤化工領(lǐng)域，45%用于合成氨，即主要集中在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021～2035 年）》的發(fā)展目標(biāo)是：初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系；燃料電池車保有量約5 萬(wàn)輛，部署建設(shè)一批加氫站，實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫量10～20 萬(wàn)噸/年，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100～200 萬(wàn)噸/年。

氫能可實(shí)現(xiàn)可再生能源補(bǔ)充發(fā)電。近幾年，以德國(guó)為首的西歐國(guó)家正嘗試電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas,P2G）模式：第一步是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源產(chǎn)生的電能電解水制取氫氣；第二步是氫氣與二氧化碳反應(yīng)制備甲烷，再通過(guò)天然氣管道與天然氣混合儲(chǔ)存運(yùn)輸，或者直接將制得的氫氣與天然氣按一定比例混合后，再通過(guò)天然氣管道進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸。截至2016 年1 月，歐洲地區(qū)已經(jīng)建成了50 個(gè)P2G 示范項(xiàng)目。到2050 年，高比例風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)將使儲(chǔ)能需求顯著增長(zhǎng)，將可再生能源制氫與儲(chǔ)氫相結(jié)合，可以為能源系統(tǒng)提供長(zhǎng)期的季節(jié)靈活性。

以氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)可提高能源利用效率。以太陽(yáng)能/風(fēng)能制氫，應(yīng)用稀土儲(chǔ)氫材料等固態(tài)儲(chǔ)氫介質(zhì)，依托氫燃料電池技術(shù)，建立分布式能源網(wǎng)絡(luò)，做到區(qū)域或城市電力、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng)。稀土儲(chǔ)氫材料的體積能量密度高，燃料電池自身的能源轉(zhuǎn)化效率高，且分布式能源系統(tǒng)的能源輸送距離短，以氫燃料電池為核心的能源網(wǎng)絡(luò)的能源利用率明顯高于傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)。

日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（ENE-FARM）與將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的其他單階段過(guò)程（例如燃?xì)廨啓C(jī)）相比，燃料電池的電效率更高（32%至70%）。目前豐田Mirai、現(xiàn)代iX35 以及本田Clarity燃料電池汽車已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

2016 年，我國(guó)氫陽(yáng)能源推出全球第一輛采用液態(tài)有機(jī)供氫技術(shù)的燃料電池大巴（泰歌號(hào)）工程樣車，并隨后陸續(xù)與江淮汽車、揚(yáng)子江汽車推出星銳號(hào)、氫揚(yáng)號(hào)客車。2018 年還與湖北三環(huán)集團(tuán)合作研制成功基于同樣技術(shù)的燃料電池物流車“新氫卡”。2021 年3 月1 日，內(nèi)蒙古首臺(tái)氫燃料電池商用車在包頭市下線。100 千瓦級(jí)氫燃料電池環(huán)衛(wèi)重卡，由北奔重汽和上海交大共同研制開(kāi)發(fā)。配置4×210L的儲(chǔ)氫氣瓶，40Ah 的鎳氫動(dòng)力電池，一次加注氫燃料可續(xù)航350km 以上。

未來(lái)氫在我國(guó)終端能源體系占比至少要達(dá)到10%，成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。氫能將納入我國(guó)終端能源體系，與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為我國(guó)終端能源體系的消費(fèi)主體。基礎(chǔ)建設(shè)是發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)的突破口，以加氫站為例，其前期投資巨大，單個(gè)產(chǎn)業(yè)和個(gè)體企業(yè)無(wú)法獨(dú)立承擔(dān)。充分利用我國(guó)豐富的稀土、釩鈦資源開(kāi)發(fā)不同平臺(tái)壓力的儲(chǔ)氫合金材料，研制不同輸出壓力的金屬氫化物-氫壓縮機(jī)（MHHC），有望降低加氫站的建設(shè)成本。

三、清潔能源社會(huì)展望

充分利用各種電能和氫能，由多種能源支撐社會(huì)發(fā)展。最理想狀態(tài)是太陽(yáng)能發(fā)電占比達(dá)57%，海陸風(fēng)力發(fā)電達(dá)到37%左右，余下約6%則來(lái)自水力發(fā)電、波浪能、地?zé)崮芎统毕堋?/p>

利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力發(fā)電和地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗?050 年139 個(gè)國(guó)家的用電需求可以100%得到滿足。每年因空氣污染而死亡的人數(shù)減少400 萬(wàn)至700 萬(wàn)，節(jié)省超過(guò)20 萬(wàn)億美元的醫(yī)療和氣候費(fèi)用。

日本松下展示的氫能社會(huì)模型，希望普及和推進(jìn)不產(chǎn)生任何二氧化碳、只依靠氫能就可發(fā)電的純氫能燃料電池，研究開(kāi)發(fā)出既便宜又環(huán)保的氫能制造技術(shù)，構(gòu)筑便捷、安心的氫能社會(huì)。