氫能經(jīng)濟(jì)的反思

一、引言

    在過(guò)去的近兩個(gè)世紀(jì)中，人類(lèi)社會(huì)的能源消費(fèi)均建立在化石燃料的基礎(chǔ)之上。為了避免在未來(lái)出現(xiàn)因?yàn)槔^續(xù)大規(guī)模使用化石燃料而導(dǎo)致人類(lèi)福利下降的結(jié)果，我們應(yīng)該尋找一種新的、清潔的、可持續(xù)的以及本地化的能源系統(tǒng)。在這種背景下，以氫作為中間媒介的能源系統(tǒng)——?dú)淠芟到y(tǒng)引起了人們的廣泛關(guān)注，同時(shí)，整個(gè)社會(huì)的能源需求均由氫提供的“氫能經(jīng)濟(jì)”的提法也逐漸為人們所熟悉。不少人堅(jiān)信，在不久的將來(lái)，受燃料電池和CO2減排兩大驅(qū)動(dòng)力的推動(dòng)，氫能系統(tǒng)將被大規(guī)模推廣，氫能經(jīng)濟(jì)即將實(shí)現(xiàn)。然而，通過(guò)理性的分析，本文認(rèn)為，氫能系統(tǒng)的推廣還存在很多障礙，氫能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)也不能一蹴而就，我們并不能盲目樂(lè)觀。下面從氫的生產(chǎn)和利用兩個(gè)方面來(lái)展開(kāi)論述。

二、氫從何而來(lái)？

    氫的確是一種理想的燃料，在純氧中燃燒或通過(guò)燃料電池發(fā)電只生成水，而不排放其它污染物。但是，地球上自然條件下不存在游離態(tài)的氫，氫并非一次能源，其本質(zhì)是一種傳遞和分配能量的工具，通常需要一種一次能源分解含氫原料、產(chǎn)生游離態(tài)的氫。所以，氫能系統(tǒng)要滿(mǎn)足“清潔的”和 “可持續(xù)的”要求，生產(chǎn)氫所用的一次能源本身就必須是“清潔的”和“可持續(xù)的”，否則，與現(xiàn)有的能源系統(tǒng)相比，氫能系統(tǒng)將喪失其最大的優(yōu)勢(shì)。“清潔的”和“可持續(xù)的”一次能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等，不包括化石燃料，所以，“清潔的”和“可持續(xù)的”氫能系統(tǒng)中氫的生產(chǎn)方式可以是：太陽(yáng)能、風(fēng)能和水能發(fā)電電解水，生物質(zhì)氣化分解（全生命周期內(nèi)的碳循環(huán)是閉合的），光化學(xué)、熱化學(xué)或生物化學(xué)方法分解水等。化石燃料分解和化石燃料發(fā)電電解水（實(shí)質(zhì)是將污染排放從制氫環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到了電能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)）的方案則不在此列。

但是上述人選制氫方案的推廣還需要解決一系列問(wèn)題：

1）電解水技術(shù)的效率和成本不夠理想。如果利用當(dāng)前的電解技術(shù)，只有在發(fā)電成本為零的情況下才可能使氫氣達(dá)到能夠與天然氣競(jìng)爭(zhēng)的水平。

2）太陽(yáng)能發(fā)電電解水方案被采用最主要的障礙是光伏發(fā)電的成本太高(0.10美元/KWh)。美國(guó)能源部光伏發(fā)電計(jì)劃的長(zhǎng)期目標(biāo)是0．065美元／kwh，即使這個(gè)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，氫氣的生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)將降到22美元／GJ，仍然超過(guò)天然氣當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格的4倍。此外，太陽(yáng)能發(fā)電還要受到地域的限制。不論是在本地電解水制氫、然后輸氫到終端用戶(hù)，還是輸電至終端用戶(hù)、再電解水制氫，都涉及到能量（氫或電）長(zhǎng)距離輸送的成本和損失問(wèn)題。

3）風(fēng)力發(fā)電比光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)，其成本為0．07－0．09美元/KWh；但風(fēng)能發(fā)電受地域的限制比太陽(yáng)能發(fā)電更加明顯。

4）水能發(fā)電的成本可以降到很低（從每千瓦時(shí)幾美分到 0．025美元/KWh不等。但水能發(fā)電同樣受到地域的限制；而且，水電本身就是一種成本很低的可再生能源，將其用于氫生產(chǎn)是否劃算涉及到未來(lái)能源系統(tǒng)中能量載體的選擇問(wèn)題，后文將詳細(xì)討論。

5）至于生物質(zhì)氣化分解和光化學(xué)、熱化學(xué)或生物化學(xué)方法分解水的方案，目前其相關(guān)技術(shù)尚未成熟，能否推廣、怎樣推廣仍然是一個(gè)未知數(shù)。

三、氫如何利用？

    從使用設(shè)備來(lái)分，氫的終端利用方式可分為兩種：固定式和移動(dòng)式，前者如分布式能源發(fā)電技術(shù)，后者如燃料電池汽車(chē)。 從轉(zhuǎn)化技術(shù)來(lái)分，氫的終端利用方式可分為兩種：直接燃燒和燃料電池發(fā)電。其中，氫氣在空氣中直接燃燒生成水和氮氧化合物（空氣中含有78％的氮?dú)猓挥性诩冄踔腥紵胖簧伤欢鴼錃廨斎肴剂想姵匕l(fā)電的產(chǎn)物只有水，達(dá)到了“零排放”（僅對(duì)終端利用環(huán)節(jié)而言），此外，燃料電池還具有不受卡諾循環(huán)限制、能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，所以，燃料電池技術(shù)成為了世界各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，同時(shí)，它也是氫能經(jīng)濟(jì)的直接推動(dòng)力之一。

然而，要實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)，氫的終端利用也存在若干問(wèn)題：

l）燃料電池技術(shù)：目前，質(zhì)子交換膜燃料電池是最具發(fā)展前景的燃料電池。它具有可室溫快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、易排水、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作可移動(dòng)動(dòng)力源，也可以建成分布式電站和家庭動(dòng)力源。但是，要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化，必須大幅度降低其成本，例如，德國(guó)的戴姆勒一克萊斯勒公司擬于2004年投放市場(chǎng)的 Mercedes—Benz A級(jí)燃料電池汽車(chē)的售價(jià)仍高達(dá) 18100美元/輛。質(zhì)子交換膜燃料電池成本的降低，一方面要依靠技術(shù)的進(jìn)步，尤其是膜的技術(shù)和膜所用鉑材料的替代與回收技術(shù)；一方面還要依靠生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，如大公司或生產(chǎn)商之間的聯(lián)合。而這一切都需要時(shí)間。

2）氫基礎(chǔ)設(shè)施：離開(kāi)了包括氫的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加注等環(huán)節(jié)在內(nèi)的氫基礎(chǔ)設(shè)施，燃料電池技術(shù)的推廣和氫能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)都只能是空中樓閣。如何解決氫的獨(dú)特物理性質(zhì)給氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)的一系列技術(shù)問(wèn)題，如何根據(jù)燃料電池技術(shù)的發(fā)展階段來(lái)確定適當(dāng)?shù)臍浠A(chǔ)設(shè)施規(guī)模，以至最終以氫基礎(chǔ)設(shè)施代替現(xiàn)有的整個(gè)能源輸配系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)，這些都需要資金和人力的巨大投入。

3）氫安全性：氫的獨(dú)特物理性質(zhì)決定了其不同于其它燃料的安全性問(wèn)題，如更寬的著火范圍、更低的著火能、更容易泄漏、更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒏菀妆ǖ取Ｒ_地評(píng)價(jià)并解決這些問(wèn)題，要讓大眾從心理上接受這種新的燃料，還需要進(jìn)行大量的工作，并制定出相關(guān)的全套規(guī)范。

4）未來(lái)能源系統(tǒng)中能量載體的選擇：“氫能經(jīng)濟(jì)”的概念最早于上個(gè)世紀(jì)七十年代被提出意在以大規(guī)模的氫氣管網(wǎng)代替現(xiàn)有的電力輸送管網(wǎng)，進(jìn)而以氫氣代替電成為未來(lái)能源系統(tǒng)中能量輸送的理想載體。普林斯頓大學(xué)的Ogden等人曾提出，通過(guò)氫氣管網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)距離能量輸送的成本比通過(guò)輸電線的成本要低得多。除去氫氣管網(wǎng)和輸電線具體的技術(shù)選擇有可能影響比較的結(jié)果不說(shuō)，文認(rèn)為，上述觀點(diǎn)也是比較片面的，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到氫氣終端利用的附加成本。輸電線把電能輸送到終端后可以直接使用，而氫氣管網(wǎng)把氫輸送到終端后并不能直接使用——如果氫氣以燃料電池發(fā)電的方式利用，必然要考慮到燃料電池本身的成本；如果氫氣以直接燃燒的方式利用，要使其和電能一樣清潔，必然要考慮到空氣分離設(shè)備（得到純氧）或催化轉(zhuǎn)化器（除去在空氣中燃燒得到的氮化物）的成本。綜合考慮燃料電池、空氣分離設(shè)備或催化轉(zhuǎn)化器的附加成本后，氫氣的總使用成本不一定比電的總使用成本低，那么，氫氣不一定比電更適合作未來(lái)能源系統(tǒng)中能量輸送的載體。本文認(rèn)為，更現(xiàn)實(shí)的“氫能經(jīng)濟(jì)”應(yīng)該是指將氫氣在技術(shù)上作為“電池”使用，為獨(dú)立的間歇能源（太陽(yáng)能或風(fēng)能）提供平穩(wěn)的連續(xù)性，或者在電網(wǎng)設(shè)施中延長(zhǎng)能量供應(yīng)周期；至于未來(lái)能源系統(tǒng)中能量載體的正確選擇，還有待于各方面技術(shù)的發(fā)展和評(píng)價(jià)指標(biāo)的完善。

四、總結(jié)和展望

    以上從氫的生產(chǎn)和利用兩個(gè)方面分析了推廣氫能系統(tǒng)的困難，這些都是實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的障礙，而且不可能在短期內(nèi)完全解決。所以，對(duì)于那些對(duì)氫能經(jīng)濟(jì)過(guò)分樂(lè)觀的言論，我們應(yīng)該有清醒的認(rèn)識(shí)。 但是，這些困難的存在是不是意味著氫能經(jīng)濟(jì)的前景一片暗淡呢？答案當(dāng)然是否定的。本文認(rèn)為，一種技術(shù)的選擇和推廣是環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、政府行為、社會(huì)心理等多種因素綜合作用的結(jié)果。例如，雖然目前氫氣的生產(chǎn)成本居高不下，但我們可以把獲得局部的環(huán)境效益作為推廣氫能系統(tǒng)的動(dòng)力之一。具體說(shuō)來(lái)，在我國(guó)污染比較嚴(yán)重的大城市，近期可以采用化石燃料發(fā)電電解水制氫的方法來(lái)推廣燃料電池公共汽車(chē)——該方案的環(huán)境性好于燃用化石燃料的傳統(tǒng)汽車(chē)，經(jīng)濟(jì)性好于可再生能源電解水制氫，技術(shù)上公共汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)特性比較適于集中統(tǒng)一建造加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，一言以蔽之，環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)成熟度在特定的時(shí)間和空間下找到了最佳的平衡點(diǎn)。當(dāng)然，政府的決策和支持也是該方案順利實(shí)現(xiàn)的必要條件之一。

    同時(shí)，從另一個(gè)角度來(lái)看，本文所總結(jié)的實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的一系列障礙，恰好指明了氫能技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。 由上可見(jiàn)，氫能系統(tǒng)在近期并不是無(wú)法推廣，只是針對(duì)不同時(shí)間和空間下的環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、政府行為、社會(huì)心理等條件，應(yīng)該客觀地采取不同的氫能系統(tǒng)發(fā)展策略。長(zhǎng)期來(lái)看，氫仍然是未來(lái)能源系統(tǒng)中能量載體的最優(yōu)選擇之一。本文深信，經(jīng)過(guò)人類(lèi)不懈的努力，實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的各種條件一定會(huì)逐步成熟，理想中的氫能時(shí)代一定會(huì)到來(lái)。