氫能來了！你還在“談氫色變”嗎……_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2021-10-15 17:05
****作為元素週期表中的首位，氫憑藉着其來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的強大技能點，被譽為21世紀的“最理想能源”和“終極能源”。
曾經鷹擊長空、魚翔淺底、萬木爭榮、百花競秀的地球正遭受着“冰川融化”“極端災害”“土地沙漠化”“生物多樣性減少”的折磨，如今的地球早已滿目瘡痍。而導致環境發生這些變化的始作俑者之一，正是我們所熟知的二氧化碳。
如何緩解日漸惡化的地球環境？尋找新的清潔能源迫在眉睫。作為元素週期表中的首位，氫憑藉着其來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的強大技能點，被譽為21世紀的“最理想能源”和“終極能源”。氫的燃燒熱值極高，每千克氫燃燒後的熱量為142千焦耳，約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的45倍。此外，氫燃燒後的產物僅有水，是世界上最乾淨的能源。
氫能從哪裏來？
當前，我國氫氣產量達到2500萬噸/年，是全球氫氣產量最大的國家。氫是一種二次能源，無法直接從自然界中獲取，需要通過其他方式製備得到。
目前，氫能源的製備方法多樣。按照制氫所用原料及制氫方式，氫氣主要有3種來源：化石能源制氫、工業副產製氫及電解水制氫。其中，化石能源制氫和工業副產製氫這兩種方式作為制氫界的“元老”層見疊出，而電解水制氫方式作為制氫界的“新貴”正逐漸嶄露頭角。
具體地，化石能源制氫主要包括3種方式：煤制氫、天然氣重整制氫和石油制氫；工業副產製氫則主要指焦爐煤氣、氯鹼尾氣等。
如表1所示，在我國所有制氫方式中，煤制氫“位高權重”，在總的氫能生產結構中佔據62%；天然氣重整制氫則位居第二，佔據19%；而石油制氫和工業副產製氫佔18%，屈尊第三；電解水制氫則“壯志難酬”，在氫能生產結構中“氫卑言微”僅佔據1%。放眼全球，該比例也僅為4%。但由於化石燃料制氫、工業副產氫以及傳統電解水制氫（以當前發電裝機結構仍以煤電為主）都存在着大量的二氧化碳排放，可再生能源發電支持的電解水制氫（即“綠氫”）是未來氫能發展的重點。
氫能安全嗎？
隨着氫能逐漸走進大眾視野，讓人更為關心的問題是：氫能到底安不安全？在我國氫能產業發展的過程中，依然存在着“談氫色變”的認識誤區。張家口“11·28”重大爆燃事故曾一度將氫能推向輿論的風口浪尖。隨後的調查顯示，氫能與該事故並無關聯。但由此也引發了各方對氫能安全問題的高度關注。
氫氣本身無色無味，又兼具易燃易爆的特性，我們確實無法通過嗅覺或者肉眼發現空氣中的氫氣。由於國內對氫缺乏足夠的瞭解，氫氣曾經一度被視為“移動炸彈”。
事實果真如此嗎？凡是燃料都具有能量，都有潛在着火和爆炸的危險，我們很熟悉的天然氣、汽油亦是如此。相反，由於氫的特殊性質，和其他燃料相比，氫氣是一種安全性較高的氣體。第一，氫能燃燒起來以後的氣味沒有毒性。我們經常看到出現火災爆炸時最致命的不是火本身，而是有毒氣體的產生，氫氣並不存在這個問題。第二，氫氣的密度僅為空氣的7%，與汽油、丙烷和甲烷等相比，在空氣中有着更大的浮力，氫能汽車着火後氫氣會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。第三，氫氣的擴散性和快速揮發性明顯高於其他易燃氣體，氫的擴散速度是汽油的12倍，一旦着火它能很快擴散開，不會引起其他更加嚴重的後果。
但氫氣也有對安全不利的特點。一方面，氫氣點火能量很小，使氫不論在空氣中或者氧氣中，都很容易點燃。從表2中可知，在空氣中氫氣的最小點火能量僅為0.019MJ（兆焦耳），不到汽油的8%、天然氣的7%。如果用靜電計測量化纖上衣摩擦而產生的放電能量，該能量可以比氫的最小着火能量還大好幾倍，這足以説明氫的易燃性。另一方面，它的爆炸濃度範圍很寬，因此不能因為氫氣的擴散能力很大而對氫氣的爆炸危險放鬆警惕。但即使氫氣起爆能量低、爆炸範圍寬，也並不意味着氫氣比其他氣體更危險。由於空氣中可燃性氣體的積累必定從低濃度開始，因此就安全性來講，爆炸下限濃度比爆炸上限濃度更重要。汽油和天然氣的爆炸下限濃度就比氫氣低，所以比氫氣更危險。
如果還不能完全信服，看完下面的例子你一定會有相對清晰的判斷。美國邁阿密大學的Swain博士曾經做過儲氫瓶泄漏點火試驗，選擇一台普通汽油車以及一台氫燃料電池汽車，進行泄漏點火試驗。點火3秒後，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部着火；到1分鐘時，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，氫燃料汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發的性質，使得氫氣燃料電池車與普通汽油車相比，不像汽油會在地面淤積危險性可持續達數個小時，氫氣只需幾秒鐘就能消散不見，更有利於汽車的安全。而且氫氣重量輕，溢出系統的氫氣着火後會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。
實際上，歐美日韓等發達國家和地區早已將氫能作為能源進行管理，而不是作為危化品管理。而目前在我國，氫氣被列入《危險化學品目錄（2015版）》，按危化品進行監管。2020年4月，國家能源局發佈的《中華人民共和國能源法（徵求意見稿）》擬將氫能列入能源範疇，這標誌着將氫能有望從危化品中“摘帽”。
如何提高氫能的安全防線？
氫能的發展必須優先解決安全問題，安全是發展之本。在氫能的歷史發展過程中，不可避免地會出現大大小小的安全事件。曾有相關研究機構對氫能的相關事故原因進行了統計分析，在眾多事故原因當中，排在前三位的是設備本身質量問題、氫能系統設計缺陷和人為原因，比例分別為40%、10%和9%，加起來佔到了事故原因總比例的59%，而且主要原因還是與氫系統有直接關係的設備問題。但只要按照標準規範和法規生產、存儲及使用氫能，氫能安全就可以得到保障。
近年來，中國積極開展氫能安全性研究和相關標準制定工作，陸續開展了材料高壓氫相容性、高壓氫氣泄漏擴散、氫氣瓶耐火性能、氫氣快充温升、快速充放氫疲勞、量化風險評估、失效預測預防、高壓氫噴射火、氫爆燃爆轟、氫泄爆、氫阻火等研究，並出台了《加氫站技術規範》《加氫站安全技術規範》《氫氣站設計規範》等一系列規範以及《水電解制氫系統技術要求》等國家標準。
但總體而言，國內氫安全研究剛剛起步，投入較少，安全檢測能力和保障技術滯後於氫能產業發展的需要，缺乏具有第三方公正地位的實驗室，與國際先進水平相比有不小的差距。主要體現在：一是我國氫能安全技術研究基礎薄弱，氫能安全技術研究主要集中在氫燃料電池安全、氫行為、涉氫設備的材料相容性等基礎領域，研究力量分散、深度不足，涉氫設備、材料和部件的安全可靠性測試方法和檢測認證手段缺乏。二是我國已建立的車用氫能安全法規標準缺少科學性和完整性。目前我國燃料電池汽車相關的標準以借鑑、參考、翻譯國外標準為主，缺乏足夠的試驗數據和必要的安全技術研究支撐。三是我國不具備國外普遍使用的燃料電池汽車供氫系統裝備的產業化能力，與之相關的安全技術研究處於空白狀態。
要想提高用氫安全性，必須“三管齊下”：
1）要建立准入門檻，制定相關政策標準。雖然工業制氫已有很長時間，工業生產、儲藏和利用氫氣有了一套完整、行之有效的規章制度，但我們在用氫過程中仍需根據實際情況，建立准入門檻，制定相關政策標準。
2）要加快研發新的技術提升用氫安全性。例如氫不但分子小易滲漏，還具有氫脆特性，因此要研發抗氫脆的材料，製備輸氫管道和研發抗氫脆的塗料，改造天然氣管網，用於摻氫運輸。
3）建立完善的氫能利用風險量化評估體系。系統開展氫泄漏、擴散、燃燒、爆炸等相關試驗研究，為氫能利用風險評價所需模型的建立與驗證提供重組的基礎數據，同時建立有效的事故緩解方法和應急安全響應機制。
總而言之，氫能安全未來將以對氫事故原因、機理、後果，以及事故預測、預警和控制方法的研究為基礎，制定合理的安全技術規範標準，以本質安全為理念設計氫能產業裝備/設施，建立完善的氫能利用風險量化評估體系，防止和減少氫能安全事故，促進氫能產業健康安全發展。正如題目所言，“氫能來了”，隨着它逐漸和人們熟絡起來，人們一定會消除曾經的誤解，張開懷抱，並且隨着用氫安全政策的逐漸完善，我們無需再“談氫色變”！
◎ 撰文|許傳博（華北電力大學經濟與管理學院講師）、呂曉燕（華北電力大學經濟與管理學院碩士研究生）
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