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世界氢能研发及其政策
发布时间:2016/6/25 10:19:00
                                                                              (来源:全球新能源网)
         氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。 
       早在1970年,美国通用汽车公司的技术研究中心就提出了氢经济(Hydrogen Economics)的概念。1976年美国斯坦福研究院就开展了氢经济的可行性研究。20世纪90年代中期以来多种因素的汇合增加了氢能经济的吸引力。这些因素包括:持久的城市空气污染、对较低或零废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO2排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,是人类的战略能源发展方向。世界各国如冰岛、中国、德国、日本和美国等不同的国家之间在氢能交通工具的商业化的方面已经出现了激烈的竞争。虽然其它利用形式是可能的(例如取暖、烹饪、发电、航行器、机车),但氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用已经成为焦点。由于氢能利用过程中CO2的零排放这一优势,其能源供给及转换技术已被认真加以评估。氢能能够通过从化石燃料或生物物质(包括城市废物等)中获取氢原子而得到,或者通过用化石发电,无碳能源电解水得到。后种方式通常花费更为昂贵并且产品利用率仅能达到4%。虽然如此,这种基于混合资源的电解氢会增加CO2的排放,因为此种方法通常增加了低效、碳基能源产品的产量。在近几年内,除了在斯堪的纳维亚(半岛)、巴西和加拿大这些地区有价格低廉而又丰富的水力电能,从天然气、甲醇、重油或MSW中获取氢的成本是最低的。早期在岛屿应用的有冰岛、夏威夷岛、瓦努阿图、大西洋群岛,氢能的应用具有特别的吸引力,然而即使包括CO2的回收和封存的成本,在大型市场当中从化石燃料中提取氢产品的成本仍然比电解氢的成本低。    

       随着国际气候变化和对石油进口依赖程度的不断加深,导致人们对氢能市场生存能力发展的普遍兴趣。虽然日本是世界上第一个以审慎的态度为世界能源网络工程投入2亿美元开展氢能研究的国家(研究计划年限为1993~2002年),在其之后,又兴起了大量寻求构建氢经济的国家。从历史的角度上说,能源观念的转变需要花费几十年才能实现,一定范围内政府、跨国公司和个人企业对氢能产业的推动将是加速能源转换的必要因素。已有的一些有关氢能研发顺序的问题也会影响氢能经济的发展方向。举例来说,氢生产集中与分散,研究、发展和氢能汽车的营销,燃料电池技术的发展与内燃机,基础设施的改进包括燃料运输和建立燃料供应站等等,氢能商业化和市场渗透往往依赖于这些因素相互间错综复杂的影响,也影响它的成本、效率、能量存储密度和交通工具的成本、性能和安全性,而且在一个地区氢能和燃料电池发展突破将不可避免地影响其他地区全球性的经济发展计划。    

私营机构的研发与商业化努力   

       一、机动车辆公司    

       几乎所有主要的汽车公司和在美国、欧洲和日本的几家小型公司都积极立项开发氢能汽车。私营公司在氢能研发上的投入总额使得政府投入相形见绌。大多数汽车公司的氢能汽车原型需要使用燃料电池(著名的宝马车除外),很难判断哪一家汽车制造商将在这场商业和承受能力竞争中赢得胜利。20世纪60年代宝马车率先研发氢能汽车模型,开此行业先河。它现在的汽车采用液氢供能且最高限速为240英里,希望到2010年提供使用。本田汽车和丰田汽车于2002年12月在加利福尼亚首次投放几辆氢能动力燃料电池汽车,并希望与宝马汽车和Nissan汽车共同进入美国的汽车零售市场,成为汽车行业的新军,这些燃料电池汽车最高限速235英里,这些汽车制造商计划于2004年在美国的加利福尼亚出售80辆不同类型的氢能汽车。其他汽车公司在2004年也相继做了些安排。一种以氢燃料电池为动力的混合发动机敞蓬小型载货卡车由Anuvu汽车公司在2003年下半年开始供应销售,此车定价在10万美元以下,在城市中这种卡车在高速路上的行驶速度范围一般在60~250英里之间。    

      GM公司计划大量生产一种被称为"自控"的、时速可达200英里的燃料电池汽车。由于这种车零部件较少,预期生产成本较低,起初GM的销售目标为100万辆,到2010年前承担全世界的"自控"车销售,尽管这个数额可能到2015~2025年实现更加现实一些。GM公司正在与Dow Chemical公司合作在位于得克萨斯州的Dow\''''s Freeport化工厂进行实验论证,力求降低燃料电池技术成本。第三家美国主要的汽车制造商福特公司计划于2004年下半年在萨克拉曼、底特律、奥兰多试制30种混合燃料电池汽车,BP公司和Ballard公司也对此项计划予以支持。 在这些市场计划中还隐含着对氢燃料传输基础设施、小型蒸汽及甲烷重整器、地区燃料站电解剂的需求及其成本的预想。但在当前,氢能汽车的费用远远超出了人们的承受能力,超出了降低空气污染、温室气体、以及提高能源安全性成本效益选择。    

       二、能源公司    

       BP和Royal Dutch Shell两家跨国石油公司立足于氢能研发和改革技术:Shell公司和BP公司分别于1998和1999年设立了性质不同的商业单位以从事氢能的研发。同时由两家主要的石油公司承担了可再生能源发展和减少温室气体排放研发重任。ChevronTexaco(通过本公司与ECD Ovonics建立联系)和Exxon Mobil公司也设立了氢能研究计划,只是Exxon Mobil公司在减少温室气体排放的相关研究上承担较少。

       BP和Shell公司的研究内容广泛地涉猎了世界范围的氢能研究计划,到2006年Shell公司已投资10亿美元从事氢能研发和商业化活动,Shell公司确信到那时氢能汽车市场将开始启动。另一个具有氢能实践经验的能源公司的工作是发展氢燃料供应站和氢能高速公路。迄今为止有不到80个氢燃料加油站,大都位于北美、日本和北欧(预计到2010年德国有2000多个)。除主要的石油公司外,Stuart 能源系统公司、Linde AG和空气产品与化学品公司已将其营业范围扩大到氢能零售。欧洲几个著名氢能经济发展国正在努力开展研发工作,特别是冰岛和欧洲联盟分别在1999年和2002年的前景规划中确立了本国将成为世界氢能经济强国的地位。    

       三、燃料电池公司    

       虽然燃料电池(燃料电池制造技术情况)价格非常昂贵且氢能使用并非电动汽车所必需,但其实践应用仍得到人们审慎郑重的思考。这是因为氢能电池在将氢和氧转换为低压、直流电时可达55%~60%高效能(天然气、汽油、甲醇重整仅达40%),是内燃机效率的三倍。实验室实验表明燃料电池可发挥85%的潜在效率,甚至更高。在将其与一台具有80%效能的电动机联合使用时,可产生高于直接使用氢能内燃机2~3倍的效能。起码有一半的优势燃料电池技术可以利用,研究者们正在从事质子交换膜(PEM)的研究,质子交换膜技术是在电解时用碳氟化合物与一个Nafion类型的聚合体膜进行离子交换,质子交换膜电池具有起动速度快、高能量密度和耐久性强的优势。质子交换膜电池的工作温度在50℃~80℃间,能够按照汽车运行电量的需求变化调整电量的输出。还有一些研究者们热衷于其它一些氢能相关技术的研究,如应用于航天飞机的碱性燃料电池,尽管碱性燃料电池在电动汽车上应用较少。    

       世界上已有100多家燃料电池生产商,除此之外,还有许多的汽车和石油公司积极参与该领域的研发、生产工作。Ballard是一家大型且正处于蓬勃发展时期的加拿大公司,与DaimlerChrysler和Ford公司共担10年风险,计划投入10亿美元资金,到2010~2012年打造生产商业实用型氢能汽车,目前尚未有利润回报,因而其计划和商业前景与其产品的主要用户紧密相连。    

   各国政府的氢能研发及相关政策    

       一、美国和加拿大    

       北美对氢能研发产生兴趣始于1973年的石油危机,当时成立了国际氢能协会,并在美国迈阿密海滩召开了有关该主题的第一界国际会议,美国能源研究开发署(ERDA)对氢能研究计划加以扶持,作为对美国政府能源自给不成功计划部分的一种弥补。但投入资金在20世纪70年代每年从未超过2.4亿美元,少于西欧同类计划的资金投入。美国政府资金投入持续下降至20世纪80年代,直到20世纪90年代,伴随着对全球气候变化和减少石油进口依赖关注程度的提高才得以回升。    

       美国国家研究委员会发布了一篇中期报告,以对该计划中的氢能技术成本研究和美国能源部的相关研究及发展策略等加以评估。未来氢能产品应用选择与策略委员会向美国能源部提出了4项中期建议:(1)在氢能计划中建立一个独立的系统工程和分析小组负责对各种不同技术路线的影响进行评价和论证;(2)应给予基础性和探索性研究增加财政预算;(3)在产品安全性问题方面做出积极的努力;(4)应继续利用私营企业在氢能研究方面的经验和能力优势,更好地发挥美国能源部科学办公室在氢能计划中的作用。    

       加拿大也已成为发展氢能和燃料电池技术的最活跃的国家之一,并在这一领域众多主导行业中占有独特地位,加拿大工业部是两个政府领导机构之一,它与加拿大自然资源部联合设立了一个技术合作企业计划,以加速氢能技术的发展、商业化和及早采用。联邦政府给予0.85亿加元专款作为能源部研究和发展及氢经济发展基金,前期的工作已经在进行中,大约预留0.6亿加元作为培养支持示范计划和展示会的基本金,至少有0.5亿加元将用在合作企业中,包括由加拿大燃料电池部设在多伦多的一家工业协会,加拿大可持续发展技术部正在对此项工作进行协调组织。最后,还将分配0.2亿加元给优秀的技术革新计划,这些计划涉及性能提高和降低成本方面的技术。然而对于能源原材料供给,加拿大在此方面做出的努力所得到的结果尚不清楚,充足而又廉价的水力电气资源在一些省可能依然受到偏爱。    

       二、巴西    

       巴西关注可选择能源的发展已有30年历史,自1973~1974年国际石油危机以后,于1975年提出国家乙醇计划,随即巴西成为世界乙醇燃料发展规模最大的国家,特别是供汽车使用的含水乙醇和乙醇-汽油混合燃料,这种燃料由蔗糖发酵而成,每年总产量超过30亿加仑。由于该系统由原始能量转换而成,产品仅有33%能够符合乙醇燃料的要求,因此,研究提高生产效率的技术尤为重要。巴西正在进行这样一项研究:将生物能量转换成氢。   

       假设巴西本国的再生能源、水力电力能以及生物燃料具有很高的可依赖度,政府预言可将这些能源作为氢能生产的基础原料。将风能和光电电池应用于氢生产也是可能的,在巴西应用非峰值水力电气进行大规模的电解氢生产应考虑到其成本仅为从化石燃料中获取氢的一半。已有50万吨的氢供工业应用,然而,这些仅是巴西氢能源研发的一个开端。    

       三、冰岛和挪威    

       两个最为关注氢能经济发展的国家是位于北欧地区的冰岛和挪威。冰岛曾于1999年2月公开发表一项引起世人关注的国家目标:至2030年冰岛要将其经济过渡到氢能经济。由于没有化石燃料资源,拥有2.94万居民的冰岛开始着手开发本国丰富的水力电力资源和地热资源,以此满足超过一半的能源需求以及接近100%的电力需求。冰岛重要的汽车业与船舶业所赖以生存的石油进口代价十分高昂,进而成为促成氢能经济发展规划形成的动因。由于低廉的2分/kWh的电力价格,冰岛每年可生产出2000吨电解氢,希望通过提供充足的可再生氢以满足本国整个运输业的能源需求。    

       虽然挪威也有近100%可再生电力能源产生于本国丰富的水力电力资源,但与冰岛不同,挪威在丰富的天然气资源、产品、高级轿车、石油以及柴油机燃料等方面存在高额税收。这些情况使得挪威极为适合实现向氢能利用方面的转变。挪威于2003年建立了国家氢能委员会,并于2004年递交了委员会报告。报告制定了最初的10年发展规划并推荐借鉴美国的125~145美元债券方法,用发行长期债券的方法来收回短期债券。挪威已在斯塔万格与奥斯陆之间建成一条长达580公里的氢能高速公路,沿着这条高速公路将建成几个新型燃料供应站(Bak,2003c)。北美西海岸也有类似的氢能高速公路计划。    

       四、欧盟    

       伴随着德国制定的欧洲大陆最先进的氢能规划出台,最重要且最具首创精神的区域政策的制定当属欧盟(EU)和欧洲委员会(EC)。2003年,欧盟(EU)和欧洲委员会(EC)发表的一篇重要报告和行动计划,阐述了有关氢能利用的远大前景。这篇报告是欧洲委员会承诺长期发展氢经济的重要文件,各个国家政治团体对该项工作的重视程度已超过了冰岛和日本。    

       欧洲委员会草案报告提出燃料电池的本质是清洁器和传统能源的高效转换器,清洁性问题的关键在于氢能能源运输工具的清洁性而不是制造运输工具的燃料的清洁性。欧洲委员会成员国政府在四年内预计投资20亿美元,以扶持发展氢能与燃料电池技术,相比而言,美国能源部也在五年内投资17亿美元支持同类技术的研发。但在当前,氢能/燃料电池技术尚无法与传统燃料燃烧技术相抗衡。    

       2010年前的阶段目标是研制以天然气为原料的用于发电的初级燃料电池产品。专家组认为到2020年成员国当中会有5%的新型汽车和2%的船舶使用氢能产品,到2030~2040年市场占有额会不断提高(见表2),并预计在2020~2050年间可再生能源和先进的核能会成为主要的氢能源。尽管在天然气技术发展道路上会有一些危险性,但欧洲委员会预言即使在遥远的未来,来源于碳隔离化石燃料的氢能产品与可再生能源及核能一起都将仍然扮演重要的角色。    

令人吃惊的是,欧洲非常缺乏基于可再生性的氢能相关扶持政策,因而无法给予在德国、西班牙、丹麦等国家的风能、太阳能产品以有力的保障。在英国也已开创了重要的氢能和可再生能源,尽管还处于起步阶段。作为必然的结果,几家以可再生氢能资源为产品的初级氢能燃料供应站在西欧建立起来,所用氢能产品诸如:水力电气能源、地热能、太阳能和风能。    

       五、日本和韩国    

       在国际上,日本在努力发展氢经济方面是最具影响力的国家之一,不仅表现在研发上,而且体现在产品计划上。以下几个方面的因素决定了日本的先导地位:日本政府承诺签署到2010年减少6%温室气体的目标草案;日本本国运输行业对石油进口的极大依赖性;日本需要维护本国高新技术形象和经济两方面超级强国的地位。    

       世界能源网工程针对氢能网的不同栏目内容制定了详细的计划,其中包括氢能产品、产品储存、产品运输及其利用。近期,氢能产品生产主要寄希望于电解化石燃料的重整,特别是可再生性电能在相当长一段时期内将成为氢能产品的主要形式。2001年建立于日本的核氢能学会突出强调了核能在清洁能源产品中的地位。尽管世界能源网工程估计氢能产品来源于可再生能源的潜力在日本可达到210G Nm3/年,预计到2030年可再生氢能产品仅占到氢能产品消费总量的大约15%。据估计,日本到2030年氢能产品的消费总量为49.6G Nm3/年,仅占能源消费总量的大约4%。液化法已成为储存与运输大规模氢能产品的主要方法。世界能源网工程已广泛地开展液化设备与液化罐的研发工作。对氢燃烧汽轮机的研发是世界能源网工程研发的另一重要领域,预期具有60%效率的实验设备将用于试验开发。    

       据世界能源网预测,在近期内甲醇和汽油重整仍将是最具可行性的燃料电池应用技术,而将纯氢能技术的应用作为一项长期目标。官方对日本未来燃料电池应用预测可参见表3。    

       韩国寻求氢能经济的发展缘于两个重要因素:韩国本国氢能能源40%依靠核能,运输行业主要依靠石油进口。韩国针对运输行业已制定了氢能开发计划,预计到2020年消减本国对化石燃料依赖的20%,科学技术部计划至2020年前,划拨9860亿元(美元84.3亿)用于支持氢能产品供应开发,这些氢能产品几乎全部来自核反应。研究机构遵循研发要求,联合进行相关技术的开发,如果成功,按照计划韩国将在2020年前,每年节省8.5亿桶原油,同时每年减少1亿吨CO2排放量。    

       韩国科学技术研究院(KIST)和韩国能源研究院(KIER)的研究重点在于氢能产品的电镀催化、氢能产品的储存以及燃料电池技术。燃料电池研究方向如下:便携式供能产品类型的直接甲醇燃料电池(DMFCs),应用于汽车供能的聚合体电解膜燃料电池(PEMFCs),应用于大型发电厂的熔融碳酸盐燃料电池,固定功率的固体氧化物燃料电池。    

       六、中国    

       近几年来,中国已成为最大的潜在氢能燃料电池消费市场之一。截止2002年,中国已拥有世界上与燃料电池相关的164项专利中的25%。燃料电池在中国发展的动因来自于中国急需解决减少因汽车、公共汽车、汽油燃料自行车、小型摩托车等废气排放所造成的空气污染,特别是应对北京2008年夏季奥运会的到来。台湾省燃料电池发展的动因与中国大陆相似,还有一些动因缘自对缩减外国石油进口和减少温室气体排放的需求。 

       在过去的10年中,电动自行车、小型摩托车在中国的销量出现了奇迹般的增长,现在每年的销量总额超过100万辆。在北京、上海以及其它一些大城市,对汽油燃料自行车、小型摩托车使用的取缔刺激了电动自行车、小型摩托车需求量的增长。加拿大Palcan燃料电池公司已与上海明亮塑胶公司联合每年生产2万个质子交换膜燃料电池组,Palcan宣称该产品将于2005年会以低于市场的价格而畅销。隶属于中国科学院的大连化学物理研究所,从事燃料电池研发超过了30年,在2002~2004年间投资1200万美元,进行75kW及150kW氢能燃料电池的研发,这种类型的电池将被用于较大型汽车市场。然而这些计划中的氢能获取可能大都来源于天然气气体的重整,UTC燃料电池公司在中国南方的一家猪场设立了一个试验点,运用沼气研制燃料电池的供能。此外,一家设立于北京的非营利非政府组织,南北可持续发展研究所正在上海及其它一些地区从事可再生氢能燃料电池汽车的研发工作。    

       七、印度    

        印度一直是发展中国家中更新能源领域的一个先驱,它拥有一个成熟稳固的非常规能源部(MNSE),该部门成立已有10多年,然而开展此项科研则可以追溯到20多年前。然而,印度真正把氢能作为可更新能源的研究还是最近的事情,目前仅局限在研发和一些宣传推广计划上。在可预知的未来里,可作为分布式发电和汽车燃料的氢能的商业用途,让印度人越来越有兴趣,因为这很有可能给印度的农村地区带来福音,因为他们现在使用的是不经济的电网发电,汽车燃料使用的是昂贵的进口汽油。    

       2003年印度加入了国际氢能经济合作组织,这项活动将推动合作研究进展,并有利于寻求资金援助。美国能源部与基地在美国的ECD Ovonics公司已与印度汽车制造商Mahindra & Mahindra着手研制氢能动力三轮车,由美国国际发展代理机构给予50万美元的援助。    

       八、国际合作    

       国际能源机构(IEA)自1977年发起建立氢能源协定以来,就已经认识到氢经济的潜在价值。而且该组织也认识到氢能源的技术潜力有助于提供一种稳定的,持续的能源供应,并能减少二氧化碳的排放。因此,最近的计划主要是对成员国间合作研究的支持,支持的主要研究方向包括:氢能产品的成本效益、氢能产品的运输,氢能产品的分配,氢能产品的后期利用和基于可更新能源的储存。目前,国际能源机构氢能源研究重点是:光电电池电解,风和生物能资源,金属氢化物和碳纳米结构储存方式以及一体化模型工具研究。这些研究和推广计划已经在德国,意大利,瑞士,西班牙,美国,加拿大得到了相应的支持。然而,这些研发不可能在短期内对氢能源系统商业发展产生重大影响。    

       趋向于效益成本氢能技术商业性发展的下一步可能会由国际氢能经济合作组织(IPHE)来促进。该组织由美国能源部主持,于2003年11月18~21日在华盛顿区的一次会议上建立,参与者与成员国包括澳大利亚,巴西,加拿大,中国,欧洲委员会,法国,德国,冰岛,印度,意大利,日本,韩国,挪威,俄罗斯,英国和美国,最初的秘书处设在美国能源部(DOE)。该组织将会与国际能源机构合作开展相关活动,但它主要是为组织和实施研发合作及其活动提供一种协调机制。它寄希望于在2020年前,为参加国的消费者提供一种实用性的选择:到2020年消费者能够购买到一辆既有竞争价格、又安全方便的进行燃料补给的氢能动力汽车。来自Shell Hydrogen的一位代表估计,到2020年投资200亿美元仅能支持欧洲2%氢能动力汽车所需。    

IPHE组织的工作将会反映到成员国有关能源供应的政策。这样,IPHE最初的有关氢能源类型的设想是一个由化石燃料、核能和可再生能源组成的混合体,这一设想也就反映了早期讨论过的国家能源混合形式及其相关政策。美国的政策就曾受到一家新的绿色氢能联盟的批评,这个联盟由环保集团和其他一些非盈利组织组成。但到目前为止,只有冰岛和巴西有一个针对可再生能源的具体路线。其他大多数成员国则认为有关技术选择和能源应该保持开放。    

概述与结论    

       尽管氢能源的发展得到了全世界广泛的关注,但是只有两家汽车公司和两家主要的政治机构为氢能、燃料电池或汽车产品生产制定了特定的目标和时间表。DaimberChrylse公司宣布了将在2010年之前生产10万辆氢能燃料电池汽车的计划,而GM公司则声称将生产这个数量的10倍。然而,这两家汽车制造商对他们最初的宣称感到懊悔,因为事实上没有实现此目标的机会。其他汽车制造商似乎也有类似的目标转移。有4.54亿混合人口的欧联盟有计划要引进这些汽车,要使它们的整个"路上舰队"到2030年能达到15%,到2040年则会在此数额上至少再翻一番,然而这个数额还不是所提的目标。    

       在氢能和燃料电池被大规模应用于机动车辆之前,巴西以及东亚等地区将是一个该类型机动车辆被应用的重要市场范例。即便如此,2030年之前是否将会有对氢能汽车的大量需求还值得怀疑,除非GM公司或者另外的汽车制造商在设法出售这种汽车方面取得巨大成功。特定目标和时间表的缺乏是北美的一个问题。    

       现在主要的关注点是氢能发展的潜在的可持续性,在接下来的几十年中,大多数计划都提出产品要以如天然气或煤炭等相对便宜的能源为基础。这样,即使碳隔离技术是可行的,从化石燃料中提取氢能也不能够长期进行。只有巴西和冰岛设想到2030年前,提高从可再生能源中获取氢能的百分比,尽管这些特殊的计划都是模糊不清的。在其它地方,主要的正在形成的氢能可再生能源需求市场将起到十分重要的作用,而且对化石燃料的限制也很有作用。这样,世界在迎来一个真正出现并可持续的氢能革命之前还需要行进很长的一段路程。

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