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氢能来了!你还在“谈氢色变”吗……

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作为元素周期表中的首位,氢凭借着其来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的强大技能点,被誉为21世纪的“最理想能源”和“终极能源”。


曾经鹰击长空、鱼翔浅底、万木争荣、百花竞秀的地球正遭受着“冰川融化”“极端灾害”“土地沙漠化”“生物多样性减少”的折磨,如今的地球早已满目疮痍。而导致环境发生这些变化的始作俑者之一,正是我们所熟知的二氧化碳。

如何缓解日渐恶化的地球环境?寻找新的清洁能源迫在眉睫。作为元素周期表中的首位,氢凭借着其来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的强大技能点,被誉为21世纪的“最理想能源”和“终极能源”。氢的燃烧热值极高,每千克氢燃烧后的热量为142千焦耳,约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的45倍。此外,氢燃烧后的产物仅有水,是世界上最干净的能源。

氢能从哪里来?

当前,我国氢气产量达到2500万吨/年,是全球氢气产量最大的国家。氢是一种二次能源,无法直接从自然界中获取,需要通过其他方式制备得到。

目前,氢能源的制备方法多样。按照制氢所用原料及制氢方式,氢气主要有3种来源:化石能源制氢、工业副产制氢及电解水制氢。其中,化石能源制氢和工业副产制氢这两种方式作为制氢界的“元老”层见叠出,而电解水制氢方式作为制氢界的“新贵”正逐渐崭露头角。

具体地,化石能源制氢主要包括3种方式:煤制氢、天然气重整制氢和石油制氢;工业副产制氢则主要指焦炉煤气、氯碱尾气等。


如表1所示,在我国所有制氢方式中,煤制氢“位高权重”,在总的氢能生产结构中占据62%;天然气重整制氢则位居第二,占据19%;而石油制氢和工业副产制氢占18%,屈尊第三;电解水制氢则“壮志难酬”,在氢能生产结构中“氢卑言微”仅占据1%。放眼全球,该比例也仅为4%。但由于化石燃料制氢、工业副产氢以及传统电解水制氢(以当前发电装机结构仍以煤电为主)都存在着大量的二氧化碳排放,可再生能源发电支持的电解水制氢(即“绿氢”)是未来氢能发展的重点。

氢能安全吗?

随着氢能逐渐走进大众视野,让人更为关心的问题是:氢能到底安不安全?在我国氢能产业发展的过程中,依然存在着“谈氢色变”的认识误区。张家口“11·28”重大爆燃事故曾一度将氢能推向舆论的风口浪尖。随后的调查显示,氢能与该事故并无关联。但由此也引发了各方对氢能安全问题的高度关注。

氢气本身无色无味,又兼具易燃易爆的特性,我们确实无法通过嗅觉或者肉眼发现空气中的氢气。由于国内对氢缺乏足够的了解,氢气曾经一度被视为“移动炸弹”。

事实果真如此吗?凡是燃料都具有能量,都有潜在着火和爆炸的危险,我们很熟悉的天然气、汽油亦是如此。相反,由于氢的特殊性质,和其他燃料相比,氢气是一种安全性较高的气体。第一,氢能燃烧起来以后的气味没有毒性。我们经常看到出现火灾爆炸时最致命的不是火本身,而是有毒气体的产生,氢气并不存在这个问题。第二,氢气的密度仅为空气的7%,与汽油、丙烷和甲烷等相比,在空气中有着更大的浮力,氢能汽车着火后氢气会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。第三,氢气的扩散性和快速挥发性明显高于其他易燃气体,氢的扩散速度是汽油的12倍,一旦着火它能很快扩散开,不会引起其他更加严重的后果。


但氢气也有对安全不利的特点。一方面,氢气点火能量很小,使氢不论在空气中或者氧气中,都很容易点燃。从表2中可知,在空气中氢气的最小点火能量仅为0.019MJ(兆焦耳),不到汽油的8%、天然气的7%。如果用静电计测量化纤上衣摩擦而产生的放电能量,该能量可以比氢的最小着火能量还大好几倍,这足以说明氢的易燃性。另一方面,它的爆炸浓度范围很宽,因此不能因为氢气的扩散能力很大而对氢气的爆炸危险放松警惕。但即使氢气起爆能量低、爆炸范围宽,也并不意味着氢气比其他气体更危险。由于空气中可燃性气体的积累必定从低浓度开始,因此就安全性来讲,爆炸下限浓度比爆炸上限浓度更重要。汽油和天然气的爆炸下限浓度就比氢气低,所以比氢气更危险。

如果还不能完全信服,看完下面的例子你一定会有相对清晰的判断。美国迈阿密大学的Swain博士曾经做过储氢瓶泄漏点火试验,选择一台普通汽油车以及一台氢燃料电池汽车,进行泄漏点火试验。点火3秒后,高压氢气产生的火焰直喷上方,汽油则从汽车的下部着火;到1分钟时,用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧,氢燃料汽车没有大问题,而汽油车则早已成为大火球,完全烧光。所以氢气易挥发的性质,使得氢气燃料电池车与普通汽油车相比,不像汽油会在地面淤积危险性可持续达数个小时,氢气只需几秒钟就能消散不见,更有利于汽车的安全。而且氢气重量轻,溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。

实际上,欧美日韩等发达国家和地区早已将氢能作为能源进行管理,而不是作为危化品管理。而目前在我国,氢气被列入《危险化学品目录(2015版)》,按危化品进行监管。2020年4月,国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》拟将氢能列入能源范畴,这标志着将氢能有望从危化品中“摘帽”。

如何提高氢能的安全防线?

氢能的发展必须优先解决安全问题,安全是发展之本。在氢能的历史发展过程中,不可避免地会出现大大小小的安全事件。曾有相关研究机构对氢能的相关事故原因进行了统计分析,在众多事故原因当中,排在前三位的是设备本身质量问题、氢能系统设计缺陷和人为原因,比例分别为40%、10%和9%,加起来占到了事故原因总比例的59%,而且主要原因还是与氢系统有直接关系的设备问题。但只要按照标准规范和法规生产、存储及使用氢能,氢能安全就可以得到保障。

近年来,中国积极开展氢能安全性研究和相关标准制定工作,陆续开展了材料高压氢相容性、高压氢气泄漏扩散、氢气瓶耐火性能、氢气快充温升、快速充放氢疲劳、量化风险评估、失效预测预防、高压氢喷射火、氢爆燃爆轰、氢泄爆、氢阻火等研究,并出台了《加氢站技术规范》《加氢站安全技术规范》《氢气站设计规范》等一系列规范以及《水电解制氢系统技术要求》等国家标准。

但总体而言,国内氢安全研究刚刚起步,投入较少,安全检测能力和保障技术滞后于氢能产业发展的需要,缺乏具有第三方公正地位的实验室,与国际先进水平相比有不小的差距。主要体现在:一是我国氢能安全技术研究基础薄弱,氢能安全技术研究主要集中在氢燃料电池安全、氢行为、涉氢设备的材料相容性等基础领域,研究力量分散、深度不足,涉氢设备、材料和部件的安全可靠性测试方法和检测认证手段缺乏。二是我国已建立的车用氢能安全法规标准缺少科学性和完整性。目前我国燃料电池汽车相关的标准以借鉴、参考、翻译国外标准为主,缺乏足够的试验数据和必要的安全技术研究支撑。三是我国不具备国外普遍使用的燃料电池汽车供氢系统装备的产业化能力,与之相关的安全技术研究处于空白状态。


要想提高用氢安全性,必须“三管齐下”:

1)要建立准入门槛,制定相关政策标准。虽然工业制氢已有很长时间,工业生产、储藏和利用氢气有了一套完整、行之有效的规章制度,但我们在用氢过程中仍需根据实际情况,建立准入门槛,制定相关政策标准。

2)要加快研发新的技术提升用氢安全性。例如氢不但分子小易渗漏,还具有氢脆特性,因此要研发抗氢脆的材料,制备输氢管道和研发抗氢脆的涂料,改造天然气管网,用于掺氢运输。

3)建立完善的氢能利用风险量化评估体系。系统开展氢泄漏、扩散、燃烧、爆炸等相关试验研究,为氢能利用风险评价所需模型的建立与验证提供充足的基础数据,同时建立有效的事故缓解方法和应急安全响应机制。

总而言之,氢能安全未来将以对氢事故原因、机理、后果,以及事故预测、预警和控制方法的研究为基础,制定合理的安全技术规范标准,以本质安全为理念设计氢能产业装备/设施,建立完善的氢能利用风险量化评估体系,防止和减少氢能安全事故,促进氢能产业健康安全发展。正如题目所言,“氢能来了”,随着它逐渐和人们熟络起来,人们一定会消除曾经的误解,张开怀抱,并且随着用氢安全政策的逐渐完善,我们无需再“谈氢色变”!

◎ 撰文|许传博(华北电力大学经济与管理学院讲师)、吕晓燕(华北电力大学经济与管理学院硕士研究生)

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