氢经济

氢经济（英文：Hydrogen Economy）一词，由John Bockris（英语：John Bockris） 在美国通用汽车公司技术中心于1970年演讲所创。当时发生第一次能源危机时，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。氢电池即是利用氢气经过化学反应后产生能量，是燃料电池的一种，它不但不会产生废气污染环境，而且也可以储存能量，所以是目前正在研究大量生产的方法。目标是取代现有的石油经济体系，并达到环保目标，但是诸多技术瓶颈导致“先有鸡、先有蛋”的循环难题，很多氢设备要大量使用才有成本效益，但是不先装设这些天价设备，则根本无法吸引人使用，更不会有相关产业，如何过渡到氢时代是氢经济的研究课题。氢经济是为了取代诸多困扰的石油经济体系而生的解决方案。包含运输，和其他会导致温室气体的应用；一次给予解决计划。在目前的石油经济中，人员运输和商品运输都靠石油，例如石油提炼的汽油和柴油，少数是天然气。不论如何都会产生温室气体和其他污染物质。而且石油藏量已经到达极限，但是使用需求却一直飙高，例如中国印度和巴西等新兴国家越来越多人生活水准提升也需要用油。氢气是一种极高能量密度与质量比值的能源。燃料电池的效益高过诸多内燃机。内燃机效率顶多有20–30%，而最差的燃料电池也有35–45%效率(通常都更高很多)，再加上相关电动马达和控制器的耗损，最后纯输出能量最差也有24%，但是，内燃机的则是更低得多。今天主要（> 90％）以化石来源生产氢。连接其集中生产到轻型燃料电池车的车队将需要大量投资建设一个分布基础设施。氢分子在地球上不是以天然的气体存在。大部分氢结合氧存在水中。除了常规电解方法, 利用微生物电解是另一种可能性。虽然氢分子在质量的基础上具有非常高能量密度的，部分是因为其低分子量，气体在环境条件下从体积上它具有非常低的能量密度。如果它是被用来作为存储在车上的燃料，纯氢气必须是加压或液化，以提供足够的驱动范围。提高气体压力，提高了在体积上的能量密度，使用较小的，但不轻的容器罐（压力容器）。实现更高的压力，需要更多地使用外部能源动力压缩。或者，也可以使用较高的体积能量密度的液体氢或氢浆（slush hydrogen）。2016年9月扬子江汽车集团实验生产线首次下线一台常温常压氢能储存公车泰歌号，该实验车几乎已经达成商业运行能力，其科技突破在于采用一种化学吸收剂将液态氢吸收混和其中，之后再用催化剂还原释放，解决了氢能危险或高成本的储存运送问题，传统氢气困境在于必须低温或高压二选一储存方式，低温需耗费大量电能完全没有经济性，高压钢瓶虽便宜但也是高价品，且普及到市井民用有重大安全隐患，装载于车辆上万一发生车祸则安全堪虑。此次突破技术在于千人计划的专家程寒松教授全球领先原创颠覆性的“常温常压储氢技术”，可以利用现有加油站和石油输送体系等基础设施，大幅减低了氢经济难题。天然气网络是适合存储氢气。在切换到天然气（natural gas） 之前, 德国天然气网络运行于towngas, 其大部分由氢气构成。德国天然气网络的存储容量超过200,000 GWh，就足够了几个月的能源需求。相比之下，德国所有的抽水蓄能电站容量只有约40 GWh。通过气体网络的传输能量的损耗（<0.1％）比在电力网络（8％）的要少得多。为氢使用现有的天然气系统的研究是由NaturalHy做的。氢基础设施主要由工业氢气管道运输和装备加氢站的氢高速公路。不靠近氢管道的加氢站将通过氢气罐，压缩氢气长管拖车，液体氢拖车，液态氢油罐车或专门的现场生产供应。氢经济提供的主要好处其中之一是燃料可以取代化石燃料，在内燃机和涡轮机的燃烧作为主要的方式转换成化学能转化为动能或电能；借此消除发动机的温室气体排放和污染。评估成本时，石油和瓦斯(所有化石燃料) 虽然名义上看来便宜，但是真实成本是很少被面对的。这些不可再生的能量来源是数百万年才产生在地球内部，通常用"免费" 来计算生产成本；只计算开采成本。虽然可以以石化工业副产品提供一部分的氢气需求，但超出此部分后任意瓦数的氢能还是都比其他可再生能源(例如太阳能)要贵。在此前提下，氢气不见得是长期来看最便宜的能源，因为目前电解制氢和燃料电池科技没有解决诸多问题。氢气运送管线成本很高昂 高过任何电线管路、也比天然气管线贵将近三倍，因为氢会加速一般钢管的碎裂(氢脆化)，增加维护成本、外泄风险、和材料成本。有人提出一种新科技：如果用高压运送只要多一点管线成本，但是高压力管需要更多材料打造。所以要进入氢经济时代需要大量的管线基础建设投资才能储存和分配氢气到末端的氢气车用户。相比之下电动车的分配管线可以用现成的电线，只要稍微扩充升级就可以达到储存和分配电力，晚上多数电动车充电时段，其实刚好还有许多发电厂的多余电力。2006十二月能源部辖下“太平洋西北国家实验室”做的实验发现如果全美国都换成电动车，光闲置电力就可以供应它们84%需求。但是电动车一大缺点就是预先充电时间漫长，氢气车和汽油车则有类似特征，随时没燃料只要灌入燃料就能行驶，便利性比较高，跑长途旅程也比较安全不会有半路停下等充电的窘境。除少数气体，如乙炔，甲硅烷和环氧乙烷之外，在所有的气体中，氢气是具有最宽的爆炸性/点火的气体与空气的混合范围。这意味着当火焰或火花点燃氢泄漏的混合气体时候，无论空气和氢气之间的混合比例如何，都将最有可能导致爆炸而不是一个单纯的火焰。这使得氢燃料的使用，特别是在封闭的领域，如隧道或地下停车场的使用会尤其危险。因为纯的氢-氧燃烧火焰是在肉眼几乎看不见的紫外线的色彩范围，所以如果氢气泄漏在燃烧，需要火焰探测器才能检测到。氢是无味的，无法通过嗅觉被检测到泄漏。美国欧盟和日本数家汽车制造商都致力于开发使用氢的汽车。目前以运输为目的的氢的分布正在在世界各地测试，尤其是在葡萄牙，冰岛，挪威，丹麦，德国，美国加州，日本和加拿大，但付出的代价是非常高的。有些医院已经安装了结合电解槽存储的燃料电池单元的当地应急电源。因为和内燃机驱动发电机相比，其低维护要求和方便的位置，这些在紧急情况下使用是有利的。冰岛一直致力于在2050年成为世界上第一个氢经济。冰岛是处于一个独特的位置。目前，它进口所有必要的石油产品来提供动力给汽车和捕鱼船队。冰岛有大量的地热资源，以至于当地的电力价格实际上是低于可用于产生电力的碳氢化合物价格。冰岛已经将多余的电能转化为出口产品和烃替代品。在2002年，它通过电解产生氢气2000吨，主要用于生产对化肥的氨（NH3）。氨在世界各地被生产，运输，和使用，氨90％的成本的是产生它的能量的成本。冰岛也正在开发铝冶炼行业。铝的成本主要是由运行冶炼厂的电力成本。这些行业可以有效地出口所有的冰岛地热发电的潜力。这以上的两个工业都不能直接取代碳氢化合物。在冰岛的雷克雅未克( Reykjavík)市，有一个小规模的试点使用压缩氢气的城市公交车车队，和该国的渔船上用氢的供电的研究正在进行中。为了更实际的目的，冰岛可能用氢处理进口石油来扩展它，而不是完全取代它。雷克雅未克(Reykjavík)公交车是一个更大的的项目的一部分，HyFLEET:CUTE项目，这项目是在三大洲的9个城市经营氢燃料公交车。HyFLEET:CUTE公交车也经营在中国北京和澳大利亚珀斯（见下文）。展示氢经济的试点项目是在挪威的Utsira岛运作。项目安装有风力发电和氢能发电。当有剩余风能的期间内，多余的电力被用于通过电解产生氢气。氢被存储，并且可用于当有少风期间内的发电。在NREL（英语：NREL）和Xcel（英语：Xcel）能源公司之间的合资企业以同样的方式在美国科罗拉多州的风力发电和氢能发电相结合。在加拿大纽芬兰和拉布拉多的电力公司使用目前的风力-柴油发电系统转换给遥远的Ramea岛成风氢混合动力系统设施。类似的试点项目在美国的斯图尔特岛的使用，不是风力发电，而用太阳能发电，产生电能。当电池充满后，多余的电力是通过电解产生氢气来储存，以后供给燃料电池生产的电力。英国在2004年1月开始了燃料电池的试点方案，该项目在伦敦25路线上运行的两辆燃料电池公共汽车，直到2005年12月，而切换路线RV1直到2007年1月。 目前氢远征计划正在创建一个氢燃料电池为动力的船舶，作为一种证明氢燃料电池能力，用它环绕地球航行。西澳大利亚州的规划和基础设施经营部戴姆勒 - 克莱斯勒公司的Citaro燃料电池公共汽车珀斯的燃料电池巴士试验计划在珀斯市的可持续交通能源的一部分。巴士定期Transperth公交线路的路径交通经营。试验开始于2004年9月和结束于2007年9月。公交车的燃料电池用质子交换膜系统，并提供与原氢从BP炼油厂在珀斯以南的Kwinana。氢是炼油厂的工业生产过程的副产品。巴士在珀斯北部郊区的马拉加站加氢。联合国工业开发组织（UNIDO）和土耳其能源和自然资源部在2003年签署了4000万美元的信托基金协议建立在伊斯坦布尔的国际氢能技术中心（UNIDO-ICHET），开始操作于2004年。 采用可再生能源的氢叉车，氢气车和移动式房屋被展示在UNIDO-ICHET的上述事项。自2009年4月在伊斯坦布尔海上巴士公司(Istanbul Sea Buses)的总部一个不间断电源系统已经工作。燃料电池公交车项目: 此项目由中国政府、联合国开发计划署与世界环境基金于2003年3月启动，第一阶段为2006年6月到2007年10月，3辆戴姆勒克莱斯勒燃料电池公交在北京运行。运行期间共载客57000人，总行驶里程92000公里，可用性达90%。第二阶段在上海，启动于2007年11月，结束于2010年世博会截止，主要是6辆上海汽车公司的燃料电池公交的示范运营，其中3个车辆的电池堆来自巴拉德动力公司(Ballard Power Systems)，3辆的来自于中国国内供应商。安亭加氢站: 中国主导的燃料电池技术是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，使用的燃料通常为氢气。2007年，中国第一座加氢站建成于上海安亭，由上海舜华新能源系统有限公司研发并建设的，该加氢站已于2007年7月15日正式开业。上海舜华新能源系统有限公司与同济大学合作，自2004年以来，为满足不同用途需要，已先后开发3代移动加氢站：2004年开发的第一代移动加氢站，采用了非电驱动的氢气增压方式，填补了国内外在该领域的空白。具有机动性好、取气率高、加注能力强等特点，特别适合少量燃料电池汽车野外路试的氢燃料加注。公司为世博会建立了一座加氢站和两辆移动加氢站，世博加氢站将被移至上海嘉定汽车城，分成两座新站，可提供700bar和350bar的加氢需求。目前，中国有四座固定加氢站和五辆移动加氢车，使用的氢气主要来自工业副产氢。在上海，副产氢气足够10000辆FCEV的使用需求量。而北京的氢气来源比较广泛：管道氢气、现场天然气湿重整和电解水制氢。不同的氢气生产方法有不同的固定投资额和边际成本。 制氢的能源和燃料可以来自多种来源例如天然气、核能、太阳能、风力、生物燃料、煤矿、其他化石燃油、地热。(以下以全美国汽车都改为氢气的假设为计算单位)以上看出由煤矿的制氢最便宜，但是除非二氧化碳封存技术普及化及实用化，否则产生的高污染会使氢气科技的环保性荡然无存。