氢经济是能源以氢为媒介（储存、运输和转化）的一种未来的经济结构设想，是20世纪70年代提出的。

简介

背景

原理

存在问题

优越性

成本问题

制氢电力来源(天然气 核能 太阳能 风力 生物燃油 煤矿)

技术障碍

前景

简介

hydrogen economy

氢是一种洁净能源，可通过储氢材料在常温下高效储存，通过管道输送，其危险性并不比天然气更大。当石油、煤和天然气等化石能源殆尽或开采成本太高时，可以利用电解电池，将太阳能、风能、水的位能等可再生能源通过电解法制氢、储存或经短途运输，再利用燃料电池发电应用，如能加强对储氢材料、氢的电解制取和燃料电池的开发力度，大幅度降低其成本，这一合理的氢经济结构的实现，或将为时不远。

氢经济即是利用氢气经过化学反应后所产生的能量，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。

背景

似乎每天的新闻中都会有关于燃料电池汽车的报道。这些许诺十分诱人，因为燃料电池可以使汽车功率成倍增长，同时又能大大减少空气污染。

同时，近几十年来，一直都有有关石油的相关报道。从石油泄漏到臭氧层警报再到全球变暖，这些问题全都归咎于我们对矿物燃料的依赖。

这两股力量正引导世界走向众所周知的氢经济。如果预测正确，那么在接下来的几十年里，我们将见证一场了不起的变革：从今天的矿物燃料经济走向更为清洁的氢经济时代。

我们的社会果真能完成这一转变吗？或者技术、经济和政策上的障碍会使我们在下个世纪以及更遥远的未来仍然依赖于石油和其他矿物燃料？在本文中，您将了解到氢经济的优越性以及它的潜在问题。我们还将分析一些可以促进向氢经济转变的技术。

原理

氢经济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, 例如中华人民共和国, 印度 等新兴国家越来越多人生活水平提升也需要用油.

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. 内燃机顶多20–30% 效率, 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% 内燃机则是更低得多.

存在问题

目前，美国和世界上的大多数国家/地区都依赖所谓的

矿物燃料经济。我们的汽车、火车和飞机几乎完全以汽油、柴油等石油产品为燃料。绝大部分的发电厂也是以石油、天然气和煤作为燃料。如果美国的矿物燃料进口渠道被切断，美国经济将陷于停顿。工厂生产出来的产品将无法运输。人们将无法开车上班。整个经济，也可以说整个西方社会，现在都依赖于矿物燃料。

社会发展到今天，矿物燃料发挥了重要作用，但它同时也产生了以下四个严重问题：

空气污染——如果汽车里的汽油充分燃烧，那么汽车排放的尾气中将只含有二氧化碳和水。然而遗憾的是，内燃机并不完美。在汽油燃烧的过程中，还会产生：

一氧化碳——一种有毒气体

氮氧化物——城市烟雾的主要来源

未燃烧的碳氢化合物——城市臭氧的主要来源

催化转化器可以消除大部分此类污染，但是也无法彻底解决问题。汽车和发电厂造成的空气污染在大城市中是一个严重问题。

现在的情况已经非常严重——在夏季，许多城市空气中的臭氧浓度都已超标。

环境污染——如果在运输和储存石油的过程中出现任何差错，都会对环境产生巨大影响。 石油泄漏、管线爆炸或油井火灾都会造成大混乱。艾克森·瓦尔迪兹号 (Exxon Valdez) 石油泄漏事件是这方面问题的最著名的例子。但是，小的漏油事故也在不断发生。

全球变暖——汽车每燃烧3.8升汽油，将向空气中排出大约2.3公斤二氧化碳。如果是固体碳，这将一目了然——这等同于每燃烧3.8升汽油，就向车窗外扔出一袋2.3公斤重的碳。但是由于这2.3公斤的碳是以看不见的二氧化碳气体形式释放的，因此就被大多数人忽略了。从每辆汽车的排气管排出的二氧化碳是一种温室气体，它会使地球温度缓慢升高。虽然其最终效应还不确定，但是它最终很有可能造成剧烈的气候变化，从而影响到地球上的每一个人。例如，气温升高会导致冰川融化，海平面显著上升，洪水泛滥并摧毁现今的所有沿海城市。这是一个很大的副效应。

依赖性——美国和其他大多数国家/地区都无法生产足够的石油以满足需求，因此它们需要从石油资源丰富的国家/地区进口石油。这就产生了经济上的依赖性。当中东的石油生产国决定提高石油价格时，其他国家和地区几乎别无选择，只能支付更高的价格。

优越性

消除矿物燃料引起的污染——如果在燃料电池中使用氢来产生动力，那么这将是一种完全清洁的技术。唯一的副产物是水。氢也不会有类似于石油泄漏这样的环境危险。

消除温室气体——如果氢来自于水的电解反应，那么就不会向环境排放温室气体。这将是一个完美的循环——水经过电解反应产生氢，氢在燃料电池中与氧重新结合生成水，同时产生动力。

消除经济依赖性——不再使用石油意味着无需依赖中东国家及其石油储备。

分布式生产——只要有电和水，就可以在任何地方生产氢。使用较为简单的技术，人们甚至可以在家里制造氢。

矿物燃料经济造成的问题如此严重，而氢经济的环境优越性又是如此显著，因此，向氢经济转变的推动力非常强大

成本问题

评估成本时，石油和瓦斯(所有石化燃料) 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份的氢气需求，但超出此部分后任意瓦数的氢能还是都比其他可再生式能源(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。

氢气运送管线很高昂[2] 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能车用户。

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，氢能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。[3]

制氢电力来源

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)

天然气

用气电共生改良后.需要15.9百万立方呎的瓦斯,如果每天生产500公斤 由改装的加油站就地生产(例如高科技加气站), 相当于改装777,000座加油站成本$1兆美金；可产每年1亿5000万吨氢气. 先假设不需额外氢气分配系统的投资成本下；等于每GGE单位$3.00美元(Gallons of Gasoline Equivalent 相当一加仑汽油的能量简称GGE，方便和目前油价作比较)

核能

用以提供电解水的氢气电能来源. 需要240,000吨铀矿—提供2,000座600兆瓦发电厂, 等于$8400亿美金,等于每GGE单位$2.50美元.[4]

太阳能

用以提供电解水的氢气电能来源. 需要每平方米达2,500千瓦(每小时)效率的太阳能版科技,共1亿1300万座40千瓦的机组, 成本推估约$22兆, 等于每GGE单位$9.50美元.

风力

用以提供电解水的氢气电能来源. 每秒7米的平均风速计算,需要1百万座2百万瓦风力机组, 成本约$3兆美金等于每GGE单位$3.00美元.

生物燃油

气化厂用气电共生改良后. 需要15亿吨干燥生物材料, 3,300座厂房需要113.4百万英亩(460,000 km²)农场提供生物材料.约$5650亿美元 等于每GGE单位$1.90美元(假设土地不匮乏且地价最便宜状态)

煤矿

火力发电用气电共生改良后提供电解水的氢气电能来源.需要10亿吨煤将近1,000座275兆瓦发电厂成本$5000亿美金, 等于每GGE单位1美元.

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。

技术障碍

氢经济的一个比较有趣的问题就是氢本身。氢从哪里来？在矿物燃料经济中，只要把矿物燃料从地下抽出来（请参阅石油钻探揭秘），然后进行炼制（请参阅如何进行石油精炼），就可以作为能源利用了。

我们大多数人都认为石油、汽油、煤和天然气是唾手可得的，但事实上它们的形成是非常奇妙的。这些矿物燃料实际上是几百万年以前储存起来的太阳能。几百万年以前，植物利用太阳能来促进生长。植物死亡后，最终转化为石油、煤和天然气。从地下抽取石油时，我们相当于打开了这一巨大的、“免费”的太阳能仓库。燃烧每一升汽油，我们都是在释放其中储存的太阳能。

在氢经济中，没有这样的仓库可以让我们打开。我们必须去实时地创造能源。

氢有两种可能的来源：

水电解——利用电流，可以很容易地把水分子分解为纯净的氢和氧。该方法的一个重要优势是没有场地限制。例如，您可以在车库里放一个箱子，接上自来水来制造氢，然后用制造出来的氢作为汽车燃料。

重整矿物燃料——石油和天然气中均含有碳氢化合物，其分子由氢和碳构成。利用一种被称为燃料处理器或重整器的装置，可以较为容易地将碳氢化合物中的氢和碳分离开来，从而利用其中的氢。剩余的碳以二氧化碳的形式排放到大气中。

当然，第二种方案有点儿荒谬。因为它把矿物燃料作为氢经济中的氢源。这种方法减少了空气污染，但是它既没有解决温室气体问题（因为仍然有碳进入大气层），也没有解决依赖问题（还是需要石油）。然而，在向氢经济转变的过程中，这可能是一个很好的临时性措施。您目前听到的汽车公司正在研制的“燃料电池动力汽车”，几乎全部都打算使用重整器从汽油中获得燃料电池所需要的氢。之所以如此，是因为汽油是一种容易获得的氢源。在“氢站”能够像现在的加油站一样遍布每个街角之前，这是获取氢以便为汽车的燃料电池提供动力的最简单方法。

第一种方案的有趣之处在于它是真正的氢经济的核心。要想实现纯粹的氢经济，必须通过可再生能源而不是矿物燃料来获得氢。只有这样，我们才能停止向大气中释放碳。目前，实现氢经济的最大困难在于：如何获得足够的电力来从水中分离氢并且不使用矿物燃料来发电？ 电解水所需的电力将从何而来？目前，美国大约68%的发电量来自于煤和天然气。在氢经济中，这一部分发电能力必须全部用可再生能源实现。另外，现在用于运输业（包括小汽车、货车、火车、轮船和飞机）的所有矿物燃料能源也都必须用氢来替代，而这些氢也要通过电力来产生。换句话说，美国的发电能力必须成倍增长，以满足运输业的需求。同时，用于发电的矿物燃料也要全部用可再生能源来代替。到那时，也只有到那时，我们才能停止向大气中排放碳。

目前，不使用矿物燃料发电的方法有以下几种：

核能发电

水力发电

太阳能电池

风能发电

地热发电

海浪和潮汐发电

热电联产（例如，锯木厂可以通过燃烧树皮产生能量，而垃圾填埋场可以通过燃烧腐烂的垃圾所产生的沼气产生能量。） 在美国，目前大约20%的电力来自核能，7%的电力来自水力发电。只有5%的电力来源于太阳能、风能、地热和其他能源。

将来，要实现氢经济，除了一些技术突破之外，还需要满足以下两个条件之一：核能或太阳能发电能力大幅度提高。别忘了，在纯粹的氢经济中，发电量必须比现在增加近一倍，因为运输业目前利用的所有来源于石油的能源都必须用电解产生的氢来代替。因此，发电厂的数量要翻番，并且所有矿物燃料发电厂都将被取代。

发电问题可能是氢经济所面临的最大障碍。一旦技术得到完善并且变得经济实用，那么在十到二十年之内，以氢为动力的燃料电池汽车就将取代汽油内燃机。但是，利用核能和太阳能发电可能不是那么容易：核能容易引起政治和环境问题，而目前的太阳能受到成本和地理位置的

限制。 目前，将纯粹的氢燃料汽车投入使用的关键问题是氢的储存和运输问题。氢在常态下是一种体积庞大的气体，所以它不像汽油那样容易使用。压缩氢气需要消耗能量，而且压缩后的氢所能提供的能量也大大低于相同体积的汽油。然而，解决氢的储存问题的方案已经出现。

例如，氢可以以固态形式储存在一种名为硼氢化钠的化学物质中，最近的新闻中已经报道了这一技术，因为克莱斯勒公司正在对其进行测试。这种化学物质是用硼砂（许多清洁剂的常见成分之一）制造的。当硼氢化钠释放其中含有的氢之后，又重新转化为硼砂，从而实现了循环利用。

一旦储存问题得以解决并且能够标准化，就必须围绕它来建立氢站网络以及用于运输氢的基础设施。这一工作的主要障碍可能是技术筛选过程。只有研究出一种能被市场普遍接受的储存技术，氢站才会迅速发展起来。例如，如果所有制造商生产的所有氢能汽车都使用硼氢化钠，那么氢站网络可能会迅速发展；然而，历史经验表明，这种标准化迅速出现的可能性并不大。

也有可能出现技术上的突破，从而迅速改变竞争形势。例如，如果有人能够研制出一种价格低廉的、可再充电且充电时间短的大容量电池，那么电车就不再需要燃料电池，也没有必要使用氢了。那时，汽车将可以直接充电。

前景

在未来几个月内，您将会听到越来越多关于氢经济

的新闻，因为利用氢的呼声日渐高涨。矿物燃料经济所造成的环境问题，再加上燃料电池技术方面的突破，将推动我们迈出走向氢经济的第一步。

我们将看到的最明显的进步是燃料电池汽车的市场化。尽管它们最初是由汽油和重整器提供动力，但是相对于内燃机而言，燃料电池有两个重大改进： 效率大约提高了一倍。

可以大大减少空气污染。

由于具有上述优势，用汽油提供动力的燃料电池汽车将是一种绝佳的过渡性产品。

实现纯粹的氢经济任重而道远。发电厂必须改用可再生能源，而市场必须就如何储存和运输氢达成一致。这些障碍可能使向氢经济的转变成为一个相当漫长的过程。