淺談氫能源體系的安全問題
來源: 中國化學品安全協會 作者: 李巖 編輯: 筑安 瀏覽: 3029 發布于2020年11月16日
一、 氫能源體系廣闊的前景
氫能源是一個已經持續了數十年的熱點話題。氫氣本身不是一次能源，而是二次能源，換言之，氫氣不是開采出來的，而是生產、轉化來的。從這種意義上講，氫氣作為能源是一種轉移、轉換，而非像開采石油、煤炭一樣直接的能源生產。因此，所謂“清潔能源”的提法也不準確。氫能源是否清潔，不是看氫氣本身，而是看氫氣的生產方式。以化石燃料為原料生產的氫氣就不“清潔”，而以可再生能源為原料生產的氫氣就是“清潔”的。也因為這樣，氫氣作為一種能源，即使不考慮各種應用技術難題，在可再生能源大量應用之前并不具備現實的經濟性，它的種種優勢只存在于理論之中。
這種情況隨著新世紀的到來而發生了變化。根據北極星風力發電網數據：“我國可再生能源十分豐富，可再生能源的開發力度居世界前列，新能源新增及累計裝機容量均排名世界第一。但新能源電力發電量受季節及氣候影響波動較大，無法滿足用電側負荷的穩定性，因而棄風、棄光、棄水現象十分嚴重。2018年全國平均棄風率為7%，、棄光率為3%、棄水率為5%，棄風率最高的地區棄風率達23%，棄光較嚴重的地區棄光率達16%。“這種局部的電力過剩為電解生產氫氣開辟了一條發展之路。事實上，由于可再生能源的季節和氣候波動大的特點，電解制氫儲能也是可再生能源更廣泛應用最現實的發展之路。從這個角度而言，可再生能源和氫能源體系是相互發展、相互促進、相互依存的。隨著太陽能、風能、潮汐能等可再生能源的進一步開發和應用，也伴隨著化石能源的進一步減少，氫能源逐步替代化石能源的黃金時間即將來臨。有鑒于此，根據中國政府規劃，計劃2020/2025/2030年分別建成100/300/1500座加氫站，十年間年復合增速達31.1%。到2050年加氫站數量將達10000座，行業產值達12萬億元。隨著近年來燃料電池技術的日益完善，可以預見，氫能源體系將是未來中國以至世界經濟的支柱體系之一，發展前景之廣闊不亞于當今世界之石油、煤炭。因此，西方發達國家，特別是美國和歐洲，都已經建立、并進一步完善、升級其氫能源體系的規劃，而中國在相關的法規、標準建立方面仍然需要加快步伐。
二、 氫能源體系面臨的困難
雖然應用前景非常美好，但氫能源體系離真正產業化、并替代現有的化石能源體系還有很長的路要走。對于世界各個試圖建立氫能源體系的國家和地區而言，他們都面對著很多的系統性問題，其中最大的挑戰在于氫氣相關系統和基礎設施的安全數據缺乏。這些問題包括但不限于以下幾個方面。
1. 氫系統完全數據有限。目前，即使在氫能源領域最先進的國家，也只有少量的氫氣動力技術、系統處于運營狀態，而其中絕大多數都是試驗性、科研性的，比如很多企業都生產了氫能源技術驗證車輛。因此，氫氣相關技術的運營和安全數據都非常有限，不能全面地反映氫能源商用條件下的真實挑戰。同時，現有生產、儲存、運輸和應用的數據都有數十年歷史，主要通過化工等傳統用氫行業的應用進行積累，一方面不完全準確，一方面不適合當下商用場景，相關的數據亟待更新和完善。
2. 可靠性/可保險性問題。氫能源體系的可靠性和可保險性也是一個非常嚴肅的問題，可能直接影響氫能源的產業化。如果一個技術沒有相關的公認標準，它就很難、甚至不可能得到合理的保險支持。而相關的數據和法規還遠遠不夠完善，比如氫能源汽車的安全性如何、可靠性如何、事故發生的風險及理賠情況如何，現在還沒有任何數據支撐。這種情況下，保險行業是不可能為民用數量的氫能源汽車提供保險支持的，而任何汽車沒有保險服務就不可能正常上路，這是汽車行業根本性要求。
3. 公眾缺乏對于氫能源的認識。以目前情況而言，各國家和地區的政府、消防和公眾等重要相關群體都缺少對于氫氣和氫能源體系安全性的基本認知，而且，目前也沒有相關的安全規范供公眾使用。公眾對于氫氣的普遍認知是有爆炸性、非常危險，因而，對于自己身邊出現氫能源汽車、尤其是加氫站都有負面情緒。改變公眾的這種態度，需要系統性的宣傳和教育，而這需要很長的周期才能實現，并且需要巨大的人力和物力投入。
三、 氫能源體系的安全問題
氫能源系統可能涉及各個領域、各種應用，所有的這些體系都涉及到三個基本模塊，儲存模塊、管路模塊和動力模塊，此外，還需要配套的支持模塊，比如儀器儀表，這里就以氫能源汽車為例進行分析。考慮動力模塊單獨成體系，其安全防護與氫氣相關性很小，以下只討論儲氫模塊和管路模塊（考慮到兩個模塊在各種氫能源體系中的通用性，以下將其統稱為儲氫系統。）的安全防護問題，這是一個氫能源體系產業化之前必須解決的根本問題，以下兩個方面比較突出。
1. 儲氫裝置的撞擊安全問題。正常使用過程中，包括加注、供給等過程，現行標準已經進行了規定。在正常操作的情況下，安全是可以得到保證的，這已經在用氫行業數十年的安全生產中得到了驗證。但作為車載設備，儲氫系統的安全要求必然要考慮到交通事故、尤其是惡性交通事故中儲氫系統的安全防護問題。無論是液氫儲氫罐、金屬氫化物儲氫罐、還是高壓儲氫罐，儲氫系統一旦受到外力沖擊而失效的情況下，必然導致大量氫氣外溢。由于氫氣在空氣中的爆炸濃度范圍很寬，這種外溢極易導致氫氣爆炸，從而引發極為嚴重的次生安全事故，造成嚴重的人員和財產損失；如果爆炸事故附近存在其他易燃易爆、有毒有害化學品，甚至可能導致更進一步的次生安全事故。考慮到可能存在的恐怖主義襲擊等極端情況，這個風險必須得到有效控制。因此，GB/T 24549中就要求燃料電池電動車應符合相關的國家機動車強制性標準要求和電動汽車安全要求，但對于碰撞要求并沒有做具體規定，而是將碰撞安全的具體要求交給相關企業和科研機構進一步完善，其基本原因就在于當前根本沒有相關的數據支撐相關參數的評估。在真正產業化之前，儲氫裝置的撞擊安全問題必須解決。
2. 氫氣釋放/泄放裝置的安全問題。GB/T 24549中要求應保證釋放、吹掃和其他溢出等情況下，跟氫氣有關的危害不會發生，這一要求也是對于所有高壓氣體和液化氣體儲存裝置的一個基本安全要求。但對于車載儲氫系統而言，如果儲氫裝置失效，氫氣排向何處？如果大量排放，極易在其周圍形成一個爆炸性混合氣團，發生爆炸事故的風險遠高于燃油車輛的汽油泄漏事故。再比如液氫儲存裝置的長期存放問題。無論隔熱做得多好，熱量總是會傳導，導致液氫氣化，從而產生氣體高壓。而城市車輛在正常使用的情況下，燃料加注周期一般在一周左右甚至更長。這個周期中，特別是長期不動的汽車，其液氫氣化產生的氫氣如何排放、排到哪里，氫氣釋放/泄放裝置的安全問題不僅涉及到車輛儲氫裝置本身，還涉及到相關配套設施的規范建立，比如車庫中的氫氣監控和排放裝置。這些問題都需要相關機構進行實驗以收集數據、開展技術性評估并進行相應規范，否則氫氣作為動力能源就不可能安全地應用到日常生活中。
綜上所述，氫能源體系是未來能源體系的發展方向，但它的發展之路上仍然存在著很多根本性的安全問題亟待有關科研機構和企業解決。只有跨過這些必要的技術門檻，氫能源體系的大門才真正向人類社會打開。
