新能源 氢能利用的安全性问题及建议,
氢能新风口,潮汐能制氢,加能富氢水 氢在化学周期表中处于第一位，是最轻的化学元素，氢元素被发现到氢气在工业领域中使用已有100多年的历史。在最近几年中，与氢能相关热词在能源领域中出现的频率大大提高，特别是自去年我国提出“碳达峰、碳中和”目标以来，氢能可能是仅次于“碳达峰、碳中和”的热词之一。氢虽然是一种能源，但在以前更多是作为原料，广泛用于化学工业，包括石油炼化工业，它是裂化原油并制成二次高质量燃料油品的重要催化剂。氢存在于各种化石能源之中，煤炭、石油、天然气、煤气等都含氢，只是以不同的形式存在，煤中以单一的氢态存在约0.1%~5%，而在石油天然气中以炭氢化合化的形式存在，天然气质量标准中允许含5%以下的氢气，城市人工煤气内氢气的体积含量可高达56%。航天领域内用液氢作为燃料发射火箭。在电力系统中，氢除了是燃料的成分以外，还作为冷却剂用于发电机的冷却，以保证发电机线圈和铁芯温度在允许范围以内。但氢如果使用不当、措施不力，很容易发生爆炸而生成事故。
氢能可以利用不易消纳的电力（如风、光电，低谷核电等等）灵活转化，也可以替代天然气，在使用上比电、气、石油制品具有更大的灵活性，可以在工业、建筑业、交通运输、航空航天等各行各业中发挥重要作用，也可以在居民生活中使用。氢也是理想的储能载体，真正低碳环保的电动汽车将应氢能发展而生。基于氢能经济潜力巨大，具有“第四次工业革命”的基本特征，中央和各地方政府陆续出台氢能经济的相关扶持政策，补贴或奖励的重点也由氢能汽车向加氢站基础设施的建设拓展，大力推进氢能产业经济的健康快速发展，加速我国迈入清洁环保的“氢能社会”步伐。
氢能作为能源大规模使用，在氢生产、设备制备、储存、运输、加注和使用过程中均具有潜在的泄漏和爆炸的危险，在大规模商业化推广使用前安全是必须考虑的重要问题，因此氢安全也将是决定氢能被广泛使用的前提和条件。为此，世界各国的科技学术界已对氢能的安全从技术和标准的角度开展了较为广泛而深入的研究，并取得了不少的进展[3]。许多国家成立了专门的研究机构开展氢安全研究[4]，以期在氢能产业化过程中占据主动权和制高点，如日本供氢及氢应用技术协会（Hy-SUT）、日本氢能检测研究中心（HyTＲeC）、美国圣地亚国家实验室（SNL）、欧盟燃料电池和氢气联合协会（FCH2-JU）、北爱尔兰氢安全工程研究中心( HySAFEＲ)、加拿大电力科技实验室（PowerTech）等。国际上也专门成立了国际氢安全协会（IA-Hysafe）来推动氢安全的发展。
我国高等院校等研究机构也在氢安全领域开展了大量研究。我国适用能源领域的安全法律有《中华人民共和国安全生产法》《中华人民共和国电力法》《中华人民共和国煤炭法》《中华人民共和国石油天然气管道保护法》《危险化学品安全管理条例》等。但是，现有的规程或标准仅限于技术层面与局部的管理范围，缺少足够的系统性，不足以满足整个氢能经济的发展。譬如，输氢管道及相关设施保护、氢安全应急与救援，氢气输送与天然气输送的关系，民生用氢的安全规范，政府氢能安全管理与监管职责的划分等，在政府安全管理或监管方面尚未作出相应的氢能安全发展与利用的法规建设，不利于促进氢能经济的发展。
根据《危险化学品管理条例》，氢气与石油天然气一样列为危险化学品，序号为1648，CAS号1333-74-01649，1类易燃气体[5]。由于氢气的易燃性质，列入《危险化学品目录》并予以管理完全正当。但是，目前氢气在能源领域的使用越来越多，已成为能源领域新的一员，其作用不断增大，已经逐步渗透到能源研究与应用的各个领域，并推动着能源革命进程。国家统计局从2020年起，单独统计全国的氢产量。《标准普尔全球普氏能源资询（S&P Global Platts）》开始发布氢价格信息，这表明氢和石油、天然气一样，属大宗能源商品。氢能还未列入现有的能源法律法规、规章及规范性文件中，由此，使氢的生产、储运和使用只能按照危险化学品管理，不利于氢能按能源属性进行安全管理或监管。
氢的原子质量为1.00794u，在0℃和1atm下的密度仅为空气的1/14，是自然界已知的最轻元素。氢气无色无味，易泄漏扩散；氢气在常温常压空气中的可燃浓度为4%～75%（体积分数），可燃范围宽；氢气在常温常压空气中的爆轰极限为18.3%～59%（体积分数），爆轰速度为1480m/s～2150m/s。爆轰的特点是突然引起极高压力，并产生超声速的冲击波。由于在极短时间内发生的燃烧产生激剧膨胀，像活塞一样挤压周围气体，所产生的能量有一部分传给被压缩的气体层，于是形成的冲击波由它本身能量所支持，迅速传播并能远离爆轰源而独立存在，从而引起该处其他爆炸性气体混合（或炸药）发生爆炸，这就是“殉爆”现象，即二次爆炸[6]。因此，氢设备的严密性极为重要，当氢气泄漏与空气或其他氧化剂结合时很容易着火，并会释放出很大的能量。它的易燃易爆性，在燃烧或爆炸时能量大，破坏性强，极容易危及生命安全和财产损失。关于氢气泄漏自燃的机制，目前国际普遍接受的是氢气的负焦汤效应（inverse effect ofJoule-Thompson）、静电释放（electrostatic discharge）、扩散点燃（diffusion ignition）、瞬间绝热压缩（sudden adiabatic compression）和热表面点燃（ignition by hot surface）。氢气的易燃易爆特性与石油天然气有很大区别，其威力和破坏性极强，其后果也要严重得多。
钢在高温高压氢环境中服役一定时间后，氢可与钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和微裂纹，导致钢性能不可逆地劣化。温度越高、氢分压越大，钢的氢腐蚀越严重。金属吸收内部氢或外部氢后，局部氢浓度达到饱和时，将引起塑性下降，诱发裂纹或延迟断裂。钢材中氢使机械性能脆化，这个现象称为氢脆[7]。在冶炼或焊接过程中，若不采取严格的措施，将使钢材中的氢含量增加；充有氢的管道或压力容器中的氢会渗透到钢材中，钢材被氢侵入，降低强度，并脆化开裂而失效。
氢脆的机理尚不完全清楚，但是很多因素会影响氢脆速度，如压力和环境温度，氢的纯度、浓度和暴露时间，以及材料的应力状态、物理和化学性能、微观结构、表面状况和裂缝前端性质等[4]。
由于氢气对输送管道和设备材料存在着发生氢脆的可能性，与输油和天然气相比有着更特殊的材料要求。尽管学术界在氢对材料的相容性方面做了大量的研究，但是，现有的研究成果不足以满足氢能发展的需要，譬如，能否利用现有天然气管道掺入氢气进行输送？如果能掺氢，则掺比多少较合适？此比例应能保证天然气管道不发生氢脆的情况下的最大掺氢量。如果天然气管道能掺入一定比例的氢，则将有效解决氢气输送途径之一。另外，民用氢瓶采用什么材料最为经济安全等，这些问题均影响着氢能使用的安全性和经济性。
氢能属二次能源是基本共识，它主要脱胎于煤炭、天然气和石油等，但是它又不同于煤炭、石油及天然气。以前，氢以原料的形式用于石油和化学工业等，现在氢气在能源领域中的地位大大提高，以氢燃料电池为代表的电动汽车得到迅速发展，氢能发电、氢能列车、氢能船舶、以氢储能等，氢在各个领域得到越来越广泛的使用。氢能在各省市作为新经济得到极大的重视，纷纷出台支持氢经济发展的政策。但是，氢能管理并未完全纳入到国家能源管理机构的职责中，没有设置相关部门履行政府管理职责，也没有氢能的法律法规、规章及规范性文件，特别是安全监管职责不够清晰。氢能生产，输送管道规划、建设与运行，氢气液化，氢气储存，加氢站规划与建设，氢气承压设备制造与检验等管理，亟需相应的政府职能、法规界定与支持。目前，各级地方政府大部分按天然气进行管理，在各地的能源规划中，也很少有氢能发展规划的重点或专项内容。氢能的生产、运输、储存和使用，在按危险化学品管理的基础上，更好地以能源形式予以管理或监管是推进氢能经济发展的重大课题。
在碳达峰、碳中和目标下，氢能开发和利用将是大势所趋。我国可再生能源资源丰富，但是可再生能源发电与电力负荷中心相距遥远，当前主要靠特高压线路解决可再生能源发电的电力输送与消纳问题。用电解制氢将是另一条解决弃风弃光弃水的有效途径，氢能发展能助力大规模可再生能源发电，同时将大大降低电解制氢的经济性问题，在价格上有望与煤制氢相当，两者发展相得益彰。电解制氢技术成熟，氢气品质优良，既可以作为燃料电池的氢源，也可以用于工业和民用燃料。在运输上通过高压气瓶输送，也可以液化后输送，如果与天然气一样作为一般工业燃料使用，则可以通过掺入天然气管道或独立的氢气管道输送到市场销售。氢气可以直接供燃气轮机发电，也可以通过燃料电池发电，氢电转换两相宜，存储更容易，运输方便灵活。氢能还可以参与电网调峰，利用电网低谷时的电能制氢，可以替代抽水蓄能等储能方法，解决核电和可再生能源发电消纳困难。氢能经济发展路径的实施迫切需要政府指导、协调及推动，因此，氢能应纳入能源管理范畴，以推进氢能服务于经济发展。
氢比石油天然气更容易燃烧与爆炸，这是氢气的性质所决定的。譬如，氢在常态空气中燃烧速度[3]为2.65～3.25米/秒，甲烷为0.37～0.45米/秒，氢的燃烧速度比甲烷高一个数量级。常态下空气中氢燃烧极限（体积百分数）为4.0%～75%，而甲烷为5.3%～15%；常态下空气中爆轰极限（体积百分数）18.3%～59%，而甲烷为6.3%～13.5%，氢的燃烧极限与爆轰极限均比甲烷宽。
氢气在空气中的点火能为0.019mJ，氢气在空气中的最小点火能比甲烷（0.2mJ）或汽油（0.24mJ）要小得多，即：只要存在微弱点火源，甚至是由人体静电释放引起的微弱火花都会点燃氢气。与甲烷-空气混合物相比，由于氢具有更宽的燃烧极限和更低的点火能量，氢-空气混合物更有危险性。氢在常态下着火不易被肉眼所看见，其燃烧速度比天然气快得多，在发现和消防上存在更大的困难。如果大规模使用氢能于工农业生产和百姓生活，其潜在的安全风险绝不能低估。现有的氢能安全技术标准与技术规范相对于政府管理制度与法规要完善些，以现有的石油天然气安全监管体系与法规明显不适应氢能安全监管的需要，政府应当组织制订出台比石油天然气更加严格的安全法规，并在安全监管上更加严格，以确保其安全性。
无论是矿物能源还是电力等二次能源，均不同程度地存在危害生命财产安全的问题，只是在漫长的发展使用过程中，人类不断地推进技术进步，了解熟悉其安全特性，总结经验与教训，持续加强安全管理，才得以有效控制并不断减少事故而造福于人类文明。氢能也不例外，氢能必将是未来低碳能源的选项，它虽然存在明显的安全风险，但远小于给人类带来的益处。关键在于要着力加强氢能安全的基础理论研究，不断推动技术进步，持续提高氢能设备的可靠性和安全性。譬如，加强氢能设施与设备的材料适用性与相容性研究；加强氢能设施与设备的密封技术研究；氢泄漏的预防与监测技术研究，利用大数据和智能技术分析氢能系统运行状态，诊断系统的故障和风险研究。对使用氢能的大型建筑物，如大型公共建筑、写字楼、机场港口、遂道等，必须有氢气的排放措施，严防氢气在建筑物内积聚。从氢能使用的设计、制造、建设、生产、运行和维护各个环节都应有足够高的可靠性，包括人员的可靠性，以保证氢能设施和设备的本质安全。
[1]段常贵. 燃气输配（第三版）[M].中国建筑工业出版社, 2001.
[5]国家安全总局.危险化学品目录（2015版）实施指南.北京,2015.
[6]邬长城,薛伟,贾爱忠,谭朝阳等.《燃烧爆炸理论基础与应用》.化学工业出版社,2020.2.
[7]中华人民共和国国家标准.《氢系统安全的基本要求》GB/T29729—2013.
