氫能源強勢崛起與滅火防護

氫能源正在強勢崛起，而氫能利用安全性問題日益凸顯，加緊氫氣火災機理的研究、加快滅火藥劑和器材裝備的開發，已經擺在世人尤其是消防科研機構、消防產品制造企業和消防指戰員面前。

一、氫能源強勢崛起

氫產業已經站上風口?；茉粗茪涫俏覈饕茪鋪碓?，占比六成以上，但其存在高碳排放量的“灰氫難題”。伴隨清潔能源產業快速發展，電解水制“綠氫”迎來曙光。

  （一）政策鼎力支持

  中國石化董事長馬永生告知，公司將氫能作為新能源核心業務加速發展，未來五年初步計劃總投資超過300億元?！笆奈濉逼陂g，中國石化規劃建設加氫站1000座，加氫服務能力達到20萬噸/年。中國石化擁有3萬座加油站，擁有發展氫能業務的網絡優勢。

   政策推動充電、加氫等設施建設，引導鼓勵氫燃料電池產業發展。同時，為深入打好污染防治攻堅戰，將實施清潔柴油車（機）行動，推動氫燃料電池汽車示范應用，有序推廣清潔能源汽車。

   交通運輸部印發《綜合運輸服務“十四五”發展規劃》，提出加快充換電、加氫等基礎設施規劃布局和建設。北京、山東等地紛紛出臺氫能產業發展規劃及實施方案，并制定了具體建設目標。根據《北京市氫能產業發展實施方案（2021-2025年）》，2025年前培育10家至15家具有國際影響力的產業鏈龍頭企業，京津冀區域累計實現氫能產業鏈產業規模1000億元以上。

   中國氫能聯盟數據顯示，到2025年我國氫能產業產值將達1萬億元，氫氣需求量將接近6000萬噸，實現二氧化碳減排約7億噸。

氫能被認為是極具發展前景的二次能源，具有清潔低碳、高熱值、高轉化率等優勢。發展氫能對于能源領域節能減排、深度脫碳、提高利用效率意義重大。氫能產業鏈涉及廣泛，包含上游制氫、中游儲運及下游應用等環節。

  （二）發展“綠氫”成共識

2022年8月26日早間，上海發改委等部門聯合印發《關于支持中國(上海)自由貿易試驗區臨港新片區氫能產業高質量發展的若干政策》的通知。通知中提到，支持氫燃料電池汽車產業鏈重點企業和項目在臨港新片區布局，推進在符合條件的特定區域探索開展一定規模的光伏發電制氫、風電制氫等“綠氫”示范，穩妥布局氫燃料電池分布式熱電聯供設施等多個重點支持方向。

在寶豐能源光伏制氫工廠，標有“綠氫H2”“綠氧O2”的大型儲氣罐在陽光下矗立，車間里多個氫分離器、氫氣純化裝置有序排列，而距離工廠1公里的地方一片片光伏發電板鑲嵌在曠野里。

   寶豐能源氫能項目負責人王箕榮告知，成片的光伏發電板組成20萬千瓦光伏發電裝置，加上產能為每小時2萬標方氫氣的電解水制氫裝置，共同組成寶豐能源氫能產業項目。

   以光伏產生的電能作為動力，使用電解槽制取“綠氫”和“綠氧”，進入寶豐能源的烯烴生產系統，替代過去的煤。“綠氫”綜合制造成本僅為0.7元/標方。該項目已經有30臺電解槽投產，全部投產后可年產2.4億標方“綠氫”和1.2億標方“綠氧”，每年減少煤炭資源消耗約38萬噸，減少二氧化碳排放約66萬噸。未來，公司將向制氫儲能、氫氣儲運、加氫站建設方向綜合發展，并通過與城市氫能源示范公交線路協作等方式拓展應用場景，實現氫能全產業鏈一體聯動。

   “綠氫”是指通過可再生能源轉化的電力電解水所制備的氫氣。電解水技術主要包括堿性水電解技術、質子交換膜（PEM）電解水技術以及固體氧化物電解槽技術。

  2021年3月，隆基股份與朱雀投資合資成立氫能公司。隆基股份總裁李振國表示，發展“綠氫”需從降低電解水制取設備以及光伏發電成本方面著手。同時，提高電解槽效率，降低電耗。隆基股份的“光伏+制氫”模式，選擇堿性水電解作為發展方向。

   從設備制造成本看，質子交換膜電解水的電極材料選用鉑、銥等貴金屬，設備制造成本居高不下。而堿性水電解選用鎳作為電極材料，成本大幅降低，可以滿足將來電解水制氫市場的規?；枨?。近10年來，堿性水電解設備的制造成本已降低60%，未來通過技術和生產裝配工藝升級，可進一步降低設備制造成本。

   在降低光伏發電成本方面，主要包括兩部分：降低系統成本和提升生命周期發電量。在全年光照1500小時以上地區，隆基的光伏發電成本技術上可以達到0.1元/度電。

   聯美控股計劃布局氫氣存儲及加氫站建設運營等環節。聯美控股總工程師武海濱表示，氫能機會蘊藏在交通運輸、燃料電池以及儲能領域，氫能市場將是萬億元甚至十幾萬億元規模的大市場。

加氫站設備供應商厚普股份董秘胡莞苓告知，厚普股份加大氫能源領域投資，已在加氫站設備領域成功研發出多項核心零部件，填補了國內多項技術空白，且成本不斷下降。在加氫站建設領域，厚普股份已逐步形成從設計到部件研發、生產、成套設備集成、加氫站安裝調試和售后服務等覆蓋整個產業鏈的服務能力。厚普股份與中國石化在加氫站建設方面有直接合作，將不斷深化完善產業鏈，目前正在研究開發低壓固態儲氫裝備及活塞式氫氣壓縮機等。

中泰股份專注氫能儲運。公司董秘周娟萍表示，氫儲運需要將其液化。公司的板翅式換熱器已在大型制氫實驗裝置中采用。氫氣液化是深冷技術的制高點，也是公司研發的立足點。“綠氫”方面，將依托自身的工程能力，與電解水廠家合作，將氫液化后儲運?？傮w思路是降低提純、液化成本，解決運輸問題。

   此外，美錦能源將把上游氫氣供應、中游裝備制造和下游運營打造成產業平臺，為后期的清潔能源產業發展提供支撐。

     （三）資源共享突破瓶頸

  目前，氫能產業發展仍存諸多掣肘。有研科技集團首席專家蔣利軍告知，從制氫環節看，目前比較成熟的制氫方法有堿性水電解、水煤氣和重整制氫等，而PEM等新型電解水制氫方法正在加快推進。我國堿性水電解制氫裝備在成本上具有競爭力，但能效偏低，制取1立方米氫綜合能耗為5至5.5度電，而國外可以控制在5度電以下。

   儲氫是目前氫能產業發展的一大瓶頸。理想的儲氫方式要求高儲氫密度、快速吸/放氫速度，同時要求使用壽命長、安全性能好、成本低。目前，70兆帕下的高壓儲氫技術已在燃料電池汽車中廣泛使用。高壓車載儲氫技術已能滿足燃料電池汽車行駛500公里的要求，但仍需降低成本，提高儲氫密度。而氫燃料電池的關鍵材料、氫氣循環泵等設備依賴進口，存在技術壁壘，燃料電池可靠性也亟待提高。

   氫能產業鏈長，涉及的關鍵核心技術多。不少核心技術如燃料電池、PEM制氫、液態儲氫、碳纖維材料等與世界先進水平還存在差距。

   我國已在氫能產業鏈上取得不少進步。氫能產業發展是逐步推進的過程，包括“足夠量的氫”“足夠量且便宜的氫”以及“足夠量且便宜的‘綠氫’”。

   專家建議，以應用為導向，以系統集成為主線，加快解決材料和部件的自供問題；以企業為主導，以資本為紐帶，集中國內優勢單位，建立協同創新聯盟，上下游密切結合，資源共享，快速研發；燃料電池汽車和分布式電站同步發展，分布式發電與可再生能源微電網密切結合。初期在示范車輛不足的情況下，加氫站宜建混合站，以油養氫。

氫能核心關鍵技術已具備規?；a條件，原理上實現了閉環。未來在物聯網體系下，PEM制氫、可再生能源與氫的耦合可以獲得更高的綜合效率。

二、氫能利用安全性問題

氫能作為能源大規模使用，在氫生產、設備制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸的危險，在大規模商業化推廣使用前安全是必須考慮的重要問題，因此氫安全也將是決定氫能被廣泛使用的前提和條件。

（一）氫能易燃易爆特性

氫的原子質量為1.00794u，在0℃和1atm下的密度僅為空氣的1/14，是自然界已知的最輕元素。氫氣無色無味，易泄漏擴散；氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4%～75%（體積分數），可燃范圍寬；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%～59%（體積分數），爆轟速度為1480m/s～2150m/s。爆轟的特點是突然引起極高壓力，并產生超聲速的沖擊波。由于在極短時間內發生的燃燒產生激劇膨脹，像活塞一樣擠壓周圍氣體，所產生的能量有一部分傳給被壓縮的氣體層，于是形成的沖擊波由它本身能量所支持，迅速傳播并能遠離爆轟源而獨立存在，從而引起該處其他爆炸性氣體混合（或炸藥）發生爆炸，這就是“殉爆”現象，即二次爆炸。因此，氫設備的嚴密性極為重要，當氫氣泄漏與空氣或其他氧化劑結合時很容易著火，并會釋放出很大的能量。它的易燃易爆性，在燃燒或爆炸時能量大，破壞性強，極容易危及生命安全和財產損失。關于氫氣泄漏自燃的機制，目前國際普遍接受的是氫氣的負焦湯效應（inverse effect ofJoule-Thompson）、靜電釋放（electrostatic discharge）、擴散點燃（diffusion ignition）、瞬間絕熱壓縮（sudden adiabatic compression）和熱表面點燃（ignition by hot surface）。氫氣的易燃易爆特性與石油天然氣有很大區別，其威力和破壞性極強，其后果也要嚴重得多。

（二）氫能安全研究尚處于初始階段

世界各國的科技學術界已對氫能的安全從技術和標準的角度開展了較為廣泛而深入的研究，并取得了不少的進展。許多國家成立了專門的研究機構開展氫安全研究，以期在氫能產業化過程中占據主動權和制高點，如日本供氫及氫應用技術協會（Hy-SUT）、日本氫能檢測研究中心（HyTＲeC）、美國圣地亞國家實驗室（SNL）、歐盟燃料電池和氫氣聯合協會（FCH2-JU）、北愛爾蘭氫安全工程研究中心( HySAFEＲ)、加拿大電力科技實驗室（PowerTech）等。國際上也專門成立了國際氫安全協會（IA-Hysafe）來推動氫安全的發展。

我國高等院校等研究機構也在氫安全領域開展了大量研究。我國適用能源領域的安全法律有《中華人民共和國安全生產法》《中華人民共和國電力法》《中華人民共和國煤炭法》《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》《危險化學品安全管理條例》等。但是，現有的規程或標準僅限于技術層面與局部的管理范圍，缺少足夠的系統性，不足以滿足整個氫能經濟的發展。譬如，輸氫管道及相關設施保護、氫安全應急與救援，氫氣輸送與天然氣輸送的關系，民生用氫的安全規范，政府氫能安全管理與監管職責的劃分等，在政府安全管理或監管方面尚未作出相應的氫能安全發展與利用的法規建設，不利于促進氫能經濟的發展。

（三）氫能尚未完全按能源屬性進行管理

根據《危險化學品管理條例》，氫氣與石油天然氣一樣列為危險化學品，序號為1648，CAS號1333-74-01649，1類易燃氣體。由于氫氣的易燃性質，列入《危險化學品目錄》并予以管理完全正當。但是，目前氫氣在能源領域的使用越來越多，已成為能源領域新的一員，其作用不斷增大，已經逐步滲透到能源研究與應用的各個領域，并推動著能源革命進程。國家統計局從2020年起，單獨統計全國的氫產量?！稑藴势諣柸蚱帐夏茉促Y詢（S&P Global Platts）》開始發布氫價格信息，這表明氫和石油、天然氣一樣，屬大宗能源商品。氫能還未列入現有的能源法律法規、規章及規范性文件中，由此，使氫的生產、儲運和使用只能按照危險化學品管理，不利于氫能按能源屬性進行安全管理或監管。

三、宇安氫能安全實用性研發

浙江宇安消防裝備有限公司是一家集團化的國家高新技術企業，是應急管理部上海消防研究所、應急管理部天津消防研究所戰略合作單位，是第三批國家應急產業示范基地核心企業，建有公安部建筑消防工程技術重點實驗基地。

（一）宇安安全實用性研發基礎

浙江宇安消防擁有浙江省高新技術企業研發中心，有中高級科研人員37名，研究領域橫跨消防裝備、滅火設備、消防化工、智能消防、醫療器械、勞動防護、物流技術、網絡科技。先后開發了消防員用40MPa空氣呼吸器氣瓶閥、水冷式空呼充填泵、消防員個人防護裝備、智能消防家居寶、帶壓力顯示消火栓、機械式正壓呼吸器、水基型滅火器和D類（金屬）干粉滅火裝置等創新型產品，獲得126項國家專利、6項計算機軟件著作權和3項公司保密技術。在中小型制造類企業中，浙江宇安消防實用性研發得到業界好評。

（二）宇安特種火災領域研發成果

浙江宇安消防裝備有限公司在本世紀初開始特種火災領域的研究，尤其是在D類火災（金屬火災）領域的研究及新產品開發方面取得了可喜成果。浙江宇安消防裝備有限公司董事長、總工程師楊國建擔綱起草了《D類干粉滅火劑》浙江制造團體標準（T/ZZB 0787-2018）。該標準在《GA979-2012、D類干粉滅火劑》標準基礎上，進一步把D類干粉滅火劑細化Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類三個分型，提高了D類干粉滅火劑滅火的針對性、有效性。該標準已由浙江省品牌建設聯合會于2018年11月23日審定發布，2018年12月31日開始實施。

浙江宇安消防研發、生產的D類干粉滅火劑取得了國內首份型式檢驗報告，首個進入《浙江制造》團體標準，取得了國家發明授權專利。D類干粉滅火器首個取得檢驗報告，獲得三項實用新型專利。全自動D類干粉滅火系統取得了國家固定滅火系統和耐火構件質量監督檢驗中心的合格試驗報告，獲得了兩項國家授權發明專利和五項實用新型專利。浙江宇安消防在非常見火災防護研發領域，已經占有一席之地。

（三）宇安氫能安全技術研發進展

高度重視技術預防、提高氫能設施與設備的本質安全，是一個氫能強勢崛起的前提與基礎。浙江宇安消防近年來開始關注石油天然氣、氫氣領域火災防護的研究與新產品開發。

研究認為，無論是礦物能源還是電力等二次能源，均不同程度地存在危害生命財產安全的問題，只是在漫長的發展使用過程中，人類不斷地推進技術進步，了解熟悉其安全特性，總結經驗與教訓，持續加強安全管理，才得以有效控制并不斷減少事故而造福于人類文明。氫能也不例外，氫能必將是未來低碳能源的選項，它雖然存在明顯的安全風險，但遠小于給人類帶來的益處。關鍵在于要著力加強氫能安全的基礎理論研究，不斷推動技術進步，持續提高氫能設備的可靠性和安全性。譬如，加強氫泄漏的預防與監測技術研究，利用大數據和智能技術分析氫能系統運行狀態，診斷系統的故障和風險研究。對使用氫能的大型建筑物，如大型公共建筑、寫字樓、機場港口、遂道等，必須有氫氣的排放措施，嚴防氫氣在建筑物內積聚。從氫能使用的設計、制造、建設、生產、運行和維護各個環節都應有足夠高的可靠性，包括人員的可靠性，以保證氫能設施和設備的本質安全。追蹤氫氣運用進程，加大對石油天然氣加氫站防火滅火實用性研究和滅火產品的開發。

2018年9月開始，浙江宇安消防裝備有限公司與公安部天津消防研究所合作開展“氫氣加注站干粉滅火系統應用與K型干粉滅火有效性實驗模型研究”。其技術目標是：針對氫氣充電合建站以及氫氣充氣合建站干粉滅火系統應用可行性以及系統設計方案，以及K型干粉針對天然氣噴射火滅火有效性模型進行研究，形成氫氣充電家住合建站以及氫氣充氣合建站干粉滅火系統設計要求，以及K型干粉針對天然氣噴射火滅火有效性實驗方案及實驗裝置模型，并開展K型干粉滅火有效性實驗研究。

2020年7月，“氫氣加注站消防系統技術規程”發布，浙江宇安消防裝備有限公司是5個參編單位之一。同時，浙江宇安消防研發、生產的BC—KHCO3(90%)/干粉滅火劑（K型干粉）通過了國家固定滅火系統和耐火構件質量監督檢驗中心的型式檢驗，為石油天然氣、加氫站的滅火防護奠定了一定的基礎。當然，氫能源的安全防護是一個系統性工程，浙江宇安消防的研究與開發只是開了一個好頭。（鐘正泉 余安顧）