氢能的安全应用研究-赛迪智库.pdf-solarbe文库

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安全产业研究赛迪工业和信息化研究院主办 2022 年 6 月 25 日总第 49 期 2 第期本期主题 □ 氢能的安全应用研究国际观察 □ 美国和日本氢能产业发展特点与启示企业研究 □ 林德集团国际氢能龙头企业数据之窗 □ 2015-2020 年我国氢气产量及增长情况（单位万吨，） □ 2016-2021 年中国燃料电池汽车产量及销量（单位辆） □ 2017-2021 年中国加氢站数量及增速（单价座，） □ 2018-2023 年中国氢燃料电池产业市场规模预测（单位亿元）『所长导读』 2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局发布了氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）（以下简称规划）。规划明确，氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。安全应用在氢能产业发展中的作用不言而喻，“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”也是规划的重点要求之一，做好氢能的安全利用，才能充分发挥氢能在能源绿色低碳转型中的作用，促进氢能产业高质量发展。本期主题文章为氢能的安全应用研究。文章归纳了氢能在不同领域的应用情况；分析了氢能在应用中存在的安全风险；论述了解决氢能安全应用的主要方法；提出了促进氢能安全应用的对策建议。国际观察部分美国和日本氢能产业发展特点与启示，针对美国和日本氢能产业发展的特点进行了梳理，也给出了对我国发展氢能产业的启示。企业研究林德集团国际氢能龙头企业，总结了全球氢能产业龙头企业林德集团的发展历程与经验，为我国氢能产业企业发展提出了建议。本期内容由黄玉垚、黄鑫、程明睿等研究人员承担了主要研究工作，不足之处欢迎业界的批评和指正。赛迪智库安全产业研究所所长高宏 2022年6月25日本期主题氢能的安全应用研究一、氢能在不同领域的应用现状1 （一）工业领域的应用2 （二）交通运输领域的应用4 （三）储能领域的应用5 （四）发电领域的应用5 （五）供暖和制冷领域的应用6 二、氢能在应用过程中的安全风险分析6 （一）氢在工业领域应用中主要安全风险分析7 （二）氢在交通运输领域应用中主要安全风险分析8 （三）氢在储能领域应用中主要安全风险分析9 三、氢能应用风险的主要解决方案10 （一）氢在工业领域应用风险的主要解决方案10 （二）氢在交通运输领域应用风险的主要解决方案11 （三）氢在储能领域应用风险的主要解决方案13 四、促进氢能安全应用对策建议13 （一）坚持安全优先的基本原则13 （二）加强全链条安全监管14 （三）强化氢能安全应用相关技术创新14 （四）深入开展宣传引导14 目录目录 CONTENTS 本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 1 氢能是一种绿色能源，无污染、零排放、供应充足，同时来源及应用均十分广泛，是一次能源重要的替代产品之一。它的制备与使用已经成为各国能源战略重要部分。据不完全统计，我国从 2014 至今制定了 21 项国家政策来支持氢能的普及与使用，同时各地方政府纷纷发布相关产业规划支持氢能发展，我国氢能的产业发展迎来良机。氢能产业的发展重在安全高效利用。在2022年3月23日国家发展改革委、国家能源局联合印发的氢能产业发展中长期规划（2021- 2035 年）中明确指出，“把安全作为氢能产业发展的内在要求，建立健全氢能安全监管制度和标准规范，强化对氢能制、储、输、加、用等全产业链重大安全风险的预防和管控，提升全过程安全管理水平，确保氢能利用安全可控”。同时要求，“有序推进氢能在交通领域的示范应用，拓展在储能、分布式发电、工业等领域的应用，推动规模化发展”。氢能产业虽然潜力巨大，但安全应用仍然是业界关注的焦点。由于氢元素化学性质活泼、应用中涉危操作过多、氢能基础设施不完善以及安全保障技术有限等原因，急需加强氢能应用全链条的安全管理和技术保障，有效应对各类应用安全风险。一、氢能在不同领域的应用现状从全球范围来看，氢能的主要应用领域有工业（如化工业、工业过程热、原油厂炼油、炼钢等）、交通运输（如航空、航运、铁路运输、道路交通运输等）、储能（如储能电站、加氢站等）、发电（如替代天然气作为补偿电源等）、供暖和本期主题氢能的安全应用研究专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 2 制冷（如热电联供等）等。从全球氢能在各领域使用量的情况来看， 33 用于炼油、27 用于氨气生产、 11用于储能、11％用于甲醇生产、 9 用于交通运输、3％用于炼钢、6 用于其他领域。（一）工业领域的应用在工业领域，氢能的应用主要包括化学工业和金属冶炼业。在化学工业中，氢能主要用来炼油制乙烯、丙烯和芳烃（如苯、甲苯等），制备氨气和甲醇等。在金属冶炼业，氢主要是替代焦炭作为还原剂和能源以冶炼铁及其它金属。 1、氢能在化学工业方面的应用在炼油工业中，氢气是一种重要的反应物，参与到加氢脱硫和加氢裂化等工艺中来制备汽油和柴油，以及通过对粗汽油、石脑油、重油、生物燃料油等的脱磺酸基、精炼、裂解、催化以及不饱和烃等的加氢反应，来增加中间馏分油的精收利用率，改善油料质量。据中国石化经济技术研究院的预测，随着常压渣油加氢、沸腾床加氢裂化等加氢工艺技术的优化与发展，将进一步推动炼油企业加氢生产能力与市场需求的快速提升，2021-2030 年全球加氢处理能力年均增长率将达1.70；中间馏分油年均增速将图 1 全球氢能应用领域分解数据来源安全产业研究所本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 3 高达 2.1，推动加氢裂化能力年均增速提高 2，使得中间馏分油加氢能力从 11.1 亿吨 / 年增至 16.5 亿吨/年。表 1 2020 年 -2030 年全球加氢装置变化情况及变化趋势预测装置 2020 年占一次加工能力比重（） 2013-2020 年均增长率（） 2030 年占一次加工能力比重预测（） 2020-2030 年均增长率预测（）催化裂化 21.79 1.42 21.81 0.82 催化重整 13.87 1.84 15.06 1.64 加氢裂化 11.34 3.55 11.44 0.89 加氢处理 75.22 2.06 80.13 1.45 延迟焦化 10.78 3.10 11.28 1.27 蒸馏能力 1.10 0.81 数据来源中国石化经济技术研究院在氨气制备工业中，氢气作为主要原料，与空气中的氮气混合后，在高温、高压和催化剂的作用下，直接生成氨气。氨气的市场需求量巨大，它不仅是目前最主要的氮素化肥，同时也是主要的无机化学和有机化学工业基础原材料，用于生产铵、胺、染料、炸药、人工合成化纤、人工合成环氧树脂等重要原料。此外，氨能在存储和运输方面更简单、安全，较氢能的优势明显，美国、日本、韩国已经布局氨能在燃料电池领域的应用，全球即将进入“氢 2.0”（即“氨”）时代。据预测，2022-2030 年，氨气的产量年均增速将超过 3.8，氢气在氨气生产领域的需求量年均增速将超过 4.0。在甲醇生产领域，氢气和一氧化碳作为反应物，在催化剂的条件下直接制得甲醇，也可以通过氢气和二氧化碳的直接反应来制备。近年来，利用氢气和二氧化碳直接反应制甲醇是各国研究及应用的重点，它带来了将大气中的二氧化碳转化为化石燃料的巨大可行性。全世界甲醇需求市场将在未来数年快速增长，预计 2023 年将达到 1.09 亿吨，年均增速约 6。受此影响，氢气在甲醇生产领域的需求量年均增速将超过 5。专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 4 2、氢能在金属冶炼工业的应用在金属冶炼工业中，氢主要用来替代焦炭作为冶炼铁及其它金属的还原剂和能源，采用这种工艺路线炼钢产量已占铁矿石炼钢产量的 6.8％。使用绿氢（即制氢工艺中碳排放为零所得的氢）或蓝氢（即由化石燃料制得的氢）作为还原剂进行金属冶炼，在世界范围内可每年减少约 23 亿吨的二氧化碳排放量，对推动实施“碳达峰、碳中和”战略有着重要意义。目前，欧洲国家已布局了氢直接炼钢项目，如德国杜伊斯堡-沃尔苏姆钢铁厂的500 MW 电解水制氢，同时用氢作为还原剂炼钢的项目。由于目前我国仍然采用炼焦煤方法炼铁为主，因此每年将消耗 1 亿吨半焦和 4 亿吨焦炭，以此测算，每年将排放超过12亿吨的二氧化碳，占据我国二氧化碳年排放量的约 10。若以氢气直接炼铁替代焦炭炼铁，每年将需要大约数千万吨的氢气。（二）交通运输领域的应用在交通运输领域，氢是最具潜力的化石燃料替代品。氢动力系统以其零碳排放量和更广阔的环境适应性，有望作为交通运输部门重大推广的化石燃料替代和技术解决方案之一，但这主要取决于动力电池科技的进展。燃料电池种类众多，目前较为常见并应用的有质子交换膜电池、磷酸电池、熔融碳酸盐电池和固体氧化物电池。从催化剂稳定性、电效率、工作温度、比功率 / 功率密度等指标情况来看，最适用于交通运输行业的是质子交换膜电池。在交通运输领域，氢燃料电池主要应用领域包括道路运输，如小型汽车、公共汽车、卡车和其他货车；海上运输，如船舶、港口；铁路和航空；其他领域，如救援车辆、深海装备等。相对于传统纯电动汽车，氢燃料电池汽车的燃料加注时间更短、续航里程更长，但综合能源效率仅为25左右，远低于纯电动汽车 70 的能源效率。从经济性能方面来讲，当燃料电池成本为75 100 美元 / 千瓦时，氢燃料电池车仍能够在续航里程数的 400500km 以内和纯电车竞争，将对有更高里程需求的消费者更具吸引力。目前氢能本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 5 在航空、道路交通等领域已有应有，同时全球在不断布局氢能更广泛的应用领域，随着能源体系的不断优化和碳排放交易系统的扩大，氢能应用范围将越来越大。（三）储能领域的应用氢储能是氢的又一个重要应用领域，如加氢站及储能电站。氢储能技术是指一种使用储氢材料为能量贮存介质，在常规发电量过剩时期利用冗余性电能生产氢的再贮存技术。当电网系统在能源生产不足时，利用燃料电池将贮存的重氢来生产电能并转变为甲烷，为常规燃料涡轮引擎发电机提供动能。氢储能技术能够缓解我国电网系统削峰填谷、新能源稳定并网问题，全力提升电力系统可靠运行能力和灵活多样性，并大幅度降低碳排放量，高效推进我国智能电网系统工程建设和实现节能减排、“碳达峰碳中和”的战略。然而，氢储能成本高昂（如表2），且对装置的安全性要求极高，氢储能技术的推广应用急需政策、投资、服务等方面联合发力。表 2 储能计算特性比较储能类型成熟度投资成本（元 kw -1 ）效率（）抽水储能商业化 50006000 7180 压缩空气示范应用 30005000 4275 氢储能示范应用 20000 4050 数据来源根据网上公开资料整理 2022，3 加氢站是氢储能领域的又一个应用，用于给燃料电池汽车提供氢气，是高压加氢、高压储氢于一体的设施。随着我国对燃料电池汽车推广力度的不断加大，燃料电池汽车保有量的不断增加，电力企业、石化企业等各类企业纷纷布局加氢站的建设，我国近几年加氢站数量呈现递增态势。据智研咨询机构统计数据，2017 年我国加氢站总数只有 10 座，2021 年已达 218 座，到 2025 年，我国加氢站保有量将超过 1000 座。（四）发电领域的应用在发电领域，氢能主要用于替代天然气作为补偿电源。风、专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 6 光、水等可再生能源电力有季节性波动，一般在冬季资源量小，而在春夏秋季资源量大。这样，就可在风、光、水、电过剩时电解水制氢，并在岩穴（譬如采空的盐矿）和采空的天然气田等处低成本存储；在风光水电有较长时间的短缺时，用氢能通过燃料电池或燃气轮机发电或热电联供，这样可再生能源电力制氢及氢能发电就成为碳中和时代电力系统中储能容量最大的储能模式。风光水电的短时间波动则主要由抽水蓄能、蓄电池储能电站、电动汽车智能充电、储热储冷和用户侧响应来进行消纳和补偿。在风光电作为发电主力时，需要大量灵活性电源作为补偿电源，大部分灵活性电源的年利用小时数很低，利用小时数仅为 1000 小时左右的占很大的比例。在这种情况下，发电系统投资的折旧和利息在发电成本中就会占很大的比例。而氢燃料电池发电系统的成本未来会远远低于燃煤和燃气发电系统，因此特别适合作为年利用小时数较低的补偿电源。（五）供暖和制冷领域的应用建筑物的供暖与发电规模仅为全世界总能源需求的三分之一。氢气因其零碳排放的性质，在分布式供暖领域，可作为天然气的替代品。未来，随着氢气输送能力的进一步提升，以及制氢、储氢、氢燃料电池、氢锅炉等成本将进一步下降，到 2030 年，氢燃料供热成本有望降为 900 2000 美元 /（户年），以热电联供的形式对建筑物进行供暖的氢能需求量为 3 9万吨/年。在风光电供应不足时，使用氢作为热电联供的能源，这样既提供热力又提供电力，与波动的风光电是非常好的配合。二、氢能在应用过程中的安全风险分析氢在0℃、1个大气压下是一种无色无味的气体，密度仅为空气的1/14，是自然界已知最轻的元素，易泄漏扩散，对金属材料有劣化作用，易发生氢腐蚀和氢脆。在常温常压空气中的可燃极限为4 75 （体积分数），可燃范围宽；爆轰极限为 18.3 59（体积分数），爆轰速度为1480 2150m/s，易爆炸。本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 7 氢气又是高能燃料，当与空气或其他氧化剂结合着火时，会释放出大量的能量。所以，氢的商业应用确实面临着很大的风险。（一）氢在工业领域应用中主要安全风险分析 1、氢能在炼油工业方面应用安全风险炼油过程中主要采用加氢裂化工艺，通过一系列的反应将重质油转化为轻质油。该过程对反应环境的条件要求非常苛刻，存在很高的安全风险，主要有以下几个方面反应过程中的安全隐患。加氢裂化工艺中应用了大量的催化剂，同时产生多种类型的生成物。在催化剂进行活化以及参与反应期间，发生爆炸的可能性较大，因此存在严重的安全风险。加氢裂化的反应发生后，会产生大量的尾气，且成分比较复杂。尾气中残留的氢气与其他废气混合，具有一定安全隐患，在排出过程中如遇明火会发生爆炸事故。生产设备存在的安全隐患。加氢裂化工艺所用金属设备非常容易受到复杂环境中的高温和氢气影响，进而产生氢脆现象，进而发生安全事故，甚至造成工业生产中断，同时也对企业员工的人身安全产生了危害。此外，一些生产设备由于长期的高效运转而存在各种类型的故障，一旦设备带着故障运行，将会增加生产过程中的安全风险。最后，一些设备和装置的防火防爆设计不符合要求也会增加安全事故发生的概率。工艺条件控制中的安全隐患。生产过程中，要科学地管理和控制压力、温度、进料速度等反应条件，来保障反应的正常进行。一旦压力超出控制范围，会对装置造成破坏性的影响。同时温度的控制必须科学有效，一旦失控会造成飞温的状况，导致严重的安全事故发生。此外，加氢进料的速度过快或过慢，都会使反应无法顺利进行，最终埋下安全隐患。 2、氢能在氨气生产方面应用安全风险氨气的生产过程中涉及氢气主要是合成系统，合成系统主要由氨合成、氨冷冻、压缩机站和氨罐区等 4 个工序构成，其中氨合成和氨专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 8 罐区属于重大危险源。氨合成属于特殊工序，其中氨合成塔的工作温度为 498℃，压力为 12.5MPa，一级氨分离器和液氨储罐的最低温度分别为 –32℃和 –36℃，而氢气又是易燃易爆气体。故合成系统具有高温、高压、低冷、易燃、易爆和有毒等特点，存在火灾、爆炸、中毒、窒息、烫伤和冻伤等事故危险。 3、氢能在甲醇生产方面应用安全风险甲醇生产过程中氢气作为主要反应物，其安全风险主要分布在三个区域生产装置区、甲醇罐区和液氧罐区，这些区域也是重大危险源。甲醇生产工艺过程复杂，化学反应剧烈，氢气也是易燃易爆气体，存在火灾、爆炸等安全风险，极易发生重特大安全生产事故，并产生连锁反应。例如，氢气在甲醇生产过程中，在有限空间内聚积至爆炸极限浓度时，遇明火即可发生爆炸。（二）氢在交通运输领域应用中主要安全风险分析氢能在交通运输领域应用中的安全风险主要是在储运阶段，尤其是储氢瓶等储氢设施的安全风险。储氢设备内胆锈蚀和氢脆、疲劳、氢渗等问题将导致整体塑性降低，裂缝扩大速率加快，甚至会严重影响储氢设备的服役寿命并导致漏水事件。 1、储氢过程中的安全风险储氢过程中的安全风险主要包括氢脆（又称氢损伤，是指氢在存储物内聚合成氢分子，形成应力集中并超过存储物强度极限，造成存储物材料力学性能下降、开裂或损伤）和内胆腐蚀，特别是当氢气含有腐蚀性杂质时，安全风险加剧。氢脆一旦发生，易造成存储物（尤其是钢瓶）的力学性能降低而泄漏氢气，极易引发起火爆炸事故。疲劳，是指存储物在重复装氢过程中导致寿命下降的现象，存储物内胆的抗疲劳能力降低时，极易导致氢气泄露。氢气剥离，氢气存储的压力在 35MPa 至 70MPa 之间，在这种高压条件下，反复重装过程中将引发升温和内胆中氢气渗透问题，对内胆材料的树脂黏合剂产生影响，从而引发树脂黏合剂出现剥离，最终引起储氢物储氢能力的下降和安全性能的降低。本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 9 在装卸过程中，如果储氢罐多次重复使用，会形成细小裂纹或磕碰摩擦，非常容易发生爆炸。此外，在氢气多次装卸过程中，含杂质较高的氢气会滞留在储氢罐中，如果不及时检查罐内余气情况，多次反复装卸后储氢罐中的氢气纯度会降低，形成易燃混合气体。氢气的液化存储也具有一定的安全风险。氢气在零下 253℃的临界温度下进行液化储存，一旦储氢瓶保温层遭到破坏使得内部环境温度升高，会导致瓶内的氢气快速从液态变为气态，瞬间在内部形成巨大的负压，从而发生爆炸。 2、运氢过程中的安全风险一是氢气输运管路的防雷、防静电等设备一旦保护失灵，会因为雷电及静电的聚集使管路及结构发生损坏，而造成起火爆炸事故；二是管路由于锈蚀、意外碰撞、热胀冷缩、振动疲劳等因素而遭到破坏时，就会产生大量氢气向体外渗透问题，一旦管路的法兰、阀门、焊缝等漏气或封闭垫圈破裂而引起漏气，则泄露的氢气遇到火源就会引起自燃或爆炸；三是输氢管道在抽送或压缩氢气时，极易发生由动火、检修而引起氢气与氧气或其它助燃气体混合，当混合气体达到一定的浓度限值时，遇明火会产生爆炸事故；四是外部的明火作业易引火进入管路内部，包括在管路周围的明火作业，或者与管路相连接的焊接用具因为回火而引入管路内，管路若过于接近热源，则易引发管内气体过热而造成的起火爆炸；五是当含有水或其它杂质的废气在管路内流淌时，一旦超过规定的流量就会因摩擦或碰撞形成静电堆积而放电。（三）氢在储能领域应用中主要安全风险分析氢能在储能领域的主要风险因素来自于加氢站日常运营。如一是在高压作用下，储氢设备或局部零部件因质量缺陷可能无法满足使用要求而发生故障引发氢气泄漏事故。二是在高压条件下，由于氢气能渗入各种金属设备的碳素中而引起各种金属管线和储运装备的氢脆破损，也会使储运装置和输送管线的塑性和硬度急剧下降，致使机械设备受损，引起泄露事件，而且专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 10 氢脆只能预防而不能根治。三是因加氢设备需要高压运行，氢气泄漏时会在金属管道或焊缝处高速喷射而出进而形成静电，而静电荷的形成方式与其喷射时的速度也具有直接同比关系，当静电荷超过规定值时可能会造成起火或爆裂事故的发生。四是储氢罐以及输气管道的出口处容易产生静电积聚而放电，从而形成了氢气着火爆炸事件的主要引火源。所以，氢气的泄漏及静电的产生是加氢站重要风险点。三、氢能应用风险的主要解决方案（一）氢在工业领域应用风险的主要解决方案 1、在炼油工业方面应用风险主要解决方案加氢设备的选材和防腐处理措施。针对设备的氢脆等问题，必须引起高度的重视。首先，要提高设备的选购标准，尤其是加氢裂化装置的选择，必须符合强度的要求，同时具备一定的防腐能力，保障设备的使用寿命和运行安全。其次，可以从设备的操作方面来避免设备发生氢脆，主要是在生产停工的阶段，对设备进行缓慢降温，可以有效减少设备的安全隐患。此外，针对设备的腐蚀现象，可以通过对压力和温度的合理控制来降低硫化氢浓度，减轻硫化氢对设备的腐蚀，并采用不锈钢等材质避免高温对设备产生影响。预防加氢裂化装置事故的处理措施。为了避免加氢裂化装置安全事故的发生，需要在生产的多个环节中采取预防措施。首先，要保证加氢裂化装置运行的参数科学合理，只有合适的参数设置才能够确保装置在运行过程中发挥出实际的功能。其次，为了防止飞温状况的出现，需要对装置的温度数据进行合理设置，避免反应器中的各床层温度超出预设的范围，一旦温度过高，应及时启用泄压装置，避免爆炸等事故的产生。此外，对于出现反应中断，需要对中断的根本原因进行明确，制定有效的安全处理措施，并合理实施，以确保整个生产的最终产品质量符合相关要求。 2、在氨气生产方面应用风险主要解决方案氨气的制备装置主要建设在避本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 11 免火源且通风条件良好之处，与其他生产设备保持一定的安全间距。氨气储罐上安装有温度计、液位计、报警仪等监控监测设备，周边区域安装防护围栏、危险化学品职业危害告知牌、重大危险源警示牌等安全警示标识。厂区设置气体监测仪、监控摄像设施、风向标、防护围堰、防静电设施、洗眼淋浴器、消防和气防设施（包括消防栓、消防炮、灭火器、氧气呼吸器）等。 3、在甲醇生产方面应用风险主要解决方案氢气在甲醇生产方面涉及的安全风险主要是火灾、泄露、爆炸三点。针对这三点，主要的解决方案是火灾防治方法在系统投料开车过程中，对高压装置以及高压管路中的接头法兰进行热紧，以防止由“小漏变大漏”、“大漏”因紧固不住而造成的火灾事故。在整个生产装置区内配备了可燃气体检测器和火灾报警仪，在作业岗位上还安置了便携式气体检测器；在整个生产装置区内设有消防水控制系统并配备消防器材，包括消防栓、消防枪、干粉灭火剂和泡沫灭火器等。气体泄漏防治方法汽化炉工作后严格规范地进行热紧处理；甲醇的装置关键设备主要是高温与高压两种，其设备的选择禁止选用等级低的材质代替等级高的材质；在生产装置区内，安装对应气体的检测仪器，防止出现泄漏。爆炸防治方法在甲醇生产设备所在区内安装防爆装置；在涉及易燃介质的工业生产设备和管线上设有法兰跨接线，在电气设备上安装接地线，以及采用其它的防静电和抗弱电等措施；在甲醇生产区设置防雷及接地设备，如在烟囱及高塔上装载避雷针，生产设备和各类建筑物上设置接地网，可预防由于雷击而产生的爆炸事故；为保证工作现场通气良好以避免氢气集聚，在密闭厂房内均设有防爆风机；受限空间内动火作业时，必须按规定进行通风换气，分析检测，确保氢气不在爆炸浓度范围之内。（二）氢在交通运输领域应用风险的主要解决方案 1、在储氢方面应用风险主要解决方案专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 12 Ⅳ型储氢瓶的开发是提升储氢效率及安全的重要手段。目前，在国内应用较多的是III型储氢瓶（铝内胆纤维缠绕瓶），在国外应用较多的是Ⅳ型储氢瓶。Ⅳ型瓶优势更明显一是从技术上来讲，其采用非金属内胆，具有优异的抗氢脆腐蚀能力，相对金属内胆的 III 型瓶更具安全优势；在通过相同外径、容积和压力（70MPa）条件下，Ⅳ型储氢瓶储氢密度可以达到 5.5％，高于III型瓶的3.9％；成品重量为 48KG，比 III 型瓶轻 22.5；二是从经济性上来讲，Ⅳ型储氢瓶制造成本只有 III 型瓶的 63.5，而且其由于内胆为塑料，不易疲劳失效，使用寿命较长，进一步降低了消费成本。车载储氢系统的发展趋势为安全、高储氢密度、轻量化、低成本、长寿命，因此 III 型瓶向 Ⅳ型瓶转变是符合未来氢能产业发展要求的，Ⅳ型瓶也将会成为氢燃料电池乘用车的首选储能装备。 2、在运氢方面应用风险主要解决方案高压运氢的标准体系上来看，目前各国均出台了相关设计规定。如美国已出台了 DOT-3AA/3AAX 压缩气体运输标准，规定长管拖车在运输氢气时期安全系数应达到 2.48；此外，美国还制定了 E-8009 标准，详细规定了储氢材料组成、可耐压极值等。我国也制定了相关标准规范来强化氢气储运要求，如 GB/ T3634.2-2011氢气第2部分纯氢、高纯氢和超纯氢主要针对化学工业、石油炼制、金属冶炼等方面的管道输送氢气，提出了系列要求。高压运氢虽然存在一定安全风险，但严格按照相关标准规定运氢则能大大降低风险。在液氢运输方面，运氢装置安装卸压阀，可进一步调节内部氢气压力，在远离明火的条件下无危险。虽然液氢运输过程中不能完全的隔热，储氢设备内的液氢会发生蒸发促使内部气压增大，但通过卸压阀的调节可逐步降低气压。同时，当氢气从储氢装置排出后，在空气中将迅速扩散，在远离明火的条件下同样无危险。此外，为了防止氢脆发生，在实际应用过程中通常会选用铝制复合材料作为输氢管道的材料，而不本期主题氢能的安全应用研究安全产业研究2022 年第 2 期 13 选高强度钢，如锰钢、镍钢等。储氢瓶若以高强度钢为材质，则在长期高压储氢条件下，钢的强度在长期受氢气分子入侵后变低。但铝材质受此类影响较小，可降低氢脆现象。（三）氢在储能领域应用风险的主要解决方案氢在储能领域的安全风险主要来源于加氢站。据调查结果显示，加氢站的主要风险点在于氢气加注机和压缩机会发生氢气泄漏，将直接影响加氢机和站内控制室的安全运行。为降低氢气泄露带来的风险隐患，加氢站在实际运行过程中，需要在压缩机上安装泄漏检测和自动关闭系统、氢气传感器，以及在加氢站不同位置安装手动关闭系统。同时，加氢站保持适当的安全距离也是风险防控的重要手段之一。不同国家对于安全距离有着不同的要求，如表 3 所示。表 3 国内外规范内加氢站的安全距离对比类别控制要求中国美国德国日本英国站内距离限制距离站内明火 1214* 12 15 8 5 布置距离氢设备之间 315 null* 0.51 null null 氢与非氢设备距离 48 null 2 null null 保护距离设备与道路 25 3 null 3 8 与厂房 / 仓库 515 0 2h*** 5 null null 站外距离与站外建筑 1250 22h null null 与站外明火 2040 34.6 null null 8 注* 明火距离按站内的燃气（油）热水炉、燃气厨房进行取值；** 由于国外引入风险评估，部分数据未作强制规定，按评估结果确定；*** 美国规范要求对象的建构筑物耐火时间不低于 2h。四、促进氢能安全应用对策建议（一）坚持安全优先的基本原则统筹氢能应用发展和安全，将安全作为氢能应用领域的重要基石和要求，构建氢能各应用领域的安全管理制度，建立氢能在工业、交通运输、储能、发电、供暖等应用领域的重大安全风险的预防和管控机制，提升氢能应用的安全管理水专业就是实力精准就是品牌安全产业研究2022 年第 2 期 14 平。（二）加强全链条安全监管完善氢能全链条的安全监管制度和标准体系，落实氢能安全应用的企业主体责任和部门监管责任；建立健全氢能在各领域安全应用标准规范，强化安全监管效能。加强氢能应用领域突发事故的应急处置能力建设，制定切实可行的处置预案和操作规程，提升氢能在各领域应用中的安全风险防范能力和本质安全水平。（三）强化氢能安全应用相关技术创新推动氢能应用核心技术和安全防范技术的协同发展，加强储氢材料及技术、氢气泄漏检测监测预警产品及技术、特种设备的检测技术等的研发。强化大数据、互联网、人工智能等新一代信息技术在氢能全产业链的应用，为氢能各应用环节易出现的疲劳、泄漏、火灾、爆炸等风险隐患提供先进的解决方案，提升氢能应用领域事故防范预警及应急处置能力。（四）深入开展宣传引导积极开展氢能安全应用的宣传教育工作，强化氢能使用企业的培训力度，推动氢能安全风险防范技术及设施的高效利用，全方位提升氢能安全应用意识。加强社会层面的氢能科普教育，推进全社会对氢能的认知水平，为氢能的安全应用打下坚实基础。（作者黄玉垚）国际观察 15 安全产业研究2022 年第 2 期随着能源转型和气候变化的压力日益增大，特别是新冠疫情和地区冲突导致国际能源供应链不稳定性持续增强的背景下，世界各国都在加速探索低碳多元的能源供给模式。氢能作为清洁高效、应用广泛的能源之一，成为世界主要国家关注的热点。据国际氢能委员会预测，到2050年氢能占全球能源消费的比重将提高到 18，氢经济的市场规模将达到 2.5 万亿美元。为此，许多国家纷纷制定氢能发展战略或路线图，并通过技术创新、基础建设和示范应用积累了较强的技术储备，逐步构建氢能产业链，推动氢能大规模应用，试图在国际氢能领域竞争中占据优势。我国作为世界上最大的制氢国，在主要技术储备和生产工艺方面具有一定基础，但产业发展路径尚不清晰，产业链关键环节亟需打通，规模化应用趋势尚未形成。因此，对美国、日本、德国氢能发展的特点和现状进行分析，以期为发展我国氢能产业提供参考。一、美国氢能产业发展战略与特点（一）将氢能纳入国家能源发展战略美国是全球最早将氢能纳入能源战略的国家。早在1970年，美国就提出了“氢经济”概念。从 20 世纪 90 年代开始，美国政府的氢能政策从技术研发到推广应用，逐步深入到产业发展，并在应对气候变化的目标下不断提升氢能的战略地位。2002 年，美国发布国家氢能发展路线图，标志着美国氢能产业从远景构想转入行动阶段，此后美国陆续出台氢能技术研究与开发行动计划氢立场计划氢与燃料项目计划等文件。2003 年，以美国为首成立了氢能与燃料电池国际伙伴关系，并建立全球“氢安国际观察美国和日本氢能产业发展特点与启示专业就是实力精准就是品牌 16 安全产业研究2022 年第 2 期全委员会”，设立氢安全知识工具平台，意图引领全球氢产业发展。自2004年以来，美国能源部平均每年投资氢能产业项目超过 1.2 亿美元，通过一系列项目布局和持续投资，奠定了氢能产业关键技术的全球优势地位。2019 年，美国燃料电池和氢能协会（FCHEA）发布美国氢经济路线图，提出美国能源部计划2020年2022年在乘用车、分布式电源、家用热电联产等多个领域实现氢能的规模化应用，并继续保持氢能领域技术优势地位；到 2050 年，氢能产业将累计提供 340 万个就业机会，并满足美国 14 对能源需求，加强美国经济在全球的领导地位。2020 年 11 月，美国能源部发布最新版氢能计划发展规划，提出到2030年及更长时期的氢能总体战略。2021 年 2 月，美国重新加入巴黎气候协议，进一步推动包括氢能在内的技术研发和规模化应用。2022 年，美国能源部发布实现清洁能源稳健转型的能源供应链战略，对包括氢能在内的重点领域供应链风险进行分析并提出应对策略。持续的政策文件出台凸显了美国对于氢能发展的高度重视。（二）力求实现全产业链的技术领先美国认为清洁能源技术为美国制造业在未来全球低碳经济中保持领导地位提供了机会，而清洁氢气将成为清洁能源经济的核心，促进美国国内就业，并使美国成为该领域产业的全球领导者。因其开展氢能技术研发的时间较长，研发重点已覆盖了从制氢到用氢的各环节。美国能源部 2013 年发布燃料电池技术办公室未来数年技术研究、开发与示范行动计划，推动美国氢能进入技术开发和示范研究阶段； 2020 年发布氢能计划发展规划，提出对可再生能源、电解槽制氢技术、核能等绿色清洁制氢技术，储氢载体及储氢设施，高性能氢燃料电池等领域开展研发。此外，基于研发的深入，美国还大力开展氢能技术、设备、材料等标准的研究制定，旨在通过对氢能产业全流程的质量控制，加速推动氢能技术的产业化进程。全产业链的技术研发及掌控核心技术的路径不仅推动美国国际观察 17 安全产业研究2022 年第 2 期国内能源体系转型，还为其在全球氢能经济发展中占据领先地位奠定基础。（三）注重氢能应用的经济性指标经济性指标是加速氢能技术产业化进程和商业化应用的关键因素之一。为了在全球范围内率先推出氢能技术的市场应用，美国制定了综合性的评估指标，把经济指标和技术指标结合起来，提高氢能应用的可行性。随着全球气候压力增大，以及在新能源领域的竞争加剧，美国推动氢能研发应用和产业化步伐明显加快。2021 年 6 月，美国能源部启动“加快建设清洁能源地球” 计划，第一个行动就是“氢气行动”，目标是十年内将清洁氢气的成本降低80，达每公斤1美元，以实现美国2050年净零碳排放的目标。 2021年美国参议院通过5500亿美元的基础设施投资和就业法案，其中有 95 亿美元用于支持氢能领域发展，促进氢能产业的“可及性”。 2022 年 3 月，美国能源部宣布投入 2800 万美元，用于开发利用城市固废、残留煤炭废物、废塑料和生物质原料生产低成本清洁氢气的技术。这反映出美国对加速提升氢能经济性的急迫性。二、日本氢能产业发展战略与特点（一）以建设多元化应用的“氢能社会”为目标日本是全球最早推动氢能全面应用的国家之一。20 世纪 70 年代，日本成立“氢能源协会”，开始了氢燃料电池技术开发。依托国内汽车产业的雄厚基础，氢燃料汽车成为日本氢能产业链下游应用最早推广的重要领域。2014年，日本在能源基本计划