浅谈氢能源体系的安全问题
一、 氢能源体系广阔的前景
氢能源是一个已经持续了数十年的热点话题。氢气本身不是一次能源，而是二次能源，换言之，氢气不是开采出来的，而是生产、转化来的。从这种意义上讲，氢气作为能源是一种转移、转换，而非像开采石油、煤炭一样直接的能源生产。因此，所谓“清洁能源”的提法也不准确。氢能源是否清洁，不是看氢气本身，而是看氢气的生产方式。以化石燃料为原料生产的氢气就不“清洁”，而以可再生能源为原料生产的氢气就是“清洁”的。也因为这样，氢气作为一种能源，即使不考虑各种应用技术难题，在可再生能源大量应用之前并不具备现实的经济性，它的种种优势只存在于理论之中。
这种情况随着新世纪的到来而发生了变化。根据北极星风力发电网数据：“我国可再生能源十分丰富，可再生能源的开发力度居世界前列，新能源新增及累计装机容量均排名世界第一。但新能源电力发电量受季节及气候影响波动较大，无法满足用电侧负荷的稳定性，因而弃风、弃光、弃水现象十分严重。2018年全国平均弃风率为7%，、弃光率为3%、弃水率为5%，弃风率最高的地区弃风率达23%，弃光较严重的地区弃光率达16%。“这种局部的电力过剩为电解生产氢气开辟了一条发展之路。事实上，由于可再生能源的季节和气候波动大的特点，电解制氢储能也是可再生能源更广泛应用最现实的发展之路。从这个角度而言，可再生能源和氢能源体系是相互发展、相互促进、相互依存的。随着太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的进一步开发和应用，也伴随着化石能源的进一步减少，氢能源逐步替代化石能源的黄金时间即将来临。有鉴于此，根据中国政府规划，计划2020/2025/2030年分别建成100/300/1500座加氢站，十年间年复合增速达31.1%。到2050年加氢站数量将达10000座，行业产值达12万亿元。随着近年来燃料电池技术的日益完善，可以预见，氢能源体系将是未来中国以至世界经济的支柱体系之一，发展前景之广阔不亚于当今世界之石油、煤炭。因此，西方发达国家，特别是美国和欧洲，都已经建立、并进一步完善、升级其氢能源体系的规划，而中国在相关的法规、标准建立方面仍然需要加快步伐。
二、 氢能源体系面临的困难
虽然应用前景非常美好，但氢能源体系离真正产业化、并替代现有的化石能源体系还有很长的路要走。对于世界各个试图建立氢能源体系的国家和地区而言，他们都面对着很多的系统性问题，其中最大的挑战在于氢气相关系统和基础设施的安全数据缺乏。这些问题包括但不限于以下几个方面。
1. 氢系统完全数据有限。目前，即使在氢能源领域最先进的国家，也只有少量的氢气动力技术、系统处于运营状态，而其中绝大多数都是试验性、科研性的，比如很多企业都生产了氢能源技术验证车辆。因此，氢气相关技术的运营和安全数据都非常有限，不能全面地反映氢能源商用条件下的真实挑战。同时，现有生产、储存、运输和应用的数据都有数十年历史，主要通过化工等传统用氢行业的应用进行积累，一方面不完全准确，一方面不适合当下商用场景，相关的数据亟待更新和完善。
2. 可靠性/可保险性问题。氢能源体系的可靠性和可保险性也是一个非常严肃的问题，可能直接影响氢能源的产业化。如果一个技术没有相关的公认标准，它就很难、甚至不可能得到合理的保险支持。而相关的数据和法规还远远不够完善，比如氢能源汽车的安全性如何、可靠性如何、事故发生的风险及理赔情况如何，现在还没有任何数据支撑。这种情况下，保险行业是不可能为民用数量的氢能源汽车提供保险支持的，而任何汽车没有保险服务就不可能正常上路，这是汽车行业根本性要求。
3. 公众缺乏对于氢能源的认识。以目前情况而言，各国家和地区的政府、消防和公众等重要相关群体都缺少对于氢气和氢能源体系安全性的基本认知，而且，目前也没有相关的安全规范供公众使用。公众对于氢气的普遍认知是有爆炸性、非常危险，因而，对于自己身边出现氢能源汽车、尤其是加氢站都有负面情绪。改变公众的这种态度，需要系统性的宣传和教育，而这需要很长的周期才能实现，并且需要巨大的人力和物力投入。
三、 氢能源体系的安全问题
氢能源系统可能涉及各个领域、各种应用，所有的这些体系都涉及到三个基本模块，储存模块、管路模块和动力模块，此外，还需要配套的支持模块，比如仪器仪表，这里就以氢能源汽车为例进行分析。考虑动力模块单独成体系，其安全防护与氢气相关性很小，以下只讨论储氢模块和管路模块（考虑到两个模块在各种氢能源体系中的通用性，以下将其统称为储氢系统。）的安全防护问题，这是一个氢能源体系产业化之前必须解决的根本问题，以下两个方面比较突出。
1. 储氢装置的撞击安全问题。正常使用过程中，包括加注、供给等过程，现行标准已经进行了规定。在正常操作的情况下，安全是可以得到保证的，这已经在用氢行业数十年的安全生产中得到了验证。但作为车载设备，储氢系统的安全要求必然要考虑到交通事故、尤其是恶性交通事故中储氢系统的安全防护问题。无论是液氢储氢罐、金属氢化物储氢罐、还是高压储氢罐，储氢系统一旦受到外力冲击而失效的情况下，必然导致大量氢气外溢。由于氢气在空气中的爆炸浓度范围很宽，这种外溢极易导致氢气爆炸，从而引发极为严重的次生安全事故，造成严重的人员和财产损失；如果爆炸事故附近存在其他易燃易爆、有毒有害化学品，甚至可能导致更进一步的次生安全事故。考虑到可能存在的恐怖主义袭击等极端情况，这个风险必须得到有效控制。因此，GB/T 24549中就要求燃料电池电动车应符合相关的国家机动车强制性标准要求和电动汽车安全要求，但对于碰撞要求并没有做具体规定，而是将碰撞安全的具体要求交给相关企业和科研机构进一步完善，其基本原因就在于当前根本没有相关的数据支撑相关参数的评估。在真正产业化之前，储氢装置的撞击安全问题必须解决。
2. 氢气释放/泄放装置的安全问题。GB/T 24549中要求应保证释放、吹扫和其他溢出等情况下，跟氢气有关的危害不会发生，这一要求也是对于所有高压气体和液化气体储存装置的一个基本安全要求。但对于车载储氢系统而言，如果储氢装置失效，氢气排向何处？如果大量排放，极易在其周围形成一个爆炸性混合气团，发生爆炸事故的风险远高于燃油车辆的汽油泄漏事故。再比如液氢储存装置的长期存放问题。无论隔热做得多好，热量总是会传导，导致液氢气化，从而产生气体高压。而城市车辆在正常使用的情况下，燃料加注周期一般在一周左右甚至更长。这个周期中，特别是长期不动的汽车，其液氢气化产生的氢气如何排放、排到哪里，氢气释放/泄放装置的安全问题不仅涉及到车辆储氢装置本身，还涉及到相关配套设施的规范建立，比如车库中的氢气监控和排放装置。这些问题都需要相关机构进行实验以收集数据、开展技术性评估并进行相应规范，否则氢气作为动力能源就不可能安全地应用到日常生活中。
综上所述，氢能源体系是未来能源体系的发展方向，但它的发展之路上仍然存在着很多根本性的安全问题亟待有关科研机构和企业解决。只有跨过这些必要的技术门槛，氢能源体系的大门才真正向人类社会打开。
氢能源是一个已经持续了数十年的热点话题。氢气本身不是一次能源，而是二次能源，换言之，氢气不是开采出来的，而是生产、转化来的。从这种意义上讲，氢气作为能源是一种转移、转换，而非像开采石油、煤炭一样直接的能源生产。因此，所谓“清洁能源”的提法也不准确。氢能源是否清洁，不是看氢气本身，而是看氢气的生产方式。以化石燃料为原料生产的氢气就不“清洁”，而以可再生能源为原料生产的氢气就是“清洁”的。也因为这样，氢气作为一种能源，即使不考虑各种应用技术难题，在可再生能源大量应用之前并不具备现实的经济性，它的种种优势只存在于理论之中。
这种情况随着新世纪的到来而发生了变化。根据北极星风力发电网数据：“我国可再生能源十分丰富，可再生能源的开发力度居世界前列，新能源新增及累计装机容量均排名世界第一。但新能源电力发电量受季节及气候影响波动较大，无法满足用电侧负荷的稳定性，因而弃风、弃光、弃水现象十分严重。2018年全国平均弃风率为7%，、弃光率为3%、弃水率为5%，弃风率最高的地区弃风率达23%，弃光较严重的地区弃光率达16%。“这种局部的电力过剩为电解生产氢气开辟了一条发展之路。事实上，由于可再生能源的季节和气候波动大的特点，电解制氢储能也是可再生能源更广泛应用最现实的发展之路。从这个角度而言，可再生能源和氢能源体系是相互发展、相互促进、相互依存的。随着太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的进一步开发和应用，也伴随着化石能源的进一步减少，氢能源逐步替代化石能源的黄金时间即将来临。有鉴于此，根据中国政府规划，计划2020/2025/2030年分别建成100/300/1500座加氢站，十年间年复合增速达31.1%。到2050年加氢站数量将达10000座，行业产值达12万亿元。随着近年来燃料电池技术的日益完善，可以预见，氢能源体系将是未来中国以至世界经济的支柱体系之一，发展前景之广阔不亚于当今世界之石油、煤炭。因此，西方发达国家，特别是美国和欧洲，都已经建立、并进一步完善、升级其氢能源体系的规划，而中国在相关的法规、标准建立方面仍然需要加快步伐。
二、 氢能源体系面临的困难
虽然应用前景非常美好，但氢能源体系离真正产业化、并替代现有的化石能源体系还有很长的路要走。对于世界各个试图建立氢能源体系的国家和地区而言，他们都面对着很多的系统性问题，其中最大的挑战在于氢气相关系统和基础设施的安全数据缺乏。这些问题包括但不限于以下几个方面。
1. 氢系统完全数据有限。目前，即使在氢能源领域最先进的国家，也只有少量的氢气动力技术、系统处于运营状态，而其中绝大多数都是试验性、科研性的，比如很多企业都生产了氢能源技术验证车辆。因此，氢气相关技术的运营和安全数据都非常有限，不能全面地反映氢能源商用条件下的真实挑战。同时，现有生产、储存、运输和应用的数据都有数十年历史，主要通过化工等传统用氢行业的应用进行积累，一方面不完全准确，一方面不适合当下商用场景，相关的数据亟待更新和完善。
2. 可靠性/可保险性问题。氢能源体系的可靠性和可保险性也是一个非常严肃的问题，可能直接影响氢能源的产业化。如果一个技术没有相关的公认标准，它就很难、甚至不可能得到合理的保险支持。而相关的数据和法规还远远不够完善，比如氢能源汽车的安全性如何、可靠性如何、事故发生的风险及理赔情况如何，现在还没有任何数据支撑。这种情况下，保险行业是不可能为民用数量的氢能源汽车提供保险支持的，而任何汽车没有保险服务就不可能正常上路，这是汽车行业根本性要求。
3. 公众缺乏对于氢能源的认识。以目前情况而言，各国家和地区的政府、消防和公众等重要相关群体都缺少对于氢气和氢能源体系安全性的基本认知，而且，目前也没有相关的安全规范供公众使用。公众对于氢气的普遍认知是有爆炸性、非常危险，因而，对于自己身边出现氢能源汽车、尤其是加氢站都有负面情绪。改变公众的这种态度，需要系统性的宣传和教育，而这需要很长的周期才能实现，并且需要巨大的人力和物力投入。
三、 氢能源体系的安全问题
氢能源系统可能涉及各个领域、各种应用，所有的这些体系都涉及到三个基本模块，储存模块、管路模块和动力模块，此外，还需要配套的支持模块，比如仪器仪表，这里就以氢能源汽车为例进行分析。考虑动力模块单独成体系，其安全防护与氢气相关性很小，以下只讨论储氢模块和管路模块（考虑到两个模块在各种氢能源体系中的通用性，以下将其统称为储氢系统。）的安全防护问题，这是一个氢能源体系产业化之前必须解决的根本问题，以下两个方面比较突出。
1. 储氢装置的撞击安全问题。正常使用过程中，包括加注、供给等过程，现行标准已经进行了规定。在正常操作的情况下，安全是可以得到保证的，这已经在用氢行业数十年的安全生产中得到了验证。但作为车载设备，储氢系统的安全要求必然要考虑到交通事故、尤其是恶性交通事故中储氢系统的安全防护问题。无论是液氢储氢罐、金属氢化物储氢罐、还是高压储氢罐，储氢系统一旦受到外力冲击而失效的情况下，必然导致大量氢气外溢。由于氢气在空气中的爆炸浓度范围很宽，这种外溢极易导致氢气爆炸，从而引发极为严重的次生安全事故，造成严重的人员和财产损失；如果爆炸事故附近存在其他易燃易爆、有毒有害化学品，甚至可能导致更进一步的次生安全事故。考虑到可能存在的恐怖主义袭击等极端情况，这个风险必须得到有效控制。因此，GB/T 24549中就要求燃料电池电动车应符合相关的国家机动车强制性标准要求和电动汽车安全要求，但对于碰撞要求并没有做具体规定，而是将碰撞安全的具体要求交给相关企业和科研机构进一步完善，其基本原因就在于当前根本没有相关的数据支撑相关参数的评估。在真正产业化之前，储氢装置的撞击安全问题必须解决。
2. 氢气释放/泄放装置的安全问题。GB/T 24549中要求应保证释放、吹扫和其他溢出等情况下，跟氢气有关的危害不会发生，这一要求也是对于所有高压气体和液化气体储存装置的一个基本安全要求。但对于车载储氢系统而言，如果储氢装置失效，氢气排向何处？如果大量排放，极易在其周围形成一个爆炸性混合气团，发生爆炸事故的风险远高于燃油车辆的汽油泄漏事故。再比如液氢储存装置的长期存放问题。无论隔热做得多好，热量总是会传导，导致液氢气化，从而产生气体高压。而城市车辆在正常使用的情况下，燃料加注周期一般在一周左右甚至更长。这个周期中，特别是长期不动的汽车，其液氢气化产生的氢气如何排放、排到哪里，氢气释放/泄放装置的安全问题不仅涉及到车辆储氢装置本身，还涉及到相关配套设施的规范建立，比如车库中的氢气监控和排放装置。这些问题都需要相关机构进行实验以收集数据、开展技术性评估并进行相应规范，否则氢气作为动力能源就不可能安全地应用到日常生活中。
综上所述，氢能源体系是未来能源体系的发展方向，但它的发展之路上仍然存在着很多根本性的安全问题亟待有关科研机构和企业解决。只有跨过这些必要的技术门槛，氢能源体系的大门才真正向人类社会打开。
李岩
筑安
中国化学品安全协会
2020年11月16日 14:55
