冬奥火炬：用氢能谱写冰与火之歌
2022年2月4日，北京冬奥会在国家体育场“鸟巢”盛大开幕，火炬“飞扬”的小火苗成为本届冬奥会的主火炬，首次采用氢能做为火炬燃料，最大限度减少碳排放，向世界展示了中国绿色低碳的发展理念。
“这次开幕式最大的创新是点火方式和火炬台设计，可谓百年奥运史上前所未有：将熊熊燃烧的冬奥之火，幻化成雪花般圣洁、灵动的小火苗，这一创意来自低碳环保理念。”北京2022年冬奥会开幕式总导演张艺谋在接受媒体采访时说。
与往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等气体作为火炬燃料不同，北京2022年冬奥会首次使用氢能作为火炬燃料。本次冬奥会手持火炬“飞扬”采用绿色环保、燃烧性好的氢气作为燃料，是世界首套高压储氢火炬，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。根据报道，本届冬奥期间的火炬氢能燃料来自于中国石化和中国石油，其内部燃烧装置均由航天六院北京11所及101所联合设计制造。
据悉，为了达到8小时360度旋转时高效稳定地燃烧，主火炬采用了航天氢氧发动机的燃烧技术。在航天大国重器的高端技术加持下，主火炬不熄火、不回火、不脱火，相当靠谱。
点亮世界的冬奥火炬
冬奥会及冬残奥会所采用的“飞扬”火炬采用氢燃料，火炬内置燃烧系统是一套氢燃料火炬燃烧系统。“飞扬”火炬质量在600克左右，筒身由新型碳纤维复合材料制成，这是国际上首次使用这种材料制作奥运火炬，能够保证在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用。燃烧系统包含三部分：高压储氢容器、大减压比供氢系统以及氢燃烧装置。根据介绍，火炬要具备耐零下40摄氏度的低温、抗风、抗雨雪等，其中抗低温这个条件很具有挑战性。
据悉，在研制氢火炬时，最初有过两种氢火炬方案：一种是高压储氢方案，另一种是合金储氢方案。在综合考量氢在低温下释放的稳定性后，最终选择了高压储氢方案。高压储氢方案，能够很稳定地在低温下让氢气从储氢容器里面释放出来，这是火焰能够稳定燃烧的前提。
航天六院作为主要研制单位参与了科学技术部的“冬奥手持火炬关键技术系统”与北京市科委立项“手持氢气火炬原理样机研制”课题，是火炬团队的中坚力量。基于研究所五十多年的氢燃料应用领域技术积累和应用经验，研发团队提出了用氢气作为燃料为冬奥火炬火炬供能源的全新方案。
据航天科技集团六院专家介绍，为适应冬奥火炬绿色环保、清洁的发展趋势以及科技奥运的发展方向，这次采用的是高压储氢火炬，也是世界首套高压储氢火炬，首次实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。
2020年7月9日，火炬原理样机首次组合为一体，试火成功，标志着以航天科技集团公司第六研究院101所和11所（京）联合开展的冬奥会手持氢燃料火炬工程化研制的正式开始，也意味着冬奥会火炬将拥有一颗绿色能源“心脏”，这颗“心脏”包括氢燃料储存装置、燃烧装置、减压装置三部分，其中101所主要负责体现火炬特色的氢燃料储存核心装置的研制，并且为了这颗“心脏”正常搏动且万无一失，101所创新提出对氢燃料火炬与特性测试方法进行试验研究，以验证火炬的可靠性等特性，并设计搭建手持火炬综合试验系统模拟风、雨、雪、低气温、高海拔、高湿度等气候条件及运动模拟装置，以全覆盖模拟火炬传递过程中的各种极端运动状态。
事实上，氢气绿色、环保、无污染，但易燃、易爆、易泄漏，历届冬奥会还没有成功使用氢气作为火炬燃料的先例，在研发过程中，饱含着美好寓意的火炬造型亦给火炬燃烧系统设计带来前所未有的难题，层层攻克，在冬奥手持火炬关键技术研制验收会上，研制团队向奥组委及科技部领导展示了手持火炬的静态燃烧及动态燃烧，以及在极端状态下的燃烧状态。氢燃料火炬在10级强风、零下40℃低温、暴雨和5000米高海拔等环境下的燃烧状态都十分稳定，从高压储氢的设计、加工、制造，再到检验和标准全产业链全部打通，航天六院北京11所及101所团队实现了氢气作为冬奥火炬燃料的世界首创，成为国家氢能应用推广的一张闪亮名片。
氢能“牌面”：北京冬奥首创
与往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等气体作为火炬燃料不同，北京2022年冬奥会首次使用氢能作为火炬燃料。
据介绍，此次为冬奥赛场的“主火炬”氢气供应燃料的是中国石化燕山石化。燕山石化氢能新能源装置于2020年3月实现一次性开车成功，设计规模2000标准立方/小时。自2020年12月16日燕山石化首车电池氢气出厂以来，已经累计向市场供应燃料电池氢气超290吨。为了保证冬奥期间的能源供应，中国石化在北京、河北布局了49座油品保供站、29座LNG加气站和4座加氢站。赛事期间大量使用氢燃料电池车，以减少污染排放，体现了奥林匹克精神与“绿色”、“环保”的进一步结合。
中国石油供应的氢气，则点燃了冰立方、延庆赛区和河北张家口赛区三个分会场的冬奥火炬台。在冬奥会张家口赛区，由中国石油自主研发的绿氢，点燃了太子城火炬台，这是本届冬奥会唯一一个由绿氢点燃的火炬台，也是冬奥近百年历史上首支以绿氢作为燃料的火炬。绿氢是指利用可再生能源电解水得到的氢气，燃烧时只产生水，与以煤炭和天然气为原料的灰氢和蓝氢相比，从源头上实现了零碳排放，是很纯正的绿色新能源，在全球能源转型中扮演重要角色。此次中国点燃冬奥历史上首支绿氢火炬，不仅向全球彰显了我国新能源领域的技术实力，更创造了冬奥火炬用能历史，首次实现燃料生产到应用全过程碳零排放。
本届冬奥会期间，中国石油建设的4座加氢站和综合能源服务站，冬奥期间供氢能力达到5500公斤/日，可为近千辆氢能电池车提供服务，预计行驶里程将超200万公里。
“使用氢能火炬安全可靠性高，可以抗风10级，即使在时速100公里的大风中也可以稳定燃烧。”中石油张家口太子城服务区加氢站经理李智佳表示。
氢能利用有望提速
为实现双碳目标，国内的氢能产业将加大布局。氢能产业链包括氢的制备、储运与终端使用。
国家发改委、能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》对氢能和燃料电池领域提出了技术创新路线图。在绿氢生产方面，研究可再生能源发电与碱性、PEM/SOFC燃料电池电解水制氢一体化技术，建设可再生能源电解水制氢示范等。在高效低成本氢储运方面，开发70Mpa等级碳纤维复合材料与储氢罐设备技术、加氢站氢气高压和液态氢的存储技术等。
2021年12月26日，京津冀燃料电池汽车示范城市群正式启动，并发布《京津冀燃料电池汽车示范城市群实施方案（简本）》、《京津冀燃料电池汽车示范城市群年度任务计划》等多个相关文件。文件中指出京津冀示范城市群将完成8项核心零部件取得技术突破、实现产业化，车辆应用不少于5300辆，购车成本降幅超过40%，新建投运加氢站不低于49座，氢气售价不高于每公斤30元。
在本次冬奥，氢能迎来高光时刻。除了氢能燃料的使用，冬奥会实现了全球首次大规模燃料电池汽车示范投入。
业内认为，北京冬奥会的示范应用，将会提升企业和地方政府对氢能应用的信心，氢能的利用将迎来一个快速发展期。
中国氢能联盟预测，在2030年碳达峰情景下，氢能在中国终端能源体系的占比将从2019年的2.7%提高到6%，与之相对应的氢气年需求，将从2020年的3342万吨，分别增长至2030年的3715万吨和2060年的1.3亿吨，年均增速约为3.5%。
冬奥结束后，氢燃料车辆将转为当地公交车、团体车等继续使用，借以奥运示范影响，配合燃料电池汽车示范城市群建设。2025年前后，氢燃料汽车的使用经济性将与纯电动汽车相当，氢能产业也将迎来黄金发展。
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本期责任编辑：戴欣馨
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