備受熱捧的“綠色氫”技術

沈臻懿

面對全球變暖、氣候變化等全球性重大危機，如何降低化石燃料使用比例、減少碳排放，大力發展清潔、可再生能源，已成為各國共識。蓬勃興起的能源創新革命中，氫能技術的發展尤為耀眼。新能源與節能汽車領域中，氫能燃料電池是一項重要的研究方向。不少國家已將氫能發展作為未來重要戰略進行規劃。

迪拜水電局（DEWA）局長薩伊德·阿塔耶爾表示，作為阿聯酋能源轉型的重要組成部分，迪拜將于2022年發布氫能戰略。迪拜水電局不僅積極探索公共交通領域中的氫能應用，還與德國西門子能源公司合作，在穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能公園試點了一個300千瓦容量、總投資額為5000萬迪拉姆（約合人民幣8700萬元）的綠氫電廠項目。據預測，2023年全球氫能行業的市場規模將達到1830億美元。至2030年，氫能投資額將超過3000億美元。

今年3月，西班牙媒體盤點了2021年最具前景的十大新型科技，其中就包含了“綠色氫”技術。評選意見稱，氫氣儲量豐富、能量密集，且不會排放二氧化碳，是一種極具吸引力的化石燃料替代品，能直接取代汽油。傳統制氫技術，大多從天然氣、煤炭、石油中提取氫氣。但此類被稱之為“灰色氫”“藍色氫”，其在制取過程中會消耗大量能源，且帶來環境污染。不過，太陽能和風能的使用，完全改變了這一狀況，制氫過程得以完全“清潔化”。從理論上來說，只要擁有了陽光和水，“綠色氫”技術的發展就如同步入了“快車道”。

倘若發展順利的話，至2050年，全球范圍內四分之一的能源需求可由“綠色氫”提供，且可以減少三分之一的溫室氣體排放

氫不僅是世界上存量最為豐富的元素，整個宇宙總質量的75%亦是由氫原子所占據。不過，地球上并不存在天然氫的沉積物，人們為了得到這種無色、無毒的氣體，往往需要通過化工技術將氫從其他化合物中進行提取。據統計，每年全球范圍內的氫氣需求量在7000萬噸左右。除了可用做燃料、發電之外，在鋼鐵制造、煉油以及甲醇、氨的生產中亦有著氫氣的身影。

長期以來，工業用氫多利用蒸汽甲烷重整技術（Steam Methane Reforming，SMR），從天然氣中進行提取。該技術需要在催化劑的作用下，將天然氣中的烴類化合物與蒸汽進行反應，生成含氫的混合氣。隨后，通過換熱冷卻等流程，將雜質氣體予以分離，并最終得到滿足純度要求的氫氣。該制氫技術主要通過天然氣和煤炭等碳氧化合物來生產氫氣，其在生產過程中會帶來大量的二氧化碳、一氧化碳等污染物。這一被稱之為“灰氫”的制氫方式，對于環境而言并不友好。據統計，2017年度全球范圍內因生產氫氣而帶來的二氧化碳排放量就超過了德國、韓國以及全球航運業的排放數量。

為了改善上述情況，人們逐漸將碳捕捉和儲存技術引入SMR工藝，有效減少了制氫過程中產生的溫室氣體數量。通過這一制氫技術獲得的氫氣，則被業內稱之為“藍氫”。但令人意想不到的是，蒸汽甲烷重整技術中的甲烷，對于全球變暖的強度甚至超過了二氧化碳的80余倍。這就意味著，SMR技術本身對于環境的影響就很大。無論是其原料來源，或是在制氫過程中可能產生的氣體泄漏，都會成為導致氣候變化的關鍵因素。

作為一種可長途運輸、可作為工業與居民終端燃料的清潔能源，“綠色氫”在未來可替代石油、天然氣等化石燃料滿足能源需求

除了探索可再生新能源用于電解制氫技術外，科學家們還研發了另一項名為“ 質子交換膜電解水制氫電解槽”的新技術

那么，有沒有一種制氫新技術，能夠達到對環境友好和碳零排放的目標呢？不僅生產原料是“綠色”的，且在生產過程中只生成氫氣，不產生溫室氣體，真正實現從“灰氫”“藍氫”到“綠氫”的科技轉型呢？這就需要科技的助力，讓制氫新技術真正邁入“綠氫”的時代。當前，不少國家規劃的氫能發展戰略，皆屬于“綠色氫”這一可再生氫。

工業制氫的原料，除占據壟斷地位的化石資源的化學重組外，其余基本都來自水資源的電解。電解水制氫技術的主要原料，就是人們最為熟悉的水。從理論上來說，作為原料的水無處不在，且無窮無盡。我們生活的地球表面，約有71%的面積被水所覆蓋。電解水技術能夠利用電流將水分解為氫和氧，從而獲得滿足能源需求的氫氣。不論何種資源產生的電力，都可用來電解水制氫。較長一段時間內，人們大多使用化石燃料作為發電資源，不可避免地帶來了溫室氣體問題。為此，科學家們正不斷探索，如何在電解水制氫技術的源頭環節，引入可再生新能源，進而成功轉型為清潔方式的“綠色”制氫。

可再生新能源生產出的“綠色氫”，可在大型容器中長期貯存，或出售給工業領域使用，或作為普通居民的能源使用。“綠色氫”的優勢，一方面源于其通過可再生資源獲得，無須依賴任何類型的化石燃料，通過風能、太陽能等可再生新能源發電，來進行電解水制氫，實現碳的零排放;另一方面，“綠色氫”與可再生新能源的“強強聯合”，還可保證電力電網的安全運行。根據市場預測，到2024年，全球范圍內的風能和太陽能光伏的累計裝機容量將達到2500吉瓦左右。隨著裝機容量的不斷提升，可再生新能源的電力價格或將持續走低，加之可再生新能源發電的間歇性問題，在某些情形下其電力供過于求，可能導致銷售后出現虧損。所幸，“綠色氫”技術的問世，可以有效解決可再生新能源發電間歇性和發電過剩等難題。當可再生新能源的發電量處于最高水平時段時，“綠色氫”具有的緩沖效應，能夠幫助其吸收多余的可再生電能;當可再生新能源無法滿足需求時，“綠色氫”儲能便能及時用于發電。就此而言，“綠色氫”技術還是一種極為重要的儲能和保障供應手段。

除了探索可再生新能源用于電解制氫技術外，科學家們還研發了另一項名為質子交換膜電解水制氫電解槽（proton exchange membrane，PEM）的新技術。質子交換膜電解槽的結構主要包括陽極、陰極和膜電極。其中，陽極選用鈦為主要材質，陰極主要使用石墨、不銹鋼和鈦等材料，膜電極由兩塊氣體擴散層和一張噴有陰陽極催化劑層的質子交換膜所組成。擴散層為導電的多孔材料，用于促進氣液物質的傳遞;催化層由擴散層、催化劑和質子交換膜的交界面組成。質子交換膜可阻止電子在兩極間的傳遞，阻止兩極生成的氧氣和氫氣之間的接觸。

PEM技術在工作時，作為電解原料的水從陽極進入，經過擴散層后在電壓和陽極催化劑的作用下析出氧，產生的氧氣再次回到陽極并被水帶出。經陽極反應產生的氫離子在水流攜帶下通過質子交換膜轉移到了陰極，并在陰極催化劑的作用下析出氫，產生的氫氣則通過陰極排出。相較于早先使用的電解槽，PEM技術的效率更高、動態響應速度更快、操作范圍更大，且得到的氫氣純度更高。誠然，這一新技術受制于當前較高的制作成本，尚處于實驗室研究階段。但科學家們預測，該技術的成本瓶頸將在未來幾年內得到突破。倘若研發順利的話，至2050年，全球范圍內四分之一的能源需求可由“綠色氫”所提供，且可以減少三分之一的溫室氣體排放。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com