氫能來了你還在“談氫色變”嗎

許傳博　呂曉燕

曾經(jīng)鷹擊長空、魚翔淺底、萬木爭榮、百花競秀的地球正遭受著“冰川融化”“極端災(zāi)害”“土地沙漠化”“生物多樣性減少”的折磨，如今的地球早已滿目瘡痍。而導(dǎo)致環(huán)境發(fā)生這些變化的始作俑者之一，正是我們所熟知的二氧化碳。

如何緩解日漸惡化的地球環(huán)境？尋找新的清潔能源迫在眉睫。作為元素周期表中的首位，氫憑借著其來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的強大技能點，被譽為21世紀(jì)的“最理想能源”和“終極能源”。氫的燃燒熱值極高，每千克氫燃燒后的熱量為142千焦耳，約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的45倍。此外，氫燃燒后的產(chǎn)物僅有水，是世界上最干凈的能源。

氫能從哪里來

當(dāng)前，我國氫氣產(chǎn)量達到2500萬噸/年，是全球氫氣產(chǎn)量最大的國家。氫是一種二次能源，無法直接從自然界中獲取，需要通過其他方式制備得到。目前，氫能源的制備方法多樣。按照制氫所用原料及制氫方式，氫氣主要有3種來源：化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫及電解水制氫。其中，化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)制氫這兩種方式作為制氫界的“元老”層見疊出，而電解水制氫方式作為制氫界的“新貴”正逐漸嶄露頭角。具體地，化石能源制氫主要包括3種方式：煤制氫、天然氣重整制氫和石油制氫;工業(yè)副產(chǎn)制氫則主要指焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等。如表1所示，在我國所有制氫方式中，煤制氫“位高權(quán)重”，在總的氫能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占據(jù)62%;天然氣重整制氫則位居第二，占據(jù)19%;而石油制氫和工業(yè)副產(chǎn)制氫占18%，屈尊第三;電解水制氫則“壯志難酬”，在氫能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中“氫卑言微”僅占據(jù)1%。放眼全球，該比例也僅為4%。但由于化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫以及傳統(tǒng)電解水制氫（以當(dāng)前發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)仍以煤電為主）都存在著大量的二氧化碳排放，可再生能源發(fā)電支持的電解水制氫（即“綠氫”）是未來氫能發(fā)展的重點。

表1 制氫方式占比

氫能安全嗎

隨著氫能逐漸走進大眾視野，讓人更為關(guān)心的問題是：氫能到底安不安全？在我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，依然存在著“談氫色變”的認(rèn)識誤區(qū)。張家口“11·28”重大爆燃事故曾一度將氫能推向輿論的風(fēng)口浪尖。隨后的調(diào)查顯示，氫能與該事故并無關(guān)聯(lián)。但由此也引發(fā)了各方對氫能安全問題的高度關(guān)注。

氫氣本身無色無味，又兼具易燃易爆的特性，我們確實無法通過嗅覺或者肉眼發(fā)現(xiàn)空氣中的氫氣。由于國內(nèi)對氫缺乏足夠的了解，氫氣曾經(jīng)一度被視為“移動炸彈”。

事實果真如此嗎？凡是燃料都具有能量，都有潛在著火和爆炸的危險，我們很熟悉的天然氣、汽油亦是如此。相反，由于氫的特殊性質(zhì)，和其他燃料相比，氫氣是一種安全性較高的氣體。第一，氫能燃燒起來以后的氣味沒有毒性。我們經(jīng)?？吹匠霈F(xiàn)火災(zāi)爆炸時最致命的不是火本身，而是有毒氣體的產(chǎn)生，氫氣并不存在這個問題。第二，氫氣的密度僅為空氣的7%，與汽油、丙烷和甲烷等相比，在空氣中有著更大的浮力，氫能汽車著火后氫氣會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。第三，氫氣的擴散性和快速揮發(fā)性明顯高于其他易燃?xì)怏w，氫的擴散速度是汽油的12倍，一旦著火它能很快擴散開，不會引起其他更加嚴(yán)重的后果。

但氫氣也有對安全不利的特點。一方面，氫氣點火能量很小，使氫不論在空氣中或者氧氣中，都很容易點燃。從表2中可知，在空氣中氫氣的最小點火能量僅為0.019MJ（兆焦耳），不到汽油的8%、天然氣的7%。如果用靜電計測量化纖上衣摩擦而產(chǎn)生的放電能量，該能量可以比氫的最小著火能量還大好幾倍，這足以說明氫的易燃性。另一方面，它的爆炸濃度范圍很寬，因此不能因為氫氣的擴散能力很大而對氫氣的爆炸危險放松警惕。但即使氫氣起爆能量低、爆炸范圍寬，也并不意味著氫氣比其他氣體更危險。由于空氣中可燃性氣體的積累必定從低濃度開始，因此就安全性來講，爆炸下限濃度比爆炸上限濃度更重要。汽油和天然氣的爆炸下限濃度就比氫氣低，所以比氫氣更危險。

表2 汽油、天然氣、氫能物理化學(xué)性質(zhì)

如果還不能完全信服，看完下面的例子你一定會有相對清晰的判斷。美國邁阿密大學(xué)的Swain博士曾經(jīng)做過儲氫瓶泄漏點火試驗，選擇一臺普通汽油車以及一臺氫燃料電池汽車，進行泄漏點火試驗。點火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火;到1分鐘時，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，氫燃料汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，使得氫氣燃料電池車與普通汽油車相比，不像汽油會在地面淤積危險性可持續(xù)達數(shù)個小時，氫氣只需幾秒鐘就能消散不見，更有利于汽車的安全。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。

實際上，歐美日韓等發(fā)達國家和地區(qū)早已將氫能作為能源進行管理，而不是作為?；饭芾?。而目前在我國，氫氣被列入《危險化學(xué)品目錄（2015版）》，按危化品進行監(jiān)管。2020年4月，國家能源局發(fā)布的《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》擬將氫能列入能源范疇，這標(biāo)志著將氫能有望從?；分小罢薄薄?p>