綠色之氫驅動未來

肖溪樹

雖然氫能目前沒有得到大規模應用，但它一直被認為是21世紀最理想的清潔能源，氫燃料火炬和氫燃料電池車護航2022年北京冬奧會，開啟了我國氫能利用的新篇章。未來，“綠色之氫”將為我國實現“雙碳”目標做出重要的貢獻。

點燃汽車綠色革命

近期國際油價的頻繁波動，讓人想起曾服務2022年北京冬奧會的氫燃料電池汽車。與天然氣、汽油相比，氫氣的安全性更高，這主要是因為氫是最輕的化學元素，具有較大的浮力和擴散性，即便發生泄漏，氫氣也會快速上升、擴散，不易形成可爆炸的氣霧。

氫能利用的一個重要環節就是燃料電池。燃料電池雖然也叫電池，但它并不能儲存電能。那么，氫燃料電池是如何為汽車供能的呢？

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉化為電能的化學裝置，既不需要載熱介質，也不需要通過汽輪機進行發電，因此可以擁有更高的能量轉化效率。燃料電池更像一個發電裝置，其基本結構包括陽極、陰極、電解質和外電路等。以氫燃料電池為例：陽極為氫電極，陰極為氧電極；兩電極之間為電解質，可以為離子提供通道；陽極和陰極上還要含有電催化劑（如鉑），以加速其電化學反應。

氫燃料電池發電所需的原料為氫氣和氧氣，通過反應生成水的過程來產生電能。這些電能經過逆變器、控制器等裝置為電動機供電，再經過傳動系統等裝置帶動車輪轉動，從而驅動汽車行駛。由于氧氣可以從空氣中獲得，因此只要為汽車加氫就可以，而加氫的過程只需要三五分鐘，這是氫燃料電池相比鋰電池的巨大優勢。

燃料電池作為一種電化學發電裝置，可以擺脫卡諾循環的限制，在能量轉化效率方面具有優勢。如氫燃料電池車的能量轉換效率為60%～80%，為內燃機汽車的兩三倍。氫燃料電池的產物為水，不存在碳的排放，也幾乎不產生含氮和硫的氧化物，故而成為點燃汽車綠色革命的環保技術之一。此外，氫燃料電池車具有耐低溫、續航能力強、充電時間短等明顯優勢。

氫燃料電池的原理很簡單，但是真正實現商業化卻面臨諸多挑戰。目前，氫燃料電池正處于大規模商業化的初期，相比于鋰電池車和燃油車，氫燃料電池車的商業化應用門檻較高，不僅需要解決氫燃料電池的可靠性和耐久性問題，還需要配套建設加氫站等必備設施。2022年北京冬奧會期間，1000多輛氫燃料電池車和30多個加氫站構成的氫能源汽車示范體系，為氫燃料電池車的示范應用提供了一個世界級的大舞臺。2025年，全國將建成1000多座加氫站，推廣氫燃料電池車超過5.4萬輛。氫燃料電池車的“低碳”價值將在未來汽車創新革命中得以充分體現，并成為“氫能時代”的先頭兵。

低碳冶金的新契機

在冶金行業，碳具有“點鐵成鋼”的魔力。不含碳的鐵，強度和硬度都很低；含碳量為0.03%～2%的鐵碳合金被稱為鋼，具有相當高的強度和硬度。

古人很早就知道用煤炭來冶鐵，早期從礦石中煉出的鐵通常被稱為“塊煉鐵”，這是在高溫條件下用木炭還原鐵礦石得到的一種含有大量非金屬夾雜的海綿狀的固體鐵塊。到了宋代，用煤炭來冶鐵已相當普及。

18世紀后，人類開始用焦炭作還原劑冶鐵，并為現代高爐的大型化奠定了基礎，這是冶金史上的一個重要里程碑。現在，焦炭主要用于高爐煉鐵和銅、鉛、鋅、鈦、銻、汞等有色金屬的鼓風爐冶煉，其主要作用為還原劑和發熱劑。

在全球范圍內，鋼鐵行業的碳排放量占到了工業領域碳排放總量的15%～20%，是名副其實的“碳排放大戶”。在低碳大潮的沖擊下，鋼鐵行業減碳被列入議程。然而，鋼鐵行業要實現“碳中和”談何容易！要讓鋼鐵行業在未來三四十年的時間里降低90%的碳排放，僅靠工藝上的修修補補是很難奏效的。

氫能的崛起為鋼鐵行業的碳減排帶來了希望。十多年來，世界上的許多國家，如瑞典、德國、日本、韓國等相繼進行了“氫能冶金”的探索，我國技術專家也提出了具有中國特色的“氫能冶金”工藝技術路線，為實現鋼鐵行業低碳綠色發展指明了方向。

那么，為什么鋼鐵冶煉要“以氫代碳”呢？傳統的鋼鐵行業是基于“碳冶金”模式發展起來的，其基本原理是用碳作為還原劑，把鐵礦石轉化為鐵，并排出二氧化碳。目前鋼鐵行業大多采用高爐工藝，用焦炭來還原鐵礦石。在這個還原過程中，碳排放量大約占到了整個鋼鐵生產碳排放總量的90%，因此是鋼鐵行業深度減碳的“牛鼻子”。

“以氫代碳”的冶金技術路線就是基于這樣的背景提出來的。如果“以氫代碳”，那么還原劑就是氫氣而不是碳，在把鐵礦石轉化為鐵的同時，排出的是水而不是二氧化碳。由此看來，“以氫代碳”無疑是減碳的治本之策。

當然，氫氣的生產成本以及來源是否環保，將直接影響低碳冶金的市場競爭力和減排效果。據悉，中國寶武鋼鐵集團有限公司與中國核工業集團有限公司、清華大學合作打造的核氫冶金產業聯盟，已經以“核能制氫”作為突破口來實現鋼鐵行業的綠色制造。目前正在推進的示范工程還包括：以富氫碳循環高爐工藝為核心的低碳高爐技術，以氫基豎爐直接還原的氫冶金工藝，以及冶金尾氣二氧化碳的捕集和資源化利用等。

能源體系中的新秀

氫氣作為一種能量密度很高的清潔可再生能源，其顯著的特點就是能量高。氫氣的燃燒熱值大約為120兆焦耳每千克，即1千克氫氣在燃燒時可放出120兆焦耳的熱量。除了核燃料之外，氫氣的發熱值在所有的化石燃料和生物燃料中都是最高的。

氫氣同時又是一種很好的能量載體，在未來的能源體系中將占有一席之地。國家有關部門把“氫儲能”納入到新型儲能系統，就是反映這種趨勢的一個明確信號。那么，氫儲能具有哪些優勢呢？

從存儲方式來看，氫氣可以通過氣相、液相和固相的形式進行存儲。從存儲規模來看，氫儲能可以為電力系統提供一種大規模、高密度存儲能量的新途徑，具有明顯的優勢。氫儲能的存儲時間可長可短，應用范圍不受限制，能量變現十分方便，能量轉換效率較高，移動起來也非常方便。

將氫儲能置于現代能源體系之中具有重要的戰略意義。電力系統關乎國家能源安全，但同時又是一個最大的碳排放源，大約占到我國碳排放總量的40%。電力系統的低碳轉型離不開新型儲能技術的進步，而氫儲能就是其中的一個新秀。

氫儲能在現代能源體系中的地位，可以通過“電—氫—電”的轉化模式來實現。與此相對應，氫儲能系統主要包括制氫系統、儲氫系統、氫發電系統三大部分。

制氫系統 在“雙碳”目標的推動下，以風能、太陽能等為代表的可再生能源的開發利用已經步入快車道。然而，這些可再生能源的不穩定性又對現代能源系統提出了挑戰。制氫系統可以消納用電低谷時的棄風棄光電能，通過電解水來制取氫氣，從而把富余的可再生能源轉化為氫能。

儲氫系統 “氫儲能”的關鍵環節，其核心目標就是在確保安全的前提下，提高效率、降低成本、方便取用。氫氣的密度很小，在常壓下，-253℃以下的氫氣才能液化，因此對液氫儲罐的技術要求很高。氫的原子半徑非常小，在高溫高壓條件下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。氫氣的穩定性較差，較易發生泄露。氫氣的這些物理化學性質都對氫氣的儲運技術提出了嚴峻的挑戰。

目前，氫氣儲運主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、固態儲氫以及有機液體儲氫等方式。其中，應用較多的為高壓氣態儲氫，低溫液態儲氫主要應用于航天等領域，至于有機液體儲氫和固態儲氫則仍處于示范階段。

氫發電系統 主要解決“氫儲能”回饋電力系統的問題。即在用電高峰或電力出現缺口時，通過燃料電池或其他方式把儲存的氫氣轉換為電能并輸送到電網。通過“電—氫—電”的轉化模式，一方面解決了可再生能源的消納問題，另一方面又達到了“削峰填谷”的目的，同時可以作為備用電源參與熱電聯供或者應用于其他工業生產和交通運輸業等領域。

今年7月，我國首個兆瓦級氫能發電站首臺機組落戶安徽六安。該發電站由1兆瓦質子交換膜電解水制氫裝置、200千克儲氫裝置和1兆瓦質子交換膜燃料電池發電裝置組成。該電站成功實現并網發電，充分驗證了制氫、儲氫和氫發電的完整鏈條的可行性。

綠氫讓“碳中和”落地

氫作為化學元素周期表的一號元素，其質量大約占到宇宙質量的75%，是宇宙中分布最為廣泛的元素。然而，地球上的氫元素主要以化合態形式存在，因此“氫能時代”呼喚綠氫制造技術的突破。

氫氣可分為灰氫、藍氫、綠氫。通過化石燃料燃燒產生的氫氣為灰氫，將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣為藍氫，通過使用可再生能源（如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣為綠氫。

盡管氫能屬于清潔能源，但畢竟氫能為二次能源，因此氫氣的制取是否“綠色”，也決定著氫能是否真的做到了“綠色”。按照原料來源來分，綠氫的制作可分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業尾氣制氫和電解水制氫等。

按照中國氫能聯盟發布的《低碳氫、清潔氫與可再生能源氫的標準與評價》（2020年12月29日），低碳氫是指在生產過程中，每千克氫氣所產生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于14.51千克；清潔氫是指在生產過程中，每千克氫氣所產生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于4.90千克；可再生氫是指在生產過程中，每千克氫氣所產生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于4.90千克，并且生產氫氣所消耗的能源為可再生能源。

通常，低碳氫與藍氫相當，清潔氫和可再生氫與綠氫相當。藍氫可以減少碳排放，但不能完全消除碳排放。崇尚“綠氫”，就是要提高制氫途徑的清潔度，最大限度地減少生產過程中的碳排放量。

氫能作為我國的一種戰略性能源，在短期內可優先選用工業副產氫，中期可采用化石能源輔以碳捕捉技術制氫，長期可采用可再生能源電解水制氫。近乎零碳排放的綠氫代表了氫能的發展方向。集無碳能源和工業原料于一身的綠氫，將會為未來社會帶來一股清潔之風。我們期待“氫能時代”的早日到來！