綠色未來 “氫”情助力

編譯 湯恒巖

是否有一種能源，在地球上儲量巨大，燃燒效率高并且沒有溫室氣體排放呢？有！而且很早就已被發現，它就是氫能源。

氫能源何以優越？

隨著人口增長和生活水平的提高，煤、石油、天然氣等化石燃料被大量利用，致使其儲量大大減少。尋找新能源成為人類生活、發展不可回避的現實，為此科學家一直在不斷研究，過程中，太陽能、風能和地熱能等各種新能源不斷涌現。21 世紀，一種以氫為燃料的新能源冉冉升起。根據預測，要實現2030 年碳達峰目標，我國氫氣的年需求量需達到3715 萬噸；要在2060 年實現碳中和，氫氣的年需求量需達到1.3 億噸。作為宇宙中最簡單的分子，氫何以成為新能源領域的佼佼者？

作為21 世紀最具發展潛力的新能源，氫能源具有許多優點。首先，除核燃料外，氫的燃燒熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。如果氫氣和汽油燃燒放出等量的熱，那么所需氫氣的質量僅為后者的1/3。這意味著，使用氫能源可以增加運載工具的有效載荷，降低運輸成本。

其次，氫能源儲量豐富。氫元素占據宇宙約75%的質量，且主要以化合物的形態貯存于水中，而水是地球上分布最廣泛的物質。據推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還多9000 倍。

最后，與其他燃料相比，氫燃燒時最清潔，其產物幾乎全是水，而不會產生一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質。因此，用氫取代化石燃料，能極大程度地緩解溫室效應。也正因為水是氫能源燃燒時的主要生成物，所以絕大部分產物又可以被再次分解成氫，實現循環利用。

氫能源加注站

氫能源車僅排放水

“三色”氫

雖然氫能源的優點很多，但它是一種二次能源，在自然界中并不以可燃物H的形式存在，只能通過一定的方法利用其他能源制取，它不像煤、石油、天然氣那樣可以直接開采。根據氫的生產來源和生產過程中的排放情況，人們給不同氫能源分別冠以灰氫、藍氫和綠氫之稱。

目前，約96%的氫能源需要以化石燃料為原料，通過一種名為“蒸汽重整”的工藝制得。這不僅沒有消除人類對化石燃料的依賴，還會不可避免地釋放二氧化碳，因而讓氫能源的環保優勢大打折扣。這類氫能源叫作灰氫。如果在使用煤或天然氣等化石燃料制取氫的過程中，將二氧化碳副產品捕獲、利用或封存，實現碳中和，那么所得的氫能源就稱為藍氫。

“三色”氫

2022 年北京冬奧會將火炬燃料全部替換為氫能

2022 年北京冬奧會投入的氫燃料車輛數約為2020 年東京奧運會的兩倍

為了全面發揮氫能源的優勢，科學家正努力嘗試通過可再生的非化石資源（比如水）獲得氫。綠氫是指分解水得到的氫氣，它能從源頭上實現二氧化碳零排放，是純正的綠色新能源，在全球能源轉型中扮演著重要角色。

2020 年，我國發布了《新時代的中國能源發展》白皮書，提出加速發展綠氫制、儲、用等氫能產業鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展，支持能源各環節各場景儲能應用，著力推進儲能與可再生能源互補發展。同年發布的《中國氫能源及燃料電池產業》白皮書中的數據顯示，目前中國氫氣產能中，化石原料制氫占70%，工業副產氫占比近30%，而電解水氫占比不到1%。使用可再生電力電解水制氫直接獲取高純綠氫，是中國未來利用氫能實現碳中和的主要途徑之一。

2022 年北京冬奧會不僅是一場冰雪盛宴，還是一場“氫能盛會”。2020 年東京奧運會僅部分火炬使用氫燃料，而2022 年北京冬奧會將火炬燃料全部替換為氫能。2022 年2 月4 日晚，在北京冬奧會張家口賽區，由中國自主研發的綠氫點燃了太子城火炬臺。這是本屆冬奧會唯一由綠氫點燃的火炬臺，也是冬奧會近百年歷史上首支以綠氫作為燃料的火炬。專家表示，氫能火炬安全可靠性高，可以抗10 級風，在極寒天氣下圣火依舊不滅，即使在時速100 千米的大風中也可以穩定燃燒。

北京冬奧會的“綠色”，遠不止應用于火炬。本屆冬奧會投入的氫燃料車輛數約為2020 年東京奧運會的兩倍。為此，中國石油公司設立了4 座加氫站和綜合能源服務站，全力為冬奧會氫能車輛提供加氫服務。北京冬奧會的燃料選擇，向世界展示了中國綠色低碳的發展理念。

綠氫如何制取？

盡管三種“顏色”的氫都會在未來的能源領域占有一席之地，但歸根結底，高效獲得綠氫才是發展氫能源的初衷，是最具可持續性且真正無碳的能源。

制取綠氫從原理上來講其實不難。水分子由兩個氫原子和一個氧原子組成，將水裝入電解槽，再通上電，水分子就會在電解槽的電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣。

雖然兩百多年前人類就發現了電解水現象，但要真正實現綠氫的規模化、電解水現象商業化發展，成本高昂是該技術發展面臨的主要挑戰。目前，電解水制氫的成本比基于煤和天然氣的蒸汽重整制氫高2～3 倍。因此，許多科學家正著手改良電解水技術，堿水電解、質子交換膜電解、固體氧化物電解等研究方向正齊頭并進，努力縮短人類與綠氫社會之間的差距。

堿水電解是目前最成熟的電解技術。采用氫氧化鉀水溶液為電解質，以石棉為隔膜，分解水產生氫氣和氧氣。堿水電解雖然具備電解槽中的催化劑造價低的優點，但產氣中含堿液，需經輔助設備除去，而且無法快速調節制氫的速度，因而與可再生能源發電的適配性較差。

由于質子交換膜電解槽運行更加靈活、更適合可再生能源的波動性，許多新建項目開始轉向選擇這種電解技術。它采用交換膜傳導質子，隔絕電極兩側的氣體，避免了使用強堿性液體電解質所伴生的缺點。因此，質子交換膜電解水制氫是極具發展前景的綠色制氫技術。過去數年，一些企業推出了質子交換膜電解水制氫產品。

將水裝入電解槽，再通上電，水分子就會在電解槽的電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣

在科技的不斷發展中，我國可再生能源產業近年來得到大力發展，太陽能、風能發電都已實現平價上網。未來隨著可再生能源電價的持續下調，用其電解水制氫的成本有望大幅節省。綠氫社會，未來可期。