氫能：21世紀綠色能源瑰寶

崔金泰

2020年，氫能被世界各國定為首選的綠色能源，這是因為氫是應對因溫室效應而造成的氣候危害的最佳選擇。由于人們長期采用煤炭、石油和天然氣等化石能源，產生了大量使大氣溫度升高的二氧化碳等溫室氣體，從而導致地球極地冰山融化、海平面升高、干旱和洪澇災害頻繁發生，對人類的生存形成巨大的威脅。人們從應對氣候變化災害的實踐中認識到，減少二氧化碳排放的能源轉型離不開氫的參與。因而，打造“氫經濟”成為世界各國制定的綠色能源戰略。

氫在能源轉型中具有獨特優勢

在眾多的新能源中，氫能以其儲量豐富、重量輕、無污染、熱值高、應用面廣等優點脫穎而出，成為21世紀綠色能源瑰寶。

氫在地球上儲量巨大，可以說是“取之不盡，用之不竭”。雖然氫在常溫常壓下以氣態存在于大氣中，但它主要還是以水的形式存在。地球可以說是個大“水球”，除了占地球表面71%的海洋和江河湖泊中的水外，還有雨水、露水、地下水、空氣中的水、生物體內的水等。水中氫元素的質量分數為11%，而且氫燃燒時可生成水，而水分解時又能制出氫，這種往復循環可以使氫源源不斷地為人類造福。

在元素周期表中，氫的重量最輕。在-252.8℃時，它的液體密度僅為0.07克每毫升，比汽油、天然氣、煤油等輕很多，因而便于攜帶、運送，是人造衛星、航天飛船等飛行器最合適的燃料。

氫燃燒后生成水蒸氣，不會像石油、煤炭等燃料那樣產生污染環境的煙塵、二氧化硫、二氧化碳等，因此氫是十分潔凈的綠色能源。

氫為無色氣體，燃燒1克氫能釋放出142千焦耳的熱量，是汽油燃燒釋放熱量的3倍，屬于高熱值燃料。

在20世紀后半葉，氫主要用在非能源方面。據統計，20世紀80年代，全球每年約生產幾千億立方米的氫氣，其中88%用在非能源上，10%用來合成甲烷，只有2%用作燃料。隨著氣候變化造成的危害日益嚴重，人們為了減排脫碳不得不進行能源轉型，除大力發展太陽能、風能、水能、生物質能等綠色能源外，還著力打造“氫經濟”，這才使氫這種無色氣體登上綠色能源舞臺中心。

目前，大多數氫氣是通過會產生溫室氣體的化石燃料，如煤炭、石油、天然氣等燃燒而制取，這樣的氫被稱為“灰氫”。灰氫的純度很高，可達99.99%以上，但耗電量也很高。生產1千克氫，需要消耗五六十度電，而且生產效率低，并會產生污染環境的二氧化碳氣體。還有一種利用天然氣電解水制氫的改進方法，即在制取氫的過程中將所產生的二氧化碳進行儲存和處理，其所制成的氫被稱為“藍氫”。這種方法雖然減少了碳排放量，但還是有明顯的缺點。高效制氫的途徑是在光催化劑的作用下，利用成本低廉的太陽能、風能、核能等可再生能源電解水制氫。因為此方法是利用可再生的綠色能源制氫，所以其所制成的氫被稱為“綠氫”。

綠氫是一種制取過程中幾乎不產生溫室氣體的氫。利用可再生能源電解水制氫時，光催化劑（聚合物）會將光化學與催化劑相結合來加速化學反應，從而獲得高效率生產的價廉、質純的氫。由于光催化劑的性質可以通過合成方法進行調節，因而未來可以對其結構進行簡單而系統的優化，并進一步優化活性，提高制氫的效率。

綠氫可以用綠色能源的光電、風電來電解水制氫，也可以再逆向轉換為電能，并儲存在電網上供隨時使用。綠氫可在鋼鐵、化工、船舶和飛機等能源密集型行業真正實現綠色能源轉型。

中國：打造“氫經濟”的全球引領者

目前在全球范圍內，越來越多的國家正致力于通過打造“氫經濟”讓本國經濟脫碳，以應對日益嚴重的氣候變化危機。

最近，中國、韓國、日本和歐洲許多國家都確立了到本世紀中葉實現凈零碳排放目標。凈零碳排放目標正在有力推動各國設法使依賴礦物燃料的行業（主要指以煤炭、石油和天然氣為原材料的行業，例如煉鋼、水泥、化肥以及航空等行業）脫碳。

大力發展可再生的清潔能源，是能源低碳轉型和打造“氫經濟”的前提和基礎。目前，中國已成為全球清潔能源的領導者，也是“氫經濟”戰略計劃領先執行者。2021年，中國清潔能源消費占比已達到25.5%，比2012年提升了11個百分點。風力和光伏發電裝機規模比2012年增長了12倍左右，新能源發電量首次超過1萬億千瓦時。目前，中國可再生能源裝機規模已突破11億千瓦，水電、風電、太陽能發電、生物質發電裝機均居世界第一。2022年，中國約占全球可再生能源新增產能的近一半。預計2023年，中國新增太陽能發電能力將翻番，達到創紀錄的高水平。這一清潔能源創新將對中國力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標發揮至關重要的作用。

中國科學家創造了眾多的清潔能源產品和新技術，中國也因此成為綠色技術的制造中心，一些綠色技術產品已出口到全球，電動汽車電池部件和太陽能電池板就是其中的典型代表。

中國已擁有完整的可再生能源工業鏈，具備強大的研發、制造、安裝、運營和維護能力，并積極利用可再生能源行業的引領作用，向發展中國家提供技術支持和能力建設，促進綠色發展信息共享以及綠色技術在這些國家的應用。中國還公布了《關于推進共建“一帶一路”綠色發展的意見》。目前，有150多個國家、地區和國際組織參與的“一帶一路”倡議已成為綠色能源領域國際合作的典范。

作為“一帶一路”倡議的一部分，中國正在建立一個光探測和激光雷達測距網絡，并與巴基斯坦等國共同開展大氣監測和研究。中國和巴基斯坦創建的“綠色中巴經濟走廊”是推進“一帶一路”倡議的重要試點項目，它將促進綠色基礎設施建設、綠色技術和綠色金融的發展。在中國的積極幫助下，巴基斯坦部分城市的霧霾問題也可以像中國的北京和上海等城市那樣得到有效的治理。中國還對孟加拉國的可再生能源項目進行投資，該國承諾到2041年實現可再生能源發電量占比達到40%。中國承建的東非最大光伏電站―肯尼亞50兆瓦光伏發電站，已于2019年正式投入運營。中國與世界其他國家在太陽能、風能和水力發電等關鍵領域建立了合作關系，力求在能源危機爆發之前大幅降低能源成本，從而為全球低碳發展轉型奠定必要基礎。

開拓創新，為綠氫迎來美好春天

綠氫雖然對環境友好，但是其獲得成本較高。要想降低綠氫獲得成本，就要大幅降低包括風能、太陽能以及用來將水分解為氫和氧的電解器的成本。

此外，還有一種成本較低的綠氫制造方法，就是生物制氫。這種方法是利用光合作用來分解水制氫。生物制氫的效率較高，1克葉綠素在1小時內可產生1升氫氣，轉化效率可達75%。海水中的小球藻、藍藻等生物，在陽光照射下也能不斷地將海水分解，釋放出氫來。

提高綠氫競爭力的另一條途徑，就是消除氫的遠距離運輸的障礙。液化氫必須冷卻到-252.8℃才能裝運，這無疑大幅增加了運輸維護成本。相比之下，運輸以液態氨形式儲存的氫則要容易得多。因此，世界上多數大型氫出口項目都采用液氨儲氫的方式運輸。

隨著科學技術的迅速發展，氫作為燃料的使用范圍還在不斷擴大。目前，除了已研制出的以氫為燃料的航空、航天飛行器發動機外，還成功研制了用于運輸車輛上的氫發動機。實際上，這種氫發動機就是在普通汽油發動機上連接用貯氫金屬制成的容器組成的。加注的氫通過貯氫金屬吸收并供給發動機。低溫時，貯氫金屬和氫發生反應，把氫吸收進去；當溫度升高時，它又可以把吸收的氫釋放出來。這種貯氫金屬容器使用安全可靠，既不會出現燃燒爆炸事故，又不會像普通蓄電池那樣不耐用，可以長期使用。它吸收氫的速度快（每次加注氫僅需10分鐘），貯能密度大，約為普通蓄電池的五六倍。此外，它還有個優點，即在注入氫時由于發生化學反應，會釋放熱能，可供取暖燒水使用。美中不足的是，貯氫金屬容器的質量比汽油箱大，這一點還有待改進完善。

目前，還有一種使用氫的燃料電池。它是將由綠色能源制取的氫與空氣中的氧在電池中發生電化學反應，即燃料中的氫在燃料電極上與電解質一起進行氧化反應，生成帶正電的離子和電子；而電子通過外電路跑到氧化劑電極上，并在該電極上與氧化劑、電解質進行還原反應，生成帶電負離子；帶電正離子和負離子在電解質中結合，生成水蒸氣并得到電能。因此，只要把氫燃料供給電池，并及時把電極反應產物排走，就能連續不斷地把燃料的化學能直接轉換成電能。

這種氫燃料電池雖然也屬于電池家族的成員，但它不是手電筒、半導體收音機等小電器用的弱電源，而是像火力發電那樣能為照明和機器運轉提供能源。這種氫燃料電池具有電力強、結構簡單、生產成本較低、重量輕、體積小等優點，因而已在汽車、火車、飛機等現代交通工具上應用，是一種比較理想的新型能源。值得一提的是，氫燃料電池的發電效率比火力發電還高，而且在發電的同時還可供應水蒸氣，其總的熱效率可達80%左右。

中國在打造綠氫發電方面已居世界領先地位。據中國氫能聯盟宣稱，到2050年，中國對氫氣的需求量將達6000萬噸；預計到2060年，中國可再生能源制氫產量將達到1億噸。

為了促進綠氫產業的發展，國際氫能示范園于2022年初在北京建成。示范園內擁有全球日加氫量最大的加氫站、涉氫公共測試平臺、氫能產業孵化器以及相關的配套服務和應用場景，共同構成“氫能綜合創新生態圈”。

目前，已有139家相關企業注冊落地示范園區。位于園區北側的中國“氫能第一股”億華通公司，其年產3000臺氫能發電機的生產線上，僅有8位工人負責精密零件組裝。搬運、抬升等工作全部由機器人完成，它們通過激光、視覺等導航定位技術，可以準確地把零件“送貨上門”。組裝好的發動機，在園區內就可測試。加氫站的氫氣通過管道直接輸送到面積為1500平方米的涉氫測試中心。這里的公共測試區可為京津冀地區的氫能企業提供專業、快速、便捷、高效的測試服務。

【責任編輯】蒲 暉