作為能源，氫的優(yōu)勢十分突出。一是，氫元素分布廣泛，約占宇宙物質(zhì)總量的81.75%，在地球水體中儲量豐富；二是，氫氣的燃燒熱值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；三是，氫氣燃燒的產(chǎn)物只有一種——水。來(lái)源豐富，能量密度高，清潔無(wú)污染，集三重優(yōu)勢于一身，在倡導綠色發(fā)展的今天，氫能源的開(kāi)發(fā)與利用受到前所未有的重視。
近年來(lái)，我國氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展：首列氫能源市域列車(chē)完成達速試跑，海水直接制氫技術(shù)在福建海試成功，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃（2021—2035年）》《氫能產(chǎn)業(yè)標準體系建設指南（2023版）》等陸續推出……氫能作為清潔能源，為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展注入強勁動(dòng)力，也成為深受關(guān)注的科技話(huà)題。
既是清潔能源，也是“多彩”能源
氫元素并不等于氫能源。從人類(lèi)利用氫能的廣義角度來(lái)看，太陽(yáng)質(zhì)量的72%是氫，它幾十億年來(lái)通過(guò)持續不斷的熱核聚變，把氫中的能量轉換成光能，源源不斷地送達地球，驅動(dòng)地球上的物質(zhì)循環(huán)與能量循環(huán)，孕育了地球上的生命。而我們日常生產(chǎn)生活中用到的氫能，主要是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應釋放出的化學(xué)能。
數百年來(lái)，人類(lèi)從未停止對低能耗、低成本氫能制取技術(shù)的探索。因為地球上的氫元素只占地球總質(zhì)量的0.76%，其中氫單質(zhì)，也就是氫分子的賦存更是極其稀少，所以人類(lèi)無(wú)法像勘探開(kāi)采石油和煤炭那樣輕易找到“氫礦”，而要通過(guò)科技手段來(lái)制取氫氣。19世紀后，氫燃料動(dòng)力火箭把人類(lèi)帶入瑰麗的太空，氫燃料電池技術(shù)的出現則讓“氫—電”直接轉換成為可能。直到今天，科學(xué)家仍在努力將地球上的太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能等可再生能源，再度轉化為氫這一清潔、高密度的能源形式。
氫能是“多彩”的。根據不同制取方式，氫能可分為綠氫、灰氫、藍氫、紫氫、金氫等。其中，灰氫來(lái)自煤炭制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫氣，屬于直接制氫，成本較低，但需要消耗煤、天然氣等化石能源，會(huì )產(chǎn)生大量二氧化碳。目前，灰氫產(chǎn)量約占全球氫氣產(chǎn)量的九成以上。藍氫則是在灰氫基礎上，將制備過(guò)程中排放的二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存，更加環(huán)保。紫氫是利用核能進(jìn)行大規模電解水制氫。近年來(lái)，地質(zhì)學(xué)家還發(fā)現了金氫，它由地下水與地下橄欖石（一種呈綠色的鎂鐵硅酸鹽）等礦物相互作用，使水被還原為氧氣和氫氣。在這一過(guò)程中，氧氣與礦物中的鐵結合，氫氣則逃逸到周?chē)膸r石中，并利用地下礦石的石化過(guò)程不斷再生氫氣。金氫因其地質(zhì)儲藏勘測和開(kāi)采難度極大，目前尚未得到充分開(kāi)發(fā)利用。
最為重要的綠氫，是通過(guò)風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生清潔能源發(fā)電，再利用這些清潔電能，以電解水方式制取氫氣。綠氫在制取過(guò)程中基本不產(chǎn)生溫室氣體，是目前氫能發(fā)展的主要趨勢。放眼世界，綠氫成為各國清潔能源轉型的重要一環(huán)，不少?lài)页雠_了相關(guān)政策，鼓勵建設大規模綠氫供應鏈。2023年8月，我國首個(gè)萬(wàn)噸級光伏發(fā)電直接制綠氫項目——新疆庫車(chē)綠氫示范項目全面建成投產(chǎn)，每年可生產(chǎn)2萬(wàn)噸綠氫，減少二氧化碳排放約48.5萬(wàn)噸。
創(chuàng )新“開(kāi)采”方式，向海洋要氫
進(jìn)入21世紀，氫能應用場(chǎng)景更加廣泛。從汽車(chē)到船舶，從工廠(chǎng)到家庭，氫能出現在社會(huì )生產(chǎn)生活各個(gè)方面，不少大型城市開(kāi)始興建加氫站等基礎設施，氫能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到大規模推廣。中國作為氫能生產(chǎn)大國和使用大國，有力推動(dòng)氫能發(fā)展。在交通領(lǐng)域，2022年我國氫能源汽車(chē)保有量首次突破萬(wàn)輛，預計到2025年有望增至10萬(wàn)輛。
在旺盛的需求引導下，綠氫制取的成本大大降低。目前，綠氫主要通過(guò)電解水來(lái)制取，成本的80%來(lái)自電解過(guò)程的能耗。根據工作原理、溫度以及所用電解池材料的不同，電解水制氫可分為堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水、高溫固體氧化物電解水3類(lèi)。堿性電解水技術(shù)成熟度較高，具有成本優(yōu)勢，是現有大規模綠氫工程項目的主要方案。質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)效率高于堿性電解水，系統集成簡(jiǎn)單，但需要使用貴金屬鉑、銥等作為催化劑，目前設備成本約為堿性電解水的3倍，未來(lái)需通過(guò)新型催化劑的開(kāi)發(fā)和膜電極制備技術(shù)的發(fā)展提升性?xún)r(jià)比。高溫固體氧化物電解水技術(shù)，則是在500—800攝氏度高溫下，將電能和熱能轉化為化學(xué)能（氫能），氫氣被高效地分離出來(lái)，被認為是理論效率最高的電解水制氫技術(shù)。綜合來(lái)看，發(fā)展新型電解質(zhì)材料、提高關(guān)鍵材料壽命、優(yōu)化工作溫度成為電解制氫技術(shù)的發(fā)展方向。
新的制取方式也在開(kāi)發(fā)中。其中，海水直接電解制氫技術(shù)和海上風(fēng)電技術(shù)備受關(guān)注。未來(lái)綠氫的大規模生產(chǎn)，與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源相耦合是關(guān)鍵。特別是在海上風(fēng)電發(fā)展迅速，海水資源頗為豐富（地球水資源總量的97%）的背景下，利用海水直接電解制氫技術(shù)和海上風(fēng)電技術(shù)向海洋要氫，成為綠氫制取的重要方向。這就像在大海上建起一座座“氫礦”，產(chǎn)出的綠氫可直接通過(guò)海上油氣管道等進(jìn)行遠距離運輸，提供了大量氫能。
實(shí)現海水直接制氫的設想，要邁過(guò)不少技術(shù)門(mén)檻。電解海水制取氫有兩種方式：一是淡化海水至純水再制氫，技術(shù)復雜、成本高，難以規�；a(chǎn)；二是海水直接電解制氫，難點(diǎn)在于海水成分復雜，對設備中的催化劑、電極、隔膜要求很高。經(jīng)過(guò)長(cháng)期攻關(guān)，我們嘗試用物理力學(xué)方法，在一種透氣不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出來(lái)，隔絕海水中的雜質(zhì)離子，從而使水汽成為電解制氫用的“純水”，向電解液補水。2022年11月，這一成果發(fā)表在《自然》雜志，后被科技部評為2022年中國科學(xué)十大進(jìn)展之一。未來(lái)，海水直接制氫有望開(kāi)辟氫能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化新賽道。
儲用結合，豐富利用手段
解決了氫能的來(lái)源和制取成本問(wèn)題，就要考慮如何把氫能送達各類(lèi)應用場(chǎng)景并創(chuàng )新氫能利用方式。儲存和運輸，始終是人類(lèi)能源利用的技術(shù)課題。氫氣密度小、易燃燒，因而儲運成本高，存在安全風(fēng)險，長(cháng)期以來(lái)影響著(zhù)氫能利用。為此，科學(xué)家們正嘗試將氫轉化為易儲易運的氨或甲醇，進(jìn)而實(shí)現綠氫大規模應用。比如，以經(jīng)典的哈伯—博施工藝借助氮氣及氫氣制取氨氣，或利用新興的電化學(xué)常壓低能耗合成氨技術(shù)，實(shí)現“氫氨融合”，豐富了化肥、工業(yè)等傳統用氨行業(yè)及綠氨摻混發(fā)電、綠色船用燃料等下游新興領(lǐng)域的能源供給。另外，利用綠氫和二氧化碳合成綠色甲醇，也能實(shí)現氫能整體的全周期近零排放。目前全球市場(chǎng)對綠色甲醇、綠氨、生物柴油等綠色清潔液體燃料需求巨大，相關(guān)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)能有待進(jìn)一步提高，綠色清潔液體燃料前景廣闊，有望成為更具經(jīng)濟性的綠氫消納利用新路徑。
除了作為化工原料（如石油煉化、合成氨、合成甲醇）和工業(yè)工藝氣體（如鋼鐵、半導體行業(yè)還原劑）等傳統使用方式外，綠氫還可以作為能源、燃料來(lái)使用。氫燃料電池是目前被廣泛看好的氫能利用路線(xiàn)。氫燃料電池汽車(chē)具備零排放、零污染、無(wú)噪聲、補充燃料快、續航能力強等優(yōu)勢。2022年北京冬奧會(huì )期間，超過(guò)1000輛氫能源汽車(chē)投入使用，并配備了30多個(gè)加氫站，這是迄今為止氫燃料電池汽車(chē)在全球最大規模的集中示范運營(yíng)。
在新技術(shù)加持下，氫能交通工具可以實(shí)現風(fēng)、光、水到氫再到水的“無(wú)碳物質(zhì)閉環(huán)”，構成綠色發(fā)展的一次次清潔能量循環(huán)。比如氫能源市域列車(chē)，以每天500公里里程計，每年大約可減少10余噸二氧化碳排放。未來(lái)，氫能大巴、氫能重卡、氫動(dòng)力船舶、氫動(dòng)力無(wú)人機等都可能出現，氫能交通工具也有望與其他新能源交通工具一道，構筑城鄉發(fā)展的運力網(wǎng)絡(luò )。
展望未來(lái)，在實(shí)現“雙碳”目標的過(guò)程中，氫能源將在交通、工業(yè)、建筑、電力、國防、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。這需要科研工作者和一線(xiàn)企業(yè)共同努力，開(kāi)發(fā)氫能制取、儲存、運輸、利用等一系列新技術(shù)。時(shí)不我待，元素周期表上的第一個(gè)名字，還有許多奧秘等待我們去探索發(fā)現。
（作者為中國工程院院士、深圳大學(xué)特聘教授 謝和平）
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