氢能源为经济社会发展注入强劲动力

2024-06-04 10:10 由人民日报发表于 #能源

作为能源，氢的优势十分突出。一是，氢元素分布广泛，约占宇宙物质总量的81.75%，在地球水体中储量丰富；二是，氢气的燃烧热值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；三是，氢气燃烧的产物只有一种——水。来源丰富，能量密度高，清洁无污染，集三重优势于一身，在倡导绿色发展的今天，氢能源的开发与利用受到前所未有的重视。

近年来，我国氢能技术及产业快速发展：首列氢能源市域列车完成达速试跑，海水直接制氢技术在福建海试成功，《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》等陆续推出……氢能作为清洁能源，为经济社会发展注入强劲动力，也成为深受关注的科技话题。

既是清洁能源，也是“多彩”能源

氢元素并不等于氢能源。从人类利用氢能的广义角度来看，太阳质量的72%是氢，它几十亿年来通过持续不断的热核聚变，把氢中的能量转换成光能，源源不断地送达地球，驱动地球上的物质循环与能量循环，孕育了地球上的生命。而我们日常生产生活中用到的氢能，主要是氢和氧进行化学反应释放出的化学能。

数百年来，人类从未停止对低能耗、低成本氢能制取技术的探索。因为地球上的氢元素只占地球总质量的0.76%，其中氢单质，也就是氢分子的赋存更是极其稀少，所以人类无法像勘探开采石油和煤炭那样轻易找到“氢矿”，而要通过科技手段来制取氢气。19世纪后，氢燃料动力火箭把人类带入瑰丽的太空，氢燃料电池技术的出现则让“氢—电”直接转换成为可能。直到今天，科学家仍在努力将地球上的太阳能、风能、海洋能等可再生能源，再度转化为氢这一清洁、高密度的能源形式。

氢能是“多彩”的。根据不同制取方式，氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。其中，灰氢来自煤炭制氢、天然气制氢、工业副产氢气，属于直接制氢，成本较低，但需要消耗煤、天然气等化石能源，会产生大量二氧化碳。目前，灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则是在灰氢基础上，将制备过程中排放的二氧化碳副产品捕获、利用和封存，更加环保。紫氢是利用核能进行大规模电解水制氢。近年来，地质学家还发现了金氢，它由地下水与地下橄榄石（一种呈绿色的镁铁硅酸盐）等矿物相互作用，使水被还原为氧气和氢气。在这一过程中，氧气与矿物中的铁结合，氢气则逃逸到周围的岩石中，并利用地下矿石的石化过程不断再生氢气。金氢因其地质储藏勘测和开采难度极大，目前尚未得到充分开发利用。

最为重要的绿氢，是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电，再利用这些清洁电能，以电解水方式制取氢气。绿氢在制取过程中基本不产生温室气体，是目前氢能发展的主要趋势。放眼世界，绿氢成为各国清洁能源转型的重要一环，不少国家出台了相关政策，鼓励建设大规模绿氢供应链。2023年8月，我国首个万吨级光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢示范项目全面建成投产，每年可生产2万吨绿氢，减少二氧化碳排放约48.5万吨。

创新“开采”方式，向海洋要氢

进入21世纪，氢能应用场景更加广泛。从汽车到船舶，从工厂到家庭，氢能出现在社会生产生活各个方面，不少大型城市开始兴建加氢站等基础设施，氢能源技术与产业得到大规模推广。中国作为氢能生产大国和使用大国，有力推动氢能发展。在交通领域，2022年我国氢能源汽车保有量首次突破万辆，预计到2025年有望增至10万辆。

在旺盛的需求引导下，绿氢制取的成本大大降低。目前，绿氢主要通过电解水来制取，成本的80%来自电解过程的能耗。根据工作原理、温度以及所用电解池材料的不同，电解水制氢可分为碱性电解水、质子交换膜电解水、高温固体氧化物电解水3类。碱性电解水技术成熟度较高，具有成本优势，是现有大规模绿氢工程项目的主要方案。质子交换膜电解水技术效率高于碱性电解水，系统集成简单，但需要使用贵金属铂、铱等作为催化剂，目前设备成本约为碱性电解水的3倍，未来需通过新型催化剂的开发和膜电极制备技术的发展提升性价比。高温固体氧化物电解水技术，则是在500—800摄氏度高温下，将电能和热能转化为化学能（氢能），氢气被高效地分离出来，被认为是理论效率最高的电解水制氢技术。综合来看，发展新型电解质材料、提高关键材料寿命、优化工作温度成为电解制氢技术的发展方向。

新的制取方式也在开发中。其中，海水直接电解制氢技术和海上风电技术备受关注。未来绿氢的大规模生产，与风能、太阳能等可再生能源相耦合是关键。特别是在海上风电发展迅速，海水资源颇为丰富（地球水资源总量的97%）的背景下，利用海水直接电解制氢技术和海上风电技术向海洋要氢，成为绿氢制取的重要方向。这就像在大海上建起一座座“氢矿”，产出的绿氢可直接通过海上油气管道等进行远距离运输，提供了大量氢能。

实现海水直接制氢的设想，要迈过不少技术门槛。电解海水制取氢有两种方式：一是淡化海水至纯水再制氢，技术复杂、成本高，难以规模化生产；二是海水直接电解制氢，难点在于海水成分复杂，对设备中的催化剂、电极、隔膜要求很高。经过长期攻关，我们尝试用物理力学方法，在一种透气不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出来，隔绝海水中的杂质离子，从而使水汽成为电解制氢用的“纯水”，向电解液补水。2022年11月，这一成果发表在《自然》杂志，后被科技部评为2022年中国科学十大进展之一。未来，海水直接制氢有望开辟氢能源技术和产业化新赛道。

储用结合，丰富利用手段

解决了氢能的来源和制取成本问题，就要考虑如何把氢能送达各类应用场景并创新氢能利用方式。储存和运输，始终是人类能源利用的技术课题。氢气密度小、易燃烧，因而储运成本高，存在安全风险，长期以来影响着氢能利用。为此，科学家们正尝试将氢转化为易储易运的氨或甲醇，进而实现绿氢大规模应用。比如，以经典的哈伯—博施工艺借助氮气及氢气制取氨气，或利用新兴的电化学常压低能耗合成氨技术，实现“氢氨融合”，丰富了化肥、工业等传统用氨行业及绿氨掺混发电、绿色船用燃料等下游新兴领域的能源供给。另外，利用绿氢和二氧化碳合成绿色甲醇，也能实现氢能整体的全周期近零排放。目前全球市场对绿色甲醇、绿氨、生物柴油等绿色清洁液体燃料需求巨大，相关产业总产能有待进一步提高，绿色清洁液体燃料前景广阔，有望成为更具经济性的绿氢消纳利用新路径。

除了作为化工原料（如石油炼化、合成氨、合成甲醇）和工业工艺气体（如钢铁、半导体行业还原剂）等传统使用方式外，绿氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池是目前被广泛看好的氢能利用路线。氢燃料电池汽车具备零排放、零污染、无噪声、补充燃料快、续航能力强等优势。2022年北京冬奥会期间，超过1000辆氢能源汽车投入使用，并配备了30多个加氢站，这是迄今为止氢燃料电池汽车在全球最大规模的集中示范运营。

在新技术加持下，氢能交通工具可以实现风、光、水到氢再到水的“无碳物质闭环”，构成绿色发展的一次次清洁能量循环。比如氢能源市域列车，以每天500公里里程计，每年大约可减少10余吨二氧化碳排放。未来，氢能大巴、氢能重卡、氢动力船舶、氢动力无人机等都可能出现，氢能交通工具也有望与其他新能源交通工具一道，构筑城乡发展的运力网络。

展望未来，在实现“双碳”目标的过程中，氢能源将在交通、工业、建筑、电力、国防、航空航天等领域发挥更大作用。这需要科研工作者和一线企业共同努力，开发氢能制取、储存、运输、利用等一系列新技术。时不我待，元素周期表上的第一个名字，还有许多奥秘等待我们去探索发现。（作者为中国工程院院士、深圳大学特聘教授）