作為能源，氫的優(yōu)勢(shì)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(chǔ)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(shì)于一身，在倡導(dǎo)綠色發(fā)展的今天，氫能源的開發(fā)與利用受到前所未有的重視。
近年來(lái)，我國(guó)氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展：首列氫能源市域列車完成達(dá)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(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》等陸續(xù)推出……氫能作為清潔能源，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力，也成為深受關(guān)注的科技話題。
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(xù)不斷的熱核聚變，把氫中的能量轉(zhuǎn)換成光能，源源不斷地送達(dá)地球，驅(qū)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?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中用到的氫能，主要是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能。
數(shù)百年來(lái)，人類從未停止對(duì)低能耗、低成本氫能制取技術(shù)的探索。因?yàn)榈厍蛏系臍湓刂徽嫉厍蚩傎|(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，所以人類無(wú)法像勘探開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(jì)后，氫燃料動(dòng)力火箭把人類帶入瑰麗的太空，氫燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)則讓“氫—電”直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為氫這一清潔、高密度的能源形式。
氫能是“多彩”的。根據(jù)不同制取方式，氫能可分為綠氫、灰氫、藍(lán)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(lán)氫則是在灰氫基礎(chǔ)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(guī)模電解水制氫。近年來(lái)，地質(zhì)學(xué)家還發(fā)現(xiàn)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(jié)合，氫氣則逃逸到周圍的巖石中，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(chǔ)藏勘測(cè)和開采難度極大，目前尚未得到充分開發(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(shì)。放眼世界，綠氫成為各國(guó)清潔能源轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)，不少國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策，鼓勵(lì)建設(shè)大規(guī)模綠氫供應(yīng)鏈。2023年8月，我國(guó)首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)光伏發(fā)電直接制綠氫項(xiàng)目——新疆庫(kù)車綠氫示范項(xiàng)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“開采”方式，向海洋要?dú)?/strong>
進(jìn)入21世紀(jì)，氫能應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。從汽車到船舶，從工廠到家庭，氫能出現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)生活各個(gè)方面，不少大型城市開始興建加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，氫能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到大規(guī)模推廣。中國(guó)作為氫能生產(chǎn)大國(guó)和使用大國(guó)，有力推動(dòng)氫能發(fā)展。在交通領(lǐng)域，2022年我國(guó)氫能源汽車保有量首次突破萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2025年有望增至10萬(wàn)輛。
在旺盛的需求引導(dǎo)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(jù)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。堿性電解水技術(shù)成熟度較高，具有成本優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)有大規(guī)模綠氫工程項(xiàng)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(tǒng)集成簡(jiǎn)單，但需要使用貴金屬鉑、銥等作為催化劑，目前設(shè)備成本約為堿性電解水的3倍，未來(lái)需通過(guò)新型催化劑的開發(fā)和膜電極制備技術(shù)的發(fā)展提升性價(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(zhuǎn)化為化學(xué)能(氫能)，氫氣被高效地分離出來(lái)，被認(rèn)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(guī)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?dú)?，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(yuǎn)距離運(yùn)輸，提供了大量氫能。
實(shí)現(xiàn)海水直接制氫的設(shè)想，要邁過(guò)不少技術(shù)門檻。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(fù)雜、成本高，難以規(guī)模化生產(chǎn);二是海水直接電解制氫，難點(diǎn)在于海水成分復(fù)雜，對(duì)設(shè)備中的催化劑、電極、隔膜要求很高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(bǔ)水。2022年11月，這一成果發(fā)表在《自然》雜志，后被科技部評(píng)為2022年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展之一。未來(lái)，海水直接制氫有望開辟氫能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化新賽道。
儲(chǔ)用結(jié)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(dá)各類應(yīng)用場(chǎng)景并創(chuàng)新氫能利用方式。儲(chǔ)存和運(yùn)輸，始終是人類能源利用的技術(shù)課題。氫氣密度小、易燃燒，因而儲(chǔ)運(yùn)成本高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)影響著氫能利用。為此，科學(xué)家們正嘗試將氫轉(zhuǎn)化為易儲(chǔ)易運(yùn)的氨或甲醇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模應(yīng)用。比如，以經(jīng)典的哈伯—博施工藝借助氮?dú)饧皻錃庵迫“睔猓蚶眯屡d的電化學(xué)常壓低能耗合成氨技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“氫氨融合”，豐富了化肥、工業(yè)等傳統(tǒng)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(xiàn)氫能整體的全周期近零排放。目前全球市場(chǎng)對(duì)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(jì)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(dǎo)體行業(yè)還原劑)等傳統(tǒng)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。氫燃料電池汽車具備零排放、零污染、無(wú)噪聲、補(bǔ)充燃料快、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。2022年北京冬奧會(huì)期間，超過(guò)1000輛氫能源汽車投入使用，并配備了30多個(gè)加氫站，這是迄今為止氫燃料電池汽車在全球最大規(guī)模的集中示范運(yùn)營(yíng)。
在新技術(shù)加持下，氫能交通工具可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、水到氫再到水的“無(wú)碳物質(zhì)閉環(huán)”，構(gòu)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，以每天500公里里程計(jì)，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(jī)等都可能出現(xiàn)，氫能交通工具也有望與其他新能源交通工具一道，構(gòu)筑城鄉(xiāng)發(fā)展的運(yùn)力網(wǎng)絡(luò)。
展望未來(lái)，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過(guò)程中，氫能源將在交通、工業(yè)、建筑、電力、國(guó)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企業(yè)共同努力，開發(fā)氫能制取、儲(chǔ)存、運(yùn)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?nèi)ヌ剿靼l(fā)現(xiàn)。
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)
(作者為中國(guó)工程院院士、深圳大學(xué)特聘教授)
評(píng)論