氫能源為經濟社會發展注入強勁動力
來源：國家能源局網(wang)站
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發布時(shi)間：2024-06-12
作(zuo)為能(neng)源(yuan)(yuan)，氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)優勢(shi)十分突出(chu)。一是，氫(qing)(qing)(qing)元素分布廣泛，約占宇宙物質(zhi)總量(liang)的(de)(de)81.75%，在地球水體中儲量(liang)豐富；二(er)是，氫(qing)(qing)(qing)氣的(de)(de)燃(ran)燒(shao)熱(re)值高，是汽油的(de)(de)3倍(bei)、酒(jiu)精的(de)(de)3.9倍(bei)、焦(jiao)炭(tan)的(de)(de)4.5倍(bei)；三是，氫(qing)(qing)(qing)氣燃(ran)燒(shao)的(de)(de)產物只有(you)(you)一種——水。來(lai)源(yuan)(yuan)豐富，能(neng)量(liang)密度高，清潔(jie)無污染，集(ji)三重優勢(shi)于一身，在倡導(dao)綠色發(fa)展的(de)(de)今天，氫(qing)(qing)(qing)能(neng)源(yuan)(yuan)的(de)(de)開發(fa)與利(li)用受到前所未有(you)(you)的(de)(de)重視。
近年來，我(wo)國氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)技術及產(chan)業(ye)快速發展(zhan)：首列(lie)(lie)氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)源市域列(lie)(lie)車(che)完成達速試跑(pao)，海水(shui)直接制氫(qing)(qing)(qing)(qing)技術在福建海試成功，《氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)產(chan)業(ye)發展(zhan)中(zhong)長期規(gui)劃（2021—2035年）》《氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)產(chan)業(ye)標準(zhun)體系建設(she)指南（2023版）》等陸續推出(chu)……氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)作為(wei)清潔(jie)能(neng)(neng)源，為(wei)經(jing)濟社(she)會發展(zhan)注入強勁(jing)動力，也(ye)成為(wei)深(shen)受(shou)關注的科(ke)技話題。
既(ji)是清(qing)潔能源，也是“多彩”能源
氫元素并(bing)不(bu)(bu)等于氫能源(yuan)(yuan)。從人類利(li)用氫能的(de)廣義角度來(lai)看，太陽質量(liang)的(de)72%是氫，它幾(ji)十億年來(lai)通過持續不(bu)(bu)斷(duan)的(de)熱核聚變，把(ba)氫中的(de)能量(liang)轉換(huan)成光能，源(yuan)(yuan)源(yuan)(yuan)不(bu)(bu)斷(duan)地送達地球(qiu)，驅動地球(qiu)上的(de)物質循環與能量(liang)循環，孕育了地球(qiu)上的(de)生命。而我們日常生產生活(huo)中用到的(de)氫能，主(zhu)要是氫和氧進(jin)行化(hua)學反應釋放出的(de)化(hua)學能。
數百(bai)年(nian)來(lai)，人類從(cong)未停止對低能(neng)(neng)耗、低成本氫(qing)(qing)能(neng)(neng)制(zhi)取技術的(de)(de)探索。因(yin)為(wei)地(di)球(qiu)上(shang)的(de)(de)氫(qing)(qing)元素(su)只占地(di)球(qiu)總質(zhi)量的(de)(de)0.76%，其中氫(qing)(qing)單質(zhi)，也就是氫(qing)(qing)分(fen)子的(de)(de)賦存更(geng)是極(ji)其稀少，所以人類無(wu)法像(xiang)勘探開采石(shi)油和煤炭(tan)那樣輕易找到“氫(qing)(qing)礦(kuang)”，而要通過(guo)科技手段來(lai)制(zhi)取氫(qing)(qing)氣。19世紀后，氫(qing)(qing)燃料動力火箭(jian)把人類帶入(ru)瑰麗的(de)(de)太空，氫(qing)(qing)燃料電(dian)池技術的(de)(de)出現則讓“氫(qing)(qing)—電(dian)”直接轉換(huan)成為(wei)可能(neng)(neng)。直到今天(tian)，科學家仍在(zai)努(nu)力將地(di)球(qiu)上(shang)的(de)(de)太陽(yang)能(neng)(neng)、風能(neng)(neng)、海(hai)洋能(neng)(neng)等可再生能(neng)(neng)源，再度轉化為(wei)氫(qing)(qing)這一清潔(jie)、高密度的(de)(de)能(neng)(neng)源形式。
氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)是“多彩(cai)”的(de)(de)。根據不(bu)同制取方式，氫(qing)(qing)(qing)(qing)能(neng)可分為(wei)綠氫(qing)(qing)(qing)(qing)、灰(hui)氫(qing)(qing)(qing)(qing)、藍氫(qing)(qing)(qing)(qing)、紫(zi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)、金氫(qing)(qing)(qing)(qing)等(deng)。其中(zhong)(zhong)，灰(hui)氫(qing)(qing)(qing)(qing)來(lai)自(zi)煤炭制氫(qing)(qing)(qing)(qing)、天然(ran)(ran)氣制氫(qing)(qing)(qing)(qing)、工業(ye)副產氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣，屬于直(zhi)接制氫(qing)(qing)(qing)(qing)，成本較低，但需要消耗煤、天然(ran)(ran)氣等(deng)化(hua)石能(neng)源，會產生大量二氧(yang)化(hua)碳(tan)。目前，灰(hui)氫(qing)(qing)(qing)(qing)產量約占(zhan)全球氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣產量的(de)(de)九(jiu)成以上(shang)。藍氫(qing)(qing)(qing)(qing)則是在灰(hui)氫(qing)(qing)(qing)(qing)基礎上(shang)，將制備(bei)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)排放(fang)的(de)(de)二氧(yang)化(hua)碳(tan)副產品捕獲、利(li)(li)用和封存(cun)，更加(jia)環保。紫(zi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)是利(li)(li)用核(he)能(neng)進行(xing)大規模(mo)電解水(shui)制氫(qing)(qing)(qing)(qing)。近年來(lai)，地(di)質學(xue)家還(huan)發現了金氫(qing)(qing)(qing)(qing)，它由(you)地(di)下水(shui)與(yu)地(di)下橄欖石（一種呈綠色的(de)(de)鎂鐵(tie)硅酸(suan)鹽(yan)）等(deng)礦(kuang)物相互(hu)作用，使水(shui)被還(huan)原為(wei)氧(yang)氣和氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣。在這一過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，氧(yang)氣與(yu)礦(kuang)物中(zhong)(zhong)的(de)(de)鐵(tie)結合，氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣則逃逸到周圍(wei)的(de)(de)巖石中(zhong)(zhong)，并利(li)(li)用地(di)下礦(kuang)石的(de)(de)石化(hua)過(guo)(guo)程(cheng)不(bu)斷再生氫(qing)(qing)(qing)(qing)氣。金氫(qing)(qing)(qing)(qing)因(yin)其地(di)質儲藏勘測和開采難度極大，目前尚未得到充分開發利(li)(li)用。
最為重要(yao)的綠(lv)氫，是(shi)通過(guo)風能(neng)或(huo)太陽能(neng)等可(ke)再(zai)生(sheng)(sheng)清(qing)(qing)(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)發(fa)電，再(zai)利用這(zhe)些清(qing)(qing)(qing)潔(jie)電能(neng)，以電解水方式(shi)制取氫氣。綠(lv)氫在制取過(guo)程中基(ji)本不(bu)產生(sheng)(sheng)溫室(shi)氣體(ti)，是(shi)目(mu)前氫能(neng)發(fa)展的主要(yao)趨勢。放眼世(shi)界，綠(lv)氫成(cheng)為各國(guo)(guo)清(qing)(qing)(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)轉型的重要(yao)一環，不(bu)少國(guo)(guo)家出臺了相關(guan)政策，鼓勵建(jian)(jian)設(she)大規(gui)模綠(lv)氫供(gong)應鏈。2023年(nian)8月，我國(guo)(guo)首個萬(wan)噸級光伏發(fa)電直(zhi)接制綠(lv)氫項目(mu)——新疆庫車綠(lv)氫示范項目(mu)全面建(jian)(jian)成(cheng)投產，每年(nian)可(ke)生(sheng)(sheng)產2萬(wan)噸綠(lv)氫，減(jian)少二氧化碳排放約48.5萬(wan)噸。
創新“開(kai)采”方式，向(xiang)海洋要氫
進入21世紀，氫(qing)(qing)能(neng)應(ying)用場景(jing)更加廣泛。從汽車到(dao)(dao)船舶，從工廠到(dao)(dao)家庭，氫(qing)(qing)能(neng)出(chu)現(xian)在社會生(sheng)產(chan)生(sheng)活(huo)各個方面，不少大型城(cheng)市開始興建加氫(qing)(qing)站等基礎(chu)設施(shi)，氫(qing)(qing)能(neng)源技術與(yu)產(chan)業(ye)得(de)到(dao)(dao)大規模(mo)推(tui)廣。中國(guo)作為氫(qing)(qing)能(neng)生(sheng)產(chan)大國(guo)和使用大國(guo)，有力推(tui)動氫(qing)(qing)能(neng)發展。在交通領(ling)域，2022年(nian)我國(guo)氫(qing)(qing)能(neng)源汽車保有量首次突破萬輛，預(yu)計到(dao)(dao)2025年(nian)有望增至10萬輛。
在(zai)旺(wang)盛的(de)需求引導下，綠(lv)氫制(zhi)取的(de)成(cheng)本大(da)(da)大(da)(da)降低。目(mu)前(qian)，綠(lv)氫主(zhu)要(yao)(yao)通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)來(lai)(lai)(lai)制(zhi)取，成(cheng)本的(de)80%來(lai)(lai)(lai)自(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)過(guo)程的(de)能(neng)耗。根據(ju)工作(zuo)原理(li)、溫度(du)以及所用電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)池材(cai)料的(de)不同，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)制(zhi)氫可分為(wei)(wei)(wei)(wei)堿性電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)、質(zhi)子交(jiao)換(huan)(huan)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)、高(gao)(gao)溫固(gu)體(ti)氧化(hua)(hua)物電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)3類。堿性電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)技(ji)術(shu)(shu)成(cheng)熟度(du)較高(gao)(gao)，具有(you)成(cheng)本優(you)勢(shi)，是現有(you)大(da)(da)規模綠(lv)氫工程項目(mu)的(de)主(zhu)要(yao)(yao)方(fang)(fang)案。質(zhi)子交(jiao)換(huan)(huan)膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)技(ji)術(shu)(shu)效率(lv)高(gao)(gao)于堿性電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)，系(xi)統(tong)集成(cheng)簡單(dan)，但(dan)需要(yao)(yao)使用貴金屬鉑、銥等作(zuo)為(wei)(wei)(wei)(wei)催(cui)化(hua)(hua)劑，目(mu)前(qian)設備成(cheng)本約為(wei)(wei)(wei)(wei)堿性電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)3倍，未(wei)來(lai)(lai)(lai)需通(tong)過(guo)新(xin)型催(cui)化(hua)(hua)劑的(de)開發(fa)和膜(mo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極制(zhi)備技(ji)術(shu)(shu)的(de)發(fa)展提(ti)升性價(jia)比。高(gao)(gao)溫固(gu)體(ti)氧化(hua)(hua)物電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)技(ji)術(shu)(shu)，則是在(zai)500—800攝氏度(du)高(gao)(gao)溫下，將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)和熱能(neng)轉化(hua)(hua)為(wei)(wei)(wei)(wei)化(hua)(hua)學能(neng)（氫能(neng)），氫氣被(bei)高(gao)(gao)效地(di)分離出來(lai)(lai)(lai)，被(bei)認為(wei)(wei)(wei)(wei)是理(li)論效率(lv)最(zui)高(gao)(gao)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)制(zhi)氫技(ji)術(shu)(shu)。綜(zong)合來(lai)(lai)(lai)看，發(fa)展新(xin)型電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)材(cai)料、提(ti)高(gao)(gao)關(guan)鍵材(cai)料壽命(ming)、優(you)化(hua)(hua)工作(zuo)溫度(du)成(cheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)制(zhi)氫技(ji)術(shu)(shu)的(de)發(fa)展方(fang)(fang)向。
新的(de)制取方式也在(zai)開發(fa)(fa)中(zhong)。其中(zhong)，海(hai)水(shui)(shui)直(zhi)接電(dian)解制氫(qing)(qing)技(ji)術和海(hai)上(shang)風電(dian)技(ji)術備(bei)受關(guan)注。未來(lai)綠(lv)氫(qing)(qing)的(de)大(da)規模生產，與風能(neng)、太陽能(neng)等可再生能(neng)源(yuan)相耦合是關(guan)鍵。特(te)別是在(zai)海(hai)上(shang)風電(dian)發(fa)(fa)展迅速，海(hai)水(shui)(shui)資源(yuan)頗為(wei)豐富（地球水(shui)(shui)資源(yuan)總量(liang)的(de)97%）的(de)背景下，利用海(hai)水(shui)(shui)直(zhi)接電(dian)解制氫(qing)(qing)技(ji)術和海(hai)上(shang)風電(dian)技(ji)術向海(hai)洋要(yao)氫(qing)(qing)，成為(wei)綠(lv)氫(qing)(qing)制取的(de)重要(yao)方向。這就像在(zai)大(da)海(hai)上(shang)建起一座(zuo)座(zuo)“氫(qing)(qing)礦”，產出的(de)綠(lv)氫(qing)(qing)可直(zhi)接通過海(hai)上(shang)油氣管道等進行(xing)遠距離運輸，提供了大(da)量(liang)氫(qing)(qing)能(neng)。
實現海水(shui)(shui)直(zhi)接(jie)制氫的設想，要(yao)邁過不少技術(shu)門檻。電解海水(shui)(shui)制取氫有兩種(zhong)方(fang)式：一(yi)是淡化海水(shui)(shui)至純(chun)水(shui)(shui)再制氫，技術(shu)復雜(za)、成本高，難以規模化生產；二是海水(shui)(shui)直(zhi)接(jie)電解制氫，難點在于(yu)海水(shui)(shui)成分復雜(za)，對設備中(zhong)的催(cui)化劑(ji)、電極、隔膜要(yao)求很(hen)高。經(jing)過長期攻(gong)關，我(wo)們嘗(chang)試(shi)用(yong)物理力學(xue)方(fang)法(fa)，在一(yi)種(zhong)透氣不透水(shui)(shui)的“膜”作用(yong)下，把(ba)海水(shui)(shui)里的水(shui)(shui)汽“抽”出來(lai)，隔絕海水(shui)(shui)中(zhong)的雜(za)質離子，從而使(shi)水(shui)(shui)汽成為電解制氫用(yong)的“純(chun)水(shui)(shui)”，向電解液(ye)補水(shui)(shui)。2022年11月，這一(yi)成果發(fa)表在《自然》雜(za)志，后被科技部評為2022年中(zhong)國科學(xue)十大進展之一(yi)。未來(lai)，海水(shui)(shui)直(zhi)接(jie)制氫有望開辟(pi)氫能源(yuan)技術(shu)和產業化新賽道。
儲用(yong)結合，豐富利用(yong)手段
解(jie)決了氫能(neng)的(de)來源和制取(qu)成(cheng)(cheng)本(ben)問題，就(jiu)要(yao)考慮如何(he)把氫能(neng)送達各類應用(yong)(yong)場景并(bing)創新氫能(neng)利用(yong)(yong)方式。儲(chu)存和運(yun)輸，始終(zhong)是人(ren)類能(neng)源利用(yong)(yong)的(de)技(ji)術(shu)(shu)課(ke)題。氫氣(qi)密度小(xiao)、易(yi)燃(ran)燒，因而(er)儲(chu)運(yun)成(cheng)(cheng)本(ben)高，存在安全風險(xian)，長期(qi)以來影響著氫能(neng)利用(yong)(yong)。為此，科學(xue)家們(men)正嘗(chang)試將氫轉化(hua)為易(yi)儲(chu)易(yi)運(yun)的(de)氨或甲醇(chun)，進(jin)而(er)實(shi)(shi)現綠(lv)(lv)(lv)氫大規模應用(yong)(yong)。比如，以經(jing)典的(de)哈伯—博施工藝(yi)借(jie)助氮氣(qi)及氫氣(qi)制取(qu)氨氣(qi)，或利用(yong)(yong)新興的(de)電化(hua)學(xue)常壓低能(neng)耗合(he)成(cheng)(cheng)氨技(ji)術(shu)(shu)，實(shi)(shi)現“氫氨融合(he)”，豐富了化(hua)肥、工業(ye)(ye)等(deng)傳統用(yong)(yong)氨行業(ye)(ye)及綠(lv)(lv)(lv)氨摻(chan)混發電、綠(lv)(lv)(lv)色(se)船用(yong)(yong)燃(ran)料等(deng)下游(you)新興領(ling)域的(de)能(neng)源供(gong)給(gei)。另外，利用(yong)(yong)綠(lv)(lv)(lv)氫和二氧(yang)化(hua)碳合(he)成(cheng)(cheng)綠(lv)(lv)(lv)色(se)甲醇(chun)，也能(neng)實(shi)(shi)現氫能(neng)整體(ti)的(de)全周期(qi)近零排放(fang)。目前(qian)全球(qiu)市場對綠(lv)(lv)(lv)色(se)甲醇(chun)、綠(lv)(lv)(lv)氨、生物柴油(you)等(deng)綠(lv)(lv)(lv)色(se)清潔(jie)液(ye)體(ti)燃(ran)料需求巨大，相關產業(ye)(ye)總產能(neng)有待進(jin)一步提高，綠(lv)(lv)(lv)色(se)清潔(jie)液(ye)體(ti)燃(ran)料前(qian)景廣(guang)闊，有望成(cheng)(cheng)為更具經(jing)濟性的(de)綠(lv)(lv)(lv)氫消(xiao)納利用(yong)(yong)新路(lu)徑。
除了作為(wei)化工原料（如石(shi)油煉化、合(he)成氨(an)、合(he)成甲醇）和工業工藝氣體（如鋼鐵、半導(dao)體行業還原劑）等(deng)(deng)傳(chuan)統使(shi)用(yong)方式(shi)外，綠(lv)氫(qing)還可以作為(wei)能(neng)源(yuan)、燃料來使(shi)用(yong)。氫(qing)燃料電(dian)池(chi)是目前被(bei)廣泛(fan)看好(hao)的氫(qing)能(neng)利用(yong)路線。氫(qing)燃料電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)具(ju)備零(ling)排放、零(ling)污染、無噪聲、補(bu)充燃料快、續航(hang)能(neng)力(li)強等(deng)(deng)優(you)勢(shi)。2022年北京(jing)冬奧會期間，超過(guo)1000輛氫(qing)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)投入使(shi)用(yong)，并配(pei)備了30多個(ge)加氫(qing)站，這(zhe)是迄(qi)今為(wei)止氫(qing)燃料電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)在全球(qiu)最(zui)大規(gui)模的集中示范運營。
在新技術加持下，氫(qing)能(neng)(neng)交通(tong)工具可以實現風(feng)、光、水到氫(qing)再到水的(de)“無碳(tan)物質閉環(huan)”，構(gou)成(cheng)綠色發展的(de)一(yi)次(ci)次(ci)清潔能(neng)(neng)量(liang)循環(huan)。比如氫(qing)能(neng)(neng)源(yuan)市域列車，以每天500公里(li)里(li)程計，每年大(da)約可減少10余噸(dun)二氧化碳(tan)排放。未來，氫(qing)能(neng)(neng)大(da)巴、氫(qing)能(neng)(neng)重卡(ka)、氫(qing)動力(li)船(chuan)舶(bo)、氫(qing)動力(li)無人機(ji)等都可能(neng)(neng)出(chu)現，氫(qing)能(neng)(neng)交通(tong)工具也有望與(yu)其他新能(neng)(neng)源(yuan)交通(tong)工具一(yi)道(dao)，構(gou)筑城鄉發展的(de)運力(li)網絡。
展望未來，在(zai)實現(xian)“雙碳(tan)”目標的過(guo)程中(zhong)，氫(qing)能(neng)源將在(zai)交通、工業、建筑、電(dian)力(li)、國防、航空航天等(deng)領域發揮(hui)更大作用(yong)。這需要科研工作者(zhe)和一線企(qi)業共同努(nu)力(li)，開(kai)發氫(qing)能(neng)制取、儲(chu)存、運輸、利用(yong)等(deng)一系列新技術。時不我待(dai)，元素周(zhou)期表(biao)上的第(di)一個名字(zi)，還有許多奧(ao)秘等(deng)待(dai)我們去(qu)探索(suo)發現(xian)。