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       作為能源，氫的優勢十分突出。一是，氫元素分布廣泛，約占宇宙物質總量的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，氫氣燃燒的產物只有一種——水。來源豐富，能量密度高，清潔無污染，集三重優勢于一身，在倡導綠色發展的今天，氫能源的開發與利用受到前所未有的重視。

 

       近年來，我國氫能技術及產業快速發展：首列氫能源市域列車完成達速試跑，海水直接制氫技術在福建海試成功，《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》《氫能產業標準體系建設指南(2023版)》等陸續推出……氫能作為清潔能源，為經濟社會發展注入強勁動力，也成為深受關注的科技話題。

 

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看，太陽質量的72%是氫，它幾十億年來通過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，驅動地球上的物質循環與能量循環，孕育了地球上的生命。而我們日常生產生活中用到的氫能，主要是氫和氧進行化學反應釋放出的化學能。

 

       數百年來，人類從未停止對低能耗、低成本氫能制取技術的探索。因為地球上的氫元素只占地球總質量的0.76%，其中氫單質，也就是氫分子的賦存更是極其稀少，所以人類無法像勘探開采石油和煤炭那樣輕易找到“氫礦”，而要通過科技手段來制取氫氣。19世紀后，氫燃料動力火箭把人類帶入瑰麗的太空，氫燃料電池技術的出現則讓“氫—電”直接轉換成為可能。直到今天，科學家仍在努力將地球上的太陽能、風能、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，灰氫來自煤炭制氫、天然氣制氫、工業副產氫氣，屬于直接制氫，成本較低，但需要消耗煤、天然氣等化石能源，會產生大量二氧化碳。目前，灰氫產量約占全球氫氣產量的九成以上。藍氫則是在灰氫基礎上，將制備過程中排放的二氧化碳副產品捕獲、利用和封存，更加環保。紫氫是利用核能進行大規模電解水制氫。近年來，地質學家還發現了金氫，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。在這一過程中，氧氣與礦物中的鐵結合，氫氣則逃逸到周圍的巖石中，并利用地下礦石的石化過程不斷再生氫氣。金氫因其地質儲藏勘測和開采難度極大，目前尚未得到充分開發利用。

 

       最為重要的綠氫，是通過風能或太陽能等可再生清潔能源發電，再利用這些清潔電能，以電解水方式制取氫氣。綠氫在制取過程中基本不產生溫室氣體，是目前氫能發展的主要趨勢。放眼世界，綠氫成為各國清潔能源轉型的重要一環，不少國家出臺了相關政策，鼓勵建設大規模綠氫供應鏈。2023年8月，我國首個萬噸級光伏發電直接制綠氫項目——新疆庫車綠氫示范項目全面建成投產，每年可生產2萬噸綠氫，減少二氧化碳排放約48.5萬噸。

 

創新“開采”方式，向海洋要氫

 

       進入21世紀，氫能應用場景更加廣泛。從汽車到船舶，從工廠到家庭，氫能出現在社會生產生活各個方面，不少大型城市開始興建加氫站等基礎設施，氫能源技術與產業得到大規模推廣。中國作為氫能生產大國和使用大國，有力推動氫能發展。在交通領域，2022年我國氫能源汽車保有量首次突破萬輛，預計到2025年有望增至10萬輛。

 

       在旺盛的需求引導下，綠氫制取的成本大大降低。目前，綠氫主要通過電解水來制取，成本的80%來自電解過程的能耗。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。堿性電解水技術成熟度較高，具有成本優勢，是現有大規模綠氫工程項目的主要方案。質子交換膜電解水技術效率高于堿性電解水，系統集成簡單，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，未來需通過新型催化劑的開發和膜電極制備技術的發展提升性價比。高溫固體氧化物電解水技術，則是在500—800攝氏度高溫下，將電能和熱能轉化為化學能(氫能)，氫氣被高效地分離出來，被認為是理論效率最高的電解水制氫技術。綜合來看，發展新型電解質材料、提高關鍵材料壽命、優化工作溫度成為電解制氫技術的發展方向。

 

       新的制取方式也在開發中。其中，海水直接電解制氫技術和海上風電技術備受關注。未來綠氫的大規模生產，與風能、太陽能等可再生能源相耦合是關鍵。特別是在海上風電發展迅速，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和海上風電技術向海洋要氫，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”，產出的綠氫可直接通過海上油氣管道等進行遠距離運輸，提供了大量氫能。

 

       實現海水直接制氫的設想，要邁過不少技術門檻。電解海水制取氫有兩種方式：一是淡化海水至純水再制氫，技術復雜、成本高，難以規模化生產；二是海水直接電解制氫，難點在于海水成分復雜，對設備中的催化劑、電極、隔膜要求很高。經過長期攻關，我們嘗試用物理力學方法，在一種透氣不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出來，隔絕海水中的雜質離子，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，這一成果發表在《自然》雜志，后被科技部評為2022年中國科學十大進展之一。未來，海水直接制氫有望開辟氫能源技術和產業化新賽道。

 

儲用結合，豐富利用手段

 

       解決了氫能的來源和制取成本問題，就要考慮如何把氫能送達各類應用場景并創新氫能利用方式。儲存和運輸，始終是人類能源利用的技術課題。氫氣密度小、易燃燒，因而儲運成本高，存在安全風險，長期以來影響著氫能利用。為此，科學家們正嘗試將氫轉化為易儲易運的氨或甲醇，進而實現綠氫大規模應用。比如，以經典的哈伯—博施工藝借助氮氣及氫氣制取氨氣，或利用新興的電化學常壓低能耗合成氨技術，實現“氫氨融合”，豐富了化肥、工業等傳統用氨行業及綠氨摻混發電、綠色船用燃料等下游新興領域的能源供給。另外，利用綠氫和二氧化碳合成綠色甲醇，也能實現氫能整體的全周期近零排放。目前全球市場對綠色甲醇、綠氨、生物柴油等綠色清潔液體燃料需求巨大，相關產業總產能有待進一步提高，綠色清潔液體燃料前景廣闊，有望成為更具經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)和工業工藝氣體(如鋼鐵、半導體行業還原劑)等傳統使用方式外，綠氫還可以作為能源、燃料來使用。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、無噪聲、補充燃料快、續航能力強等優勢。2022年北京冬奧會期間，超過1000輛氫能源汽車投入使用，并配備了30多個加氫站，這是迄今為止氫燃料電池汽車在全球最大規模的集中示范運營。

 

       在新技術加持下，氫能交通工具可以實現風、光、水到氫再到水的“無碳物質閉環”，構成綠色發展的一次次清潔能量循環。比如氫能源市域列車，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，氫能大巴、氫能重卡、氫動力船舶、氫動力無人機等都可能出現，氫能交通工具也有望與其他新能源交通工具一道，構筑城鄉發展的運力網絡。

 

       展望未來，在實現“雙碳”目標的過程中，氫能源將在交通、工業、建筑、電力、國防、航空航天等領域發揮更大作用。這需要科研工作者和一線企業共同努力，開發氫能制取、儲存、運輸、利用等一系列新技術。時不我待，元素周期表上的第一個名字，還有許多奧秘等待我們去探索發現。

 

       (作者為中國工程院院士、深圳大學特聘教授)