氢能源为经济社会生长注入强劲动力
来源：国家能源局网站
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宣布时间：2024-06-12
作为能源，氢的优势十分突出 。一是，氢元素漫衍广泛，约占宇宙物质总量的81.75%，在地球水体中储量富厚；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，氢气燃烧的产品只有一种——水 。来源富厚，能量密度高，清洁无污染，集三重优势于一身，在提倡绿色生长的今天，氢能源的开发与利用受到前所未有的重视 。
近年来，我国氢能技术及工业快速生长：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乐成，《氢能工业生长中恒久计划（2021—2035年）》《氢能工业标准体系建设指南（2023版）》等陆续推出……氢能作为清洁能源，为经济社会生长注入强劲动力，也成为深受关注的科技话题 。
既是清洁能源，也是“多彩”能源
氢元素并不即是氢能源 。从人类利用氢能的广义角度来看，太阳质量的72%是氢，它几十亿年来通过连续不绝的热核聚变，把氢中的能量转换成光能，源源不绝地送达地球，驱动地球上的物质循环与能量循环，孕育了地球上的生命 。而我们日常生爆发活中用到的氢能，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、低本钱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美丽的太空，氢燃料电池技术的泛起则让“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 。凭据差别制取方法，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，本钱较低，但需要消耗煤、天然气等化石能源，会爆发大宗二氧化碳 。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，将制备历程中排放的二氧化碳副产品捕获、利用和封存，越发环保 。紫氢是利用核能进行大规模电解水制氢 。近年来，地质学家还发明了金氢，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 。在这一历程中，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历程不绝再生氢气 。金氢因其地质蕴藏勘测和开采难度极大，目前尚未获得充离开发利用 。
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，以电解水方法制取氢气 。绿氢在制取历程中基本不爆发温室气体，是目前氢能生长的主要趋势 。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，勉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 。
立异“开采”方法，向海洋要氢
进入21世纪，氢能应用场景越发广泛 。从汽车到船舶，从工厂抵家庭，氢能泛起在社会生爆发活各个方面，不少大型都会开始兴建加氢站等基础设施，氢能源技术与工业获得大规模推广 。中国作为氢能生产大国和使用大国，有力推动氢能生长 。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，绿氢制取的本钱大大降低 。目前，绿氢主要通过电解水来制取，本钱的80%来自电解历程的能耗 。凭据事情原理、温度以及所用电解池质料的差别，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，具有本钱优势，是现有大规模绿氢工程项目的主要计划 。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，目前设备本钱约为碱性电解水的3倍，未来需通过新型催化剂的开发和膜电极制备技术的生长提升性价比 。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），氢气被高效地疏散出来，被认为是理论效率最高的电解水制氢技术 。综合来看，生长新型电解质质料、提高要害质料寿命、优化事情温度成为电解制氢技术的生长偏向 。
新的制取方法也在开发中 。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要害 。特别是在海上风电生长迅速，海水资源颇为富厚（地球水资源总量的97%）的配景下，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偏向 。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，提供了大宗氢能 。
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法：一是淡化海水至纯水再制氢，技术庞大、本钱高，难以规�；�；二是海水直接电解制氢，难点在于海水身分庞大，对设备中的催化剂、电极、隔膜要求很高 。经过恒久攻关，我们实验用物理力学要领，在一种透气不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出来，阻遏海水中的杂质离子，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，这一结果宣布在《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工业化新赛道 。
储用结合，富重利用手段
解决了氢能的来源和制取本钱问题，就要考虑如何把氢能送达种种应用场景并立异氢能利用方法 。贮存和运输，始终是人类能源利用的技术课题 。氢气密度小、易燃烧，因而储运本钱高，保存宁静危害，恒久以来影响着氢能利用 。为此，科学家们正实验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 。好比，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”，富厚了化肥、工业等古板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应 。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，相关工业总产能有待进一步提高，绿色清洁液体燃料前景辽阔，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）等古板使用方法外，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、增补燃料快、续航能力强等优势 。2022年北京冬奥会期间，凌驾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”，组成绿色生长的一次次清洁能量循环 。好比氢能源市域列车，以每天500公里里程计，每年约莫可减少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泛起，氢能交通工具也有望与其他新能源交通工具一道，构筑城乡生长的运力网络 。
展望未来，在实现“双碳”目标的历程中，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着述用 。这需要科研事情者和一线企业配合努力，开发氢能制取、贮存、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，另有许多秘密期待我们去探索发明 。