绿色未来 “氢”情助力

编译 汤恒岩

是否有一种能源，在地球上储量巨大，燃烧效率高并且没有温室气体排放呢？有！而且很早就已被发现，它就是氢能源。

氢能源何以优越？

随着人口增长和生活水平的提高，煤、石油、天然气等化石燃料被大量利用，致使其储量大大减少。寻找新能源成为人类生活、发展不可回避的现实，为此科学家一直在不断研究，过程中，太阳能、风能和地热能等各种新能源不断涌现。21 世纪，一种以氢为燃料的新能源冉冉升起。根据预测，要实现2030 年碳达峰目标，我国氢气的年需求量需达到3715 万吨；要在2060 年实现碳中和，氢气的年需求量需达到1.3 亿吨。作为宇宙中最简单的分子，氢何以成为新能源领域的佼佼者？

作为21 世纪最具发展潜力的新能源，氢能源具有许多优点。首先，除核燃料外，氢的燃烧热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。如果氢气和汽油燃烧放出等量的热，那么所需氢气的质量仅为后者的1/3。这意味着，使用氢能源可以增加运载工具的有效载荷，降低运输成本。

其次，氢能源储量丰富。氢元素占据宇宙约75%的质量，且主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上分布最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还多9000 倍。

最后，与其他燃料相比，氢燃烧时最清洁，其产物几乎全是水，而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质。因此，用氢取代化石燃料，能极大程度地缓解温室效应。也正因为水是氢能源燃烧时的主要生成物，所以绝大部分产物又可以被再次分解成氢，实现循环利用。

氢能源加注站

氢能源车仅排放水

“三色”氢

虽然氢能源的优点很多，但它是一种二次能源，在自然界中并不以可燃物H的形式存在，只能通过一定的方法利用其他能源制取，它不像煤、石油、天然气那样可以直接开采。根据氢的生产来源和生产过程中的排放情况，人们给不同氢能源分别冠以灰氢、蓝氢和绿氢之称。

目前，约96%的氢能源需要以化石燃料为原料，通过一种名为“蒸汽重整”的工艺制得。这不仅没有消除人类对化石燃料的依赖，还会不可避免地释放二氧化碳，因而让氢能源的环保优势大打折扣。这类氢能源叫作灰氢。如果在使用煤或天然气等化石燃料制取氢的过程中，将二氧化碳副产品捕获、利用或封存，实现碳中和，那么所得的氢能源就称为蓝氢。

“三色”氢

2022 年北京冬奥会将火炬燃料全部替换为氢能

2022 年北京冬奥会投入的氢燃料车辆数约为2020 年东京奥运会的两倍

为了全面发挥氢能源的优势，科学家正努力尝试通过可再生的非化石资源（比如水）获得氢。绿氢是指分解水得到的氢气，它能从源头上实现二氧化碳零排放，是纯正的绿色新能源，在全球能源转型中扮演着重要角色。

2020 年，我国发布了《新时代的中国能源发展》白皮书，提出加速发展绿氢制、储、用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展，支持能源各环节各场景储能应用，着力推进储能与可再生能源互补发展。同年发布的《中国氢能源及燃料电池产业》白皮书中的数据显示，目前中国氢气产能中，化石原料制氢占70%，工业副产氢占比近30%，而电解水氢占比不到1%。使用可再生电力电解水制氢直接获取高纯绿氢，是中国未来利用氢能实现碳中和的主要途径之一。

2022 年北京冬奥会不仅是一场冰雪盛宴，还是一场“氢能盛会”。2020 年东京奥运会仅部分火炬使用氢燃料，而2022 年北京冬奥会将火炬燃料全部替换为氢能。2022 年2 月4 日晚，在北京冬奥会张家口赛区，由中国自主研发的绿氢点燃了太子城火炬台。这是本届冬奥会唯一由绿氢点燃的火炬台，也是冬奥会近百年历史上首支以绿氢作为燃料的火炬。专家表示，氢能火炬安全可靠性高，可以抗10 级风，在极寒天气下圣火依旧不灭，即使在时速100 千米的大风中也可以稳定燃烧。

北京冬奥会的“绿色”，远不止应用于火炬。本届冬奥会投入的氢燃料车辆数约为2020 年东京奥运会的两倍。为此，中国石油公司设立了4 座加氢站和综合能源服务站，全力为冬奥会氢能车辆提供加氢服务。北京冬奥会的燃料选择，向世界展示了中国绿色低碳的发展理念。

绿氢如何制取？

尽管三种“颜色”的氢都会在未来的能源领域占有一席之地，但归根结底，高效获得绿氢才是发展氢能源的初衷，是最具可持续性且真正无碳的能源。

制取绿氢从原理上来讲其实不难。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，将水装入电解槽，再通上电，水分子就会在电解槽的电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

虽然两百多年前人类就发现了电解水现象，但要真正实现绿氢的规模化、电解水现象商业化发展，成本高昂是该技术发展面临的主要挑战。目前，电解水制氢的成本比基于煤和天然气的蒸汽重整制氢高2～3 倍。因此，许多科学家正着手改良电解水技术，碱水电解、质子交换膜电解、固体氧化物电解等研究方向正齐头并进，努力缩短人类与绿氢社会之间的差距。

碱水电解是目前最成熟的电解技术。采用氢氧化钾水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分解水产生氢气和氧气。碱水电解虽然具备电解槽中的催化剂造价低的优点，但产气中含碱液，需经辅助设备除去，而且无法快速调节制氢的速度，因而与可再生能源发电的适配性较差。

由于质子交换膜电解槽运行更加灵活、更适合可再生能源的波动性，许多新建项目开始转向选择这种电解技术。它采用交换膜传导质子，隔绝电极两侧的气体，避免了使用强碱性液体电解质所伴生的缺点。因此，质子交换膜电解水制氢是极具发展前景的绿色制氢技术。过去数年，一些企业推出了质子交换膜电解水制氢产品。

将水装入电解槽，再通上电，水分子就会在电解槽的电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气

在科技的不断发展中，我国可再生能源产业近年来得到大力发展，太阳能、风能发电都已实现平价上网。未来随着可再生能源电价的持续下调，用其电解水制氢的成本有望大幅节省。绿氢社会，未来可期。