氢能：21世纪绿色能源瑰宝

2020年，氢能被世界各国定为首选的绿色能源，这是因为氢是应对因温室效应而造成的气候危害的最佳选择。由于人们长期采用煤炭、石油和天然气等化石能源，产生了大量使大气温度升高的二氧化碳等温室气体，从而导致地球极地冰山融化、海平面升高、干旱和洪涝灾害频繁发生，对人类的生存形成巨大的威胁。人们从应对气候变化灾害的实践中认识到，减少二氧化碳排放的能源转型离不开氢的参与。因而，打造“氢经济”成为世界各国制定的绿色能源战略。

氢在能源转型中具有独特优势

在众多的新能源中，氢能以其储量丰富、重量轻、无污染、热值高、应用面广等优点脱颖而出，成为21世纪绿色能源瑰宝。

氢在地球上储量巨大，可以说是“取之不尽，用之不竭”。虽然氢在常温常压下以气态存在于大气中，但它主要还是以水的形式存在。地球可以说是个大“水球”，除了占地球表面71%的海洋和江河湖泊中的水外，还有雨水、露水、地下水、空气中的水、生物体内的水等。水中氢元素的质量分数为11%，而且氢燃烧时可生成水，而水分解时又能制出氢，这种往复循环可以使氢源源不断地为人类造福。

在元素周期表中，氢的重量最轻。在-252.8℃时，它的液体密度仅为0.07克每毫升，比汽油、天然气、煤油等轻很多，因而便于携带、运送，是人造卫星、航天飞船等飞行器最合适的燃料。

氢燃烧后生成水蒸气，不会像石油、煤炭等燃料那样产生污染环境的烟尘、二氧化硫、二氧化碳等，因此氢是十分洁净的绿色能源。

氢为无色气体，燃烧1克氢能释放出142千焦耳的热量，是汽油燃烧释放热量的3倍，属于高热值燃料。

在20世纪后半叶，氢主要用在非能源方面。据统计，20世纪80年代，全球每年约生产几千亿立方米的氢气，其中88%用在非能源上，10%用来合成甲烷，只有2%用作燃料。随着气候变化造成的危害日益严重，人们为了减排脱碳不得不进行能源转型，除大力发展太阳能、风能、水能、生物质能等绿色能源外，还着力打造“氢经济”，这才使氢这种无色气体登上绿色能源舞台中心。

目前，大多数氢气是通过会产生温室气体的化石燃料，如煤炭、石油、天然气等燃烧而制取，这样的氢被称为“灰氢”。灰氢的纯度很高，可达99.99%以上，但耗电量也很高。生产1千克氢，需要消耗五六十度电，而且生产效率低，并会产生污染环境的二氧化碳气体。还有一种利用天然气电解水制氢的改进方法，即在制取氢的过程中将所产生的二氧化碳进行储存和处理，其所制成的氢被称为“蓝氢”。这种方法虽然减少了碳排放量，但还是有明显的缺点。高效制氢的途径是在光催化剂的作用下，利用成本低廉的太阳能、风能、核能等可再生能源电解水制氢。因为此方法是利用可再生的绿色能源制氢，所以其所制成的氢被称为“绿氢”。

绿氢是一种制取过程中几乎不产生温室气体的氢。利用可再生能源电解水制氢时，光催化剂（聚合物）会将光化学与催化剂相结合来加速化学反应，从而获得高效率生产的价廉、质纯的氢。由于光催化剂的性质可以通过合成方法进行调节，因而未来可以对其结构进行简单而系统的优化，并进一步优化活性，提高制氢的效率。

绿氢可以用绿色能源的光电、风电来电解水制氢，也可以再逆向转换为电能，并储存在电网上供随时使用。绿氢可在钢铁、化工、船舶和飞机等能源密集型行业真正实现绿色能源转型。

中国：打造“氢经济”的全球引领者

目前在全球范围内，越来越多的国家正致力于通过打造“氢经济”让本国经济脱碳，以应对日益严重的气候变化危机。

最近，中国、韩国、日本和欧洲许多国家都确立了到本世纪中叶实现净零碳排放目标。净零碳排放目标正在有力推动各国设法使依赖矿物燃料的行业（主要指以煤炭、石油和天然气为原材料的行业，例如炼钢、水泥、化肥以及航空等行业）脱碳。

大力发展可再生的清洁能源，是能源低碳转型和打造“氢经济”的前提和基础。目前，中国已成为全球清洁能源的领导者，也是“氢经济”战略计划领先执行者。2021年，中国清洁能源消费占比已达到25.5%，比2012年提升了11个百分点。风力和光伏发电装机规模比2012年增长了12倍左右，新能源发电量首次超过1万亿千瓦时。目前，中国可再生能源装机规模已突破11亿千瓦，水电、风电、太阳能发电、生物质发电装机均居世界第一。2022年，中国约占全球可再生能源新增产能的近一半。预计2023年，中国新增太阳能发电能力将翻番，达到创纪录的高水平。这一清洁能源创新将对中国力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标发挥至关重要的作用。

中国科学家创造了众多的清洁能源产品和新技术，中国也因此成为绿色技术的制造中心，一些绿色技术产品已出口到全球，电动汽车电池部件和太阳能电池板就是其中的典型代表。

中国已拥有完整的可再生能源工业链，具备强大的研发、制造、安装、运营和维护能力，并积极利用可再生能源行业的引领作用，向发展中国家提供技术支持和能力建设，促进绿色发展信息共享以及绿色技术在这些国家的应用。中国还公布了《关于推进共建“一带一路”绿色发展的意见》。目前，有150多个国家、地区和国际组织参与的“一带一路”倡议已成为绿色能源领域国际合作的典范。

作为“一带一路”倡议的一部分，中国正在建立一个光探测和激光雷达测距网络，并与巴基斯坦等国共同开展大气监测和研究。中国和巴基斯坦创建的“绿色中巴经济走廊”是推进“一带一路”倡议的重要试点项目，它将促进绿色基础设施建设、绿色技术和绿色金融的发展。在中国的积极帮助下，巴基斯坦部分城市的雾霾问题也可以像中国的北京和上海等城市那样得到有效的治理。中国还对孟加拉国的可再生能源项目进行投资，该国承诺到2041年实现可再生能源发电量占比达到40%。中国承建的东非最大光伏电站―肯尼亚50兆瓦光伏发电站，已于2019年正式投入运营。中国与世界其他国家在太阳能、风能和水力发电等关键领域建立了合作关系，力求在能源危机爆发之前大幅降低能源成本，从而为全球低碳发展转型奠定必要基础。

开拓创新，为绿氢迎来美好春天

绿氢虽然对环境友好，但是其获得成本较高。要想降低绿氢获得成本，就要大幅降低包括风能、太阳能以及用来将水分解为氢和氧的电解器的成本。

此外，还有一种成本较低的绿氢制造方法，就是生物制氢。这种方法是利用光合作用来分解水制氢。生物制氢的效率较高，1克叶绿素在1小时内可产生1升氢气，转化效率可达75%。海水中的小球藻、蓝藻等生物，在阳光照射下也能不断地将海水分解，释放出氢来。

提高绿氢竞争力的另一条途径，就是消除氢的远距离运输的障碍。液化氢必须冷却到-252.8℃才能装运，这无疑大幅增加了运输维护成本。相比之下，运输以液态氨形式储存的氢则要容易得多。因此，世界上多数大型氢出口项目都采用液氨储氢的方式运输。

随着科学技术的迅速发展，氢作为燃料的使用范围还在不断扩大。目前，除了已研制出的以氢为燃料的航空、航天飞行器发动机外，还成功研制了用于运输车辆上的氢发动机。实际上，这种氢发动机就是在普通汽油发动机上连接用贮氢金属制成的容器组成的。加注的氢通过贮氢金属吸收并供给发动机。低温时，贮氢金属和氢发生反应，把氢吸收进去；当温度升高时，它又可以把吸收的氢释放出来。这种贮氢金属容器使用安全可靠，既不会出现燃烧爆炸事故，又不会像普通蓄电池那样不耐用，可以长期使用。它吸收氢的速度快（每次加注氢仅需10分钟），贮能密度大，约为普通蓄电池的五六倍。此外，它还有个优点，即在注入氢时由于发生化学反应，会释放热能，可供取暖烧水使用。美中不足的是，贮氢金属容器的质量比汽油箱大，这一点还有待改进完善。

目前，还有一种使用氢的燃料电池。它是将由绿色能源制取的氢与空气中的氧在电池中发生电化学反应，即燃料中的氢在燃料电极上与电解质一起进行氧化反应，生成带正电的离子和电子；而电子通过外电路跑到氧化剂电极上，并在该电极上与氧化剂、电解质进行还原反应，生成带电负离子；带电正离子和负离子在电解质中结合，生成水蒸气并得到电能。因此，只要把氢燃料供给电池，并及时把电极反应产物排走，就能连续不断地把燃料的化学能直接转换成电能。

这种氢燃料电池虽然也属于电池家族的成员，但它不是手电筒、半导体收音机等小电器用的弱电源，而是像火力发电那样能为照明和机器运转提供能源。这种氢燃料电池具有电力强、结构简单、生产成本较低、重量轻、体积小等优点，因而已在汽车、火车、飞机等现代交通工具上应用，是一种比较理想的新型能源。值得一提的是，氢燃料电池的发电效率比火力发电还高，而且在发电的同时还可供应水蒸气，其总的热效率可达80%左右。

中国在打造绿氢发电方面已居世界领先地位。据中国氢能联盟宣称，到2050年，中国对氢气的需求量将达6000万吨；预计到2060年，中国可再生能源制氢产量将达到1亿吨。

为了促进绿氢产业的发展，国际氢能示范园于2022年初在北京建成。示范园内拥有全球日加氢量最大的加氢站、涉氢公共测试平台、氢能产业孵化器以及相关的配套服务和应用场景，共同构成“氢能综合创新生态圈”。

目前，已有139家相关企业注册落地示范园区。位于园区北侧的中国“氢能第一股”亿华通公司，其年产3000台氢能发电机的生产线上，仅有8位工人负责精密零件组装。搬运、抬升等工作全部由机器人完成，它们通过激光、视觉等导航定位技术，可以准确地把零件“送货上门”。组装好的发动机，在园区内就可测试。加氢站的氢气通过管道直接输送到面积为1500平方米的涉氢测试中心。这里的公共测试区可为京津冀地区的氢能企业提供专业、快速、便捷、高效的测试服务。

【责任编辑】蒲 晖