綠色未來 “氫”情助力
2022-10-27 13:16:02編譯湯恒巖
大自然探索 2022年9期
編譯 湯恒巖
是否有一種能源，在地球上儲量巨大，燃燒效率高并且沒有溫室氣體排放呢？有！而且很早就已被發(fā)現(xiàn)，它就是氫能源。
氫能源何以優(yōu)越？
隨著人口增長和生活水平的提高，煤、石油、天然氣等化石燃料被大量利用，致使其儲量大大減少。尋找新能源成為人類生活、發(fā)展不可回避的現(xiàn)實(shí)，為此科學(xué)家一直在不斷研究，過程中，太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮艿雀鞣N新能源不斷涌現(xiàn)。21 世紀(jì)，一種以氫為燃料的新能源冉冉升起。根據(jù)預(yù)測，要實(shí)現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰目標(biāo)，我國氫氣的年需求量需達(dá)到3715 萬噸；要在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，氫氣的年需求量需達(dá)到1.3 億噸。作為宇宙中最簡單的分子，氫何以成為新能源領(lǐng)域的佼佼者？
作為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉矗瑲淠茉淳哂性S多優(yōu)點(diǎn)。首先，除核燃料外，氫的燃燒熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。如果氫氣和汽油燃燒放出等量的熱，那么所需氫氣的質(zhì)量僅為后者的1/3。這意味著，使用氫能源可以增加運(yùn)載工具的有效載荷，降低運(yùn)輸成本。
其次，氫能源儲量豐富。氫元素占據(jù)宇宙約75%的質(zhì)量，且主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上分布最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還多9000 倍。
最后，與其他燃料相比，氫燃燒時(shí)最清潔，其產(chǎn)物幾乎全是水，而不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)。因此，用氫取代化石燃料，能極大程度地緩解溫室效應(yīng)。也正因?yàn)樗菤淠茉慈紵龝r(shí)的主要生成物，所以絕大部分產(chǎn)物又可以被再次分解成氫，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
氫能源加注站
氫能源車僅排放水
“三色”氫
雖然氫能源的優(yōu)點(diǎn)很多，但它是一種二次能源，在自然界中并不以可燃物H的形式存在，只能通過一定的方法利用其他能源制取，它不像煤、石油、天然氣那樣可以直接開采。根據(jù)氫的生產(chǎn)來源和生產(chǎn)過程中的排放情況，人們給不同氫能源分別冠以灰氫、藍(lán)氫和綠氫之稱。
目前，約96%的氫能源需要以化石燃料為原料，通過一種名為“蒸汽重整”的工藝制得。這不僅沒有消除人類對化石燃料的依賴，還會不可避免地釋放二氧化碳，因而讓氫能源的環(huán)保優(yōu)勢大打折扣。這類氫能源叫作灰氫。如果在使用煤或天然氣等化石燃料制取氫的過程中，將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用或封存，實(shí)現(xiàn)碳中和，那么所得的氫能源就稱為藍(lán)氫。
“三色”氫
2022 年北京冬奧會將火炬燃料全部替換為氫能
2022 年北京冬奧會投入的氫燃料車輛數(shù)約為2020 年東京奧運(yùn)會的兩倍
為了全面發(fā)揮氫能源的優(yōu)勢，科學(xué)家正努力嘗試通過可再生的非化石資源（比如水）獲得氫。綠氫是指分解水得到的氫氣，它能從源頭上實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，是純正的綠色新能源，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色。
2020 年，我國發(fā)布了《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書，提出加速發(fā)展綠氫制、儲、用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，支持能源各環(huán)節(jié)各場景儲能應(yīng)用，著力推進(jìn)儲能與可再生能源互補(bǔ)發(fā)展。同年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)》白皮書中的數(shù)據(jù)顯示，目前中國氫氣產(chǎn)能中，化石原料制氫占70%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比近30%，而電解水氫占比不到1%。使用可再生電力電解水制氫直接獲取高純綠氫，是中國未來利用氫能實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑之一。
2022 年北京冬奧會不僅是一場冰雪盛宴，還是一場“氫能盛會”。2020 年東京奧運(yùn)會僅部分火炬使用氫燃料，而2022 年北京冬奧會將火炬燃料全部替換為氫能。2022 年2 月4 日晚，在北京冬奧會張家口賽區(qū)，由中國自主研發(fā)的綠氫點(diǎn)燃了太子城火炬臺。這是本屆冬奧會唯一由綠氫點(diǎn)燃的火炬臺，也是冬奧會近百年歷史上首支以綠氫作為燃料的火炬。專家表示，氫能火炬安全可靠性高，可以抗10 級風(fēng)，在極寒天氣下圣火依舊不滅，即使在時(shí)速100 千米的大風(fēng)中也可以穩(wěn)定燃燒。
北京冬奧會的“綠色”，遠(yuǎn)不止應(yīng)用于火炬。本屆冬奧會投入的氫燃料車輛數(shù)約為2020 年東京奧運(yùn)會的兩倍。為此，中國石油公司設(shè)立了4 座加氫站和綜合能源服務(wù)站，全力為冬奧會氫能車輛提供加氫服務(wù)。北京冬奧會的燃料選擇，向世界展示了中國綠色低碳的發(fā)展理念。
綠氫如何制?。?/h2>
盡管三種“顏色”的氫都會在未來的能源領(lǐng)域占有一席之地，但歸根結(jié)底，高效獲得綠氫才是發(fā)展氫能源的初衷，是最具可持續(xù)性且真正無碳的能源。
制取綠氫從原理上來講其實(shí)不難。水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成，將水裝入電解槽，再通上電，水分子就會在電解槽的電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。
雖然兩百多年前人類就發(fā)現(xiàn)了電解水現(xiàn)象，但要真正實(shí)現(xiàn)綠氫的規(guī)?；㈦娊馑F(xiàn)象商業(yè)化發(fā)展，成本高昂是該技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，電解水制氫的成本比基于煤和天然氣的蒸汽重整制氫高2～3 倍。因此，許多科學(xué)家正著手改良電解水技術(shù)，堿水電解、質(zhì)子交換膜電解、固體氧化物電解等研究方向正齊頭并進(jìn)，努力縮短人類與綠氫社會之間的差距。
堿水電解是目前最成熟的電解技術(shù)。采用氫氧化鉀水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣。堿水電解雖然具備電解槽中的催化劑造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)氣中含堿液，需經(jīng)輔助設(shè)備除去，而且無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。
由于質(zhì)子交換膜電解槽運(yùn)行更加靈活、更適合可再生能源的波動性，許多新建項(xiàng)目開始轉(zhuǎn)向選擇這種電解技術(shù)。它采用交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子，隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免了使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點(diǎn)。因此，質(zhì)子交換膜電解水制氫是極具發(fā)展前景的綠色制氫技術(shù)。過去數(shù)年，一些企業(yè)推出了質(zhì)子交換膜電解水制氫產(chǎn)品。
將水裝入電解槽，再通上電，水分子就會在電解槽的電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣
在科技的不斷發(fā)展中，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)近年來得到大力發(fā)展，太陽能、風(fēng)能發(fā)電都已實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。未來隨著可再生能源電價(jià)的持續(xù)下調(diào)，用其電解水制氫的成本有望大幅節(jié)省。綠氫社會，未來可期。
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