備受熱捧的“綠色氫”技術(shù)

沈臻懿

面對全球變暖、氣候變化等全球性重大危機(jī)，如何降低化石燃料使用比例、減少碳排放，大力發(fā)展清潔、可再生能源，已成為各國共識。蓬勃興起的能源創(chuàng)新革命中，氫能技術(shù)的發(fā)展尤為耀眼。新能源與節(jié)能汽車領(lǐng)域中，氫能燃料電池是一項重要的研究方向。不少國家已將氫能發(fā)展作為未來重要戰(zhàn)略進(jìn)行規(guī)劃。

迪拜水電局（DEWA）局長薩伊德·阿塔耶爾表示，作為阿聯(lián)酋能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分，迪拜將于2022年發(fā)布?xì)淠軕?zhàn)略。迪拜水電局不僅積極探索公共交通領(lǐng)域中的氫能應(yīng)用，還與德國西門子能源公司合作，在穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能公園試點了一個300千瓦容量、總投資額為5000萬迪拉姆（約合人民幣8700萬元）的綠氫電廠項目。據(jù)預(yù)測，2023年全球氫能行業(yè)的市場規(guī)模將達(dá)到1830億美元。至2030年，氫能投資額將超過3000億美元。

今年3月，西班牙媒體盤點了2021年最具前景的十大新型科技，其中就包含了“綠色氫”技術(shù)。評選意見稱，氫氣儲量豐富、能量密集，且不會排放二氧化碳，是一種極具吸引力的化石燃料替代品，能直接取代汽油。傳統(tǒng)制氫技術(shù)，大多從天然氣、煤炭、石油中提取氫氣。但此類被稱之為“灰色氫”“藍(lán)色氫”，其在制取過程中會消耗大量能源，且?guī)憝h(huán)境污染。不過，太陽能和風(fēng)能的使用，完全改變了這一狀況，制氫過程得以完全“清潔化”。從理論上來說，只要擁有了陽光和水，“綠色氫”技術(shù)的發(fā)展就如同步入了“快車道”。

倘若發(fā)展順利的話，至2050年，全球范圍內(nèi)四分之一的能源需求可由“綠色氫”提供，且可以減少三分之一的溫室氣體排放

氫不僅是世界上存量最為豐富的元素，整個宇宙總質(zhì)量的75%亦是由氫原子所占據(jù)。不過，地球上并不存在天然氫的沉積物，人們?yōu)榱说玫竭@種無色、無毒的氣體，往往需要通過化工技術(shù)將氫從其他化合物中進(jìn)行提取。據(jù)統(tǒng)計，每年全球范圍內(nèi)的氫氣需求量在7000萬噸左右。除了可用做燃料、發(fā)電之外，在鋼鐵制造、煉油以及甲醇、氨的生產(chǎn)中亦有著氫氣的身影。

長期以來，工業(yè)用氫多利用蒸汽甲烷重整技術(shù)（Steam Methane Reforming，SMR），從天然氣中進(jìn)行提取。該技術(shù)需要在催化劑的作用下，將天然氣中的烴類化合物與蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，生成含氫的混合氣。隨后，通過換熱冷卻等流程，將雜質(zhì)氣體予以分離，并最終得到滿足純度要求的氫氣。該制氫技術(shù)主要通過天然氣和煤炭等碳氧化合物來生產(chǎn)氫氣，其在生產(chǎn)過程中會帶來大量的二氧化碳、一氧化碳等污染物。這一被稱之為“灰氫”的制氫方式，對于環(huán)境而言并不友好。據(jù)統(tǒng)計，2017年度全球范圍內(nèi)因生產(chǎn)氫氣而帶來的二氧化碳排放量就超過了德國、韓國以及全球航運業(yè)的排放數(shù)量。

為了改善上述情況，人們逐漸將碳捕捉和儲存技術(shù)引入SMR工藝，有效減少了制氫過程中產(chǎn)生的溫室氣體數(shù)量。通過這一制氫技術(shù)獲得的氫氣，則被業(yè)內(nèi)稱之為“藍(lán)氫”。但令人意想不到的是，蒸汽甲烷重整技術(shù)中的甲烷，對于全球變暖的強(qiáng)度甚至超過了二氧化碳的80余倍。這就意味著，SMR技術(shù)本身對于環(huán)境的影響就很大。無論是其原料來源，或是在制氫過程中可能產(chǎn)生的氣體泄漏，都會成為導(dǎo)致氣候變化的關(guān)鍵因素。

作為一種可長途運輸、可作為工業(yè)與居民終端燃料的清潔能源，“綠色氫”在未來可替代石油、天然氣等化石燃料滿足能源需求

除了探索可再生新能源用于電解制氫技術(shù)外，科學(xué)家們還研發(fā)了另一項名為“ 質(zhì)子交換膜電解水制氫電解槽”的新技術(shù)

那么，有沒有一種制氫新技術(shù)，能夠達(dá)到對環(huán)境友好和碳零排放的目標(biāo)呢？不僅生產(chǎn)原料是“綠色”的，且在生產(chǎn)過程中只生成氫氣，不產(chǎn)生溫室氣體，真正實現(xiàn)從“灰氫”“藍(lán)氫”到“綠氫”的科技轉(zhuǎn)型呢？這就需要科技的助力，讓制氫新技術(shù)真正邁入“綠氫”的時代。當(dāng)前，不少國家規(guī)劃的氫能發(fā)展戰(zhàn)略，皆屬于“綠色氫”這一可再生氫。

工業(yè)制氫的原料，除占據(jù)壟斷地位的化石資源的化學(xué)重組外，其余基本都來自水資源的電解。電解水制氫技術(shù)的主要原料，就是人們最為熟悉的水。從理論上來說，作為原料的水無處不在，且無窮無盡。我們生活的地球表面，約有71%的面積被水所覆蓋。電解水技術(shù)能夠利用電流將水分解為氫和氧，從而獲得滿足能源需求的氫氣。不論何種資源產(chǎn)生的電力，都可用來電解水制氫。較長一段時間內(nèi)，人們大多使用化石燃料作為發(fā)電資源，不可避免地帶來了溫室氣體問題。為此，科學(xué)家們正不斷探索，如何在電解水制氫技術(shù)的源頭環(huán)節(jié)，引入可再生新能源，進(jìn)而成功轉(zhuǎn)型為清潔方式的“綠色”制氫。

可再生新能源生產(chǎn)出的“綠色氫”，可在大型容器中長期貯存，或出售給工業(yè)領(lǐng)域使用，或作為普通居民的能源使用?！熬G色氫”的優(yōu)勢，一方面源于其通過可再生資源獲得，無須依賴任何類型的化石燃料，通過風(fēng)能、太陽能等可再生新能源發(fā)電，來進(jìn)行電解水制氫，實現(xiàn)碳的零排放;另一方面，“綠色氫”與可再生新能源的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，還可保證電力電網(wǎng)的安全運行。根據(jù)市場預(yù)測，到2024年，全球范圍內(nèi)的風(fēng)能和太陽能光伏的累計裝機(jī)容量將達(dá)到2500吉瓦左右。隨著裝機(jī)容量的不斷提升，可再生新能源的電力價格或?qū)⒊掷m(xù)走低，加之可再生新能源發(fā)電的間歇性問題，在某些情形下其電力供過于求，可能導(dǎo)致銷售后出現(xiàn)虧損。所幸，“綠色氫”技術(shù)的問世，可以有效解決可再生新能源發(fā)電間歇性和發(fā)電過剩等難題。當(dāng)可再生新能源的發(fā)電量處于最高水平時段時，“綠色氫”具有的緩沖效應(yīng)，能夠幫助其吸收多余的可再生電能;當(dāng)可再生新能源無法滿足需求時，“綠色氫”儲能便能及時用于發(fā)電。就此而言，“綠色氫”技術(shù)還是一種極為重要的儲能和保障供應(yīng)手段。

除了探索可再生新能源用于電解制氫技術(shù)外，科學(xué)家們還研發(fā)了另一項名為質(zhì)子交換膜電解水制氫電解槽（proton exchange membrane，PEM）的新技術(shù)。質(zhì)子交換膜電解槽的結(jié)構(gòu)主要包括陽極、陰極和膜電極。其中，陽極選用鈦為主要材質(zhì)，陰極主要使用石墨、不銹鋼和鈦等材料，膜電極由兩塊氣體擴(kuò)散層和一張噴有陰陽極催化劑層的質(zhì)子交換膜所組成。擴(kuò)散層為導(dǎo)電的多孔材料，用于促進(jìn)氣液物質(zhì)的傳遞;催化層由擴(kuò)散層、催化劑和質(zhì)子交換膜的交界面組成。質(zhì)子交換膜可阻止電子在兩極間的傳遞，阻止兩極生成的氧氣和氫氣之間的接觸。

PEM技術(shù)在工作時，作為電解原料的水從陽極進(jìn)入，經(jīng)過擴(kuò)散層后在電壓和陽極催化劑的作用下析出氧，產(chǎn)生的氧氣再次回到陽極并被水帶出。經(jīng)陽極反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子在水流攜帶下通過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到了陰極，并在陰極催化劑的作用下析出氫，產(chǎn)生的氫氣則通過陰極排出。相較于早先使用的電解槽，PEM技術(shù)的效率更高、動態(tài)響應(yīng)速度更快、操作范圍更大，且得到的氫氣純度更高。誠然，這一新技術(shù)受制于當(dāng)前較高的制作成本，尚處于實驗室研究階段。但科學(xué)家們預(yù)測，該技術(shù)的成本瓶頸將在未來幾年內(nèi)得到突破。倘若研發(fā)順利的話，至2050年，全球范圍內(nèi)四分之一的能源需求可由“綠色氫”所提供，且可以減少三分之一的溫室氣體排放。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com