氫能如何助力北京2022年冬奧會

許洛袈

在北京2022年冬奧會開幕倒計時一周年之際，北京冬奧組委會正式對外發(fā)布了冬奧會、冬殘奧會火炬外觀設計，并透露了不少關于冬奧會火炬的詳細信息，其中，采用氫作為燃料是本次火炬設計中的科技亮點之一。

作為一支火炬，最重要的功能毫無疑問是傳遞“圣火”，在此期間，需要保持“圣火”一直處于燃燒狀態(tài)，同時降低下雨天和刮風對火炬火焰的影響，為此對火炬的材質和燃料都有著特殊要求。

與夏季奧運會相比，冬季奧運會火炬還要兼顧在超低溫環(huán)境下，火炬是否可以正常燃燒，而氫具有質量熱值高、擴散性好、可燃濃度范圍廣、點火能量低等特點[1]，其最小點火能量不足汽油最小點火能量的十分之一（約0.02兆焦耳），因此在低溫下也能迅速點燃。

不過，單純作為燃料燃燒對氫來說真是有些屈才了。作為宇宙中最多的元素，在宇宙大爆炸之后的大約4億年后，宇宙溫度降低，無數的氫原子開始聚集形成恒星，首次核聚變就這么誕生了。在我們生活的太陽系中，恒星太陽每秒可將數以億噸的氫轉化為氦，并將熱量輻射到整個太陽系。

科學家由此得到靈感，利用氫的同位素（氦、氘、氚）獲得了宇宙中最古老的能量，并制造了目前世界上威力最大的核武器——氫彈。誠然，氫彈是恐怖的，但科學家也發(fā)現，當氫不再“暴躁”且變得可控時，它或許是解決未來能源問題的關鍵，因為氫燃燒后的最終產物只有水，對環(huán)境沒有污染。因此氫能也被譽為21世紀最具有發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉碵2]，成為了全球新一輪碳減排和碳中和的首選方向，被多個國家納入能源戰(zhàn)略部署中。

我國在2019年將氫能源首次寫入政府工作報告，明確將推動氫能產業(yè)的發(fā)展。同年6月，北京冬奧組委會發(fā)布了《北京2022年冬奧會和冬殘奧會低碳管理工作方案》。根據方案，冬奧會將始終貫徹“綠色辦奧”理念，不僅是接力火炬，北京冬奧會開幕式賽場上的主火炬也將使用氫燃料。此外，還將示范運營1000多輛氫燃料汽車、30多個加氫站，在比賽期間，延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)將有700余輛氫燃料大巴車投入使用。

就目前而言，氫燃料電池是氫能較為常見的終端應用，最早的氫燃料電池主要用于航空航天，為太空飛船和衛(wèi)星提供電力，隨著技術的進步和成本的不斷降低，氫燃料電池才逐漸應用于各大領域，包括電力（發(fā)電和備用電源）、交通（汽車、大巴車）、物流運輸（叉車、卡車和物流車）、船舶和無人機等[3]。

這種燃料電池不燃燒氫，而是將其轉化為電能，具體來說，氫燃料電池主要由陽極、陰極和電解液等部件構成。氫氣在進入燃料電池陽極后，發(fā)生可控的催化化學反應，分離為質子（即氫原子核）和電子。其中，質子穿過質子交換膜到達陰極，在催化劑的作用下與氧氣相結合形成水分子（H2O）;而電子也從陽極出發(fā)，經過外部電路，最后到達陰極，并在外部電路中形成電流。因此，氫燃料電池也是一種將化學能轉化為電能的裝置[3]。

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，氫燃料電池汽車在運行過程中沒有“廢物”排出，對環(huán)境友好;與其他類型的電動汽車（主要是鋰電池）相比，其在充能和單位體積內能量密度上都更具有優(yōu)勢，說白了，就是能跑得更遠，至少大大減弱了電動車主的續(xù)航焦慮。另外值得一提的是，在冬季不少鋰電池可能“罷工”的情況下，氫燃料電池還能正常工作。

不過，氫能的優(yōu)勢雖然不少，但制約其發(fā)展的瓶頸也很明顯，主要在氫的制備和儲運方面。

據國際能源署（IEA）統(tǒng)計，目前全球每年專用氫氣產量約7000萬噸，其中通過化石燃料燃燒所產生的氫氣（灰氫）占比約95%，而藍氫和綠氫占比很小。

正因為如此，對于“氫能是否真的環(huán)?！钡臓幾h也從未停止，因為在灰氫的制備過程中會排放大量的二氧化碳，盡管使用的是清潔能源，但生產清潔能源的方式卻并不“綠色”，這無異于“拆東墻補西墻”，并不能解決實質性問題。

而藍氫則是在灰氫的基礎上，運用碳封存和碳捕捉等技術，減少生產過程中的碳排放，從而實現低碳生產，屬于生產技術的過渡期。

綠氫，是指通過可再生能源（如太陽能、風能）搭建電力系統(tǒng)，然后再通過電解水的方式制氫，生產的全過程都沒有碳排放。但綠氫制備的裝置——電解槽生產技術和制造成本都很高，目前只停留于實驗研發(fā)階段，尚未達到規(guī)?；瘧?。

此外，氫氣的儲運在短期內依然以高壓氣態(tài)為主，但由于氫氣具有易泄露擴散且能量密度高的特性，有潛在的爆炸風險，這就對氫能設備的安全性提出了更高的要求。如何實現安全且高效的氫能儲運，還有比較長的路要走。

話說回來，我們也并不幻想在幾年之內轉變現有的能源結構，我們應該更客觀和理性地看待氫能，而本次冬奧會上的氫能應用也體現了中國在氫能產業(yè)發(fā)展上的決心，相信在“雙碳”戰(zhàn)略的實施推進下，我國的氫能產業(yè)發(fā)展也將進一步提速。

參考文獻

[1]孫柏剛，包凌志，羅慶賀.缸內直噴氫燃料內燃機技術發(fā)展及趨勢[J].汽車安全與節(jié)能學報，2021，12（3）：265-278.

[2]趙永志，蒙波，陳霖新，等.氫能源的利用現狀分析[J].化工進展，2015，34（9）：3248-3255.

[3]徐自亮，余英，李力.氫燃料電池應用進展[J].中國基礎科學，2018，20（2）：7-17.