清潔能源氫能

文/汪永明（上海市虹口區(qū)老科技工作者協(xié)會(huì)）編輯/丙甲

氫能被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的清潔能源，氫燃燒后排出的廢物是水，可以給我們一個(gè)更清潔、更友好的生存環(huán)境。隨著我國(guó)氫能技術(shù)的迅速發(fā)展、儲(chǔ)氫技術(shù)正日趨成熟，安全性也在不斷提高。越來(lái)越多的加氫站已在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)之中，氫能公交車(chē)和物流車(chē)已經(jīng)在路上馳騁。氫能已經(jīng)走進(jìn)大眾生活，未來(lái)將有更多氫能交通工具走向千家萬(wàn)戶(hù)。本文將對(duì)氫能的特性和應(yīng)用作簡(jiǎn)單介紹，使我們對(duì)氫能有更直觀的了解。

一、氫能的特性

氫能是以氫氣作為主要原料，要了解氫能的特性，首先必須對(duì)氫的性質(zhì)有所了解。

1.氫的結(jié)構(gòu)與性能

氫是化學(xué)元素周期表中的一號(hào)元素，是宇宙中最簡(jiǎn)單的原子。氫原子擁有1個(gè)質(zhì)子（正電性）和一個(gè)電子（負(fù)電性），是一個(gè)簡(jiǎn)單的二體系統(tǒng)；氫原子是電中性的，氫原子核外的電子是無(wú)規(guī)則繞核旋轉(zhuǎn)的，沒(méi)有確切的軌道，科學(xué)家經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算，得出了電子在核外可能出現(xiàn)的范圍，是一個(gè)以核為球心的球狀殼體，又可形象地稱(chēng)為電子云；2個(gè)氫原子結(jié)合成1個(gè)氫分子時(shí)，2個(gè)電子云小球互相重疊，而且重疊得越多，氫分子就越牢固。

因?yàn)闅錃馐敲芏茸钚〉臍怏w，在空氣中運(yùn)動(dòng)的速度相當(dāng)快，總是漂浮在大氣層的頂層，在太陽(yáng)風(fēng)的作用下會(huì)慢慢離開(kāi)地球。因此，氫在地球大氣層中的含量極低。按體積來(lái)說(shuō)，空氣中的氫氣大概占空氣總體積的0.93%，濃度只有0.5ppm（1ppm相當(dāng)于百萬(wàn)分之一），而且分布不均勻。地球上絕大多數(shù)的氫都以化合態(tài)的形式存在。當(dāng)氫原子得到1個(gè)電子就成為氫負(fù)離子，構(gòu)成氫化物。氫原子失去1個(gè)電子會(huì)成為氫陽(yáng)離子，在水中，氫陽(yáng)離子是與水結(jié)合存在的。

在常壓下，氫的單質(zhì)為氣體。溫度升高到一定程度或者用伽馬射線來(lái)轟擊氫，可以得到等離子態(tài)的氫。如果施加更大的壓力，則可得到液氫和固態(tài)氫。2016年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的科學(xué)家在高壓實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)現(xiàn)了固體金屬氫。

2.氫能的特點(diǎn)

要利用氫能，首先要解決氫的制備問(wèn)題。根據(jù)制備方法的不同，制取的氫分別稱(chēng)為灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛溆梢越?fàn)t煤氣、氯堿尾氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制取并伴隨碳排放，藍(lán)氫由煤或天然氣等化石燃料制取，并將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存（CCUS），可實(shí)現(xiàn)低碳排放生產(chǎn)；綠氫是通過(guò)使用再生能源（例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣，例如通過(guò)可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，生產(chǎn)綠氫的過(guò)程完全沒(méi)有碳排放。綠氫是氫能利用的理想形態(tài)，但受到目前技術(shù)及制造成本的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要時(shí)間。目前，氫氣主要來(lái)源于化石燃料制氫（67%）和工業(yè)副產(chǎn)氫（30%），電解水制氫僅占3%。據(jù)2022年11月16日《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道，2020年中國(guó)氫產(chǎn)量約為3 300萬(wàn)噸，約占全球產(chǎn)量的30%?？梢?jiàn)中國(guó)氫能的產(chǎn)量占據(jù)世界氫能產(chǎn)量的重要地位。

氫氣制取后必須先儲(chǔ)存起來(lái)。儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心目標(biāo)就是在確保安全的前提下，提高效率、降低成本、方便取用。目前，氫氣儲(chǔ)運(yùn)主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫以及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等方式。其中應(yīng)用較多的為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。當(dāng)用戶(hù)需要?dú)錃鈺r(shí)，需到加氫站加氣，因此氫能的應(yīng)用離不開(kāi)加氫站的建設(shè)。

二、氫能的應(yīng)用

2022年北京冬奧會(huì)，氫燃料火炬和氫燃料電池汽車(chē)開(kāi)啟了我國(guó)氫能利用的新篇章。1000多輛氫燃料電池車(chē)和30多座加氫站構(gòu)成的“低碳型、低能耗、低污染”的綠色交通運(yùn)輸體系，為實(shí)現(xiàn)低碳化、綠色奧運(yùn)作出了貢獻(xiàn)。

目前氫能主要應(yīng)用于兩大領(lǐng)域，即作為汽車(chē)動(dòng)力的氫燃料電池和以氫代碳?xì)湟苯鹗乔鍧崥淠茉诠I(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景。

1.氫燃料電池動(dòng)力汽車(chē)

氫能利用的一個(gè)重要領(lǐng)域就是燃料電池。燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置，既不需要載熱介質(zhì)，也不需要通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，因此可以擁有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。氫燃料電池所需要的原料為氫氣和氧氣，通過(guò)反應(yīng)生成水的過(guò)程來(lái)產(chǎn)生電能。這些電能經(jīng)過(guò)逆變器、控制器等裝置帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。由于氧氣可以從空氣中獲得，因此只要為汽車(chē)加氫就可以，而加氫的過(guò)程只需要三五分鐘，這是氫燃料電池相比鋰電池的巨大優(yōu)勢(shì)。

燃料電池作為一種電化學(xué)發(fā)電裝置，在能量轉(zhuǎn)換效率方面具有優(yōu)勢(shì)。如氫燃料電池車(chē)的能量轉(zhuǎn)換效率為60%～80%，為內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的兩三倍。氫氣作為一種能量密度很高的清潔可再生能源，其顯著的特點(diǎn)就是能量高。氫氣的燃燒值大約為120兆焦耳/千克，即1千克氫氣在燃燒時(shí)可放出120兆焦耳的熱量。除了核燃料之外，氫氣的發(fā)熱值在所有的化石燃料和生物燃料中都是最高的。氫燃料電池的產(chǎn)物為水，不存在碳的排放，也幾乎不產(chǎn)生含氮和硫的氧化物，是汽車(chē)動(dòng)力的環(huán)保技術(shù)之一。此外，氫燃料電池車(chē)具有耐低溫、續(xù)航能力強(qiáng)、充電時(shí)間短等明顯優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，氫燃料電池汽車(chē)真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有一個(gè)過(guò)程。不僅需要解決氫燃料電池的可靠性和耐久性問(wèn)題，還需要配套建設(shè)加氫站等必備設(shè)備。

2.在冶金行業(yè)的應(yīng)用

以氫代碳、氫冶金是清潔氫能在工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景。在全球范圍內(nèi)，鋼鐵行業(yè)的碳排放量占到了工業(yè)領(lǐng)域碳排放總量的15%～20%，是名副其實(shí)的“碳排放大戶(hù)”。要讓鋼鐵行業(yè)在未來(lái)三四十年的時(shí)間里降低90%的碳排放，僅靠工藝上的改革是很難實(shí)現(xiàn)的。氫能的應(yīng)用為鋼鐵行業(yè)的減排帶來(lái)了希望。十多年來(lái)，世界上許多國(guó)家相繼進(jìn)行了“氫能冶金”的探索，我國(guó)技術(shù)專(zhuān)家也提出了具有中國(guó)特色的“氫能冶金”工藝技術(shù)路線，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展指明了方向。

眾所周知，傳統(tǒng)的鋼鐵行業(yè)是用碳作為還原劑，把鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵，并排出二氧化碳。目前鋼鐵行業(yè)大多采用高爐工藝，用焦炭來(lái)還原鐵礦石。在這個(gè)還原過(guò)程中，碳排放量大約占到了整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)碳排放總量的90%，如果“以氫代碳”，那么還原劑就是氫氣而不是碳，在把鐵礦石轉(zhuǎn)為鐵的同時(shí)，排出的是水而不是二氧化碳?？磥?lái)，“以氫代碳”無(wú)疑是減碳的治本之策。我國(guó)在以氫代碳的氫冶金工業(yè)領(lǐng)域已取得不少成果。我國(guó)首次以純氫為噴吹氣源進(jìn)行高爐富氫冶煉技術(shù)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)已成功完成，純氫氣噴吹量達(dá)1800m3/h、噸鐵噴吹量250m3，“以氫代碳”冶煉試驗(yàn)達(dá)到降低焦比10%以上、減少二氧化碳排放量10%以上和鐵產(chǎn)量增加13%以上，同時(shí)獲得鋼鐵生產(chǎn)中大規(guī)模安全使用氫氣的經(jīng)驗(yàn)。

氫基非高爐冶煉技術(shù)開(kāi)發(fā)同樣取得成效。國(guó)家鋼鐵研究總院承擔(dān)的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，開(kāi)展氫基豎爐和電爐熔分短流程煉鋼工藝技術(shù)研究進(jìn)展順利。2021年4月建龍集團(tuán)內(nèi)蒙古賽思普公司與北京科技大學(xué)合作完成30萬(wàn)噸級(jí)氫基熔融還原的建設(shè)并成功出鐵。2022年初寶武集團(tuán)在湛江百萬(wàn)噸級(jí)、河鋼集團(tuán)在張家口2座55.5萬(wàn)噸級(jí)的氫基豎爐直接還原鐵項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)。還有一些案列不一一列舉。

以氫代碳的富氫或全氫冶金，無(wú)論發(fā)展高爐還是非高爐路線，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化的氫源是基礎(chǔ)。鋼鐵企業(yè)可利用廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，鐵礦企業(yè)可充分利用尾礦庫(kù)建設(shè)風(fēng)光一體發(fā)電站。開(kāi)展可再生能源制氫項(xiàng)目，有效推進(jìn)鋼鐵企業(yè)能源結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整。可以預(yù)見(jiàn)，隨著制氫技術(shù)的優(yōu)化，中國(guó)鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型必將加速。

三、氫能的發(fā)展前景

2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)和國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035）》，確立氫能清潔低碳發(fā)展原則，并提出發(fā)展目標(biāo)。到2025年，可再生能源制氫量達(dá)到每年10萬(wàn)噸～20萬(wàn)噸，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。2022年8月，世界新能源汽車(chē)大會(huì)在北京舉行。科技部副部長(zhǎng)張雨?yáng)|在大會(huì)上說(shuō)，大力發(fā)展氫能和燃料電池不僅有助于交通行業(yè)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，還有助于加快我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，保障能源安全。國(guó)家能源局總工程師向海平指出，目前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展初期，創(chuàng)新能力、技術(shù)裝備水平等仍有很大提升空間，必須圍繞氫能全產(chǎn)業(yè)鏈全面提升基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵核心技術(shù)前瞻性技術(shù)和原始創(chuàng)新的能力和水平，重視創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化和示范應(yīng)用。中國(guó)工程院院士于勇保守估計(jì)，2050年氫在我國(guó)終端能源體系占比約10%，2060年占比將達(dá)約15%，成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

各地的氫能產(chǎn)業(yè)也逐漸進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道。2022年5月，上海印發(fā)《上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2022—2035）》，建設(shè)金山和寶山兩個(gè)氫氣制備和供應(yīng)保障基地，打造8個(gè)世界級(jí)示范場(chǎng)景；國(guó)際氫能示范機(jī)場(chǎng)、國(guó)際氫能示范港口、國(guó)際氫能示范河湖、世界級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)園、深遠(yuǎn)海風(fēng)電制氫示范基地、零碳?xì)淠苁痉渡鐓^(qū)、低碳?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)島和零碳?xì)淠苌鷳B(tài)島。按照規(guī)劃，到2025年，上海市將建設(shè)各類(lèi)加氫站70座左右，氫燃料電池汽車(chē)保有量突破一萬(wàn)輛，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1 000億元，在交通領(lǐng)域帶動(dòng)二氧化碳減排5萬(wàn)～10萬(wàn)噸/年。除上海外，截至2022年12月，全國(guó)已有20多個(gè)省自治區(qū)直轄市發(fā)布?xì)淠芤?guī)劃和指導(dǎo)意見(jiàn)等政策文件。國(guó)企、民企、外企對(duì)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)都展示出極大熱情，長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海三大區(qū)域氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)集群化發(fā)展態(tài)勢(shì)。北京在2025年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)推廣量突破1萬(wàn)輛。在廣東佛山，氫能源有軌電車(chē)、氫能源公交車(chē)在城市穿梭，行人騎著氫能共享單車(chē)，加氫站已經(jīng)隨處可見(jiàn)……

“21世紀(jì)是氫能的時(shí)代”成為熱議話題。有預(yù)測(cè)表明，到2060年，綠氫能源占比將達(dá)到氫能源的70%，整個(gè)氫能市場(chǎng)增量接近1億噸，氫能的應(yīng)用場(chǎng)景從傳統(tǒng)化工行業(yè)轉(zhuǎn)向社會(huì)方方面面，包括建筑、交通行業(yè)等，氫能經(jīng)濟(jì)會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。氫能是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的重要途徑。隨著制氫技術(shù)的優(yōu)化和儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，我們距離氫能時(shí)代越來(lái)越近。