氢能既然这么好，为什么现在才开始用？

在两个月前的冬奥会开幕式上，以“微火”形态呈现的火炬成为许多人脑海中经典瞬间，而这一瞬间的“幕后推手”，正是氢燃料。同样，冬奥会上的接力火炬使用的也是氢燃料，实现了冬奥会历史上火炬燃烧零碳排放。据北京冬奥组委会公布的数据，1000多辆氢燃料汽车和配备的30多个加氢站进行了示范运营，落实贯彻“绿色办奥”理念。

燃烧过程不排放二氧化碳，氢燃料是如何做到的？这么好的能源，又为什么现在才使用？关于氢能的问题有很多，让我们一起一探究竟吧。

Part.1

氢的概念：未来可期的二次能源

氢，化学元素符号为H，在元素周期表中位于第一位，是最轻的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大约占据宇宙质量的75%。在地球上，自然条件形成的单质相对罕见，因此，氢能作为一种二次能源，与煤、石油、天然气等传统的化石能源不同，难以直接从自然界获取。既然如此，氢能为何又成为了燃料呢？

这是因为氢的热值很高（120.0MJ/kg），是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的2–4倍，也就是说燃烧相同质量的燃料时，氢所产生的热量是焦炭、汽油等化石燃料的2–4倍；同时氢能具有能量密度高、存储形式多样的特点，可以调配太阳能、风能等作为能源载体。

最重要的一点是，氢气仅仅含有氢元素，因此燃烧的产物中只有水，而传统的化石燃料因为含有碳元素，所以燃烧时会产生大量的二氧化碳。因此氢气作为燃料可以彻底实现零碳排放，在“绿色环保”方面意义重大，被视为 21 世纪最具发展潜力的绿色二次能源。

据国际氢能委员会预测，到2050年，氢能将承担全球18%的能源终端需求，创造超过2.5万亿美元的市场价值。以上种种，足以见得氢能的重要性。

（图片来源：Veer图库）

尽管氢能作为燃料有着如此丰富的优势，但关于它的开发和利用，却又充满着诸多挑战。氢能的开发和利用，可以分为制取、储运和终端使用三个环节。需要每个环节同时进步，战胜各自的技术壁垒，才能实现氢气的最终利用。

Part.2

氢的制取：“灰蓝绿”是指颜色吗？

虽然氢能是绿色能源，但氢的制取过程却并非完全零碳排。氢能按照其制取方式，可分为灰氢、蓝氢、绿氢三种。

灰氢，是通过化石燃料（石油、天然气、煤炭）燃烧产生的氢气，在生产过程中会有二氧化碳的排放。灰氢的生产成本较低，制氢技术也较为简单，目前，市面上绝大多数氢气是灰氢，约占当今全球氢气产量的95％左右。

蓝氢，是天然气制氢，在产生温室气体的同时，会使用碳捕捉、利用与封存（CCUS）等技术，对温室气体进行捕获，从而实现低碳排放生产。

绿氢，是通过再生能源（太阳能、风能、核能等）制造的氢气，比如通过可再生能源发电进行电解水制氢。在这一过程中，完全没有碳排放，也是制氢的终极目标，但由于目前技术限制，制绿氢成本较高，距离大规模应用仍需时间。

（图片来源：Veer图库）

Part.3

氢的储运：这是个技术活儿

氢气易燃、易爆，在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%之间时，遇火源就会爆炸。同时，氢气本身活跃性较高，容易和钢材发生“氢脆”现象，导致储运装置材料力学性能下降、塑性下降，出现开裂或损伤的情况。氢能的运输通常根据储氢状态的不同和运输量的不同有所调整，主要有气氢、液氢和固氢输送3种方式。

那么，在确保安全的前提下，提高储氢容量、降低成本、提高易取用性就是储运技术的重点。储氢技术可分为物理储氢、化学储氢两大类。

（图片来源：Veer图库）

（1）物理储氢

物理储氢主要有高压气态储氢、低温液态储氢、物理吸附储氢以及地下储氢等方式。

高压气态储氢是将氢气压缩储存在高压瓶当中。这种方式可在常温操作，充放氢速度快，技术相对成熟。

低温液态储氢是将氢气在低温高压条件下液化后储存在容器中，具有储存容器体积小的优点。但这一方法需要容器保持低温绝热真空，对于技术也是个不小的挑战。

吸附储氢是通过分子间作用力，以物理吸附将氢气储存在大比表面的材料中。

地下储氢与传统气瓶储氢相比是在地下盐层中挖出一个“容器”来储氢，与风光储一体化项目结合，可以充分利用地下空间，有效储存氢气。

（图片来源：Veer图库）

（2）化学储氢

化学储氢通过利用储存介质与氢气结合为稳定化合物的方式实现氢储存，用氢时，再通过加热或其他方式使化合物分解放氢，同时回收储存介质。

Part.4

氢的终端使用：用在电池上效果杠杠

当我们足够了解氢的制取与储存之后，关于氢能的利用也被科学家提上了日程。目前氢燃料电池是氢能较为常见的终端应用。早在20世纪60年代，氢燃料电池就已被应用于航空航天，进入70年代后，随着技术的进步和成本的不断降低，氢燃料电池逐渐应用于各大领域，包括发电、汽车、船舶和无人机等。

（图片来源：Veer图库）

（图片来源：Veer图库）

冬奥会上氢能成为“主角”能源的场景，不仅是面向全社会的宣传推广，更是我国向世界展现出能源结构转型，践行碳达峰、碳中和承诺的决心与能力。氢能发展道阻且长，行则将至，让我们共同期待“氢自由”的那一天。

参考文献:

[1] 中国氢能联盟. 中国氢能及燃料电池产业手册[R],2021

[2] Chen, P., et al., Interaction of hydrogen with metal nitrides and imides. Nature, 2002, 420(6913), 302-304.

[3] 付盼.氢气地下存储技术现状及难点研究[J]. 中国井矿盐, 2020, 51(6):5.

[4]邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望.中国科学院院刊,2019,34(04),469.

[5] 程一步,氢燃料电池发展技术及趋势分析.石油石化绿色低碳,2018,3(02),5.

[6] Hydrogen Storage Technology: Materials and Applications, CRC Press, 2012

出品：科普中国

作者：暖暖（中国科学院大连化学物理研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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