低碳氫能時代向我們走來

國內首座兆瓦級氫能綜合利用示范站投運。圖片來自新華社

●前不久，第十四屆中國國際航空航天博覽會上，兆瓦級氫燃料渦軸發動機引發圍觀熱議

●來源豐富、綠色低碳、應用廣泛，氫能被認為是可再生能源規模化高效利用的重要載體

●“綠氫”技術是氫能開發利用的關鍵，一場以減碳脫碳為標志的能源革命正在加速演進

“氫”風正起

火車車輪碾過鐵軌，列車與空氣摩擦發出的聲音越來越近。在德國，連接庫克斯港、不來梅港、布雷默弗德和布克斯特胡德的鐵路上，一班蜿蜒前行的藍色氫能列車正在向世界駛來。

今年8月，德國首條運行氫能列車的鐵路線路正式啟用。列車使用純氫氣作為燃料，從環境空氣中收集氧氣，再利用燃料電池將這兩種氣體轉化為電能，行駛時只產生蒸汽和冷凝水，且噪音很低。

據線路設計公司介紹，這種列車的續航能力為1000公里，最高時速可達140公里，1公斤氫氣能替代約4.5升的柴油，能明顯減少對環境的影響。“零排放交通是可持續發展的重要目標之一，這種氫能列車體現了綠色交通與先進技術的結合。”該公司首席執行官表示。

如今，在全球向低碳、綠色轉型的大背景下，世界各國都在進行積極探索，利用氫燃料實現“零排放、無污染”。許多國家紛紛將氫能源納入國家能源發展戰略，積極推動氫能發展。

今年3月，我國《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》發布。根據規劃，到2025年，我國將初步建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系；到2030年，我國將形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系；到2035年，我國形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。

2020年7月，歐盟提出氫能戰略，并宣布建立清潔氫能聯盟。目前，已有15個歐盟國家將氫能納入其經濟復蘇計劃。2022年5月，歐洲能源供應調整計劃公布，目標是到2030年在歐盟生產1000萬噸可再生氫，并進口1000萬噸可再生氫。歐盟還創建了“歐洲氫能銀行”，加大對氫能市場的投資力度。

巴西首個綠氫工廠已經在巴西東北部巴伊亞州卡馬薩里市奠基。工廠預計2023年底投產，每年能夠生產1萬噸綠氫和6萬噸綠氨。這個項目被視為應對世界氣候變化的有益解決方案。

如今，“氫”風正起，漸成方興未艾之勢。隨著新一輪科技革命和產業變革的加速演進，氫能逐漸成為全球新的戰略競爭焦點、各國培育新興產業的重要方向、推動能源生產消費綠色低碳轉型的重要抓手。

珠海航展上的氫燃料渦軸發動機。資料圖片

讀懂氫能源

提起“氫”，很多人都不陌生。我們初中學習化學元素周期表時，排在第一位的元素就是“氫”。作為原子質量最輕的元素，“氫”卻是宇宙中含量最多的元素。據保守估計，它占據了目前可知宇宙質量的75%。

16世紀，瑞士一名醫生發現，把鐵屑放進硫酸里，會產生氣泡，這些氣泡會像旋風一樣升起。在此基礎上，1766年，英國化學家亨利·卡文迪許用鐵、鋅與酸制得一種“可燃空氣”，并用排水集氣法將其收集起來。1787年，法國化學家拉瓦錫將這種“可燃空氣”命名為“氫”。至此，這個在宇宙大爆炸時就出現的古老元素，終于正式走進了人們的視野。

科學家在實驗中發現，氫氣在空氣中極易燃燒，且產生的熱值非常高，約為汽油的3倍、焦炭的4.5倍。與其他燃料相比，氫燃燒的產物是水，不會產生一氧化碳、二氧化碳、粉塵等污染物，是一種近乎完美的能源燃料。

燃燒氫獲得能量，是人類利用氫最直接的方式。

還記得今年2月4日開幕的北京冬奧會嗎？由1200名火炬手傳遞、象征著光明與溫暖的冬奧會火炬，就是采用純氫作為燃料。這樣的奧運會火炬，實現了零碳排放，真正體現了北京冬奧會綠色、低碳、可持續的原則。

如果將氫氣降溫、再降溫，就會得到一種無色、無味的高能低溫液體燃料，也就是我們通常所說的液氫。如今，液氫已經廣泛應用于航天領域。由液氫和液氧組成的雙組元推進劑能量極高，加注到運載火箭中，便可輕輕松松將衛星等飛行器送入太空。

雖然人類對于氫能的研究已有幾百年的歷史。然而，真正把氫作為能源載體和新的能源系統來研究，還是在20世紀70年代。那時候，中東戰爭引發石油危機，油價暴漲，進而推動了許多國家和地區開展氫能研究。21世紀初，作為氫能利用重要工具的燃料電池飛速發展，在航天航空、發電以及交通領域得到了廣泛應用。隨后氫能產業又一度陷入低谷。直至近幾年，隨著全球向低碳、綠色轉型，以及相關技術的進步，對氫能的研究利用又迎來了一個令人振奮的發展“風口”。

液氫加氫站。資料圖片

按下減碳脫碳“加速鍵”

為搶占發展先機，目前世界各國都在積極探索利用氫燃料來實現“零排放、無污染”。然而，氫能產業發展依然面臨挑戰。

作為二次能源，氫能源不同于煤、石油、天然氣等一次能源可以直接開采獲得，而是通過一定的方法利用其他能源制取。目前主要有天然氣制氫、煤制氫、工業副產氫、電解水制氫、甲醇制氫等方式。

氫能產業鏈的上游為制氫。按照制取方式和碳排放量的不同，氫能分為灰氫、藍氫和綠氫三種。

灰氫是指通過化石燃料燃燒制取氫氣。這種方式成本較低、技術成熟，是目前最為常見的制氫方式。然而，這種方式在生產過程中會產生大量二氧化碳排放，并不符合低碳的需要。藍氫是在灰氫的基礎上，應用碳捕捉和封存技術將碳保留下來。這種方式只是一種過渡性的技術手段。通過太陽能、風能、核能等可再生能源電解水制取出來的氫，被稱為綠氫。這種方式在制氫過程中基本不會產生溫室氣體，是最理想的手段。

然而，從生產、到運輸，再到貯藏，過高的成本是清潔綠氫難以大規模發展的主要因素。

電解水制氫技術主要有堿性電解水、質子交換膜(PEM)電解水和固體氧化物電解水三類。其中，堿性電解水制氫是目前商用電解領域的主流技術。“綠氫”的價格主要與可再生電力成本相關。國際能源署、國際氫能委員會等機構的研究表明，當前的可再生能源制氫成本高達3～7.5美元/千克。

制約“綠氫”發展的另一個主要障礙是氫的遠距離運輸。目前，液態儲氫技術和金屬氫化物儲氫技術等取得了較大進步，但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關系尚未完全解決，離大規模商業化應用還有一定差距。

目前，世界各國都在積極推動相關技術革新。預計在未來5-10年內，電解水制氫成本將大幅度降低，推動滲透率會顯著提升。

在氫能產業鏈下游，氫能的開發與利用正在引發一場深刻的能源革命。

北京冬奧會，氫能源汽車華麗亮相、備受矚目；北京延慶街頭，氫燃料電池公交車正式“上崗”，投入日常運營，穿梭在城市干道上……

由于氫燃料電池自身的技術獨立性，氫燃料電池不僅可以用于汽車，還可用于航空動力、潛艇、軍艦、單兵裝備、通信設備等。近日，空客公司透露，他們正在研發一種氫燃料電池發動機，計劃在其A380MSN1原型機上測試，并于2035年投入使用。

此次中國國際航空航天博覽會上展出的兆瓦級氫燃料渦軸發動機，是中國航發集團根據國家氫能發展戰略和規劃研發的100%燃氫發動機。后續通過系列化發展，它可支撐未來支線客機、直升機、無人機等領域實現“零排放、無污染”的氫能航空、綠色航空的愿景。

有專家認為，隨著新能源技術的快速發展，氫燃料發動機與氫燃料電池組合的混合動力將是未來氫燃料利用的主要發展方向。隨著氫能產業政策紅利、市場紅利和技術紅利的不斷釋放，低碳氫能時代正在向我們走來。