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氫能既然這么好，為什么現(xiàn)在才開始用？

來源：中國科普博覽

發(fā)布時(shí)間：2022-06-01

瀏覽次數(shù)：1765

版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

在兩個(gè)月前的冬奧會開幕式上，以“微火”形態(tài)呈現(xiàn)的火炬成為許多人腦海中經(jīng)典瞬間，而這一瞬間的“幕后推手”，正是氫燃料。同樣，冬奧會上的接力火炬使用的也是氫燃料，實(shí)現(xiàn)了冬奧會歷史上火炬燃燒零碳排放。據(jù)北京冬奧組委會公布的數(shù)據(jù)，1000多輛氫燃料汽車和配備的30多個(gè)加氫站進(jìn)行了示范運(yùn)營，落實(shí)貫徹“綠色辦奧”理念。

燃燒過程不排放二氧化碳，氫燃料是如何做到的？這么好的能源，又為什么現(xiàn)在才使用？關(guān)于氫能的問題有很多，讓我們一起一探究竟吧。

Part.1

氫的概念：未來可期的二次能源

氫，化學(xué)元素符號為H，在元素周期表中位于第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%。在地球上，自然條件形成的單質(zhì)相對罕見，因此，氫能作為一種二次能源，與煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)的化石能源不同，難以直接從自然界獲取。既然如此，氫能為何又成為了燃料呢？

這是因?yàn)闅涞臒嶂岛芨撸?20.0MJ/kg），是同質(zhì)量焦炭、汽油等化石燃料熱值的2–4倍，也就是說燃燒相同質(zhì)量的燃料時(shí)，氫所產(chǎn)生的熱量是焦炭、汽油等化石燃料的2–4倍；同時(shí)氫能具有能量密度高、存儲形式多樣的特點(diǎn)，可以調(diào)配太陽能、風(fēng)能等作為能源載體。

最重要的一點(diǎn)是，氫氣僅僅含有氫元素，因此燃燒的產(chǎn)物中只有水，而傳統(tǒng)的化石燃料因?yàn)楹刑荚?，所以燃燒時(shí)會產(chǎn)生大量的二氧化碳。因此氫氣作為燃料可以徹底實(shí)現(xiàn)零碳排放，在“綠色環(huán)?！狈矫嬉饬x重大，被視為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色二次能源。

據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價(jià)值。以上種種，足以見得氫能的重要性。

（圖片來源：Veer圖庫）

盡管氫能作為燃料有著如此豐富的優(yōu)勢，但關(guān)于它的開發(fā)和利用，卻又充滿著諸多挑戰(zhàn)。氫能的開發(fā)和利用，可以分為制取、儲運(yùn)和終端使用三個(gè)環(huán)節(jié)。需要每個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)進(jìn)步，戰(zhàn)勝各自的技術(shù)壁壘，才能實(shí)現(xiàn)氫氣的最終利用。

Part.2

氫的制取：“灰藍(lán)綠”是指顏色嗎？

雖然氫能是綠色能源，但氫的制取過程卻并非完全零碳排。氫能按照其制取方式，可分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫三種。

灰氫，是通過化石燃料（石油、天然氣、煤炭）燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有二氧化碳的排放?；覛涞纳a(chǎn)成本較低，制氫技術(shù)也較為簡單，目前，市面上絕大多數(shù)氫氣是灰氫，約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95％左右。

藍(lán)氫，是天然氣制氫，在產(chǎn)生溫室氣體的同時(shí)，會使用碳捕捉、利用與封存（CCUS）等技術(shù)，對溫室氣體進(jìn)行捕獲，從而實(shí)現(xiàn)低碳排放生產(chǎn)。

綠氫，是通過再生能源（太陽能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣，比如通過可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫。在這一過程中，完全沒有碳排放，也是制氫的終極目標(biāo)，但由于目前技術(shù)限制，制綠氫成本較高，距離大規(guī)模應(yīng)用仍需時(shí)間。

（圖片來源：Veer圖庫）

Part.3

氫的儲運(yùn)：這是個(gè)技術(shù)活兒

氫氣易燃、易爆，在空氣中的體積濃度在4.0%～75.6%之間時(shí)，遇火源就會爆炸。同時(shí)，氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，導(dǎo)致儲運(yùn)裝置材料力學(xué)性能下降、塑性下降，出現(xiàn)開裂或損傷的情況。氫能的運(yùn)輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運(yùn)輸量的不同有所調(diào)整，主要有氣氫、液氫和固氫輸送3種方式。

那么，在確保安全的前提下，提高儲氫容量、降低成本、提高易取用性就是儲運(yùn)技術(shù)的重點(diǎn)。儲氫技術(shù)可分為物理儲氫、化學(xué)儲氫兩大類。

（圖片來源：Veer圖庫）

（1）物理儲氫

物理儲氫主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、物理吸附儲氫以及地下儲氫等方式。

高壓氣態(tài)儲氫是將氫氣壓縮儲存在高壓瓶當(dāng)中。這種方式可在常溫操作，充放氫速度快，技術(shù)相對成熟。

低溫液態(tài)儲氫是將氫氣在低溫高壓條件下液化后儲存在容器中，具有儲存容器體積小的優(yōu)點(diǎn)。但這一方法需要容器保持低溫絕熱真空，對于技術(shù)也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

吸附儲氫是通過分子間作用力，以物理吸附將氫氣儲存在大比表面的材料中。

地下儲氫與傳統(tǒng)氣瓶儲氫相比是在地下鹽層中挖出一個(gè)“容器”來儲氫，與風(fēng)光儲一體化項(xiàng)目結(jié)合，可以充分利用地下空間，有效儲存氫氣。

（圖片來源：Veer圖庫）

（2）化學(xué)儲氫

化學(xué)儲氫通過利用儲存介質(zhì)與氫氣結(jié)合為穩(wěn)定化合物的方式實(shí)現(xiàn)氫儲存，用氫時(shí)，再通過加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時(shí)回收儲存介質(zhì)。

Part.4

氫的終端使用：用在電池上效果杠杠

當(dāng)我們足夠了解氫的制取與儲存之后，關(guān)于氫能的利用也被科學(xué)家提上了日程。目前氫燃料電池是氫能較為常見的終端應(yīng)用。早在20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已被應(yīng)用于航空航天，進(jìn)入70年代后，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的不斷降低，氫燃料電池逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域，包括發(fā)電、汽車、船舶和無人機(jī)等。