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在兩個(gè)月前的冬奧會(huì)開(kāi)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(huì)上的接力火炬使用的也是氫燃料，實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬燃燒零碳排放。據(jù)北京冬奧組委會(huì)公布的數(shù)據(jù)，1000多輛氫燃料汽車(chē)和配備的30多個(gè)加氫站進(jìn)行了示范運(yùn)營(yíng)，落實(shí)貫徹“綠色辦奧”理念。

燃燒過(guò)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(wèn)題有很多，讓我們一起一探究竟吧。

Part.1

氫的概念：未來(lái)可期的二次能源

氫，化學(xué)元素符號(hào)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(duì)罕見(jiàn)，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(shuō)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(chǔ)形式多樣的特點(diǎn)，可以調(diào)配太陽(yáng)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(huì)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(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過(guò)2.5萬(wàn)億美元的市場(chǎng)價(jià)值。以上種種，足以見(jiàn)得氫能的重要性。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

盡管氫能作為燃料有著如此豐富的優(yōu)勢(shì)，但關(guān)于它的開(kāi)發(fā)和利用，卻又充滿著諸多挑戰(zhàn)。氫能的開(kāi)發(fā)和利用，可以分為制取、儲(chǔ)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(guò)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(guò)化石燃料（石油、天然氣、煤炭）燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有二氧化碳的排放。灰氫的生產(chǎn)成本較低，制氫技術(shù)也較為簡(jiǎn)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(huì)使用碳捕捉、利用與封存（CCUS）等技術(shù)，對(duì)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(guò)再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣，比如通過(guò)可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫。在這一過(guò)程中，完全沒(méi)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(lái)源：Veer圖庫(kù)）

Part.3

氫的儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)運(yùn)裝置材料力學(xué)性能下降、塑性下降，出現(xiàn)開(kāi)裂或損傷的情況。氫能的運(yùn)輸通常根據(jù)儲(chǔ)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(chǔ)氫容量、降低成本、提高易取用性就是儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的重點(diǎn)。儲(chǔ)氫技術(shù)可分為物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫兩大類(lèi)。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

（1）物理儲(chǔ)氫

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

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣壓縮儲(chǔ)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(duì)成熟。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣在低溫高壓條件下液化后儲(chǔ)存在容器中，具有儲(chǔ)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(duì)于技術(shù)也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

吸附儲(chǔ)氫是通過(guò)分子間作用力，以物理吸附將氫氣儲(chǔ)存在大比表面的材料中。

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

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

（2）化學(xué)儲(chǔ)氫

化學(xué)儲(chǔ)氫通過(guò)利用儲(chǔ)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(chǔ)存，用氫時(shí)，再通過(guò)加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時(shí)回收儲(chǔ)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(chǔ)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(jiàn)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(chē)、船舶和無(wú)人機(jī)等。

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

冬奧會(huì)上氫能成為“主角”能源的場(chǎng)景，不僅是面向全社會(huì)的宣傳推廣，更是我國(guó)向世界展現(xiàn)出能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，踐行碳達(dá)峰、碳中和承諾的決心與能力。氫能發(fā)展道阻且長(zhǎng)，行則將至，讓我們共同期待“氫自由”的那一天。

參考文獻(xiàn):

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[5] 程一步,氫燃料電池發(fā)展技術(shù)及趨勢(shì)分析.石油石化綠色低碳,2018,3(02),5.

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

出品：科普中國(guó)

作者：暖暖（中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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