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氫能既然這麽好，為什麽現在才開始用？

來源：中國科普博覽

發布時間：2022-06-01

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版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

在兩(liang) 個(ge) 月前的冬奧會(hui) 開幕式上，以“微火”形態呈現的火炬成為(wei) 許多人腦海中經典瞬間，而這一瞬間的“幕後推手”，正是氫燃料。同樣，冬奧會(hui) 上的接力火炬使用的也是氫燃料，實現了冬奧會(hui) 曆史上火炬燃燒零碳排放。據北京冬奧組委會(hui) 公布的數據，1000多輛氫燃料汽車和配備的30多個(ge) 加氫站進行了示範運營，落實貫徹“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？這麽(me) 好的能源，又為(wei) 什麽(me) 現在才使用？關(guan) 於(yu) 氫能的問題有很多，讓我們(men) 一起一探究竟吧。

Part.1

氫的概念：未來可期的二次能源

氫，化學元素符號為(wei) H，在元素周期表中位於(yu) 第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大約占據宇宙質量的75%。在地球上，自然條件形成的單質相對罕見，因此，氫能作為(wei) 一種二次能源，與(yu) 煤、石油、天然氣等傳(chuan) 統的化石能源不同，難以直接從(cong) 自然界獲取。既然如此，氫能為(wei) 何又成為(wei) 了燃料呢？

這是因為(wei) 氫的熱值很高（120.0MJ/kg），是同質量焦炭、汽油等化石燃料熱值的2–4倍，也就是說燃燒相同質量的燃料時，氫所產(chan) 生的熱量是焦炭、汽油等化石燃料的2–4倍；同時氫能具有能量密度高、存儲(chu) 形式多樣的特點，可以調配太陽能、風能等作為(wei) 能源載體(ti) 。

最重要的一點是，氫氣僅(jin) 僅(jin) 含有氫元素，因此燃燒的產(chan) 物中隻有水，而傳(chuan) 統的化石燃料因為(wei) 含有碳元素，所以燃燒時會(hui) 產(chan) 生大量的二氧化碳。因此氫氣作為(wei) 燃料可以徹底實現零碳排放，在“綠色環保”方麵意義(yi) 重大，被視為(wei) 21 世紀最具發展潛力的綠色二次能源。

據國際氫能委員會(hui) 預測，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，創造超過2.5萬(wan) 億(yi) 美元的市場價(jia) 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(wei) 燃料有著如此豐(feng) 富的優(you) 勢，但關(guan) 於(yu) 它的開發和利用，卻又充滿著諸多挑戰。氫能的開發和利用，可以分為(wei) 製取、儲(chu) 運和終端使用三個(ge) 環節。需要每個(ge) 環節同時進步，戰勝各自的技術壁壘，才能實現氫氣的最終利用。

Part.2

氫的製取：“灰藍綠”是指顏色嗎？

雖然氫能是綠色能源，但氫的製取過程卻並非完全零碳排。氫能按照其製取方式，可分為(wei) 灰氫、藍氫、綠氫三種。

灰氫，是通過化石燃料（石油、天然氣、煤炭）燃燒產(chan) 生的氫氣，在生產(chan) 過程中會(hui) 有二氧化碳的排放。灰氫的生產(chan) 成本較低，製氫技術也較為(wei) 簡單，目前，市麵上絕大多數氫氣是灰氫，約占當今全球氫氣產(chan) 量的95％左右。

藍氫，是天然氣製氫，在產(chan) 生溫室氣體(ti) 的同時，會(hui) 使用碳捕捉、利用與(yu) 封存（CCUS）等技術，對溫室氣體(ti) 進行捕獲，從(cong) 而實現低碳排放生產(chan) 。

綠氫，是通過再生能源（太陽能、風能、核能等）製造的氫氣，比如通過可再生能源發電進行電解水製氫。在這一過程中，完全沒有碳排放，也是製氫的終極目標，但由於(yu) 目前技術限製，製綠氫成本較高，距離大規模應用仍需時間。

（圖片來源：Veer圖庫）

Part.3

氫的儲(chu) 運：這是個(ge) 技術活兒(er)

氫氣易燃、易爆，在空氣中的體(ti) 積濃度在4.0%～75.6%之間時，遇火源就會(hui) 爆炸。同時，氫氣本身活躍性較高，容易和鋼材發生“氫脆”現象，導致儲(chu) 運裝置材料力學性能下降、塑性下降，出現開裂或損傷(shang) 的情況。氫能的運輸通常根據儲(chu) 氫狀態的不同和運輸量的不同有所調整，主要有氣氫、液氫和固氫輸送3種方式。

那麽(me) ，在確保安全的前提下，提高儲(chu) 氫容量、降低成本、提高易取用性就是儲(chu) 運技術的重點。儲(chu) 氫技術可分為(wei) 物理儲(chu) 氫、化學儲(chu) 氫兩(liang) 大類。

（圖片來源：Veer圖庫）

（1）物理儲(chu) 氫

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

高壓氣態儲(chu) 氫是將氫氣壓縮儲(chu) 存在高壓瓶當中。這種方式可在常溫操作，充放氫速度快，技術相對成熟。

低溫液態儲(chu) 氫是將氫氣在低溫高壓條件下液化後儲(chu) 存在容器中，具有儲(chu) 存容器體(ti) 積小的優(you) 點。但這一方法需要容器保持低溫絕熱真空，對於(yu) 技術也是個(ge) 不小的挑戰。

吸附儲(chu) 氫是通過分子間作用力，以物理吸附將氫氣儲(chu) 存在大比表麵的材料中。

地下儲(chu) 氫與(yu) 傳(chuan) 統氣瓶儲(chu) 氫相比是在地下鹽層中挖出一個(ge) “容器”來儲(chu) 氫，與(yu) 風光儲(chu) 一體(ti) 化項目結合，可以充分利用地下空間，有效儲(chu) 存氫氣。

（圖片來源：Veer圖庫）

（2）化學儲(chu) 氫

化學儲(chu) 氫通過利用儲(chu) 存介質與(yu) 氫氣結合為(wei) 穩定化合物的方式實現氫儲(chu) 存，用氫時，再通過加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時回收儲(chu) 存介質。

Part.4

氫的終端使用：用在電池上效果杠杠

當我們(men) 足夠了解氫的製取與(yu) 儲(chu) 存之後，關(guan) 於(yu) 氫能的利用也被科學家提上了日程。目前氫燃料電池是氫能較為(wei) 常見的終端應用。早在20世紀60年代，氫燃料電池就已被應用於(yu) 航空航天，進入70年代後，隨著技術的進步和成本的不斷降低，氫燃料電池逐漸應用於(yu) 各大領域，包括發電、汽車、船舶和無人機等。