綠色之氫驅(qū)動(dòng)未來

肖溪樹

雖然氫能目前沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，但它一直被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的清潔能源，氫燃料火炬和氫燃料電池車護(hù)航2022年北京冬奧會(huì)，開啟了我國(guó)氫能利用的新篇章。未來，“綠色之氫”將為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出重要的貢獻(xiàn)。

點(diǎn)燃汽車綠色革命

近期國(guó)際油價(jià)的頻繁波動(dòng)，讓人想起曾服務(wù)2022年北京冬奧會(huì)的氫燃料電池汽車。與天然氣、汽油相比，氫氣的安全性更高，這主要是因?yàn)闅涫亲钶p的化學(xué)元素，具有較大的浮力和擴(kuò)散性，即便發(fā)生泄漏，氫氣也會(huì)快速上升、擴(kuò)散，不易形成可爆炸的氣霧。

氫能利用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是燃料電池。燃料電池雖然也叫電池，但它并不能儲(chǔ)存電能。那么，氫燃料電池是如何為汽車供能的呢？

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置，既不需要載熱介質(zhì)，也不需要通過汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，因此可以擁有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。燃料電池更像一個(gè)發(fā)電裝置，其基本結(jié)構(gòu)包括陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路等。以氫燃料電池為例：陽極為氫電極，陰極為氧電極；兩電極之間為電解質(zhì)，可以為離子提供通道；陽極和陰極上還要含有電催化劑（如鉑），以加速其電化學(xué)反應(yīng)。

氫燃料電池發(fā)電所需的原料為氫氣和氧氣，通過反應(yīng)生成水的過程來產(chǎn)生電能。這些電能經(jīng)過逆變器、控制器等裝置為電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)等裝置帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。由于氧氣可以從空氣中獲得，因此只要為汽車加氫就可以，而加氫的過程只需要三五分鐘，這是氫燃料電池相比鋰電池的巨大優(yōu)勢(shì)。

燃料電池作為一種電化學(xué)發(fā)電裝置，可以擺脫卡諾循環(huán)的限制，在能量轉(zhuǎn)化效率方面具有優(yōu)勢(shì)。如氫燃料電池車的能量轉(zhuǎn)換效率為60%～80%，為內(nèi)燃機(jī)汽車的兩三倍。氫燃料電池的產(chǎn)物為水，不存在碳的排放，也幾乎不產(chǎn)生含氮和硫的氧化物，故而成為點(diǎn)燃汽車綠色革命的環(huán)保技術(shù)之一。此外，氫燃料電池車具有耐低溫、續(xù)航能力強(qiáng)、充電時(shí)間短等明顯優(yōu)勢(shì)。

氫燃料電池的原理很簡(jiǎn)單，但是真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化卻面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，氫燃料電池正處于大規(guī)模商業(yè)化的初期，相比于鋰電池車和燃油車，氫燃料電池車的商業(yè)化應(yīng)用門檻較高，不僅需要解決氫燃料電池的可靠性和耐久性問題，還需要配套建設(shè)加氫站等必備設(shè)施。2022年北京冬奧會(huì)期間，1000多輛氫燃料電池車和30多個(gè)加氫站構(gòu)成的氫能源汽車示范體系，為氫燃料電池車的示范應(yīng)用提供了一個(gè)世界級(jí)的大舞臺(tái)。2025年，全國(guó)將建成1000多座加氫站，推廣氫燃料電池車超過5.4萬輛。氫燃料電池車的“低碳”價(jià)值將在未來汽車創(chuàng)新革命中得以充分體現(xiàn)，并成為“氫能時(shí)代”的先頭兵。

低碳冶金的新契機(jī)

在冶金行業(yè)，碳具有“點(diǎn)鐵成鋼”的魔力。不含碳的鐵，強(qiáng)度和硬度都很低；含碳量為0.03%～2%的鐵碳合金被稱為鋼，具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度。

古人很早就知道用煤炭來冶鐵，早期從礦石中煉出的鐵通常被稱為“塊煉鐵”，這是在高溫條件下用木炭還原鐵礦石得到的一種含有大量非金屬夾雜的海綿狀的固體鐵塊。到了宋代，用煤炭來冶鐵已相當(dāng)普及。

18世紀(jì)后，人類開始用焦炭作還原劑冶鐵，并為現(xiàn)代高爐的大型化奠定了基礎(chǔ)，這是冶金史上的一個(gè)重要里程碑。現(xiàn)在，焦炭主要用于高爐煉鐵和銅、鉛、鋅、鈦、銻、汞等有色金屬的鼓風(fēng)爐冶煉，其主要作用為還原劑和發(fā)熱劑。

在全球范圍內(nèi)，鋼鐵行業(yè)的碳排放量占到了工業(yè)領(lǐng)域碳排放總量的15%～20%，是名副其實(shí)的“碳排放大戶”。在低碳大潮的沖擊下，鋼鐵行業(yè)減碳被列入議程。然而，鋼鐵行業(yè)要實(shí)現(xiàn)“碳中和”談何容易！要讓鋼鐵行業(yè)在未來三四十年的時(shí)間里降低90%的碳排放，僅靠工藝上的修修補(bǔ)補(bǔ)是很難奏效的。

氫能的崛起為鋼鐵行業(yè)的碳減排帶來了希望。十多年來，世界上的許多國(guó)家，如瑞典、德國(guó)、日本、韓國(guó)等相繼進(jìn)行了“氫能冶金”的探索，我國(guó)技術(shù)專家也提出了具有中國(guó)特色的“氫能冶金”工藝技術(shù)路線，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展指明了方向。

那么，為什么鋼鐵冶煉要“以氫代碳”呢？傳統(tǒng)的鋼鐵行業(yè)是基于“碳冶金”模式發(fā)展起來的，其基本原理是用碳作為還原劑，把鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵，并排出二氧化碳。目前鋼鐵行業(yè)大多采用高爐工藝，用焦炭來還原鐵礦石。在這個(gè)還原過程中，碳排放量大約占到了整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)碳排放總量的90%，因此是鋼鐵行業(yè)深度減碳的“牛鼻子”。

“以氫代碳”的冶金技術(shù)路線就是基于這樣的背景提出來的。如果“以氫代碳”，那么還原劑就是氫氣而不是碳，在把鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵的同時(shí)，排出的是水而不是二氧化碳。由此看來，“以氫代碳”無疑是減碳的治本之策。

當(dāng)然，氫氣的生產(chǎn)成本以及來源是否環(huán)保，將直接影響低碳冶金的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和減排效果。據(jù)悉，中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司與中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司、清華大學(xué)合作打造的核氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，已經(jīng)以“核能制氫”作為突破口來實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的綠色制造。目前正在推進(jìn)的示范工程還包括：以富氫碳循環(huán)高爐工藝為核心的低碳高爐技術(shù)，以氫基豎爐直接還原的氫冶金工藝，以及冶金尾氣二氧化碳的捕集和資源化利用等。

能源體系中的新秀

氫氣作為一種能量密度很高的清潔可再生能源，其顯著的特點(diǎn)就是能量高。氫氣的燃燒熱值大約為120兆焦耳每千克，即1千克氫氣在燃燒時(shí)可放出120兆焦耳的熱量。除了核燃料之外，氫氣的發(fā)熱值在所有的化石燃料和生物燃料中都是最高的。

氫氣同時(shí)又是一種很好的能量載體，在未來的能源體系中將占有一席之地。國(guó)家有關(guān)部門把“氫儲(chǔ)能”納入到新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，就是反映這種趨勢(shì)的一個(gè)明確信號(hào)。那么，氫儲(chǔ)能具有哪些優(yōu)勢(shì)呢？

從存儲(chǔ)方式來看，氫氣可以通過氣相、液相和固相的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。從存儲(chǔ)規(guī)模來看，氫儲(chǔ)能可以為電力系統(tǒng)提供一種大規(guī)模、高密度存儲(chǔ)能量的新途徑，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。氫儲(chǔ)能的存儲(chǔ)時(shí)間可長(zhǎng)可短，應(yīng)用范圍不受限制，能量變現(xiàn)十分方便，能量轉(zhuǎn)換效率較高，移動(dòng)起來也非常方便。

將氫儲(chǔ)能置于現(xiàn)代能源體系之中具有重要的戰(zhàn)略意義。電力系統(tǒng)關(guān)乎國(guó)家能源安全，但同時(shí)又是一個(gè)最大的碳排放源，大約占到我國(guó)碳排放總量的40%。電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型離不開新型儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，而氫儲(chǔ)能就是其中的一個(gè)新秀。

氫儲(chǔ)能在現(xiàn)代能源體系中的地位，可以通過“電—?dú)洹姟钡霓D(zhuǎn)化模式來實(shí)現(xiàn)。與此相對(duì)應(yīng)，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫發(fā)電系統(tǒng)三大部分。

制氫系統(tǒng) 在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，以風(fēng)能、太陽能等為代表的可再生能源的開發(fā)利用已經(jīng)步入快車道。然而，這些可再生能源的不穩(wěn)定性又對(duì)現(xiàn)代能源系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。制氫系統(tǒng)可以消納用電低谷時(shí)的棄風(fēng)棄光電能，通過電解水來制取氫氣，從而把富余的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能。

儲(chǔ)氫系統(tǒng) “氫儲(chǔ)能”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心目標(biāo)就是在確保安全的前提下，提高效率、降低成本、方便取用。氫氣的密度很小，在常壓下，-253℃以下的氫氣才能液化，因此對(duì)液氫儲(chǔ)罐的技術(shù)要求很高。氫的原子半徑非常小，在高溫高壓條件下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。氫氣的穩(wěn)定性較差，較易發(fā)生泄露。氫氣的這些物理化學(xué)性質(zhì)都對(duì)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，氫氣儲(chǔ)運(yùn)主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫以及有機(jī)液體儲(chǔ)氫等方式。其中，應(yīng)用較多的為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于航天等領(lǐng)域，至于有機(jī)液體儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫則仍處于示范階段。

氫發(fā)電系統(tǒng) 主要解決“氫儲(chǔ)能”回饋電力系統(tǒng)的問題。即在用電高峰或電力出現(xiàn)缺口時(shí)，通過燃料電池或其他方式把儲(chǔ)存的氫氣轉(zhuǎn)換為電能并輸送到電網(wǎng)。通過“電—?dú)洹姟钡霓D(zhuǎn)化模式，一方面解決了可再生能源的消納問題，另一方面又達(dá)到了“削峰填谷”的目的，同時(shí)可以作為備用電源參與熱電聯(lián)供或者應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域。

今年7月，我國(guó)首個(gè)兆瓦級(jí)氫能發(fā)電站首臺(tái)機(jī)組落戶安徽六安。該發(fā)電站由1兆瓦質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置、200千克儲(chǔ)氫裝置和1兆瓦質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置組成。該電站成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，充分驗(yàn)證了制氫、儲(chǔ)氫和氫發(fā)電的完整鏈條的可行性。

綠氫讓“碳中和”落地

氫作為化學(xué)元素周期表的一號(hào)元素，其質(zhì)量大約占到宇宙質(zhì)量的75%，是宇宙中分布最為廣泛的元素。然而，地球上的氫元素主要以化合態(tài)形式存在，因此“氫能時(shí)代”呼喚綠氫制造技術(shù)的突破。

氫氣可分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣為灰氫，將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣為藍(lán)氫，通過使用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣為綠氫。

盡管氫能屬于清潔能源，但畢竟氫能為二次能源，因此氫氣的制取是否“綠色”，也決定著氫能是否真的做到了“綠色”。按照原料來源來分，綠氫的制作可分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫和電解水制氫等。

按照中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《低碳?xì)洹⑶鍧崥渑c可再生能源氫的標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)》（2020年12月29日），低碳?xì)涫侵冈谏a(chǎn)過程中，每千克氫氣所產(chǎn)生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于14.51千克；清潔氫是指在生產(chǎn)過程中，每千克氫氣所產(chǎn)生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于4.90千克；可再生氫是指在生產(chǎn)過程中，每千克氫氣所產(chǎn)生的溫室氣體（二氧化碳）排放值低于4.90千克，并且生產(chǎn)氫氣所消耗的能源為可再生能源。

通常，低碳?xì)渑c藍(lán)氫相當(dāng)，清潔氫和可再生氫與綠氫相當(dāng)。藍(lán)氫可以減少碳排放，但不能完全消除碳排放。崇尚“綠氫”，就是要提高制氫途徑的清潔度，最大限度地減少生產(chǎn)過程中的碳排放量。

氫能作為我國(guó)的一種戰(zhàn)略性能源，在短期內(nèi)可優(yōu)先選用工業(yè)副產(chǎn)氫，中期可采用化石能源輔以碳捕捉技術(shù)制氫，長(zhǎng)期可采用可再生能源電解水制氫。近乎零碳排放的綠氫代表了氫能的發(fā)展方向。集無碳能源和工業(yè)原料于一身的綠氫，將會(huì)為未來社會(huì)帶來一股清潔之風(fēng)。我們期待“氫能時(shí)代”的早日到來！