清洁能源氢能

文/汪永明（上海市虹口区老科技工作者协会）编辑/丙甲

氢能被认为是21世纪最理想的清洁能源，氢燃烧后排出的废物是水，可以给我们一个更清洁、更友好的生存环境。随着我国氢能技术的迅速发展、储氢技术正日趋成熟，安全性也在不断提高。越来越多的加氢站已在建设和运营之中，氢能公交车和物流车已经在路上驰骋。氢能已经走进大众生活，未来将有更多氢能交通工具走向千家万户。本文将对氢能的特性和应用作简单介绍，使我们对氢能有更直观的了解。

一、氢能的特性

氢能是以氢气作为主要原料，要了解氢能的特性，首先必须对氢的性质有所了解。

1.氢的结构与性能

氢是化学元素周期表中的一号元素，是宇宙中最简单的原子。氢原子拥有1个质子（正电性）和一个电子（负电性），是一个简单的二体系统；氢原子是电中性的，氢原子核外的电子是无规则绕核旋转的，没有确切的轨道，科学家经过复杂的计算，得出了电子在核外可能出现的范围，是一个以核为球心的球状壳体，又可形象地称为电子云；2个氢原子结合成1个氢分子时，2个电子云小球互相重叠，而且重叠得越多，氢分子就越牢固。

因为氢气是密度最小的气体，在空气中运动的速度相当快，总是漂浮在大气层的顶层，在太阳风的作用下会慢慢离开地球。因此，氢在地球大气层中的含量极低。按体积来说，空气中的氢气大概占空气总体积的0.93%，浓度只有0.5ppm（1ppm相当于百万分之一），而且分布不均匀。地球上绝大多数的氢都以化合态的形式存在。当氢原子得到1个电子就成为氢负离子，构成氢化物。氢原子失去1个电子会成为氢阳离子，在水中，氢阳离子是与水结合存在的。

在常压下，氢的单质为气体。温度升高到一定程度或者用伽马射线来轰击氢，可以得到等离子态的氢。如果施加更大的压力，则可得到液氢和固态氢。2016年，英国爱丁堡大学的科学家在高压实验装置中发现了固体金属氢。

2.氢能的特点

要利用氢能，首先要解决氢的制备问题。根据制备方法的不同，制取的氢分别称为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢由以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产气制取并伴随碳排放，蓝氢由煤或天然气等化石燃料制取，并将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCUS），可实现低碳排放生产；绿氢是通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，生产绿氢的过程完全没有碳排放。绿氢是氢能利用的理想形态，但受到目前技术及制造成本的限制，实现大规模应用还需要时间。目前，氢气主要来源于化石燃料制氢（67%）和工业副产氢（30%），电解水制氢仅占3%。据2022年11月16日《科技日报》报道，2020年中国氢产量约为3 300万吨，约占全球产量的30%。可见中国氢能的产量占据世界氢能产量的重要地位。

氢气制取后必须先储存起来。储氢系统的核心目标就是在确保安全的前提下，提高效率、降低成本、方便取用。目前，氢气储运主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢以及有机液态储氢等方式。其中应用较多的为高压气态储氢。当用户需要氢气时，需到加氢站加气，因此氢能的应用离不开加氢站的建设。

二、氢能的应用

2022年北京冬奥会，氢燃料火炬和氢燃料电池汽车开启了我国氢能利用的新篇章。1000多辆氢燃料电池车和30多座加氢站构成的“低碳型、低能耗、低污染”的绿色交通运输体系，为实现低碳化、绿色奥运作出了贡献。

目前氢能主要应用于两大领域，即作为汽车动力的氢燃料电池和以氢代碳氢冶金是清洁氢能在工业领域的重要应用场景。

1.氢燃料电池动力汽车

氢能利用的一个重要领域就是燃料电池。燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转化为电能的化学装置，既不需要载热介质，也不需要通过汽轮机进行发电，因此可以拥有更高的能量转换效率。氢燃料电池所需要的原料为氢气和氧气，通过反应生成水的过程来产生电能。这些电能经过逆变器、控制器等装置带动车轮转动，从而驱动汽车行驶。由于氧气可以从空气中获得，因此只要为汽车加氢就可以，而加氢的过程只需要三五分钟，这是氢燃料电池相比锂电池的巨大优势。

燃料电池作为一种电化学发电装置，在能量转换效率方面具有优势。如氢燃料电池车的能量转换效率为60%～80%，为内燃机汽车的两三倍。氢气作为一种能量密度很高的清洁可再生能源，其显著的特点就是能量高。氢气的燃烧值大约为120兆焦耳/千克，即1千克氢气在燃烧时可放出120兆焦耳的热量。除了核燃料之外，氢气的发热值在所有的化石燃料和生物燃料中都是最高的。氢燃料电池的产物为水，不存在碳的排放，也几乎不产生含氮和硫的氧化物，是汽车动力的环保技术之一。此外，氢燃料电池车具有耐低温、续航能力强、充电时间短等明显优势。

当然，氢燃料电池汽车真正实现商业化还有一个过程。不仅需要解决氢燃料电池的可靠性和耐久性问题，还需要配套建设加氢站等必备设备。

2.在冶金行业的应用

以氢代碳、氢冶金是清洁氢能在工业领域的重要应用场景。在全球范围内，钢铁行业的碳排放量占到了工业领域碳排放总量的15%～20%，是名副其实的“碳排放大户”。要让钢铁行业在未来三四十年的时间里降低90%的碳排放，仅靠工艺上的改革是很难实现的。氢能的应用为钢铁行业的减排带来了希望。十多年来，世界上许多国家相继进行了“氢能冶金”的探索，我国技术专家也提出了具有中国特色的“氢能冶金”工艺技术路线，为实现钢铁行业低碳绿色发展指明了方向。

众所周知，传统的钢铁行业是用碳作为还原剂，把铁矿石转化为铁，并排出二氧化碳。目前钢铁行业大多采用高炉工艺，用焦炭来还原铁矿石。在这个还原过程中，碳排放量大约占到了整个钢铁生产碳排放总量的90%，如果“以氢代碳”，那么还原剂就是氢气而不是碳，在把铁矿石转为铁的同时，排出的是水而不是二氧化碳。看来，“以氢代碳”无疑是减碳的治本之策。我国在以氢代碳的氢冶金工业领域已取得不少成果。我国首次以纯氢为喷吹气源进行高炉富氢冶炼技术开发的试验已成功完成，纯氢气喷吹量达1800m³/h、吨铁喷吹量250m³，“以氢代碳”冶炼试验达到降低焦比10%以上、减少二氧化碳排放量10%以上和铁产量增加13%以上，同时获得钢铁生产中大规模安全使用氢气的经验。

氢基非高炉冶炼技术开发同样取得成效。国家钢铁研究总院承担的“十三五”重点研发计划项目，开展氢基竖炉和电炉熔分短流程炼钢工艺技术研究进展顺利。2021年4月建龙集团内蒙古赛思普公司与北京科技大学合作完成30万吨级氢基熔融还原的建设并成功出铁。2022年初宝武集团在湛江百万吨级、河钢集团在张家口2座55.5万吨级的氢基竖炉直接还原铁项目开工建设。还有一些案列不一一列举。

以氢代碳的富氢或全氢冶金，无论发展高炉还是非高炉路线，大规模经济化的氢源是基础。钢铁企业可利用厂房屋顶建设分布式光伏发电系统，铁矿企业可充分利用尾矿库建设风光一体发电站。开展可再生能源制氢项目，有效推进钢铁企业能源结构逐步调整。可以预见，随着制氢技术的优化，中国钢铁工业的氢冶金低碳化转型必将加速。

三、氢能的发展前景

2022年3月，国家发展改革委员会和国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035）》，确立氢能清洁低碳发展原则，并提出发展目标。到2025年，可再生能源制氢量达到每年10万吨～20万吨，成为新增氢能消费的重要组成部分，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。2022年8月，世界新能源汽车大会在北京举行。科技部副部长张雨东在大会上说，大力发展氢能和燃料电池不仅有助于交通行业早日实现“双碳”目标，还有助于加快我国能源结构调整，保障能源安全。国家能源局总工程师向海平指出，目前我国氢能产业正处于发展初期，创新能力、技术装备水平等仍有很大提升空间，必须围绕氢能全产业链全面提升基础研究、关键核心技术前瞻性技术和原始创新的能力和水平，重视创新成果的产业化和示范应用。中国工程院院士于勇保守估计，2050年氢在我国终端能源体系占比约10%，2060年占比将达约15%，成为我国能源战略的重要组成部分。

各地的氢能产业也逐渐进入发展快车道。2022年5月，上海印发《上海市氢能产业发展中长期规划（2022—2035）》，建设金山和宝山两个氢气制备和供应保障基地，打造8个世界级示范场景；国际氢能示范机场、国际氢能示范港口、国际氢能示范河湖、世界级氢能产业园、深远海风电制氢示范基地、零碳氢能示范社区、低碳氢能产业岛和零碳氢能生态岛。按照规划，到2025年，上海市将建设各类加氢站70座左右，氢燃料电池汽车保有量突破一万辆，氢能产业链产业规模突破1 000亿元，在交通领域带动二氧化碳减排5万～10万吨/年。除上海外，截至2022年12月，全国已有20多个省自治区直辖市发布氢能规划和指导意见等政策文件。国企、民企、外企对发展氢能产业都展示出极大热情，长三角、珠三角、环渤海三大区域氢能产业呈现集群化发展态势。北京在2025年前力争实现氢燃料电池汽车累计推广量突破1万辆。在广东佛山，氢能源有轨电车、氢能源公交车在城市穿梭，行人骑着氢能共享单车，加氢站已经随处可见……

“21世纪是氢能的时代”成为热议话题。有预测表明，到2060年，绿氢能源占比将达到氢能源的70%，整个氢能市场增量接近1亿吨，氢能的应用场景从传统化工行业转向社会方方面面，包括建筑、交通行业等，氢能经济会应运而生。氢能是实现碳中和、碳达峰的重要途径。随着制氢技术的优化和储氢技术的发展，我们距离氢能时代越来越近。