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氫能：讓人類(lèi)充滿遐想的能量

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2022-11-9 瀏覽次數(shù)：

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氫與水，結(jié)下不解之緣。制氫關(guān)鍵，在于技術(shù)，難在成本。氫能發(fā)展，雖爭(zhēng)議不斷，但需砥礪前行。面向未來(lái)，氫能地位，舉足輕重，成為熱點(diǎn)，舉世關(guān)注，持續(xù)發(fā)展。

何謂氫能？

氫，位于元素周期表之首，原子序數(shù)為1，在常溫常壓下為氣態(tài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。不過(guò)，氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，其中最主要的存在形式就是水，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。根據(jù)科學(xué)論斷，氫的燃燒熱值很高，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃燒后的產(chǎn)物是水，因此十分清潔。

氫能進(jìn)入我們?nèi)祟?lèi)的視野，其實(shí)由來(lái)已久，不過(guò)直到21世紀(jì)，尤其是最近幾年，這種能源開(kāi)始在世界能源舞臺(tái)上變得舉足輕重，成為能源領(lǐng)域的“炙熱點(diǎn)”，于是氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用等技術(shù)突然成為舉世關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

董秀成教授：盡管上述疑惑在我心中依然盤(pán)旋，但我似乎也在逐漸改變，至少在思維上已經(jīng)有所改變，比如如果人類(lèi)能夠利用水來(lái)電解氫，并且所用電解的電力來(lái)自于清潔能源，并且成本不斷下降，那么這類(lèi)氫能或許就符合基本邏輯。如果氫在自然界以獨(dú)立礦藏的形態(tài)存在，那么氫便是一次能源，可惜這種存在形態(tài)的氫實(shí)在是微乎其微，人類(lèi)只能從其他物質(zhì)中來(lái)制取氫，比如電解水、煤炭制氫和天然氣制氫等，因此氫能在本質(zhì)上屬于二次能源。作為一個(gè)長(zhǎng)期研究能源經(jīng)濟(jì)的學(xué)者，曾幾何時(shí)，我對(duì)氫能發(fā)展并不看好，其中最核心的理由是這種能源屬于二次能源，在一次能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中或在制氫過(guò)程中必然消耗大量的能源，而且還必然存在環(huán)境污染和二氧化碳排放的問(wèn)題，并且成本很高，或許在能源開(kāi)發(fā)和利用方面有可能“得不償失”。

氫能主體上屬于二次能源，關(guān)鍵在于其邏輯性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性是否有生態(tài)平衡、環(huán)境治理和應(yīng)對(duì)氣候變化的意義和價(jià)值。二次能源屬于聯(lián)系一次能源與能源用戶之間的中間紐帶，可以劃分為兩大類(lèi)：一是“過(guò)程性能源”，二是“含能體能源”。

無(wú)容置疑，電能是目前人類(lèi)應(yīng)用最廣的“過(guò)程性能源”，而汽油、柴油和煤油等油品則是目前人類(lèi)應(yīng)用最廣的“含能體能源”。

從現(xiàn)實(shí)邏輯上看，由于“過(guò)程性能源”很難大量地被直接貯存，因此汽車(chē)、輪船和飛機(jī)等機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具就無(wú)法大量使用從發(fā)電廠輸送出來(lái)的電能，只能大量地使用汽油、柴油、航空煤油和液化天然氣等“含能體能源”。

然而，傳統(tǒng)未必一定持久，傳統(tǒng)也未必永遠(yuǎn)符合邏輯，隨著電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的興起和發(fā)展，“過(guò)程性能源”也可以替代“含能體能源”。

根據(jù)邏輯推理，隨著化石能源不斷消耗，資源終究會(huì)枯竭，新的“含能體能源”也必然出現(xiàn)，其中氫能源便是其中的主要代表。

氫在自然界儲(chǔ)存十分豐富，據(jù)估計(jì)氫元素構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％，它廣泛存在于空氣中，另外在水、礦物燃料和各類(lèi)碳水化合物之中普遍存在。

除了核燃料熱值最高值外，氫的發(fā)熱值最高，其燃燒產(chǎn)生的熱值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所有化石燃料、化工燃料和生物燃料等。

氫的燃燒性能良好，燃點(diǎn)高，可燃范圍廣泛，而且燃燒速度快，從熱值和燃燒角度看，氫絕對(duì)就是一種優(yōu)質(zhì)和高效的能源。

另外，氫氣本身無(wú)毒，燃燒后除了生成水和少量氮化氫之外，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)生態(tài)和環(huán)境有害的污染物，而且沒(méi)有二氧化碳排放，因此氫能屬于清潔能源，對(duì)于生態(tài)環(huán)境治理和減少二氧化碳排放均具有重大意義。

制氫方式與發(fā)展難點(diǎn)

如果人類(lèi)利用化石能源制取氫，那么在制取過(guò)程中必然存在環(huán)境污染和二氧化碳排放，那么這類(lèi)氫能或許便不太符合基本邏輯。

因此，根據(jù)制氫的方式，可以將其劃分為三種：綠氫、灰氫和藍(lán)氫。

1.綠氫是指通過(guò)可再生能源（如風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能）制氫，也就是通過(guò)可再生發(fā)電，然后利用點(diǎn)解水來(lái)制氫，在制氫過(guò)程完全沒(méi)有碳排放。

2.灰氫是指利用化石能源（煤炭、石油、天然氣）制氫，也就是從化石能源中提取氫，在制氫過(guò)程中必然存在環(huán)境污染和二氧化碳排放。

3.藍(lán)氫是指使用石化能源（煤炭、石油、天然氣）制氫，其實(shí)與灰氫制取過(guò)程一致，區(qū)別在于在制氫過(guò)程中利用碳捕集和碳封存(CCS)技術(shù)，不讓二氧化碳排放到空氣中。

因此，從邏輯上看，綠氫和藍(lán)氫具有一定的合理性，但成本可能很高，經(jīng)濟(jì)性可能比較差，而灰氫的成本可能較低，經(jīng)濟(jì)性較好，不過(guò)合理性比較差。

然而，氫能之所以還沒(méi)有被我們?nèi)祟?lèi)廣泛地利用，主要是因?yàn)闅淠茉诶贸杀竞图夹g(shù)方面，還面臨著許多難點(diǎn)：

1.氫能制取成本高，如果從水中直接提取氫，那么需要用電解水技術(shù)，成本太高，在經(jīng)濟(jì)上不具備競(jìng)爭(zhēng)性；

2.氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸，需要適合的壓力和溫度，因此對(duì)裝備和設(shè)備要求很高，存在技術(shù)和安全障礙等，需要技術(shù)不斷突破；

3.氫能利用需要標(biāo)準(zhǔn)極高的配套基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)這些技術(shù)設(shè)施都需要大量的資金投入，進(jìn)而大大提高氫能利用的成本。

氫能發(fā)展存在爭(zhēng)議

目前，世界能源問(wèn)題事關(guān)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，越來(lái)越成為世界熱點(diǎn)，人們對(duì)能源短缺問(wèn)題更加恐懼，擔(dān)心傳統(tǒng)化石能源如煤炭和石油等終究被人類(lèi)消耗殆盡，于是便從戰(zhàn)略上去思考能源供應(yīng)來(lái)源問(wèn)題。

在此背景下，全世界范圍內(nèi)掀起新能源熱潮，試圖擺脫對(duì)傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度依賴，人們開(kāi)始更加重視核能、氫能、太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源，但是到底哪種新能源能成為未來(lái)世界主流能源，還一直存在較大爭(zhēng)議和討論。

其實(shí)，發(fā)展任何能源，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看其關(guān)鍵還在于這種能源的資源條件，當(dāng)然也要考慮能源技術(shù)突破等因素，資源是基礎(chǔ)，技術(shù)是關(guān)鍵，如果沒(méi)有足夠的資源基礎(chǔ)，那么發(fā)展能源就成為無(wú)本之木和無(wú)源之水。

目前，世界對(duì)氫能的研究已經(jīng)走過(guò)了最初的“認(rèn)知”階段，從對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不斷摸索和探尋，到如今在某些國(guó)家或區(qū)域一連串的布局落地和基地建設(shè)，再次讓人類(lèi)燃起了對(duì)未來(lái)能源發(fā)展的遐想。

不知有多少人，甚至有不少專(zhuān)家曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“比起加油站，我更怕加氫站的爆炸”，這或許說(shuō)明氫作為?；罚ｋU(xiǎn)性確實(shí)很大，對(duì)此我并不十分了解。當(dāng)然，也有業(yè)內(nèi)專(zhuān)家提出相反的結(jié)論，比如有專(zhuān)家說(shuō)過(guò)，“汽油的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)甚于氫氣，在開(kāi)放空間里，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍，而汽油的爆炸能量是相同體積氫氣的22倍。當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)，由于氫氣的密度遠(yuǎn)低于空氣，爆炸會(huì)發(fā)生在氣源上方，而汽油的爆炸發(fā)生在燃料周?chē)薄?/section>

董秀成教授：對(duì)于這些爭(zhēng)論或辯論，我一直本著“傾聽(tīng)”或?qū)W習(xí)的態(tài)度，限于自己的專(zhuān)業(yè)所限，只能從邏輯思維的角度認(rèn)識(shí)和分析問(wèn)題，不能或沒(méi)有必要參與激辯之中。“事實(shí)勝于雄辯”，只有科學(xué)才能說(shuō)明真相，這是本人堅(jiān)持的基本立場(chǎng)。

氫能特點(diǎn)顯著

對(duì)于氫能源來(lái)說(shuō)，具有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

密度

按照元素周期表排列，氫元素排在第一位；對(duì)于重量來(lái)說(shuō)，氫在在所有元素中最輕；在正常標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫的密度為0.0899克/升。

形態(tài)

氫的存在形態(tài)比較靈活，可以是氣態(tài)或液態(tài)，也可可以以固態(tài)的氫化物存在。由于氫形態(tài)靈活，因此便于貯運(yùn)方式和使用環(huán)境的各種需要。在一般常態(tài)下，氫以氣態(tài)存在。當(dāng)溫度為達(dá)到-252.7°C時(shí)，氫可以成為液體。若將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓時(shí)，氫也可以變成固體。

導(dǎo)熱性

對(duì)于導(dǎo)熱性來(lái)說(shuō)，氫在所有氣體中導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，是很好的傳熱載體。

分布

在自然界，氫是最普遍的元素。氫除了在空氣中存在外，主要以化合物形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)，因此氫資源十分豐富。

發(fā)熱值

除了核燃料外，氫的發(fā)熱值最高，達(dá)到142，351千焦耳/千克。氫的熱值是汽油發(fā)熱值的3倍，可見(jiàn)其能量效應(yīng)顯著。

燃燒性

氫的燃燒性能非常好，與空氣混合時(shí)，燃燒范圍廣，燃點(diǎn)高，速度快。

環(huán)境性

與其他燃料相比，氫沒(méi)有毒，燃燒時(shí)最清潔。氫燃燒后，除生成水和少量氨氣外不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的污染物。而氨氣經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后也不會(huì)污染生態(tài)和環(huán)境。氫燃燒生成的水，還可以繼續(xù)用來(lái)制氫，如此可以循環(huán)反復(fù)利用。

利用方式

氫的利用方式比較靈活，可以作為燃料用來(lái)燃燒，也可以生產(chǎn)燃料電池，當(dāng)然也可以轉(zhuǎn)換成固態(tài)作為結(jié)構(gòu)材料。

氫能或許將成為世界未來(lái)主流能源之一

任何事物，其發(fā)展都不以人的意志為轉(zhuǎn)移。氫能發(fā)展，不管你支持也好，反對(duì)也罷，能否發(fā)展在于大勢(shì)，而非人之意志。從氫能的資源潛力來(lái)看，由于氫能資源潛力十分巨大，似乎是取之不絕，用之不盡，因此氫能絕對(duì)具有未來(lái)發(fā)展的先決條件，而且也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。正是基于氫能資源豐富的良好條件，世界各國(guó)科學(xué)家都十分重視氫能科技研發(fā)，并且將氫能作為能源研發(fā)和利用的攻關(guān)重點(diǎn)。

目前，氫能被人類(lèi)給與厚望，備受各國(guó)政府和能源企業(yè)的青睞，或許可以在未來(lái)人類(lèi)社會(huì)能源發(fā)展和轉(zhuǎn)型過(guò)程中帶來(lái)巨大的空間。各類(lèi)能源都有其內(nèi)在特點(diǎn)，這是基本常識(shí)，人們似乎很難找到某種能源可以替代所有其他能源，這更是人類(lèi)歷史早已證明了客觀規(guī)律。

當(dāng)然，與其他新能源相比，氫能有著自身獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中最大的優(yōu)勢(shì)恐怕就是資源的潛力巨大。氫能優(yōu)點(diǎn)，在于儲(chǔ)量豐富、燃燒快、無(wú)毒害和發(fā)熱值高等。但是氫能缺點(diǎn)在于制造成本高，而且還不穩(wěn)定。作為一種二次能源，氫能來(lái)源廣泛，清潔低碳，應(yīng)用場(chǎng)景豐富，而且有利于推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源的清潔高效利用，可以支撐可再生能源的大規(guī)模發(fā)展。

我們看待事物，既要看現(xiàn)實(shí)，更要看未來(lái)。近年來(lái)，全球能源轉(zhuǎn)型正在加快，氫能及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，并逐步成為全球能源科技革命和未來(lái)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。

從歷史發(fā)展來(lái)看，在二戰(zhàn)期間，人們便開(kāi)始研發(fā)氫能技術(shù)，并且不斷取得實(shí)際研究的效果而逐漸得到實(shí)際利用，比如氫能已經(jīng)被用作V-2火箭的液體推進(jìn)劑。

當(dāng)今火箭的燃料也大都以液氫為主，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始研究在超音速飛機(jī)和洲際客機(jī)上利用氫能作動(dòng)力的燃料，氫能源汽車(chē)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并投入試運(yùn)行。

人類(lèi)需要設(shè)想，需要想象，需要展望。我們可以大膽設(shè)想，如果氫能源汽車(chē)一旦在全世界范圍內(nèi)得到大規(guī)模的普及和利用，那么全球能源格局和能源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生革命性的變化。一個(gè)產(chǎn)業(yè)是否具有前途，關(guān)鍵要看產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)和成本競(jìng)爭(zhēng)力。盡管目前氫能開(kāi)發(fā)和利用還要受到成本、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等條件的約束，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)來(lái)看，人類(lèi)智慧無(wú)限，創(chuàng)新動(dòng)力無(wú)窮，技術(shù)不斷進(jìn)步，制氫成本必然下降。

最近幾年來(lái)，由于技術(shù)進(jìn)步和各國(guó)政府政策支持，氫能產(chǎn)業(yè)逐步成為全球能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，這將有助于未來(lái)全球能源格局的重塑。

人類(lèi)需要面對(duì)挑戰(zhàn)，但是更應(yīng)把握機(jī)遇。我們必須相信科學(xué)，相信技術(shù)在不斷創(chuàng)新，當(dāng)上述瓶頸問(wèn)題獲得解決之時(shí)，氫能便會(huì)迎來(lái)春天，最終將成為人類(lèi)社會(huì)的主流能源之一。

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