备受热捧的“绿色氢”技术

沈臻懿

面对全球变暖、气候变化等全球性重大危机，如何降低化石燃料使用比例、减少碳排放，大力发展清洁、可再生能源，已成为各国共识。蓬勃兴起的能源创新革命中，氢能技术的发展尤为耀眼。新能源与节能汽车领域中，氢能燃料电池是一项重要的研究方向。不少国家已将氢能发展作为未来重要战略进行规划。

迪拜水电局（DEWA）局长萨伊德·阿塔耶尔表示，作为阿联酋能源转型的重要组成部分，迪拜将于2022年发布氢能战略。迪拜水电局不仅积极探索公共交通领域中的氢能应用，还与德国西门子能源公司合作，在穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆太阳能公园试点了一个300千瓦容量、总投资额为5000万迪拉姆（约合人民币8700万元）的绿氢电厂项目。据预测，2023年全球氢能行业的市场规模将达到1830亿美元。至2030年，氢能投资额将超过3000亿美元。

今年3月，西班牙媒体盘点了2021年最具前景的十大新型科技，其中就包含了“绿色氢”技术。评选意见称，氢气储量丰富、能量密集，且不会排放二氧化碳，是一种极具吸引力的化石燃料替代品，能直接取代汽油。传统制氢技术，大多从天然气、煤炭、石油中提取氢气。但此类被称之为“灰色氢”“蓝色氢”，其在制取过程中会消耗大量能源，且带来环境污染。不过，太阳能和风能的使用，完全改变了这一状况，制氢过程得以完全“清洁化”。从理论上来说，只要拥有了阳光和水，“绿色氢”技术的发展就如同步入了“快车道”。

倘若发展顺利的话，至2050年，全球范围内四分之一的能源需求可由“绿色氢”提供，且可以减少三分之一的温室气体排放

氢不仅是世界上存量最为丰富的元素，整个宇宙总质量的75%亦是由氢原子所占据。不过，地球上并不存在天然氢的沉积物，人们为了得到这种无色、无毒的气体，往往需要通过化工技术将氢从其他化合物中进行提取。据统计，每年全球范围内的氢气需求量在7000万吨左右。除了可用做燃料、发电之外，在钢铁制造、炼油以及甲醇、氨的生产中亦有着氢气的身影。

长期以来，工业用氢多利用蒸汽甲烷重整技术（Steam Methane Reforming，SMR），从天然气中进行提取。该技术需要在催化剂的作用下，将天然气中的烃类化合物与蒸汽进行反应，生成含氢的混合气。随后，通过换热冷却等流程，将杂质气体予以分离，并最终得到满足纯度要求的氢气。该制氢技术主要通过天然气和煤炭等碳氧化合物来生产氢气，其在生产过程中会带来大量的二氧化碳、一氧化碳等污染物。这一被称之为“灰氢”的制氢方式，对于环境而言并不友好。据统计，2017年度全球范围内因生产氢气而带来的二氧化碳排放量就超过了德国、韩国以及全球航运业的排放数量。

为了改善上述情况，人们逐渐将碳捕捉和储存技术引入SMR工艺，有效减少了制氢过程中产生的温室气体数量。通过这一制氢技术获得的氢气，则被业内称之为“蓝氢”。但令人意想不到的是，蒸汽甲烷重整技术中的甲烷，对于全球变暖的强度甚至超过了二氧化碳的80余倍。这就意味着，SMR技术本身对于环境的影响就很大。无论是其原料来源，或是在制氢过程中可能产生的气体泄漏，都会成为导致气候变化的关键因素。

作为一种可长途运输、可作为工业与居民终端燃料的清洁能源，“绿色氢”在未来可替代石油、天然气等化石燃料满足能源需求

除了探索可再生新能源用于电解制氢技术外，科学家们还研发了另一项名为“ 质子交换膜电解水制氢电解槽”的新技术

那么，有没有一种制氢新技术，能够达到对环境友好和碳零排放的目标呢？不仅生产原料是“绿色”的，且在生产过程中只生成氢气，不产生温室气体，真正实现从“灰氢”“蓝氢”到“绿氢”的科技转型呢？这就需要科技的助力，让制氢新技术真正迈入“绿氢”的时代。当前，不少国家规划的氢能发展战略，皆属于“绿色氢”这一可再生氢。

工业制氢的原料，除占据垄断地位的化石资源的化学重组外，其余基本都来自水资源的电解。电解水制氢技术的主要原料，就是人们最为熟悉的水。从理论上来说，作为原料的水无处不在，且无穷无尽。我们生活的地球表面，约有71%的面积被水所覆盖。电解水技术能够利用电流将水分解为氢和氧，从而获得满足能源需求的氢气。不论何种资源产生的电力，都可用来电解水制氢。较长一段时间内，人们大多使用化石燃料作为发电资源，不可避免地带来了温室气体问题。为此，科学家们正不断探索，如何在电解水制氢技术的源头环节，引入可再生新能源，进而成功转型为清洁方式的“绿色”制氢。

可再生新能源生产出的“绿色氢”，可在大型容器中长期贮存，或出售给工业领域使用，或作为普通居民的能源使用。“绿色氢”的优势，一方面源于其通过可再生资源获得，无须依赖任何类型的化石燃料，通过风能、太阳能等可再生新能源发电，来进行电解水制氢，实现碳的零排放;另一方面，“绿色氢”与可再生新能源的“强强联合”，还可保证电力电网的安全运行。根据市场预测，到2024年，全球范围内的风能和太阳能光伏的累计装机容量将达到2500吉瓦左右。随着装机容量的不断提升，可再生新能源的电力价格或将持续走低，加之可再生新能源发电的间歇性问题，在某些情形下其电力供过于求，可能导致销售后出现亏损。所幸，“绿色氢”技术的问世，可以有效解决可再生新能源发电间歇性和发电过剩等难题。当可再生新能源的发电量处于最高水平时段时，“绿色氢”具有的缓冲效应，能够帮助其吸收多余的可再生电能;当可再生新能源无法满足需求时，“绿色氢”储能便能及时用于发电。就此而言，“绿色氢”技术还是一种极为重要的储能和保障供应手段。

除了探索可再生新能源用于电解制氢技术外，科学家们还研发了另一项名为质子交换膜电解水制氢电解槽（proton exchange membrane，PEM）的新技术。质子交换膜电解槽的结构主要包括阳极、阴极和膜电极。其中，阳极选用钛为主要材质，阴极主要使用石墨、不锈钢和钛等材料，膜电极由两块气体扩散层和一张喷有阴陽极催化剂层的质子交换膜所组成。扩散层为导电的多孔材料，用于促进气液物质的传递;催化层由扩散层、催化剂和质子交换膜的交界面组成。质子交换膜可阻止电子在两极间的传递，阻止两极生成的氧气和氢气之间的接触。

PEM技术在工作时，作为电解原料的水从阳极进入，经过扩散层后在电压和阳极催化剂的作用下析出氧，产生的氧气再次回到阳极并被水带出。经阳极反应产生的氢离子在水流携带下通过质子交换膜转移到了阴极，并在阴极催化剂的作用下析出氢，产生的氢气则通过阴极排出。相较于早先使用的电解槽，PEM技术的效率更高、动态响应速度更快、操作范围更大，且得到的氢气纯度更高。诚然，这一新技术受制于当前较高的制作成本，尚处于实验室研究阶段。但科学家们预测，该技术的成本瓶颈将在未来几年内得到突破。倘若研发顺利的话，至2050年，全球范围内四分之一的能源需求可由“绿色氢”所提供，且可以减少三分之一的温室气体排放。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com