謝和平：氫能源為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力

　　進(jìn)入21世紀(jì)，氫能應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。從汽車(chē)到船舶，從工廠到家庭，氫能出現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)生活各個(gè)方面，不少大型城市開(kāi)始興建加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，氫能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到大規(guī)模推廣。中國(guó)作為氫能生產(chǎn)大國(guó)和使用大國(guó)，有力推動(dòng)氫能發(fā)展。在交通領(lǐng)域，2022年我國(guó)氫能源汽車(chē)保有量首次突破萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2025年有望增至10萬(wàn)輛。

　　在旺盛的需求引導(dǎo)下，綠氫制取的成本大大降低。目前，綠氫主要通過(guò)電解水來(lái)制取，成本的80%來(lái)自電解過(guò)程的能耗。根據(jù)工作原理、溫度以及所用電解池材料的不同，電解水制氫可分為堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水、高溫固體氧化物電解水3類(lèi)。堿性電解水技術(shù)成熟度較高，具有成本優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)有大規(guī)模綠氫工程項(xiàng)目的主要方案。質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)效率高于堿性電解水，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，但需要使用貴金屬鉑、銥等作為催化劑，目前設(shè)備成本約為堿性電解水的3倍，未來(lái)需通過(guò)新型催化劑的開(kāi)發(fā)和膜電極制備技術(shù)的發(fā)展提升性價(jià)比。高溫固體氧化物電解水技術(shù)，則是在500—800攝氏度高溫下，將電能和熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(氫能)，氫氣被高效地分離出來(lái)，被認(rèn)為是理論效率最高的電解水制氫技術(shù)。綜合來(lái)看，發(fā)展新型電解質(zhì)材料、提高關(guān)鍵材料壽命、優(yōu)化工作溫度成為電解制氫技術(shù)的發(fā)展方向。

　　新的制取方式也在開(kāi)發(fā)中。其中，海水直接電解制氫技術(shù)和海上風(fēng)電技術(shù)備受關(guān)注。未來(lái)綠氫的大規(guī)模生產(chǎn)，與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源相耦合是關(guān)鍵。特別是在海上風(fēng)電發(fā)展迅速，海水資源頗為豐富(地球水資源總量的97%)的背景下，利用海水直接電解制氫技術(shù)和海上風(fēng)電技術(shù)向海洋要?dú)洌蔀榫G氫制取的重要方向。這就像在大海上建起一座座“氫礦”，產(chǎn)出的綠氫可直接通過(guò)海上油氣管道等進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，提供了大量氫能。

　　實(shí)現(xiàn)海水直接制氫的設(shè)想，要邁過(guò)不少技術(shù)門(mén)檻。電解海水制取氫有兩種方式：一是淡化海水至純水再制氫，技術(shù)復(fù)雜、成本高，難以規(guī)模化生產(chǎn);二是海水直接電解制氫，難點(diǎn)在于海水成分復(fù)雜，對(duì)設(shè)備中的催化劑、電極、隔膜要求很高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期攻關(guān)，我們嘗試用物理力學(xué)方法，在一種透氣不透水的“膜”作用下，把海水里的水汽“抽”出來(lái)，隔絕海水中的雜質(zhì)離子，從而使水汽成為電解制氫用的“純水”，向電解液補(bǔ)水。2022年11月，這一成果發(fā)表在《自然》雜志，后被科技部評(píng)為2022年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展之一。未來(lái)，海水直接制氫有望開(kāi)辟氫能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化新賽道。

　　儲(chǔ)用結(jié)合，豐富利用手段

　　解決了氫能的來(lái)源和制取成本問(wèn)題，就要考慮如何把氫能送達(dá)各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景并創(chuàng)新氫能利用方式。儲(chǔ)存和運(yùn)輸，始終是人類(lèi)能源利用的技術(shù)課題。氫氣密度小、易燃燒，因而儲(chǔ)運(yùn)成本高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)影響著氫能利用。為此，科學(xué)家們正嘗試將氫轉(zhuǎn)化為易儲(chǔ)易運(yùn)的氨或甲醇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模應(yīng)用。比如，以經(jīng)典的哈伯—博施工藝借助氮?dú)饧皻錃庵迫“睔猓蚶眯屡d的電化學(xué)常壓低能耗合成氨技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“氫氨融合”，豐富了化肥、工業(yè)等傳統(tǒng)用氨行業(yè)及綠氨摻混發(fā)電、綠色船用燃料等下游新興領(lǐng)域的能源供給。另外，利用綠氫和二氧化碳合成綠色甲醇，也能實(shí)現(xiàn)氫能整體的全周期近零排放。目前全球市場(chǎng)對(duì)綠色甲醇、綠氨、生物柴油等綠色清潔液體燃料需求巨大，相關(guān)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)能有待進(jìn)一步提高，綠色清潔液體燃料前景廣闊，有望成為更具經(jīng)濟(jì)性的綠氫消納利用新路徑。

　　除了作為化工原料(如石油煉化、合成氨、合成甲醇)和工業(yè)工藝氣體(如鋼鐵、半導(dǎo)體行業(yè)還原劑)等傳統(tǒng)使用方式外，綠氫還可以作為能源、燃料來(lái)使用。氫燃料電池是目前被廣泛看好的氫能利用路線。氫燃料電池汽車(chē)具備零排放、零污染、無(wú)噪聲、補(bǔ)充燃料快、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。2022年北京冬奧會(huì)期間，超過(guò)1000輛氫能源汽車(chē)投入使用，并配備了30多個(gè)加氫站，這是迄今為止氫燃料電池汽車(chē)在全球最大規(guī)模的集中示范運(yùn)營(yíng)。

　　在新技術(shù)加持下，氫能交通工具可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、水到氫再到水的“無(wú)碳物質(zhì)閉環(huán)”，構(gòu)成綠色發(fā)展的一次次清潔能量循環(huán)。比如氫能源市域列車(chē)，以每天500公里里程計(jì)，每年大約可減少10余噸二氧化碳排放。未來(lái)，氫能大巴、氫能重卡、氫動(dòng)力船舶、氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)等都可能出現(xiàn)，氫能交通工具也有望與其他新能源交通工具一道，構(gòu)筑城鄉(xiāng)發(fā)展的運(yùn)力網(wǎng)絡(luò)。

　　展望未來(lái)，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過(guò)程中，氫能源將在交通、工業(yè)、建筑、電力、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。這需要科研工作者和一線企業(yè)共同努力，開(kāi)發(fā)氫能制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用等一系列新技術(shù)。時(shí)不我待，元素周期表上的第一個(gè)名字，還有許多奧秘等待我們?nèi)ヌ剿靼l(fā)現(xiàn)。

　　來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)

　　(作者為中國(guó)工程院院士、深圳大學(xué)特聘教授)