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氫能：讓人類充滿遐想的能量

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2022-11-9 瀏覽次數(shù)：

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氫與水，結下不解之緣。制氫關鍵，在于技術，難在成本。氫能發(fā)展，雖爭議不斷，但需砥礪前行。面向未來，氫能地位，舉足輕重，成為熱點，舉世關注，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，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)，構成了宇宙質(zhì)量的75%。根據(jù)科學論斷，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。

氫能進入我們?nèi)祟惖囊曇埃鋵嵱蓙硪丫?，不過直到21世紀，尤其是最近幾年，這種能源開始在世界能源舞臺上變得舉足輕重，成為能源領域的“炙熱點”，于是氫的制取、儲存、運輸和應用等技術突然成為舉世關注的焦點之一。

董秀成教授：盡管上述疑惑在我心中依然盤旋，但我似乎也在逐漸改變，至少在思維上已經(jīng)有所改變，比如如果人類能夠利用水來電解氫，并且所用電解的電力來自于清潔能源，并且成本不斷下降，那么這類氫能或許就符合基本邏輯。如果氫在自然界以獨立礦藏的形態(tài)存在，那么氫便是一次能源，可惜這種存在形態(tài)的氫實在是微乎其微，人類只能從其他物質(zhì)中來制取氫，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。作為一個長期研究能源經(jīng)濟的學者，曾幾何時，我對氫能發(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)化過程中或在制氫過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題，并且成本很高，或許在能源開發(fā)和利用方面有可能“得不償失”。

氫能主體上屬于二次能源，關鍵在于其邏輯性、技術性和經(jīng)濟性是否有生態(tài)平衡、環(huán)境治理和應對氣候變化的意義和價值。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：一是“過程性能源”，二是“含能體能源”。

無容置疑，電能是目前人類應用最廣的“過程性能源”，而汽油、柴油和煤油等油品則是目前人類應用最廣的“含能體能源”。

從現(xiàn)實邏輯上看，由于“過程性能源”很難大量地被直接貯存，因此汽車、輪船和飛機等機動性強的現(xiàn)代交通運輸工具就無法大量使用從發(fā)電廠輸送出來的電能，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)也未必永遠符合邏輯，隨著電動汽車、混合動力汽車的興起和發(fā)展，“過程性能源”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。

氫在自然界儲存十分豐富，據(jù)估計氫元素構成了宇宙質(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)生的熱值要遠遠高于所有化石燃料、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，氫絕對就是一種優(yōu)質(zhì)和高效的能源。

另外，氫氣本身無毒，燃燒后除了生成水和少量氮化氫之外，不會產(chǎn)生對生態(tài)和環(huán)境有害的污染物，而且沒有二氧化碳排放，因此氫能屬于清潔能源，對于生態(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

如果人類利用化石能源制取氫，那么在制取過程中必然存在環(huán)境污染和二氧化碳排放，那么這類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、灰氫和藍氫。

1.綠氫是指通過可再生能源（如風電、水電、太陽能）制氫，也就是通過可再生發(fā)電，然后利用點解水來制氫，在制氫過程完全沒有碳排放。

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，在制氫過程中必然存在環(huán)境污染和二氧化碳排放。

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

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

然而，氫能之所以還沒有被我們?nèi)祟悘V泛地利用，主要是因為氫能在利用成本和技術方面，還面臨著許多難點：

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，成本太高，在經(jīng)濟上不具備競爭性；

2.氫氣儲存和運輸，需要適合的壓力和溫度，因此對裝備和設備要求很高，存在技術和安全障礙等，需要技術不斷突破；

3.氫能利用需要標準極高的配套基礎設施，建設和運營這些技術設施都需要大量的資金投入，進而大大提高氫能利用的成本。

氫能發(fā)展存在爭議

目前，世界能源問題事關人類社會發(fā)展，越來越成為世界熱點，人們對能源短缺問題更加恐懼，擔心傳統(tǒng)化石能源如煤炭和石油等終究被人類消耗殆盡，于是便從戰(zhàn)略上去思考能源供應來源問題。

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

其實，發(fā)展任何能源，長遠來看其關鍵還在于這種能源的資源條件，當然也要考慮能源技術突破等因素，資源是基礎，技術是關鍵，如果沒有足夠的資源基礎，那么發(fā)展能源就成為無本之木和無源之水。

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

不知有多少人，甚至有不少專家曾經(jīng)說過，“比起加油站，我更怕加氫站的爆炸”，這或許說明氫作為?；?，危險性確實很大，對此我并不十分了解。當然，也有業(yè)內(nèi)專家提出相反的結論，比如有專家說過，“汽油的危險程度遠甚于氫氣，在開放空間里，氫氣的擴散系數(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。當發(fā)生爆炸時，由于氫氣的密度遠低于空氣，爆炸會發(fā)生在氣源上方，而汽油的爆炸發(fā)生在燃料周圍”。

董秀成教授：對于這些爭論或辯論，我一直本著“傾聽”或?qū)W習的態(tài)度，限于自己的專業(yè)所限，只能從邏輯思維的角度認識和分析問題，不能或沒有必要參與激辯之中。“事實勝于雄辯”，只有科學才能說明真相，這是本人堅持的基本立場。

氫能特點顯著

對于氫能源來說，具有如下幾個顯著特點：

密度

按照元素周期表排列，氫元素排在第一位；對于重量來說，氫在在所有元素中最輕；在正常標準狀態(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。當溫度為達到-252.7°C時，氫可以成為液體。若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓時，氫也可以變成固體。

導熱性

對于導熱性來說，氫在所有氣體中導熱性最好，比大多數(shù)氣體的導熱系數(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，達到142，351千焦耳/千克。氫的熱值是汽油發(fā)熱值的3倍，可見其能量效應顯著。

燃燒性

氫的燃燒性能非常好，與空氣混合時，燃燒范圍廣，燃點高，速度快。

環(huán)境性

與其他燃料相比，氫沒有毒，燃燒時最清潔。氫燃燒后，除生成水和少量氨氣外不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的污染物。而氨氣經(jīng)過適當處理后也不會污染生態(tài)和環(huán)境。氫燃燒生成的水，還可以繼續(xù)用來制氫，如此可以循環(huán)反復利用。

利用方式

氫的利用方式比較靈活，可以作為燃料用來燃燒，也可以生產(chǎn)燃料電池，當然也可以轉(zhuǎn)換成固態(tài)作為結構材料。

氫能或許將成為世界未來主流能源之一

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，反對也罷，能否發(fā)展在于大勢，而非人之意志。從氫能的資源潛力來看，由于氫能資源潛力十分巨大，似乎是取之不絕，用之不盡，因此氫能絕對具有未來發(fā)展的先決條件，而且也具有明顯的優(yōu)勢。正是基于氫能資源豐富的良好條件，世界各國科學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)和利用的攻關重點。

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

當然，與其他新能源相比，氫能有著自身獨有的特點和優(yōu)點，其中最大的優(yōu)勢恐怕就是資源的潛力巨大。氫能優(yōu)點，在于儲量豐富、燃燒快、無毒害和發(fā)熱值高等。但是氫能缺點在于制造成本高，而且還不穩(wěn)定。作為一種二次能源，氫能來源廣泛，清潔低碳，應用場景豐富，而且有利于推動傳統(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，更要看未來。近年來，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能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。

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

當今火箭的燃料也大都以液氫為主，科學家已經(jīng)開始研究在超音速飛機和洲際客機上利用氫能作動力的燃料，氫能源汽車已經(jīng)被開發(fā)并投入試運行。

人類需要設想，需要想象，需要展望。我們可以大膽設想，如果氫能源汽車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構必將發(fā)生革命性的變化。一個產(chǎn)業(yè)是否具有前途，關鍵要看產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新趨勢和成本競爭力。盡管目前氫能開發(fā)和利用還要受到成本、經(jīng)濟和技術等條件的約束，但是從長遠趨勢來看，人類智慧無限，創(chuàng)新動力無窮，技術不斷進步，制氫成本必然下降。

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

人類需要面對挑戰(zhàn)，但是更應把握機遇。我們必須相信科學，相信技術在不斷創(chuàng)新，當上述瓶頸問題獲得解決之時，氫能便會迎來春天，最終將成為人類社會的主流能源之一。

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