肖溪树

雖然氢能目前没有得到大规模应用，但它一直被认为是21世纪最理想的清洁能源，氢燃料火炬和氢燃料电池车护航2022年北京冬奥会，开启了我国氢能利用的新篇章。未来，“绿色之氢”将为我国实现“双碳”目标做出重要的贡献。

点燃汽车绿色革命

近期国际油价的频繁波动，让人想起曾服务2022年北京冬奥会的氢燃料电池汽车。与天然气、汽油相比，氢气的安全性更高，这主要是因为氢是最轻的化学元素，具有较大的浮力和扩散性，即便发生泄漏，氢气也会快速上升、扩散，不易形成可爆炸的气雾。

氢能利用的一个重要环节就是燃料电池。燃料电池虽然也叫电池，但它并不能储存电能。那么，氢燃料电池是如何为汽车供能的呢？

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化效率。燃料电池更像一个发电装置，其基本结构包括阳极、阴极、电解质和外电路等。以氢燃料电池为例：阳极为氢电极，阴极为氧电极；两电极之间为电解质，可以为离子提供通道；阳极和阴极上还要含有电催化剂（如铂），以加速其电化学反应。

氢燃料电池发电所需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、控制器等装置为电动机供电，再经过传动系统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，可以摆脱卡诺循环的限制，在能量转化效率方面具有优势。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，故而成为点燃汽车绿色革命的环保技术之一。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。

氢燃料电池的原理很简单，但是真正实现商业化却面临诸多挑战。目前，氢燃料电池正处于大规模商业化的初期，相比于锂电池车和燃油车，氢燃料电池车的商业化应用门槛较高，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施。2022年北京冬奥会期间，1000多辆氢燃料电池车和30多个加氢站构成的氢能源汽车示范体系，为氢燃料电池车的示范应用提供了一个世界级的大舞台。2025年，全国将建成1000多座加氢站，推广氢燃料电池车超过5.4万辆。氢燃料电池车的“低碳”价值将在未来汽车创新革命中得以充分体现，并成为“氢能时代”的先头兵。

低碳冶金的新契机

在冶金行业，碳具有“点铁成钢”的魔力。不含碳的铁，强度和硬度都很低；含碳量为0.03%～2%的铁碳合金被称为钢，具有相当高的强度和硬度。

古人很早就知道用煤炭来冶铁，早期从矿石中炼出的铁通常被称为“块炼铁”，这是在高温条件下用木炭还原铁矿石得到的一种含有大量非金属夹杂的海绵状的固体铁块。到了宋代，用煤炭来冶铁已相当普及。

18世纪后，人类开始用焦炭作还原剂冶铁，并为现代高炉的大型化奠定了基础，这是冶金史上的一个重要里程碑。现在，焦炭主要用于高炉炼铁和铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风炉冶炼，其主要作用为还原剂和发热剂。

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”。在低碳大潮的冲击下，钢铁行业减碳被列入议程。然而，钢铁行业要实现“碳中和”谈何容易！要让钢铁行业在未来三四十年的时间里降低90%的碳排放，仅靠工艺上的修修补补是很难奏效的。

氢能的崛起为钢铁行业的碳减排带来了希望。十多年来，世界上的许多国家，如瑞典、德国、日本、韩国等相继进行了“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。

那么，为什么钢铁冶炼要“以氢代碳”呢？传统的钢铁行业是基于“碳冶金”模式发展起来的，其基本原理是用碳作为还原剂，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%，因此是钢铁行业深度减碳的“牛鼻子”。

“以氢代碳”的冶金技术路线就是基于这样的背景提出来的。如果“以氢代碳”，那么还原剂就是氢气而不是碳，在把铁矿石转化为铁的同时，排出的是水而不是二氧化碳。由此看来，“以氢代碳”无疑是减碳的治本之策。

当然，氢气的生产成本以及来源是否环保，将直接影响低碳冶金的市场竞争力和减排效果。据悉，中国宝武钢铁集团有限公司与中国核工业集团有限公司、清华大学合作打造的核氢冶金产业联盟，已经以“核能制氢”作为突破口来实现钢铁行业的绿色制造。目前正在推进的示范工程还包括：以富氢碳循环高炉工艺为核心的低碳高炉技术，以氢基竖炉直接还原的氢冶金工艺，以及冶金尾气二氧化碳的捕集和资源化利用等。

能源体系中的新秀

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。氢气的燃烧热值大约为120兆焦耳每千克，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。

氢气同时又是一种很好的能量载体，在未来的能源体系中将占有一席之地。国家有关部门把“氢储能”纳入到新型储能系统，就是反映这种趋势的一个明确信号。那么，氢储能具有哪些优势呢？

从存储方式来看，氢气可以通过气相、液相和固相的形式进行存储。从存储规模来看，氢储能可以为电力系统提供一种大规模、高密度存储能量的新途径，具有明显的优势。氢储能的存储时间可长可短，应用范围不受限制，能量变现十分方便，能量转换效率较高，移动起来也非常方便。

将氢储能置于现代能源体系之中具有重要的战略意义。电力系统关乎国家能源安全，但同时又是一个最大的碳排放源，大约占到我国碳排放总量的40%。电力系统的低碳转型离不开新型储能技术的进步，而氢储能就是其中的一个新秀。

氢储能在现代能源体系中的地位，可以通过“电—氢—电”的转化模式来实现。与此相对应，氢储能系统主要包括制氢系统、储氢系统、氢发电系统三大部分。

制氢系统 在“双碳”目标的推动下，以风能、太阳能等为代表的可再生能源的开发利用已经步入快车道。然而，这些可再生能源的不稳定性又对现代能源系统提出了挑战。制氢系统可以消纳用电低谷时的弃风弃光电能，通过电解水来制取氢气，从而把富余的可再生能源转化为氢能。

储氢系统 “氢储能”的关键环节，其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。氢气的密度很小，在常压下，-253℃以下的氢气才能液化，因此对液氢储罐的技术要求很高。氢的原子半径非常小，在高温高压条件下，氢气甚至可以穿过很厚的钢板。氢气的稳定性较差，较易发生泄露。氢气的这些物理化学性质都对氢气的储运技术提出了严峻的挑战。

目前，氢气储运主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢以及有机液体储氢等方式。其中，应用较多的为高压气态储氢，低温液态储氢主要应用于航天等领域，至于有机液体储氢和固态储氢则仍处于示范阶段。

氢发电系统 主要解决“氢储能”回馈电力系统的问题。即在用电高峰或电力出现缺口时，通过燃料电池或其他方式把储存的氢气转换为电能并输送到电网。通过“电—氢—电”的转化模式，一方面解决了可再生能源的消纳问题，另一方面又达到了“削峰填谷”的目的，同时可以作为备用电源参与热电联供或者应用于其他工业生产和交通运输业等领域。

今年7月，我国首个兆瓦级氢能发电站首台机组落户安徽六安。该发电站由1兆瓦质子交换膜电解水制氢装置、200千克储氢装置和1兆瓦质子交换膜燃料电池发电装置组成。该电站成功实现并网发电，充分验证了制氢、储氢和氢发电的完整链条的可行性。

绿氢让“碳中和”落地

氢作为化学元素周期表的一号元素，其质量大约占到宇宙質量的75%，是宇宙中分布最为广泛的元素。然而，地球上的氢元素主要以化合态形式存在，因此“氢能时代”呼唤绿氢制造技术的突破。

氢气可分为灰氢、蓝氢、绿氢。通过化石燃料燃烧产生的氢气为灰氢，将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的氢气为蓝氢，通过使用可再生能源（如太阳能、风能、核能等）制造的氢气为绿氢。

尽管氢能属于清洁能源，但毕竟氢能为二次能源，因此氢气的制取是否“绿色”，也决定着氢能是否真的做到了“绿色”。按照原料来源来分，绿氢的制作可分为化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢和电解水制氢等。

按照中国氢能联盟发布的《低碳氢、清洁氢与可再生能源氢的标准与评价》（2020年12月29日），低碳氢是指在生产过程中，每千克氢气所产生的温室气体（二氧化碳）排放值低于14.51千克；清洁氢是指在生产过程中，每千克氢气所产生的温室气体（二氧化碳）排放值低于4.90千克；可再生氢是指在生产过程中，每千克氢气所产生的温室气体（二氧化碳）排放值低于4.90千克，并且生产氢气所消耗的能源为可再生能源。

通常，低碳氢与蓝氢相当，清洁氢和可再生氢与绿氢相当。蓝氢可以减少碳排放，但不能完全消除碳排放。崇尚“绿氢”，就是要提高制氢途径的清洁度，最大限度地减少生产过程中的碳排放量。

氢能作为我国的一种战略性能源，在短期内可优先选用工业副产氢，中期可采用化石能源辅以碳捕捉技术制氢，长期可采用可再生能源电解水制氢。近乎零碳排放的绿氢代表了氢能的发展方向。集无碳能源和工业原料于一身的绿氢，将会为未来社会带来一股清洁之风。我们期待“氢能时代”的早日到来！