國內(nèi)首座兆瓦級氫能綜合利用示范站投運(yùn)。圖片來自新華社

●前不久，第十四屆中國國際航空航天博覽會上，兆瓦級氫燃料渦軸發(fā)動機(jī)引發(fā)圍觀熱議

●來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛，氫能被認(rèn)為是可再生能源規(guī)模化高效利用的重要載體

●“綠氫”技術(shù)是氫能開發(fā)利用的關(guān)鍵，一場以減碳脫碳為標(biāo)志的能源革命正在加速演進(jìn)

“氫”風(fēng)正起

火車車輪碾過鐵軌，列車與空氣摩擦發(fā)出的聲音越來越近。在德國，連接庫克斯港、不來梅港、布雷默弗德和布克斯特胡德的鐵路上，一班蜿蜒前行的藍(lán)色氫能列車正在向世界駛來。

今年8月，德國首條運(yùn)行氫能列車的鐵路線路正式啟用。列車使用純氫氣作為燃料，從環(huán)境空氣中收集氧氣，再利用燃料電池將這兩種氣體轉(zhuǎn)化為電能，行駛時(shí)只產(chǎn)生蒸汽和冷凝水，且噪音很低。

據(jù)線路設(shè)計(jì)公司介紹，這種列車的續(xù)航能力為1000公里，最高時(shí)速可達(dá)140公里，1公斤氫氣能替代約4.5升的柴油，能明顯減少對環(huán)境的影響。“零排放交通是可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)之一，這種氫能列車體現(xiàn)了綠色交通與先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合。”該公司首席執(zhí)行官表示。

如今，在全球向低碳、綠色轉(zhuǎn)型的大背景下，世界各國都在進(jìn)行積極探索，利用氫燃料實(shí)現(xiàn)“零排放、無污染”。許多國家紛紛將氫能源納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動氫能發(fā)展。

今年3月，我國《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》發(fā)布。根據(jù)規(guī)劃，到2025年，我國將初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系；到2030年，我國將形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系；到2035年，我國形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。

2020年7月，歐盟提出氫能戰(zhàn)略，并宣布建立清潔氫能聯(lián)盟。目前，已有15個(gè)歐盟國家將氫能納入其經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃。2022年5月，歐洲能源供應(yīng)調(diào)整計(jì)劃公布，目標(biāo)是到2030年在歐盟生產(chǎn)1000萬噸可再生氫，并進(jìn)口1000萬噸可再生氫。歐盟還創(chuàng)建了“歐洲氫能銀行”，加大對氫能市場的投資力度。

巴西首個(gè)綠氫工廠已經(jīng)在巴西東北部巴伊亞州卡馬薩里市奠基。工廠預(yù)計(jì)2023年底投產(chǎn)，每年能夠生產(chǎn)1萬噸綠氫和6萬噸綠氨。這個(gè)項(xiàng)目被視為應(yīng)對世界氣候變化的有益解決方案。

如今，“氫”風(fēng)正起，漸成方興未艾之勢。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進(jìn)，氫能逐漸成為全球新的戰(zhàn)略競爭焦點(diǎn)、各國培育新興產(chǎn)業(yè)的重要方向、推動能源生產(chǎn)消費(fèi)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手。

珠海航展上的氫燃料渦軸發(fā)動機(jī)。資料圖片

讀懂氫能源

提起“氫”，很多人都不陌生。我們初中學(xué)習(xí)化學(xué)元素周期表時(shí)，排在第一位的元素就是“氫”。作為原子質(zhì)量最輕的元素，“氫”卻是宇宙中含量最多的元素。據(jù)保守估計(jì)，它占據(jù)了目前可知宇宙質(zhì)量的75%。

16世紀(jì)，瑞士一名醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，把鐵屑放進(jìn)硫酸里，會產(chǎn)生氣泡，這些氣泡會像旋風(fēng)一樣升起。在此基礎(chǔ)上，1766年，英國化學(xué)家亨利·卡文迪許用鐵、鋅與酸制得一種“可燃空氣”，并用排水集氣法將其收集起來。1787年，法國化學(xué)家拉瓦錫將這種“可燃空氣”命名為“氫”。至此，這個(gè)在宇宙大爆炸時(shí)就出現(xiàn)的古老元素，終于正式走進(jìn)了人們的視野。

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氫氣在空氣中極易燃燒，且產(chǎn)生的熱值非常高，約為汽油的3倍、焦炭的4.5倍。與其他燃料相比，氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、粉塵等污染物，是一種近乎完美的能源燃料。

燃燒氫獲得能量，是人類利用氫最直接的方式。

還記得今年2月4日開幕的北京冬奧會嗎？由1200名火炬手傳遞、象征著光明與溫暖的冬奧會火炬，就是采用純氫作為燃料。這樣的奧運(yùn)會火炬，實(shí)現(xiàn)了零碳排放，真正體現(xiàn)了北京冬奧會綠色、低碳、可持續(xù)的原則。

如果將氫氣降溫、再降溫，就會得到一種無色、無味的高能低溫液體燃料，也就是我們通常所說的液氫。如今，液氫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。由液氫和液氧組成的雙組元推進(jìn)劑能量極高，加注到運(yùn)載火箭中，便可輕輕松松將衛(wèi)星等飛行器送入太空。

雖然人類對于氫能的研究已有幾百年的歷史。然而，真正把氫作為能源載體和新的能源系統(tǒng)來研究，還是在20世紀(jì)70年代。那時(shí)候，中東戰(zhàn)爭引發(fā)石油危機(jī)，油價(jià)暴漲，進(jìn)而推動了許多國家和地區(qū)開展氫能研究。21世紀(jì)初，作為氫能利用重要工具的燃料電池飛速發(fā)展，在航天航空、發(fā)電以及交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨后氫能產(chǎn)業(yè)又一度陷入低谷。直至近幾年，隨著全球向低碳、綠色轉(zhuǎn)型，以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，對氫能的研究利用又迎來了一個(gè)令人振奮的發(fā)展“風(fēng)口”。

液氫加氫站。資料圖片

按下減碳脫碳“加速鍵”

為搶占發(fā)展先機(jī)，目前世界各國都在積極探索利用氫燃料來實(shí)現(xiàn)“零排放、無污染”。然而，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然面臨挑戰(zhàn)。

作為二次能源，氫能源不同于煤、石油、天然氣等一次能源可以直接開采獲得，而是通過一定的方法利用其他能源制取。目前主要有天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、甲醇制氫等方式。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游為制氫。按照制取方式和碳排放量的不同，氫能分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫三種。

灰氫是指通過化石燃料燃燒制取氫氣。這種方式成本較低、技術(shù)成熟，是目前最為常見的制氫方式。然而，這種方式在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳排放，并不符合低碳的需要。藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳捕捉和封存技術(shù)將碳保留下來。這種方式只是一種過渡性的技術(shù)手段。通過太陽能、風(fēng)能、核能等可再生能源電解水制取出來的氫，被稱為綠氫。這種方式在制氫過程中基本不會產(chǎn)生溫室氣體，是最理想的手段。

然而，從生產(chǎn)、到運(yùn)輸，再到貯藏，過高的成本是清潔綠氫難以大規(guī)模發(fā)展的主要因素。

電解水制氫技術(shù)主要有堿性電解水、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水和固體氧化物電解水三類。其中，堿性電解水制氫是目前商用電解領(lǐng)域的主流技術(shù)。“綠氫”的價(jià)格主要與可再生電力成本相關(guān)。國際能源署、國際氫能委員會等機(jī)構(gòu)的研究表明，當(dāng)前的可再生能源制氫成本高達(dá)3～7.5美元/千克。

制約“綠氫”發(fā)展的另一個(gè)主要障礙是氫的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。目前，液態(tài)儲氫技術(shù)和金屬氫化物儲氫技術(shù)等取得了較大進(jìn)步，但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關(guān)系尚未完全解決，離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。

目前，世界各國都在積極推動相關(guān)技術(shù)革新。預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)，電解水制氫成本將大幅度降低，推動滲透率會顯著提升。

在氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游，氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命。

北京冬奧會，氫能源汽車華麗亮相、備受矚目；北京延慶街頭，氫燃料電池公交車正式“上崗”，投入日常運(yùn)營，穿梭在城市干道上……

由于氫燃料電池自身的技術(shù)獨(dú)立性，氫燃料電池不僅可以用于汽車，還可用于航空動力、潛艇、軍艦、單兵裝備、通信設(shè)備等。近日，空客公司透露，他們正在研發(fā)一種氫燃料電池發(fā)動機(jī)，計(jì)劃在其A380MSN1原型機(jī)上測試，并于2035年投入使用。

此次中國國際航空航天博覽會上展出的兆瓦級氫燃料渦軸發(fā)動機(jī)，是中國航發(fā)集團(tuán)根據(jù)國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃研發(fā)的100%燃?xì)浒l(fā)動機(jī)。后續(xù)通過系列化發(fā)展，它可支撐未來支線客機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“零排放、無污染”的氫能航空、綠色航空的愿景。

有專家認(rèn)為，隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，氫燃料發(fā)動機(jī)與氫燃料電池組合的混合動力將是未來氫燃料利用的主要發(fā)展方向。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場紅利和技術(shù)紅利的不斷釋放，低碳?xì)淠軙r(shí)代正在向我們走來。