“五颜六色”的氢能家族

2023.09.12 中国矿业报

　　◎ 苗淼

　　氢（H）是地球上最简单的化学元素，每个氢原子仅包含一个质子。其单质形态表现为氢气（Hydrogen）。氢气无色无味，在地球上广为分布，同时极易燃烧，燃烧后释放巨大能量，且只产生纯水。这两大特质赋予了氢能（Hydrogen Fuel）高燃烧热值、可持续性强、储量丰富、零污染的四大优势，使得氢能成为全球能源转型的替代能源之一，日益成为全球能源研究领域的“当红小生”。

　　最“调皮”的天然气体

　　氢是地球上分布最广的元素之一，与液体、气体或固体中的其他元素以化合物形式自然存在于地球上。氢与氧结合形成水（

H₂O），氢与碳结合则形成不同的化合物或碳氢化合物，存在于天然气、煤炭和石油中。氢在常温常压条件下为气体状态，极难液化，在-252.8℃时才能变为液态，-259.2℃时变为雪花状的固态。氢气也是自然界最轻的气体，与同体积的空气相比，氢气的质量仅为空气的1/14。氢一旦脱离地壳，便会成为游离状态，逐渐在大气中上升，并最终向宇宙中挥发，因此，氢气可以称为是最“调皮”的气体。太阳和其他恒星本质上是氢气和氦气构成的巨大球体。在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占81.75%。在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

　　最“清洁”的未来能源

　　氢能是氢的化学能，氢燃烧只产生水，不会产生温室气体和大气污染物，属于零排放清洁能源。氢能的重量能量密度高，但体积能量密度低（图1）。从质量上，氢的能量含量几乎是汽油的3倍：氢气为120 兆焦耳 / 千克，汽油为44 兆焦耳 / 千克。然而，从体积上正好相反：液氢的密度为8 兆焦耳 / 升，而汽油的密度为32兆焦耳 / 升。因此，储氢技术是氢能产业化的重要突破口。

　　图1氢与其他燃料能量密度对比（数据来源：美国能源局）

　　最“缤纷”的利用方式

　　氢能是一种二次能源，因为氢在自然界中只以化合物的形式存在，所以需要通过特定的生产过程才能获取利用。“氢能”虽是新兴能源，但其认识利用的过程已经发展了数个世纪。16世纪是科技萌芽壮大，氢能认识与人类科技史同步成长。自1520年瑞士炼金术士Paracelsus（帕拉赛尔苏斯）首次发现氢的存在，到1783年工程师Jacques Charles（雅克·查尔斯）首次应用氢气，实现了第一次无人氢气球飞行，氢的首次发现到应用相隔了263年。氢能的认识利用伴随着地理大发现和殖民时代从欧洲走向世界，从宗教界发展到科学界并最终在工业界生根发芽。我国后来者居上，虽然起步较晚，却在短短50年间比肩甚至在个别领域赶超发达国家5个世纪的积累。

　　此后，氢能的各类生产方法相继面世，经过近3个世纪的沉淀逐渐稳定至化工制法，包括：①化石燃料制氢（占国内氢气产量的96%左右）；②电解水制氢；③含氢尾气副产氢回收；④高温分解制氢；⑤其他制氢方式。工业界根据氢能的技术路线和碳排放情况对氢能进行命名，一般用颜色来区分，除了最常见的绿氢、蓝氢、灰氢之外，还有粉氢、黄氢、棕氢、白氢等多种氢能。

　　全球氢能发展利用历程（本文作者根据公开资料整理）

　　氢能时代，有谁在行动？

　　目前，全球液氢产能约400 吨/天，其中北美占比达到 85% 以上，且大多为产能10吨-30吨/天以上的大型装置。美国、日本、德国等国家已将液氢的运输成本降低到了高压气态储运的1/8。全球主要发达国家和经济体均将氢能视为能源转型的重要战略选择。美国目前依托长期的氢能研究产出了众多领先技术，并在氢能汽车、化工等领域开展广泛应用；英国通过制定行业政策，努力推动氢能在重载装备、石油化工、能源电力等领域的应用，力争在未来由氢能提供国家1/3的能源供给；日本长期重视氢能发展，计划通过高效燃料电池等系列技术于2040年左右实现无碳的氢气生产，同时累积氢能发展商业模式，迭代氢能高效利用技术，助推氢能发展。

　　我国氢能起步较晚，“十三五”之后才正式将氢能纳入发展规划。我国虽然是全球最大的制氢国，但主要以生产灰氢为主，氢能产业仍处于发展初期，氢能相关技术还不够成熟，关键技术瓶颈、产业发展模式均需深入研究和探索。限于储氢技术，相较于国外70%左右的液氢运输，我国液氢应用还仅限于航天领域。

　　随着科技进步，氢气在能源结构中发挥的作用将更加重要，对加快发展氢能源、优化能源结构、保护环境和经济可持续发展具有关键意义。但当前的主流制氢方式均存在成本高、易于形成能源二次消耗和污染的问题。因此，加强地质体中氢气资源的理论与相关技术研究迫在眉睫，特别是加强对地质体中氢气来源、运移通道、聚集和保存的规律研究，预测高含量氢气的分布区域，从而降低氢气勘探风险，为氢能可持续、低成本发展提供理论和技术支撑。

　　（作者单位：中国地质调查局油气资源调查中心）