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    氫能緣何受矚目(科技大觀)

    2021-03-30 09:46歐訓民(清華大學能源環境經濟研究所、清華大學—張家港氫能與先進鋰電技術聯合研究中心副研究員)

    近年來,世界各國正以前所未有的速度推進氫能產業發展。國際氫能委員會與麥肯錫聯合發布的報告顯示,目前已有30多個國家和地區發布了氫能發展路線圖,到2030年,全球在氫能項目上的投資將達到3000億美元。

    氫能是由氫元素在物理與化學變化過程中釋放的能量。氫氣和氧氣可以通過燃燒產生熱能,也可以通過燃料電池轉化成電能。氫氣不僅來源廣泛,還具有導熱良好、清潔無毒和單位質量熱量高等優點,相同質量下所含熱量約是汽油的3倍,是石油化工重要原料和航天火箭動力燃料。隨著應對氣候變化、實現碳中和的呼聲日益高漲,氫能在改變人類能源體系方面被寄予厚望。

    氫能之所以備受青睞,不僅在于其釋放過程中的零碳排放,還在于氫氣可作為儲能載體,彌補可再生能源波動性、間歇性等短板,促進后者的大規模發展。比如,德國政府正在推動的“電力轉化氣體”技術,通過制取氫氣來存儲不能及時利用的風電、太陽能發電等清潔電力,并將氫氣長距離輸運以進一步有效利用。除了氣態,氫氣還能以液態或固態氫化物出現,具有多種儲運方式。作為難得的“耦合劑”型能源,氫能既可實現電力和氫氣之間的靈活轉化,又能搭建“橋梁”實現電、熱、冷乃至固體、氣體、液體燃料的互聯互通,構建更加清潔高效的能源體系。

    形式多樣的氫能有著多元的應用場景。截至2020年底,全球氫燃料電池汽車保有量較上一年度增加38%。氫能的大規模應用正從汽車領域逐步拓展至其他交通、建筑和工業等領域。應用在軌道交通和船舶上,氫能可降低長距離、高負荷交通運輸對傳統油氣燃料的依賴,比如去年初,日本豐田公司開發并交付了首批海洋船舶的氫燃料電池系統。應用于分布式發電,氫能可為家庭住宅、商業建筑供電供暖。氫能還可直接為石化、鋼鐵、冶金等化工行業提供高效原料、還原劑和高品質熱源,有效減少碳排放。

    不過,氫能作為一種二次能源,“得來”并不容易。氫元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中,現有制氫技術大多依賴化石能源,無法避免碳排放。目前,可再生能源制氫技術正在逐步成熟,可以通過可再生能源發電再電解水來制取零碳排放的氫氣??茖W家還在探索太陽能光解水制氫、生物質制氫等新型制氫技術,清華大學核能與新能源技術研究院研發的核能制氫技術預計10年后啟動示范。此外,氫能產業鏈還包括儲運、加注、應用等環節,也都面臨著技術挑戰和成本制約。以儲運為例,氫氣在常溫常壓下密度低、易泄漏,與鋼材長期接觸會使后者發生“氫脆”而破損,儲存和運輸比煤炭、石油、天然氣都要困難得多。

    當下,許多國家圍繞全新氫能各環節的研究正如火如荼地展開,技術難關在加緊攻克。隨著氫能生產和儲運基礎設施規模不斷擴大,氫能成本也有較大下降空間。有研究表明,預計到2030年,氫能產業鏈整體成本將下降一半。我們期待,氫能社會將加速到來。


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