氫能拯救氣候的潛力燃料、製氫儲氫形成有 - 工程師

氫能拯救氣候的潛力燃料、製氫儲氫形成有效率能源循環閉環

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氫能(hydrogen) 是一種豐富的資源，在應對氣候變化被譽為對環境友善的燃料，可以幫
助世界上污染最嚴重的石化行業大幅減少碳排放。目前，許多國家及企業越來越看中氫能
未來發展價值，希望能將氫真正成為綠色能源。

氫能有很多優勢，就是質量能量密度非常大，是鋰離子電池的幾百倍，一噸鋰離子電池的
汽車可以跑幾百公里，但同等能量密度下僅需幾公斤氫氣就足夠了。還有，氫的產物只有
水，沒有二氧化碳，是一個零排放的能源媒介。例如，用於太空船的燃料及未來運輸業的
動力來源。歐洲公司空中客車公司（Airbus）表示，希望在2035年之前推出世界上第一架
氫動力商用飛機。同時，許多大型汽車製造商已經使用氫燃料電池於汽車製造。德國和義
大利的運輸政策正在製訂氫動力火車計劃。氫被認為是化石燃料的特別有前途的替代品。
像德國的Thyssenkrupp鋼鐵製造商正在試驗製造氫動力爐。

根據國際能源署（International Energy Agency）的數據，2017年全球氫氣生產量排放
了8.3億噸二氧化碳，相當於印尼和英國的總排放量。

如何製氫

長期以來，科學家一直以電解過程從水中產生氫，也就是藉由電流通過水，將其分解為氫
和氧。但是，這個過程仍需要使用到電力，以目前燃燒煤炭和天然氣來發電。

基於水中含有豐富的氫，氫和水之間的相互轉化可實現一個能源循環的閉環。目前，三種
產生氫能之來源：
第一個是綠色氫利用來自可再生能源驅動的水進行電解。這樣可以減少碳排放，但成本仍
然很高。

第二種是從天然氣中獲得所謂的藍色氫氣，並在此過程中使用捕獲二氧化碳技術。埃克森
美孚（ExxonMobil）和埃尼（ENI）等公司，都採用這種技術來產生氫能，但是，對二氧
化碳封存過程仍然不確定且成本高昂。

第三種是從核電產生的低碳氫進行電解。中國是這種方法的主要支持者，然而核能在世界
其他地方均不受歡迎。

產生氫能的選擇路徑，完全由成本價格和資源決定的，例如日本缺乏石油資源，會更傾向
用電解水製氫；中國有豐富煤更願意用煤製氫。目前為止，全世界只有4% 的氫來自於電
解水製氫，更多的是來自於化石能源製氫。

關於電解水製氫，就是陰極產氫和陽極產氧，兩個電極把水分裂成氫氣和氧氣的過程。電
解水製氫最大的優勢在於，如果電來自於可再生能源，電解水製氫就是一個零排放技術。
但是目前電解水製氫主要的一個制約因素是高電耗帶來的高成本。電解水的理論電壓是
1.23 伏，電耗是2.943 度電/立方氫。但，復旦大學研究員龔鳴認為，電解水製氫可通過
精準的材料設計，可比現在工業上用的催化劑降低大概20% 的能耗。

電解水製氫主要可以分為四大類技術：鹼槽電解、質子交換膜（PEM）電解、陰離子交換
膜（AEM）電解以及高溫固體氧化物電解，其中前三類主要針對可再生能源。鹼槽電解技
術相對比較成熟，適合大規模製氫，但產速較低、電耗較大。針對這兩個劣勢，質子交換
膜技術可以替換鹼性電解質實現純水的電解，產速較高、電耗較低，但對應的成本較高。
陰離子交換膜技術可以潛在結合兩者的優勢，但仍局限於陰離子膜的開發。而高溫氧化物
電解技術可以針對核能廢熱廢電實現高產速的氫氣製備，但是相關技術仍在開發當中。

然而，在製氫過程更需要考慮一下氧管理，例如是否能有一種天然的資源可以捕獲氧，形
成高附加值的產物？這樣就可以在產氫的同時，將水中的氧轉移到更有價值的地方去，從
而進一步降低制氫的成本。

在整個氫能產業鏈，主要分為四個環節：製氫、儲氫、運氫、用氫，每個環節的能量效率
以及是否形成閉環，是決定氫能經濟以及氫能效率的關鍵要素。

雖然氫能有很多優勢，但是氫能可能存在一些潛在問題，就是安全性及儲存議題。從氫氣
的性質來說，氫氣是密度極低的還原性物質。密度極低就代表會持續往上升，並會最終逃
出地球。而氫還原性性質導致會和大氣中很多的化學物質進行反應，例如氫會和大氣中的
氧物種進行反應，形成大量的水分，這些水分會平流層的底部進行累積，使局部的溫度降
低，過量的氫排放會造成臭氧層空洞惡化，不利於臭氧的形成，導致臭氧層空洞修復的整
個過程變得異常緩慢。

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如何儲氫

儲氫是保證氫能安全以及可持續性的重要環節，主要分為物理儲氫和化學儲氫。

物理儲氫是通過物理隔離的方式將氫氣儲存的一種方式，效率比較高，但是實現長時間儲
存會面臨一定的洩露風險，無法完成可持續性的目標。

化學儲氫，則通過化學反應將氫轉化成含氫的物質進行儲存，安全性比較高，但對應整個
能源循環的效率就有所下降，因為整個過程需要額外的能量。

復旦大學研究員龔鳴認為，提高儲氫可持續性的一種方式是不局限於儲氫材料的尋找，而
更多地提高過程效率。比如，傳統方式是通過先製氫再儲氫的方式，整個過程步驟較多，
導致過程效率疊加時的總效能下降。把製氫和儲氫結合起來，不直接產生氫氣，而是直接
產生含氫的物質，將這些物質進行儲存，需要的時候再通過化學反應把氫氣釋放出來，這
樣可以大大減少整個過程所需要的步驟，提高整個儲氫用氫過程的效率。

目前，物理儲氫是現在主流的技術，但未來大家可能更多地佈局化學儲氫。各個國家對此
提出了不同的戰略，美國能源局已提出目標，去尋找一些兼顧高儲氫密度和儲氫能效的材
料，尤其是固態儲氫。但目前，儲氫密度比較高的材料儲氫能效比較低，儲氫能效比較高
的材料儲氫密度比較低，這個兩難的困境需要持續的研發。日本則提出液態有機物的儲氫
技術，可通過液態甲苯和液態甲基環己烷之間的相互轉化，實現氫氣的安全存儲以及運輸
，但同樣受限於其循環能效。

各國政府正鼓勵發展氫能政策

制定氫戰略和基礎設施是朝著零碳氫的積極一步，目前，各國政府正鼓勵發展清潔氫氣的
政策。但並非所有策略都只專注於綠色氫，有些包括將煤炭、天然氣和核能轉化成氫。

歐盟希望到2050年氫在其能源結構比率達12％至14％，而目前僅佔2％。歐盟估計所需資
金在1800億歐元（2180億美元）至4700億美元之間。在過去的一年中，荷蘭、葡萄牙、德
國和法國都發布了氫能策略。德國已撥出90億歐元用於綠色氫氣。荷蘭正計劃建立“氫谷
”。

美國國家能源局在2016 年提出了規模化氫能經濟戰略（H2@Scale），在電能的基礎上發
展氫能網絡，以期電能和氫能深度融合相互支撐，提高可再生能源的利用率以及電力在整
個能源系統中的比重。中國已經是氫技術的世界領導者，澳大利亞，日本，韓國也推動氫
革命。

雖然，因政府大量補貼及技術進步，使得太陽能和風能的價格下降、以及氫的使用不斷增
加可能會使其生產成本在2050年之前大幅下降。專家估計，屆時它的生產價格將在0.80美
元（0.66歐元）至1.6美元/千克之間，與天然氣相當。同時，認為只有在正確選擇使用氫
的情況下，氫成為更廣泛的全球能源政策的一部分，氫才能為對抗氣候變化做出真正的貢
獻。

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