科普 | 氢能：让人类充满遐想的能量

氢与水，结下不解之缘。制氢关键，在于技术，难在成本。氢能发展，虽争议不断，但需砥砺前行。面向未来，氢能地位，举足轻重，成为热点，举世关注，持续发展。

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何谓氢能？

氢，位于元素周期表之首，原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。不过，氢在地球上主要以化合态的形式出现，其中最主要的存在形式就是水，是宇宙中分布最广泛的物质，构成了宇宙质量的75%。根据科学论断，氢的燃烧热值很高，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃烧后的产物是水，因此十分清洁。氢能进入我们人类的视野，其实由来已久，不过直到21世纪，尤其是最近几年，这种能源开始在世界能源舞台上变得举足轻重，成为能源领域的“炙热点”，于是氢的制取、储存、运输和应用等技术突然成为举世关注的焦点之一。董秀成教授：尽管上述疑惑在我心中依然盘旋，但我似乎也在逐渐改变，至少在思维上已经有所改变，比如如果人类能够利用水来电解氢，并且所用电解的电力来自于清洁能源，并且成本不断下降，那么这类氢能或许就符合基本逻辑。如果氢在自然界以独立矿藏的形态存在，那么氢便是一次能源，可惜这种存在形态的氢实在是微乎其微，人类只能从其他物质中来制取氢，比如电解水、煤炭制氢和天然气制氢等，因此氢能在本质上属于二次能源。作为一个长期研究能源经济的学者，曾几何时，我对氢能发展并不看好，其中最核心的理由是这种能源属于二次能源，在一次能源转化过程中或在制氢过程中必然消耗大量的能源，而且还必然存在环境污染和二氧化碳排放的问题，并且成本很高，或许在能源开发和利用方面有可能“得不偿失”。氢能主体上属于二次能源，关键在于其逻辑性、技术性和经济性是否有生态平衡、环境治理和应对气候变化的意义和价值。二次能源属于联系一次能源与能源用户之间的中间纽带，可以划分为两大类：一是“过程性能源”，二是“含能体能源”。无容置疑，电能是目前人类应用最广的“过程性能源”，而汽油、柴油和煤油等油品则是目前人类应用最广的“含能体能源”。从现实逻辑上看，由于“过程性能源”很难大量地被直接贮存，因此汽车、轮船和飞机等机动性强的现代交通运输工具就无法大量使用从发电厂输送出来的电能，只能大量地使用汽油、柴油、航空煤油和液化天然气等“含能体能源”。然而，传统未必一定持久，传统也未必永远符合逻辑，随着电动汽车、混合动力汽车的兴起和发展，“过程性能源”也可以替代“含能体能源”。根据逻辑推理，随着化石能源不断消耗，资源终究会枯竭，新的“含能体能源”也必然出现，其中氢能源便是其中的主要代表。氢在自然界储存十分丰富，据估计氢元素构成了宇宙质量的75％，它广泛存在于空气中，另外在水、矿物燃料和各类碳水化合物之中普遍存在。除了核燃料热值最高值外，氢的发热值最高，其燃烧产生的热值要远远高于所有化石燃料、化工燃料和生物燃料等。氢的燃烧性能良好，燃点高，可燃范围广泛，而且燃烧速度快，从热值和燃烧角度看，氢绝对就是一种优质和高效的能源。另外，氢气本身无毒，燃烧后除了生成水和少量氮化氢之外，不会产生对生态和环境有害的污染物，而且没有二氧化碳排放，因此氢能属于清洁能源，对于生态环境治理和减少二氧化碳排放均具有重大意义。

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制氢方式与发展难点

如果人类利用化石能源制取氢，那么在制取过程中必然存在环境污染和二氧化碳排放，那么这类氢能或许便不太符合基本逻辑。

因此，根据制氢的方式，可以将其划分为三种：绿氢、灰氢和蓝氢。

1.绿氢是指通过可再生能源（如风电、水电、太阳能）制氢，也就是通过可再生发电，然后利用点解水来制氢，在制氢过程完全没有碳排放。

2.灰氢是指利用化石能源（煤炭、石油、天然气）制氢，也就是从化石能源中提取氢，在制氢过程中必然存在环境污染和二氧化碳排放。

3.蓝氢是指使用石化能源（煤炭、石油、天然气）制氢，其实与灰氢制取过程一致，区别在于在制氢过程中利用碳捕集和碳封存(CCS)技术，不让二氧化碳排放到空气中。

因此，从逻辑上看，绿氢和蓝氢具有一定的合理性，但成本可能很高，经济性可能比较差，而灰氢的成本可能较低，经济性较好，不过合理性比较差。然而，氢能之所以还没有被我们人类广泛地利用，主要是因为氢能在利用成本和技术方面，还面临着许多难点：

1.氢能制取成本高，如果从水中直接提取氢，那么需要用电解水技术，成本太高，在经济上不具备竞争性；

2.氢气储存和运输，需要适合的压力和温度，因此对装备和设备要求很高，存在技术和安全障碍等，需要技术不断突破；

3.氢能利用需要标准极高的配套基础设施，建设和运营这些技术设施都需要大量的资金投入，进而大大提高氢能利用的成本。

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氢能发展存在争议

目前，世界能源问题事关人类社会发展，越来越成为世界热点，人们对能源短缺问题更加恐惧，担心传统化石能源如煤炭和石油等终究被人类消耗殆尽，于是便从战略上去思考能源供应来源问题。在此背景下，全世界范围内掀起新能源热潮，试图摆脱对传统化石能源的过度依赖，人们开始更加重视核能、氢能、太阳能和风能等新能源，但是到底哪种新能源能成为未来世界主流能源，还一直存在较大争议和讨论。其实，发展任何能源，长远来看其关键还在于这种能源的资源条件，当然也要考虑能源技术突破等因素，资源是基础，技术是关键，如果没有足够的资源基础，那么发展能源就成为无本之木和无源之水。目前，世界对氢能的研究已经走过了最初的“认知”阶段，从对氢能产业发展的不断摸索和探寻，到如今在某些国家或区域一连串的布局落地和基地建设，再次让人类燃起了对未来能源发展的遐想。不知有多少人，甚至有不少专家曾经说过，“比起加油站，我更怕加氢站的爆炸”，这或许说明氢作为危化品，危险性确实很大，对此我并不十分了解。当然，也有业内专家提出相反的结论，比如有专家说过，“汽油的危险程度远甚于氢气，在开放空间里，氢气的扩散系数是汽油的12倍，而汽油的爆炸能量是相同体积氢气的22倍。当发生爆炸时，由于氢气的密度远低于空气，爆炸会发生在气源上方，而汽油的爆炸发生在燃料周围”。董秀成教授：对于这些争论或辩论，我一直本着“倾听”或学习的态度，限于自己的专业所限，只能从逻辑思维的角度认识和分析问题，不能或没有必要参与激辩之中。“事实胜于雄辩”，只有科学才能说明真相，这是本人坚持的基本立场。

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氢能特点显著

对于氢能源来说，具有如下几个显著特点：

01、密度

按照元素周期表排列，氢元素排在第一位；对于重量来说，氢在在所有元素中最轻；在正常标准状态下，氢的密度为0.0899克/升。

02、形态

氢的存在形态比较灵活，可以是气态或液态，也可可以以固态的氢化物存在。由于氢形态灵活，因此便于贮运方式和使用环境的各种需要。在一般常态下，氢以气态存在。当温度为达到-252.7°C时，氢可以成为液体。若将压力增大到数百个大气压时，氢也可以变成固体。

03、导热性

对于导热性来说，氢在所有气体中导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，是很好的传热载体。

04、分布

在自然界，氢是最普遍的元素。氢除了在空气中存在外，主要以化合物形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质，因此氢资源十分丰富。

05、发热值

除了核燃料外，氢的发热值最高，达到142，351千焦耳/千克。氢的热值是汽油发热值的3倍，可见其能量效应显著。

06、燃烧性

氢的燃烧性能非常好，与空气混合时，燃烧范围广，燃点高，速度快。

07、环境性

与其他燃料相比，氢没有毒，燃烧时最清洁。氢燃烧后，除生成水和少量氨气外不会产生对环境有害的污染物。而氨气经过适当处理后也不会污染生态和环境。氢燃烧生成的水，还可以继续用来制氢，如此可以循环反复利用。

08、利用方式

氢的利用方式比较灵活，可以作为燃料用来燃烧，也可以生产燃料电池，当然也可以转换成固态作为结构材料。

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氢能或许将成为世界未来主流能源之一

任何事物，其发展都不以人的意志为转移。氢能发展，不管你支持也好，反对也罢，能否发展在于大势，而非人之意志。

从氢能的资源潜力来看，由于氢能资源潜力十分巨大，似乎是取之不绝，用之不尽，因此氢能绝对具有未来发展的先决条件，而且也具有明显的优势。正是基于氢能资源丰富的良好条件，世界各国科学家都十分重视氢能科技研发，并且将氢能作为能源研发和利用的攻关重点。目前，氢能被人类给与厚望，备受各国政府和能源企业的青睐，或许可以在未来人类社会能源发展和转型过程中带来巨大的空间。各类能源都有其内在特点，这是基本常识，人们似乎很难找到某种能源可以替代所有其他能源，这更是人类历史早已证明了客观规律。当然，与其他新能源相比，氢能有着自身独有的特点和优点，其中最大的优势恐怕就是资源的潜力巨大。氢能优点，在于储量丰富、燃烧快、无毒害和发热值高等。但是氢能缺点在于制造成本高，而且还不稳定。作为一种二次能源，氢能来源广泛，清洁低碳，应用场景丰富，而且有利于推动传统化石能源的清洁高效利用，可以支撑可再生能源的大规模发展。我们看待事物，既要看现实，更要看未来。近年来，全球能源转型正在加快，氢能及氢燃料电池产业发展迅速，并逐步成为全球能源科技革命和未来能源转型发展的重要方向。

从历史发展来看，在二战期间，人们便开始研发氢能技术，并且不断取得实际研究的效果而逐渐得到实际利用，比如氢能已经被用作V-2火箭的液体推进剂。当今火箭的燃料也大都以液氢为主，科学家已经开始研究在超音速飞机和洲际客机上利用氢能作动力的燃料，氢能源汽车已经被开发并投入试运行。人类需要设想，需要想象，需要展望。我们可以大胆设想，如果氢能源汽车一旦在全世界范围内得到大规模的普及和利用，那么全球能源格局和能源结构必将发生革命性的变化。一个产业是否具有前途，关键要看产业技术创新趋势和成本竞争力。尽管目前氢能开发和利用还要受到成本、经济和技术等条件的约束，但是从长远趋势来看，人类智慧无限，创新动力无穷，技术不断进步，制氢成本必然下降。最近几年来，由于技术进步和各国政府政策支持，氢能产业逐步成为全球能源领域的重要发展方向，这将有助于未来全球能源格局的重塑。人类需要面对挑战，但是更应把握机遇。我们必须相信科学，相信技术在不断创新，当上述瓶颈问题获得解决之时，氢能便会迎来春天，最终将成为人类社会的主流能源之一。