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日前,国家能源局印发《2023年能源工作指导意见》,重点提及攻关新型储能关键技术和绿氢制储运用技术,推动储能、氢能规模化应用。今年,我国氢能行业将进入发展的快车道。
人类需要的氢能来自哪里?主要是水。当人类一次又一次遭遇能源危机,那一望无际的水乡泽国让人们看到了不灭的希望。俗话说:水火不相容。然而,事实上水火是可以相容的,用来灭火的水中蕴含了无穷无尽的“火”——能源。人类如果能用上点水成“火”的“魔法”,就能从水中取“火”,为人类获取源源不绝的能源。
专家们普遍认为,21世纪最有前途的能源有两种:一种是氢能,另一种是受控核聚变能。这两种能源都与水和氢息息相关,前者直接利用氢,后者则利用两种比较特殊的氢——氘、氚,而这些氢主要来自水。
氢有三兄弟,即氕、氘、氚。氕就是最常见的氢,也就是通常所说的氢;氘比氕重一点,因此又叫重氢;而氚又比氘重一点,所以又叫超重氢。氘、氚都与氧结合,分别形成重水、超重水。
我们常见的水,就是由氢(氕)和氧组成的,把水拆开后就能得到氢和氧,因为它们通常都是以气体的方式存在,所以称为氢气和氧气。氢能点火燃烧,并且燃烧热值高,放出的平均热量是汽油3倍或焦炭4.5倍。氢的燃烧不产生任何有温室效应的化学物质,也不会引起酸雨和烟雾。氢是宇宙中分布最广的物质,占据宇宙质量75%,被称为人类的“终极能源”。因为氢主要由水制取,而水是地球上最为丰富的资源,所以海洋、湖泊、江河就是我们的“氢矿”。因此,氢正是科学家们寻找到的高热值而又清洁无污染的理想能源。
那么,人们可用哪些“魔法”把水分开得到大量而廉价的氢气呢?这一想法直到现在还没有完全实现。
传统的化石燃料制氢占全球约95%,它主要以蒸汽转化和变压吸附相结合的方法制取高纯度的氢。而这一方法生产成本太高或比较高,且氢燃料通常是从矿物燃料中提炼而成,生产过程会产生和排放二氧化碳等温室气体,并不环保。所以,人们将通过这一方法制取的氢气称为“灰氢”。
以电解水制氢的比率不足5%,且成本也比较高,以太阳能分解水制氢的比例更小,但没有碳排放,因此被称为“绿氢”。
电解水制氢是一种比较方便的制氢方法,只需要在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上就会发生电化学反应,从而分解成氢气与氧气。但这一方法也并没有想象的那么容易,而且氢能储存也面临着高成本以及危险性。为此,有人设想将来可以建造人工海岛,在岛上建立为电解水制氢的专用核电站,既安全又经济。
最近三四十年来,人们开始发展太阳能制氢,生产的氢能可以为车辆、船只和火车中的燃料电池系统供电,还能输送到电网中,或者用于制造化学品和钢铁。不过目前这种清洁能源愿景主要还停留在实验室。这类研究主要集中在热化学法制氢、光电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢、生物制氢等几种技术上,因成本更高很难广泛应用。不过,现在绿氢产业化发展进程加速,未来市场空间广阔。
经过多年的工业积累,我国已是世界上最大的制氢国,2021年我国氢气产量约3300万吨,预计到2050年氢气需求量接近6000万吨,更需要绿氢助力。