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制氢|氢能缘何受瞩目（科技大观）

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近年来 ， 世界各国正以前所未有的速度推进氢能产业发展 。 国际氢能委员会与麦肯锡联合发布的报告显示 ， 目前已有30多个国家和地区发布了氢能发展路线图 ， 到2030年 ， 全球在氢能项目上的投资将达到3000亿美元 。
氢能是由氢元素在物理与化学变化过程中释放的能量 。 氢气和氧气可以通过燃烧产生热能 ， 也可以通过燃料电池转化成电能 。 氢气不仅来源广泛 ， 还具有导热良好、清洁无毒和单位质量热量高等优点 ， 相同质量下所含热量约是汽油的3倍 ， 是石油化工重要原料和航天火箭动力燃料 。 随着应对气候变化、实现碳中和的呼声日益高涨 ， 氢能在改变人类能源体系方面被寄予厚望 。
氢能之所以备受青睐 ， 不仅在于其释放过程中的零碳排放 ， 还在于氢气可作为储能载体 ， 弥补可再生能源波动性、间歇性等短板 ， 促进后者的大规模发展 。 比如 ， 德国政府正在推动的“电力转化气体”技术 ， 通过制取氢气来存储不能及时利用的风电、太阳能发电等清洁电力 ， 并将氢气长距离输运以进一步有效利用 。 除了气态 ， 氢气还能以液态或固态氢化物出现 ， 具有多种储运方式 。 作为难得的“耦合剂”型能源 ， 氢能既可实现电力和氢气之间的灵活转化 ， 又能搭建“桥梁”实现电、热、冷乃至固体、气体、液体燃料的互联互通 ， 构建更加清洁高效的能源体系 。
形式多样的氢能有着多元的应用场景 。 截至2020年底 ， 全球氢燃料电池汽车保有量较上一年度增加38% 。 氢能的大规模应用正从汽车领域逐步拓展至其他交通、建筑和工业等领域 。 应用在轨道交通和船舶上 ， 氢能可降低长距离、高负荷交通运输对传统油气燃料的依赖 ， 比如去年初 ， 日本丰田公司开发并交付了首批海洋船舶的氢燃料电池系统 。 应用于分布式发电 ， 氢能可为家庭住宅、商业建筑供电供暖 。 氢能还可直接为石化、钢铁、冶金等化工行业提供高效原料、还原剂和高品质热源 ， 有效减少碳排放 。
不过 ， 氢能作为一种二次能源 ， “得来”并不容易 。 氢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 ， 现有制氢技术大多依赖化石能源 ， 无法避免碳排放 。 目前 ， 可再生能源制氢技术正在逐步成熟 ， 可以通过可再生能源发电再电解水来制取零碳排放的氢气 。 科学家还在探索太阳能光解水制氢、生物质制氢等新型制氢技术 ， 清华大学核能与新能源技术研究院研发的核能制氢技术预计10年后启动示范 。 此外 ， 氢能产业链还包括储运、加注、应用等环节 ， 也都面临着技术挑战和成本制约 。 以储运为例 ， 氢气在常温常压下密度低、易泄漏 ， 与钢材长期接触会使后者发生“氢脆”而破损 ， 储存和运输比煤炭、石油、天然气都要困难得多 。
当下 ， 许多国家围绕全新氢能各环节的研究正如火如荼地展开 ， 技术难关在加紧攻克 。 随着氢能生产和储运基础设施规模不断扩大 ， 氢能成本也有较大下降空间 。 有研究表明 ， 预计到2030年 ， 氢能产业链整体成本将下降一半 。 我们期待 ， 氢能社会将加速到来 。
（作者为清华大学能源环境经济研究所、清华大学—张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心副研究员）
作者：欧训民
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