近日，#南北兩極同時(shí)出現(xiàn)極端高溫#的話題登上微博熱搜榜。據(jù)報(bào)道，南極東方站從零下55℃驟升至零下17℃，康科迪亞站升溫至零下11℃，與南極季節(jié)完全相反的北極地區(qū)同樣在今年三月觀測(cè)到創(chuàng)同期紀(jì)錄的高溫。

當(dāng)氣候異常的痕跡越來(lái)越多地出現(xiàn)在視野中，尋找新能源、減少碳排放已成為四象限法則中“緊急且重要”的事務(wù)。

無(wú)碳燃料：破解全球變暖困局的密碼

溫室氣體、全球變暖如今已成為老幼皆知的詞匯?；剂匣蛏镔|(zhì)燃燒產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）是變暖的元兇。此外這些燃料中含有氮、硫等雜原子，隨著燃燒成為大氣污染物，并引發(fā)酸雨等衍生問(wèn)題。

自工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料就長(zhǎng)期霸占人類(lèi)可利用能源之首，早已是人類(lèi)發(fā)展離不開(kāi)的供能者。而氣候變暖亦是關(guān)乎全球、全人類(lèi)共同發(fā)展的問(wèn)題。在這個(gè)問(wèn)題上，各國(guó)科學(xué)家和政策制定者大都持相同的態(tài)度。于是大家集思廣益想出一個(gè)絕頂聰明的主意：既然CO2是碳被氧化的最終產(chǎn)物，那以后大家就用不含碳的燃料好了。

這很聰明，但又不完全聰明。畢竟我們生活中所能見(jiàn)到的燃料，幾乎都是有機(jī)物，既然是有機(jī)物，又怎么會(huì)沒(méi)有碳呢？

于是氫氣開(kāi)始進(jìn)入了人們的視線。作為一種完全無(wú)碳，只由氫原子組成的單質(zhì)，它似乎是解決以上問(wèn)題的完美答案。零碳排放、燃燒的產(chǎn)物只有水、制備出的氫氣產(chǎn)品中雜質(zhì)極少……這些特性恨不得把“我很干凈”四個(gè)大字刻在氫氣的大腦門(mén)上閃閃發(fā)亮。更令人驚喜的是，在現(xiàn)在人們使用的所有燃料中，氫氣的單位質(zhì)量熱值是最高的。

表 常見(jiàn)燃料的熱值

神奇氫氣在哪里

我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)油礦煤礦天然氣礦，聽(tīng)過(guò)金礦銀礦鉆石礦，但似乎從沒(méi)有人聽(tīng)說(shuō)過(guò)“氫氣礦”這種神奇的東西。Emmm…因?yàn)榇_實(shí)沒(méi)有這個(gè)神奇的東西！

盡管氫是宇宙中最豐富的元素，它在地球上卻大多以化合物的形式存在。我們無(wú)法像開(kāi)采石油或煤那樣從自然界中“捕獲”氫氣，只能依靠化學(xué)反應(yīng)將氫原子從其他物質(zhì)里“提取”出來(lái)并轉(zhuǎn)化為氫氣單質(zhì)。

目前成熟進(jìn)入工業(yè)化制氫的方法主要有四種：天然氣蒸汽重整、石腦油等石油產(chǎn)品的重整、煤炭氣化，以及電解水。它們制造的氫氣分別占據(jù)全球氫產(chǎn)量的48%、30%、18%和4%。天然氣制氫獨(dú)享半壁江山，而對(duì)于天然氣儲(chǔ)量有限或價(jià)格較高的國(guó)家或地區(qū)，煤氣化制氫則是更優(yōu)先的選擇。

當(dāng)無(wú)色的氫氣被賦予不同色彩

講到這里，聰明的讀者或許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題：我們?yōu)榱藴p排減少污染才選擇氫能，現(xiàn)在卻告訴我超過(guò)95%的氫氣仍然要通過(guò)化石燃料來(lái)獲取。所以……氫能到底是不是清潔的？

為了科學(xué)地探討這個(gè)問(wèn)題，研究者根據(jù)氫氣的生產(chǎn)方式，將其分為綠氫、藍(lán)氫和灰氫三種不同顏色的氫氣。顧名思義，一聽(tīng)就很綠色的“綠氫”是由清潔電力電解水所得到的產(chǎn)物，而聽(tīng)起來(lái)不太干凈的“灰氫”則是由化石燃料或焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)氣制備。

既然能量的源頭都是化石燃料，不直接使用化石燃料供能，而將之轉(zhuǎn)化為氫氣再利用的意義又在哪里呢？相比于在燃燒階段釋放碳，生產(chǎn)階段去除碳的優(yōu)勢(shì)在于可以利用碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技術(shù)集中地處理掉一大部分碳，避免它們進(jìn)入大氣，“藍(lán)氫”就是由化石燃料轉(zhuǎn)換，但經(jīng)歷了碳捕集過(guò)程的產(chǎn)物。

由于技術(shù)成熟度的差異，綠氫的單價(jià)是三種氫氣中最高的，在無(wú)法完全拋棄經(jīng)濟(jì)考量的情況下，我們還有很長(zhǎng)一段時(shí)間要使用灰氫與藍(lán)氫。

文獻(xiàn)中報(bào)道的氫氣生產(chǎn)成本

不必過(guò)于悲觀，隨著可再生電力和電解槽設(shè)備的價(jià)格不斷下降，將來(lái)綠氫的價(jià)格甚至?xí)档剿{(lán)氫與灰氫之下，成為既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的選擇。根據(jù)權(quán)威能源機(jī)構(gòu)Wood Mackenzie的分析，到2040年，綠氫在價(jià)格上能與化石燃料生產(chǎn)的氫氣競(jìng)爭(zhēng)。

電解水與核熱“閑魚(yú)”制氫，

向清潔與節(jié)約邁進(jìn)

上文我們提到電解水是實(shí)現(xiàn)工業(yè)制氫的方法之一。比起化石燃料轉(zhuǎn)化后再捕集碳，直接選擇水作為氫原子的提供者顯然更清潔，而且不耗費(fèi)有限的化石燃料儲(chǔ)備。電力作為一種二次能源，同樣不能從自然界直接獲得，要依靠初級(jí)能源的轉(zhuǎn)化。所以我們面臨的一個(gè)事實(shí)就是……（見(jiàn)下圖）

好像……兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又回到了原點(diǎn)……

好在清潔可再生電力在制氫技術(shù)中展現(xiàn)出非凡的優(yōu)勢(shì)。比如風(fēng)能發(fā)電，由于其初級(jí)能源（風(fēng)力）的特點(diǎn)，風(fēng)電不一定能作為某地區(qū)穩(wěn)定的主要供電來(lái)源。如果制氫廠建在風(fēng)力發(fā)電站附近，利用風(fēng)電外加備用供電源，作為水電解制氫的能源供給，就能生產(chǎn)綠氫，同時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在氫氣中且可運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)能。目前，風(fēng)能制氫已經(jīng)在包括中國(guó)、德國(guó)、土耳其、阿根廷和智利在內(nèi)的許多國(guó)家開(kāi)展試點(diǎn)。

什么叫國(guó)際巨星啊？（戰(zhàn)術(shù)后仰.gif）

近些年核電站如雨后春筍般快速出現(xiàn)，核電也可以用到綠氫的生產(chǎn)中。而科學(xué)家們?cè)诖嘶A(chǔ)上，又把目光投到了新的方向。

圖 核電站能量類(lèi)型轉(zhuǎn)化示意

核電站不是將核能一步轉(zhuǎn)化為電力的，中途還要經(jīng)歷熱能和機(jī)械能兩種形式。核燃料燃燒產(chǎn)生的熱能中，很大一部分是無(wú)法按照上述途徑順利完成下步轉(zhuǎn)化的，這部分未被利用的熱稱為“余熱”。

出于安全考慮，核反應(yīng)堆余熱一般不用于民用供暖管網(wǎng)，因而大量能量遭到“閑置”。有閑置，怎么辦？找個(gè)二手平臺(tái)收掉就好！

將核反應(yīng)堆與采用先進(jìn)制氫工藝的制氫廠耦合,可以回收余熱進(jìn)行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。其中一類(lèi)先進(jìn)工藝稱為高溫電解，即引入熱能以降低電解水的耗電量；另一種工藝是熱化學(xué)循環(huán)，讓熱能驅(qū)動(dòng)幾個(gè)循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程的總效果是水分解為氫氣與氧氣，而其他的物質(zhì)作為“輔助者”可以不斷循環(huán)，反復(fù)利用。

圖 硫碘循環(huán)制氫原理示意

前進(jìn)路上的最后一座大山

當(dāng)我們找到了氫氣作為化石燃料的接班人，又發(fā)現(xiàn)“綠氫”從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上看即將變成具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新能源產(chǎn)品。到這里，一切都萬(wàn)事大吉了嗎？

No！???

講個(gè)不那么童話的童話：勇敢的騎士歷盡千難萬(wàn)險(xiǎn)打入惡龍巢穴，騎士說(shuō)：“公主別怕，我?guī)阕??！惫髡f(shuō)：“不了，我跟龍混熟了，在這兒住得挺好的。再見(jiàn)！”

“氫經(jīng)濟(jì)”難以實(shí)現(xiàn)的一大原因，就是在過(guò)去的幾百年間我們和化石燃料“混得太熟”。無(wú)數(shù)的火電廠、供熱廠、重工業(yè)生產(chǎn)廠和加油站幾乎遍布全球各個(gè)角落，換掉能源，就意味著我們可能要換掉所有的這些設(shè)施。其難度不言而喻。

華威大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Andrew Oswald計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，哪怕僅僅將交通業(yè)使用的能源先換成綠氫，英國(guó)要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就要建設(shè)十萬(wàn)臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)。

如果數(shù)字過(guò)于抽象，那換一種表達(dá)：整個(gè)威爾士地區(qū)被風(fēng)電裝置鋪滿。（不列顛：痛失土地嚶嚶嚶）

而美國(guó)想要完成交通業(yè)的能源轉(zhuǎn)變，這個(gè)數(shù)字還要乘以10。哪怕使用更“強(qiáng)大”的核電，也要再建設(shè)1000座新的核電站。

所以，要想用上綠色氫能，或許還要耐心等待，等待有足夠的可再生電力或核熱儲(chǔ)備，才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)偉大的目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)論能源發(fā)展到怎樣的水平，可利用的能量都是有限的，人類(lèi)不該以其“更清潔”、“可再生”為由肆無(wú)忌憚地加以浪費(fèi)。節(jié)能減排不是空話。先節(jié)能，才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)減排。請(qǐng)從身邊小事做起，節(jié)約能源，共同守護(hù)我們的綠色家園。

審核編輯 ：李倩