近日，#南北兩極同時出現(xiàn)極端高溫#的話題登上微博熱搜榜。據(jù)報道，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到創(chuàng)同期紀錄的高溫。

當氣候異常的痕跡越來越多地出現(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)酸雨等衍生問題。

自工業(yè)革命以來，化石燃料就長期霸占人類可利用能源之首，早已是人類發(fā)展離不開的供能者。而氣候變暖亦是關(guān)乎全球、全人類共同發(fā)展的問題。在這個問題上，各國科學(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到的燃料，幾乎都是有機物，既然是有機物，又怎么會沒有碳呢？

于是氫氣開始進入了人們的視線。作為一種完全無碳，只由氫原子組成的單質(zhì)，它似乎是解決以上問題的完美答案。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”四個大字刻在氫氣的大腦門上閃閃發(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 常見燃料的熱值

神奇氫氣在哪里

我們聽說過油礦煤礦天然氣礦，聽過金礦銀礦鉆石礦，但似乎從沒有人聽說過“氫氣礦”這種神奇的東西。Emmm…因為確實沒有這個神奇的東西！

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。我們無法像開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”出來并轉(zhuǎn)化為氫氣單質(zhì)。

目前成熟進入工業(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%。天然氣制氫獨享半壁江山，而對于天然氣儲量有限或價格較高的國家或地區(qū)，煤氣化制氫則是更優(yōu)先的選擇。

當無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95%的氫氣仍然要通過化石燃料來獲取。所以……氫能到底是不是清潔的？

為了科學(xué)地探討這個問題，研究者根據(jù)氫氣的生產(chǎn)方式，將其分為綠氫、藍氫和灰氫三種不同顏色的氫氣。顧名思義，一聽就很綠色的“綠氫”是由清潔電力電解水所得到的產(chǎn)物，而聽起來不太干凈的“灰氫”則是由化石燃料或焦爐煤氣、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，避免它們進入大氣，“藍氫”就是由化石燃料轉(zhuǎn)換，但經(jīng)歷了碳捕集過程的產(chǎn)物。

由于技術(shù)成熟度的差異，綠氫的單價是三種氫氣中最高的，在無法完全拋棄經(jīng)濟考量的情況下，我們還有很長一段時間要使用灰氫與藍氫。

文獻中報道的氫氣生產(chǎn)成本

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

電解水與核熱“閑魚”制氫，

向清潔與節(jié)約邁進

上文我們提到電解水是實現(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，而且不耗費有限的化石燃料儲備。電力作為一種二次能源，同樣不能從自然界直接獲得，要依靠初級能源的轉(zhuǎn)化。所以我們面臨的一個事實就是……（見下圖）

好像……兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又回到了原點……

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。比如風能發(fā)電，由于其初級能源（風力）的特點，風電不一定能作為某地區(qū)穩(wěn)定的主要供電來源。如果制氫廠建在風力發(fā)電站附近，利用風電外加備用供電源，作為水電解制氫的能源供給，就能生產(chǎn)綠氫，同時把電能轉(zhuǎn)化為儲存在氫氣中且可運輸?shù)幕瘜W(xué)能。目前，風能制氫已經(jīng)在包括中國、德國、土耳其、阿根廷和智利在內(nèi)的許多國家開展試點。

什么叫國際巨星??？（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)家們在此基礎(chǔ)上，又把目光投到了新的方向。

圖 核電站能量類型轉(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？找個二手平臺收掉就好！

將核反應(yīng)堆與采用先進制氫工藝的制氫廠耦合,可以回收余熱進行氫的大規(guī)模生產(chǎn)。其中一類先進工藝稱為高溫電解，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)動幾個循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)，這個過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

前進路上的最后一座大山

當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)濟上看即將變成具有市場競爭力的新能源產(chǎn)品。到這里，一切都萬事大吉了嗎？

No！???

講個不那么童話的童話：勇敢的騎士歷盡千難萬險打入惡龍巢穴，騎士說：“公主別怕，我?guī)阕??！惫髡f：“不了，我跟龍混熟了，在這兒住得挺好的。再見！”

“氫經(jīng)濟”難以實現(xiàn)的一大原因，就是在過去的幾百年間我們和化石燃料“混得太熟”。無數(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)濟學(xué)家Andrew Oswald計算后發(fā)現(xiàn)，哪怕僅僅將交通業(yè)使用的能源先換成綠氫，英國要實現(xiàn)這一點，就要建設(shè)十萬臺風力渦輪機。

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

而美國想要完成交通業(yè)的能源轉(zhuǎn)變，這個數(shù)字還要乘以10。哪怕使用更“強大”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備，才能實現(xiàn)這個偉大的目標。

結(jié)語

無論能源發(fā)展到怎樣的水平，可利用的能量都是有限的，人類不該以其“更清潔”、“可再生”為由肆無忌憚地加以浪費。節(jié)能減排不是空話。先節(jié)能，才有機會實現(xiàn)減排。請從身邊小事做起，節(jié)約能源，共同守護我們的綠色家園。

審核編輯 ：李倩