无碳燃料：破解全球变暖困局的密码

近日，#南北两极同时出现极端高温#的话题登上微博热搜榜。据报道，南极东方站从零下55℃骤升至零下17℃，康科迪亚站升温至零下11℃，与南极季节完全相反的北极地区同样在今年三月观测到创同期纪录的高温。

当气候异常的痕迹越来越多地出现在视野中，寻找新能源、减少碳排放已成为四象限法则中“紧急且重要”的事务。

无碳燃料：破解全球变暖困局的密码

温室气体、全球变暖如今已成为老幼皆知的词汇。化石燃料或生物质燃烧产生的二氧化碳（CO2）是变暖的元凶。此外这些燃料中含有氮、硫等杂原子，随着燃烧成为大气污染物，并引发酸雨等衍生问题。

自工业革命以来，化石燃料就长期霸占人类可利用能源之首，早已是人类发展离不开的供能者。而气候变暖亦是关乎全球、全人类共同发展的问题。在这个问题上，各国科学家和政策制定者大都持相同的态度。于是大家集思广益想出一个绝顶聪明的主意：既然CO2是碳被氧化的最终产物，那以后大家就用不含碳的燃料好了。

这很聪明，但又不完全聪明。毕竟我们生活中所能见到的燃料，几乎都是有机物，既然是有机物，又怎么会没有碳呢？

于是氢气开始进入了人们的视线。作为一种完全无碳，只由氢原子组成的单质，它似乎是解决以上问题的完美答案。零碳排放、燃烧的产物只有水、制备出的氢气产品中杂质极少……这些特性恨不得把“我很干净”四个大字刻在氢气的大脑门上闪闪发亮。更令人惊喜的是，在现在人们使用的所有燃料中，氢气的单位质量热值是最高的。

表  常见燃料的热值

 

	高位热值 (MJ/kg)	低位热值 (MJ/kg)
氢气 (g)	141.9	119.9
甲烷 (g)	55.5	50
乙烷 (g)	51.9	47.8
汽油 (l)	47.5	44.5
柴油 (l)	44.8	42.5
甲醇 (l)	20	18.1

 

神奇氢气在哪里

我们听说过油矿煤矿天然气矿，听过金矿银矿钻石矿，但似乎从没有人听说过“氢气矿”这种神奇的东西。Emmm…因为确实没有这个神奇的东西！

尽管氢是宇宙中最丰富的元素，它在地球上却大多以化合物的形式存在。我们无法像开采石油或煤那样从自然界中“捕获”氢气，只能依靠化学反应将氢原子从其他物质里“提取”出来并转化为氢气单质。

目前成熟进入工业化制氢的方法主要有四种：天然气蒸汽重整、石脑油等石油产品的重整、煤炭气化，以及电解水。它们制造的氢气分别占据全球氢产量的48%、30%、18%和4%。天然气制氢独享半壁江山，而对于天然气储量有限或价格较高的国家或地区，煤气化制氢则是更优先的选择。

当无色的氢气被赋予不同色彩

讲到这里，聪明的读者或许已经发现其中的问题：我们为了减排减少污染才选择氢能，现在却告诉我超过95%的氢气仍然要通过化石燃料来获取。所以……氢能到底是不是清洁的？

为了科学地探讨这个问题，研究者根据氢气的生产方式，将其分为绿氢、蓝氢和灰氢三种不同颜色的氢气。顾名思义，一听就很绿色的“绿氢”是由清洁电力电解水所得到的产物，而听起来不太干净的“灰氢”则是由化石燃料或焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产气制备。

既然能量的源头都是化石燃料，不直接使用化石燃料供能，而将之转化为氢气再利用的意义又在哪里呢？相比于在燃烧阶段释放碳，生产阶段去除碳的优势在于可以利用碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术集中地处理掉一大部分碳，避免它们进入大气，“蓝氢”就是由化石燃料转换，但经历了碳捕集过程的产物。

由于技术成熟度的差异，绿氢的单价是三种氢气中最高的，在无法完全抛弃经济考量的情况下，我们还有很长一段时间要使用灰氢与蓝氢。

文献中报道的氢气生产成本

不必过于悲观，随着可再生电力和电解槽设备的价格不断下降，将来绿氢的价格甚至会降到蓝氢与灰氢之下，成为既环保又经济的选择。根据权威能源机构Wood Mackenzie的分析，到2040年，绿氢在价格上能与化石燃料生产的氢气竞争。

电解水与核热“闲鱼”制氢，

向清洁与节约迈进

上文我们提到电解水是实现工业制氢的方法之一。比起化石燃料转化后再捕集碳，直接选择水作为氢原子的提供者显然更清洁，而且不耗费有限的化石燃料储备。电力作为一种二次能源，同样不能从自然界直接获得，要依靠初级能源的转化。所以我们面临的一个事实就是……（见下图）

好像……兜兜转转又回到了原点……

好在清洁可再生电力在制氢技术中展现出非凡的优势。比如风能发电，由于其初级能源（风力）的特点，风电不一定能作为某地区稳定的主要供电来源。如果制氢厂建在风力发电站附近，利用风电外加备用供电源，作为水电解制氢的能源供给，就能生产绿氢，同时把电能转化为储存在氢气中且可运输的化学能。目前，风能制氢已经在包括中国、德国、土耳其、阿根廷和智利在内的许多国家开展试点。

什么叫国际巨星啊？（战术后仰.gif）

近些年核电站如雨后春笋般快速出现，核电也可以用到绿氢的生产中。而科学家们在此基础上，又把目光投到了新的方向。

图  核电站能量类型转化示意

核电站不是将核能一步转化为电力的，中途还要经历热能和机械能两种形式。核燃料燃烧产生的热能中，很大一部分是无法按照上述途径顺利完成下步转化的，这部分未被利用的热称为“余热”。

出于安全考虑，核反应堆余热一般不用于民用供暖管网，因而大量能量遭到“闲置”。有闲置，怎么办？找个二手平台收掉就好！

将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合,可以回收余热进行氢的大规模生产。其中一类先进工艺称为高温电解，即引入热能以降低电解水的耗电量；另一种工艺是热化学循环，让热能驱动几个循环的化学反应，这个过程的总效果是水分解为氢气与氧气，而其他的物质作为“辅助者”可以不断循环，反复利用。

图  硫碘循环制氢原理示意

前进路上的最后一座大山

当我们找到了氢气作为化石燃料的接班人，又发现“绿氢”从技术和经济上看即将变成具有市场竞争力的新能源产品。到这里，一切都万事大吉了吗？

No！‍‍‍

讲个不那么童话的童话：勇敢的骑士历尽千难万险打入恶龙巢穴，骑士说：“公主别怕，我带你走。”公主说：“不了，我跟龙混熟了，在这儿住得挺好的。再见！”

“氢经济”难以实现的一大原因，就是在过去的几百年间我们和化石燃料“混得太熟”。无数的火电厂、供热厂、重工业生产厂和加油站几乎遍布全球各个角落，换掉能源，就意味着我们可能要换掉所有的这些设施。其难度不言而喻。

华威大学经济学家Andrew Oswald计算后发现，哪怕仅仅将交通业使用的能源先换成绿氢，英国要实现这一点，就要建设十万台风力涡轮机。

如果数字过于抽象，那换一种表达：整个威尔士地区被风电装置铺满。（不列颠：痛失土地嘤嘤嘤）

而美国想要完成交通业的能源转变，这个数字还要乘以10。哪怕使用更“强大”的核电，也要再建设1000座新的核电站。

所以，要想用上绿色氢能，或许还要耐心等待，等待有足够的可再生电力或核热储备，才能实现这个伟大的目标。

结语

无论能源发展到怎样的水平，可利用的能量都是有限的，人类不该以其“更清洁”、“可再生”为由肆无忌惮地加以浪费。节能减排不是空话。先节能，才有机会实现减排。请从身边小事做起，节约能源，共同守护我们的绿色家园。

审核编辑 ：李倩