流浪地球，末日英雄氢能源的本质与未来
“你听着亲爱的，我们必须抱有希望，这并不是因为希望真的存在，而是因为我们要做高贵的人。在前太阳时代，做一个高贵的人必须拥有金钱、权力或才能，而在今天只要拥有希望，希望是这个时代的黄金和宝石，不管活多长，我们都要拥有它！明天把这话告诉孩子。”
--刘慈欣《流浪地球》
流浪地球，颅内高潮
春节档大刘的硬核科幻《流浪地球》电影成为现象级爆款，总票房已突破30亿元。春节期间迫不及待二刷这部电影，对于一个纯正理工男而言，观影感受只有四个字：
颅内高潮！
为了防止太阳氦闪剧烈爆炸吞噬地球，人类的逃亡分为五步：第一步，用地球发动机使地球停止转动，使发动机喷口固定在地球运行的反方向；第二步，全功率开动地球发动机，使地球加速到逃逸速度，飞出太阳系；第三步，在外太空继续加速，飞向比邻星；第四步，在中途使地球重新自转，掉转发动机方向，开始减速；第五步，地球泊入比邻星轨道，成为这颗恒星的卫星。人们把这五步分别称为刹车时代、逃逸时代、流浪时代Ⅰ(加速)、流浪时代Ⅱ(减速)、新太阳时代。
逃逸时代里，按照预定的航线，地球会升向与木星的会合点。航行委员会的计划是：地球第15 圈的公转轨道是如此之扁，以至于它的远日点到达木星轨道，地球将与木星在几乎相撞的距离上擦身而过，在木星巨大引力的拉动下，地球将最终达到逃逸速度。
为了提升影片末日感和情节曲折性，影片在大刘原著的基础上增加了地木相距过近，地球将在数小时被毁灭的末日套末日桥段。紧急关头，剧中主角想到了地球大气已被木星吸走部分，加之木星上已有的巨量氢气，只需一根火柴点燃氢氧混合气体，即可发生恐怖级的爆炸，爆炸能量将推动地球突破洛希极限，逃逸出太阳系。最终，百亿票房先生吴京驾驶着领航员空间站引爆了木星。
战狼吴京再一次做了救世主，而氢气成为了拯救地球人类的末日英雄。
在现实世界里，氢能源同样被很多人当做能源转型的末日英雄与终极选择。
而近段时间，由于政府新政策拟对传统锂电池电动汽车补贴降坡而对燃料电池电动汽车补贴相对较高，氢能源再次成为风口上的佩奇，国资、民企等各路资本争相涌入，重点布局氢燃料电池的雄韬股份在18年12月仅用了20天时间股价翻番，预计氢燃料电池相关概念股今年将会继续炒作（不作为投资建议），没踏上行情的请自觉关灯吃面。
早在1869年，科幻大神儒勒·凡尔纳（也是大刘的科幻启蒙）长篇小说《海底两万里》中，氢气便是可怕的“鹦鹉螺”号潜艇用之不竭的燃料。整整150年后，氢能源再次踏上能源变革的风口浪尖。氢能源真的能成为能源变革的末日英雄吗？
逻辑陷阱：最清洁的二次能源
至少从儒勒·凡尔纳开始，许多人都将氢能源作为最清洁最友好的终极能源选择。
他们一般都会描绘这样的完美场景。
请想象一下，一种新燃料几乎可以取代我们所有的能源造火方式。他能驱动各种发动机，能以不同规模发电，还能加热制冷，同时可以广泛应用于运输、工业、家庭等各种领域。另外，不管听起来多么不真实，这种燃料燃烧时不会产生任何有害排放，没有大气污染物、颗粒物、辐射等等。震撼力还不够，这种燃料来源几乎无处不在，而且在地球任何地方都储量丰富。借助于他，每个国家都拥有自己充足的能源供应，与能源衍生出的贪婪、地缘政治甚至战争将一去不返。
这样的梦想能够实现吗？回答这个问题前，先需要研究下氢能源的本质。
氢是一种化学元素，元素符号H，在元素周期表中位于第一位，只有一个质子和电子，是最轻的元素，也是宇宙中含量最多的元素，大约占据宇宙质量的75%。主星序上恒星（包括前面提到的木星）的主要成分都是等离子态的氢。
氢气无色无味无毒，燃烧时温度高于喷气发动机燃料，并且只产生热量和水蒸气。
2H2+O2=2H2O，这个化学方程式仿佛巴赫的二部创意曲一样简洁，但却蕴含巨大的能量。当氢以游离气体形式存在时，按重量计算的能量密度让任何化石燃料都自惭形秽。
由于化学性质极其活跃，氢在地球上很少以游离状态存在，基本上都存在于化合物中，最常见的是水或者碳氢化合物。
换句话说，我们所谓的氢能源也即是纯度较高的氢气，是无法像石油天然气一样直接从地球上开采获取，必须从氢的化合物中进行分离，也即氢气不是一次能源，而仅是二次能源，或者说氢仅仅是一种能量载体。从化合物中生产提取氢气必须消耗其他物质及能量。
第一个逻辑陷阱：所谓氢能源取之不尽、用之不竭。这在字面上没有问题，但氢能源的制备需要依赖其他能源燃料，他的可持续性根本取决于其他燃料。
目前，生产提取氢气已有多种成熟的工艺。
制氢工艺 | 原理 |
天然气重整制氢 | 利用高温蒸汽，打破碳氢化学键，释放氢气 |
电解制氢 | 利用电流将水中的氢氧分离 |
煤炭气化制氢 | 将固体煤气化，转化为含有氢气的混合气体 |
工业副产氢 | 电解食盐水、酿造等工艺过程中副产氢 |
不管是天然气重整还是煤炭气化等，上面的每一个工艺在制氢的过程中都伴随着碳排放，电解制氢中的电基本也是化石燃料发电，当然一直都有提法用可再生能源发电（风电、光伏等）制氢，但理想很丰满现实很骨感，目前全球大部分氢都是化石燃料重整而来。
第二个逻辑陷阱：氢能源是最清洁、最友好的能源选择。这在字面上也没有问题，但氢能源的制备过程中会产生很多碳排放，全产业链来看氢能源就不是所谓“零排放”。
这就像新能源汽车，包括政府在内的很多人一直提新能源汽车清洁无污染零排放，但新能源汽车冲的电从何而来？绝大部分还是化石燃料发电而来，全产业链来看新能源汽车的排放并不比汽油车少，所谓清洁无污染同样是逻辑陷阱。
上述的逻辑陷阱并不影响氢能源应用的不断推进，至少到目前为止，氢能源仍是人类理想中的能量载体之一，氢能源在燃料电池和分布式电堆等领域已经初露锋芒。
上帝不会轻易制造完美
上帝可以拿完美来诱惑我们，但他不会轻易制造完美。
氢气的制备目前来说已不成问题，只是如何采用最低的成本和最清洁的方式来制备还需要进一步的科技进步。
氢能源利用最大的挑战其实源自氢气极低的分子量和密度。
他基本可以从任何普通容器中逸出，也可以扩散到任何封装材料中并与之相互作用。因此，氢气的储存和运输成为关键问题。
氢气会让某些金属（包括钢铁）发生所谓“脆化”现象，这使得他不能简单的用管道来运输。
低密度使得氢气按重量算是高能，但按体积计算则不然，室温下，氢气能力密度仅为天然气的三分之一。
故而氢能源高效利用最显而易见的办法便是将氢气压缩甚至液化。不过，常压下氢气需降温到-217℃才变成液体，而氢气液化能耗占其本身能力的三分之一，这直接导致液氢根本不具备经济性，所以液氢目前应用最广泛的是烧钱不计代价的航天领域火箭燃料。
百年应用探索之路
除了最简单应用氢气球外，氢气作为能源得到应用是走了两种不同的路径，一个是作为燃料，利用燃烧后产生的能量驱动机械，一个则是广为人知的氢燃料电池。
在《海底两万里》的指引下，20世纪30年代，德国工程师鲁道夫发明了一种氢气内燃机原型机，并用它实现了汽车驱动。不过二战爆发后，这个项目也随着希特勒陨落。
20世纪50年代，美国空军开始在高空远程侦察机（B-57改装版）上试验氢气燃料，利用液氢来实现航程的倍增。
不过随着苏联在1957年发射了第一课人造卫星后，美国和苏联的目光都转向了火箭推进上，液氢作为燃料在航天领域得到广泛应用，但在航空领域也戛然而止。
氢燃料电池可以追溯到更早时期。
1839年，英国律师兼业余科学家（业余二字显示其多么优秀）格罗夫发明了燃料电池，使得氢气有机会进入运输领域的电力来源。
20世纪60年代，美国NASA开始利用氢燃料电池为宇宙飞船及航天器提供动力支持。最为著名的当然是阿波罗登月。
20世纪80年代，加拿大地球物理学家杰弗里.巴拉德认为氢燃料电池将会是未来汽车驱动的终极选择。他于1989年创立了巴拉德动力系统公司，这家公司制造出了全球第一台氢燃料电池巴士，最高时速72公里，一举引爆了全球燃料电池汽车研究开发热潮。
不过，众多周知，氢燃料电池在过去几十年里并未得到广泛的推广与应用，巴拉德公司也过得比较凄惨，到2007年，巴拉德亏损严重，四处找买家，准备出售整个汽车燃料电池业务。2018年11月潍柴动力斥资1.63亿美元完成收购巴拉德动力系统公司19.9%股份。至此，潍柴动力已成为国际PEM燃料电池行业巨头巴拉德最大的控股股东。不过，巴拉德仍将燃料电池最核心的膜电极组件（MEA）握在手中。
请记住巴拉德这哥们和他的公司，人类进步乃至毁灭需要这样的偏执狂。
最现实的商业应用：氢燃料电池汽车
2019年1月28日，有消息说，氢燃料电池汽车有望在2019年正式实施“十城千辆”推广计划。目前，国内氢燃料电池产业基础较好的城市如北京、上海、张家口、成都、郑州、如皋、佛山、潍坊、苏州、大连等城市都有可能入选。“至于最后哪些城市入选还不能确定，要看各地政府之间的协调。”
在汽车低碳化、电动化的大背景下，氢燃料电池汽车成为氢能源商业应用最现实也是最有前景的方向。
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。
其中质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选。质子交换膜燃料电池（PEMFC）电池通过氢气和氧气发生化学反应生成水，在这个过程中产生电能。其核心部件包括电催化剂（一般用贵金属铂金）、膜电极组件MEA、气体扩散层和双极板。
氢燃料电池主要应用于三大领域：固定领域、运输领域、便携式领域，其中最被看好市场容量最大的当然是车用运输领域。
氢燃料电池清洁无污染，排放出的只有水。与传统锂电池相比，氢燃料电池拥有无与伦比的优势：
1、能量密度优势。目前动力锂电池在能量密度方面，特斯拉最高能量密度为300Wh/kg左右，未来提升空间相对有限，而燃料电池的能量密度已达350Wh/kg，预计几年内能量密度将达500Wh/kg以上，且功率密度达到3.1kW/L,具备绝对压倒性优势。
2、充装时间优势。具备绝对压倒性优势。同时，动力锂电池虽能承受一定程度的高倍率快速充电，但充电时长，充满80%以上一般需要30-180分钟以上，且快速充电在一定程度上牺牲电池的循环寿命，而燃料电池汽车只需3-5分钟左右便可完成加氢，循环寿命在4000次以上，性能优势不言而喻。
3、续航里程优势。目前锂电池或三元电池汽车续航里程一般在200-300公里左右，特斯拉宣称能达到500公里（？）。而2014年丰田推出的mirai氢燃料电池汽车加氢3分钟续航500km，本田的Clarity也达到了589KM。全球燃料电池按功率出货规模
既然氢燃料电池汽车如此完美，那为何三十年过去了，目前还是还处于商业推广阶段？
再次重温，上帝不会轻易制造完美。
成本问题是制约氢燃料电池汽车发展的最主要因素，燃料电池的成本主要体现在电池系统的造价和氢气的成本上。
燃料电池成本占比最高的是电堆，电堆中占比最大的是催化剂，而目前催化剂采用的是贵金属Pt。
技术复杂、材料昂贵加之生产规模较小，导致燃料电池成本非常高达120美元/kw（目前应该比这个低不少），远高于锂电池和一般燃油车。
在日本市场，Mirai的售价为723.6万日元，另可获得200万日元的补贴，终端售价523.6万日元（约30.7万人民币），而Mirai本身不是高级别车型，应该相当于丰田雷凌或者更低级别的威驰。
不过随着生产规模的不断扩大，氢燃料电池成本有望持续降低。
美国能源部对燃料电池汽车的成本进行了预估，当年产量为10万台是，成本在60美元/kw，当年产量达到50万台时，成本可降低至53美元/kw。同样，在年产量2万台时，整车成本在4.8万美元，当产量达到20万台，整车成本可下降至3.7万美元，预计到2020年，郑晨成本降至3万美元左右，不过3万美元/台这一推断值得怀疑。
氢能产业链包含制氢、加工、储存、运输和加注等环节，由于氢密度极低，导致各个环节成本都比较高，其中最核心的便是制氢成本。
从制氢方式来看，各类制氢生产成本差距比较大。
再加上运输和加注成本，加注到汽车上的氢成本已非常高，综合测算下来，百公里氢成本比燃油车还要高。
目前，在国内处于推广商用阶段的各类氢能源汽车的氢气最主要来源是工业副产氢，这种氢成本相对较低，但氢气不是最重要的产物，无法大规模生产，仅仅适用于各地试点试验。
由于中国先天的煤炭资源优势，随着氢能源的火热，各个煤炭企业也坐不住，想分得一杯羹。仅在2018年，就有国家能源集团、同煤、兖矿、晋煤等多家煤企以不同方式参与氢能源中。
可以预见的是，随着各大公司和大额资金的进入与竞争，技术将会得到进步，规模也将同步扩大，成本劣势有可能被抹去甚至成为成本优势。
燃油汽车淘汰是大势所趋，长远来看，氢燃料电池汽车和锂电三元等纯电动汽车有望共分天下。
中国氢燃料电池差距
从成本控制和技术指标来看，国内燃料电池与海外先进国家相比差距较大：
价格差距：由于国内还未有大规模批量生产，因此燃料电池价格预计仍高达约300-500美元/kW左右；而美国通过规模化量产，2015年便已将燃料电池价格降到55美元/kW，并且朝DOE制定的2020年40美元/kW，远期30美元/kW的目标快速下降。
功率密度差距：目前国内燃料电池功率密度约为1.5-2.5kW/L，而美国已达3.1kW/L，提前完成DOE的规划目标。
电池寿命差距：目前国内燃料电池乘用车寿命在2000小时以下，而燃料电池客车寿命也仅为3000小时，主要受到膜电极、双极板等电池核心材料性能限制；而美国两种车型寿命已分别达到4500小时和19000小时，完全可以满足用户正常的使用需求。同时，根据DOE规划，未来燃料电池汽车寿命仍将继续显著提升。
中国氢能之旅任重而道远。
天然气之于氢能源：不可或缺
作为天然气观察的“良心”公号狗，在文末还是得满是求生欲的回扯一下天然气的事。
目前全球氢气大部分来源于化石燃料（煤、天然气、石油等）重整制备。中国制氢来源主要是化石燃料，约占97%，其中煤占三分之二，天然气及石油制氢约占20%。
而随着氢能源应用尤其是氢燃料电池汽车的不断深入，氢气的需求将可能出现急剧的提升。从目前已成熟的制氢工艺而言，煤制氢、天然气制氢和电解水制氢仍是最主要的大规模制氢工艺。
考虑到电解水制氢的高昂成本，煤制氢和天然气制氢成为优选。当然就国内资源禀赋以及能源价格而言，煤制氢是最优选择，这也是各大煤企蠢蠢欲动的原因之一。
相比而言，天然气重整在设备规模灵活性和管道输送的稳定性具有得天独厚的优势，如加氢站可以灵活配置一套专用的天然气重整制氢设备，未来天然气在氢能源领域可能无法占据霸主地位，但依然不可或缺。
从本质上来看，氢能源无法成为人类能源变革中可持续一次能源的终极选择，无法从根本上实现对化石燃料的替代，仅能作为一种清洁无污染的能量载体，不过随着能源转型的深入尤其是汽车交通领域的不断低碳化，氢能源势必将在人类发展进程中发挥重要的作用。
尾声
我知道已被忘却
流浪的航程太长太长
但那一时刻要叫我一声啊
当东方再次出现霞光
我知道已被忘却
启航的时代太远太远
但那一时刻要叫我一声啊
当人类又看到了蓝天
我知道已被忘却
太阳系的往事太久太久
但那一时刻要叫我一声啊
当鲜花重新挂上枝头
……
温馨提示
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