氢能非“清”？我们离真正的清（洁）能（源）还有多远 | 石头科普
图 断裂的冰盖
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。
END
参考文献及图片来源
[1] Ji M, Wang J. Review and comparison of various hydrogen production methods based on costs and life cycle impact assessment indicators[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2021.
[2] Newborough M, Cooley G. Developments in the global hydrogen market: The spectrum of hydrogen colours[J]. Fuel Cells Bulletin, 2020.
[3] Ajanovic A, Sayer M, Haas R. The economics and the environmental benignity of different colors of hydrogen[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022.
[4] Peplow M. Hydrogen Economy Looks Out of Reach. Nature, 2004.
[5] https://www.sohu.com/a/473602284_100169945
[6] https://www.sohu.com/a/451517145_176600
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