[氢能经济，企业在行动]未来能源来了…氢的一生

by Oh Hyungil

Published 13 Nov.2023 08:03(KST)

氢是什么，为何此时备受关注
价值链撼动下一代能源霸权
构建全球全周期生态体系的关键

“地球上最轻的元素”，说的就是我。我是原子中背号为1号的氢。没错，原子序数1号就是我。我只带有1个质子和1个电子，个头虽小，却构成了整个宇宙中约75%的元素质量，是我们宇宙的绝大部分。要说常见也很常见，但不久前开始，我的“身价”飙升了。你大概在哪儿听说过“氢经济即将到来”之类的话吧？那是因为我正作为可以取代化石燃料的未来能源而备受关注。要不要听听我的成功故事呢？

我叫“水素（Hydrogen，氢）”，这个名字源自表示“水”的拉丁语“hydro”。字面意思就是“制造水的元素”。大约在250多年前，也就是1766年，英国人Henry Cavendish首次发现了我，而被称为近代化学之父的法国化学家Lavoisier又给我起了现在的名字。

我的沸点低到零下253摄氏度，因此在常温下以气体形式存在。不过在自然状态下，很难见到纯净的氢分子。相反，我通常像碳、氧那样，与其他元素结合成化合物存在。由2个氢原子和1个氧原子结合而成的水就是代表。其实，不仅在人类身体中，在构成动植物的一切物质里也都有我。可以说，从很久以前开始，我和人类就已经是密不可分的关系了。

在工业现场，我也早就大显身手。合成氨和甲醇时要用到我，从石油中去除硫的脱硫剂中也离不开我。从化妆品、医药到半导体，各个领域都有我活跃的身影，找我的地方多得数不过来。全球消费量早已远超1亿吨，由此也能大致想象一下我的人气吧？

不过，要生产我多少有点麻烦，必须先从化合物中把我分离出来。由于生产我的方式太多，人们干脆用“颜色”来区分。

氢能全周期生态系统示意图（资料来源韩国石油公社提供）

到目前为止，人们主要通过让烃类与水蒸气或氧气反应，或者在石油精炼工艺、烧碱和氯的生产工艺中以副产品的形式来获得我。这类氢被称为重整氢和副生氢，统称为“灰氢”。这是成本最低的生产方式，但问题在于，生产过程中会排放二氧化碳。

如果把这时排放的二氧化碳进行捕集和储存，那么我就摇身一变，叫作“蓝氢”。意思是说，更接近环保了一些。只需在现有生产设施上额外加装二氧化碳捕集与储存（CCS）装置，因此目前被认为是最现实可行的氢气生产方式。不过，如何储存收集到的二氧化碳，又成了新的难题。人们正在推进将其储存在地下深处的煤矿、油田或深海中的方案，但对生态系统会产生什么影响尚不得而知。因此，也在研究再次利用二氧化碳的途径。

如果通过电解水来制氢，就不会产生二氧化碳，这就是所谓的“绿氢”。这项技术也被称为水电解技术，但目前还不具备足够的经济性和稳定性。因此，在获得能够生产清洁氢的成熟技术之前，需要靠蓝氢来争取时间。

用于生产绿氢的电力本身，也必须来自不排放碳的可再生能源。济州岛已经在运转利用太阳能、风能发电，再用电解水制氢的生产设施。不过，可再生能源的发电时间和发电量都极不稳定，因此，开发出即便在这种条件下也能稳定运行的水电解技术就尤为重要。

若使用无碳排放的核电所产生的电力来制氢，则被称为“粉红氢”。在地理条件下难以大规模生产可再生能源的韩国，粉红氢也可能成为一种替代方案，因为生产绿氢的成本实在太高。

清洁氢能生态体系构建方案（资料来源：韩国贸易协会提供）

国际可再生能源机构（IRENA）推算，到2050年，韩国生产绿氢的成本将高达每千克4.1美元。与世界大多数国家能以每千克2美元以下的成本生产绿氢相比，处境非常不利。日本的生产成本也在每千克3美元以上，情况相似。既然韩国未来势必成为绿氢进口国，那么提前准备多种替代方案就显得尤为必要。

与生产同样重要的，还有储存和运输技术。我在常温下是气体，若直接储存会占据巨大体积，因此必须进行高压压缩或液化。用于氢燃料汽车的高压储罐压力为700巴，相当于大气压（1巴）的700倍，是极高的压力。因此，储存和加注设备必须能够安全承受这种高压。储罐主要采用高密度塑料和比钢更坚硬的碳纤维制造。

要把我变成液体，只需将温度降到零下253摄氏度以下。液氢的密度约为每升71克，比700巴压缩状态下的约40克更大，从储存角度看，液化更为理想。不过，将温度降到如此低的极低温需要消耗大量能量，而且保冷隔热技术也极为关键。即便有隔热措施，仍存在因汽化而引发爆炸的风险，因此又不能完全密封。还有许多技术难题有待攻克。

基于上述原因，氨作为储存我的一种手段正备受关注。氨由1个氮原子和3个氢原子构成，只要把占空气78%的氮与氢结合即可。此外，氨在零下33摄氏度就可以液化，技术难度较低，成本也更少。

氢能经济活性化路线图（资料来源：产业通商资源部）

如果已经把我以清洁的方式生产出来并运到了目的地，那么接下来就该好好利用我了。凡是使用化石燃料的地方，几乎都可以用上我。目前，部分发电站已经用我来发电，或将我用作交通工具的燃料。可以直接燃烧，也可以利用我与氧结合的原理。最近，采用把我与液化天然气（LNG）一同燃烧的混烧技术的火力发电站越来越多。这种混烧技术也正被应用于船舶发动机，开发氢动力船舶。

将我与氧结合的典型方式是燃料电池。通俗地说，燃料电池就是与把水电解成氢和氧的水电解技术“反向”的概念：在氢和氧结合生成水的过程中获取电能。燃料电池技术早在执行登月任务的“阿波罗11号”上就已投入使用，历史相当悠久。虽然目前主要用于汽车，但未来有望应用于列车和无人机。