人们对于氢气最深的印象,可能就是五彩斑斓的氢气球。不过,大家不太了解的是,作为一种高效、清洁的能源载体,氢能在全球能源转型中扮演着越来越重要的角色。那么,氢气真的能逐步发展为未来的能源支柱吗?

         为何要发展氢能

  近年来,全世界都在积极探索绿色、低碳、可持续的能源解决方案。氢能作为一种高效、环保且可再生的能源,受到了世界各国的广泛关注。中国作为全球最大的能源消费国,已将氢能产业视为未来能源转型的重要方向。

  根据《中国氢能产业发展报告2020》,预计到2050年,氢能将在我国能源结构中占据10%的份额。国家发改委和能源局联合发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》强调,氢能作为我国未来能源结构的重要组成部分,是推动能源终端绿色低碳转型的关键载体,也是国家重点发展的战略性新兴产业。

  尽管中国的氢能产业仍处于起步阶段,但正是这种初创状态,使其站在了历史性的机遇窗口。为了加速清洁能源发展,我国政府已推出一系列鼓励与支持政策,特别是对绿色产氢行业给予了重点政策和资金支持。这些措施将在未来一段时间内为氢能产业提供坚实支撑,推动其健康稳定发展。

  在市场层面,氢能在交通(如氢燃料电池汽车)、工业及能源储存等领域的应用正迅速增长。为了实现氢能规模化应用,我国正积极推进从产氢、储氢、运氢到用氢的全产业链协同发展,以期降低整体成本、提高综合效益。此外,氢能还有望在化工、冶金、制冷等传统产业中,开拓新的应用场景,进一步拓宽其发展空间并创造更多增长机遇。

  结合国际能源趋势、我国能源资源状况以及“双碳”目标,笔者认为,氢能的发展不仅是全球能源趋势,更是我国能源发展的必然选择。通过发展氢能,我们将更好地实现能源转型,满足经济社会发展的需求,同时为全球绿色低碳目标贡献力量。

         发展氢能要解决几个问题

  目前,我国已成为全球最大的制氢国,并且在可再生能源装机量方面,位居全球首位。这让我国在清洁低碳的氢能供给领域,展现出巨大的发展潜力。

  然而,氢能的规模化应用,仍面临两大技术难题。

  首先是制氢成本问题。制氢成本比较高,尤其是电解水产氢——其成本主要受可再生电力价格影响。此外,电解水产氢等绿色产氢方式,还需在技术效率、稳定性和成本方面持续优化。

  其次是氢气的储运问题。由于氢能生产与应用可能存在时空分布差异,导致其储存与输送过程不可或缺。特别是氢气的安全、高效和低成本储运,是氢能真正融入并规模化应用于现有能源体系的必要条件。

  除了技术难题,政策与法规环境,也是影响氢能发展的重要因素。目前,关于氢能在产氢、储存、运输等环节的法规和标准,尚处于完善阶段。相信随着一系列制度体系的完善和健全,氢能产业将生发更大的动力,汲取更强劲的动能。

  如今,大量资本和企业正进入氢能产业链,预示着这一行业将持续繁荣。这意味着,虽然我国氢能产业仍面临一些挑战,但拥有着广阔的发展空间。

         产生氢气的几大途径

  氢气的生产主要有四大技术路径:电解水制氢、化石能源制氢、工业副产制氢及生物质制氢。

  从长期视角看,电解水制氢可能是未来主流的产氢方式,其他多种产氢技术将作为补充手段,共同构建多元化制氢格局。从中短期角度来看,电解水制氢仍面临技术瓶颈和可再生电力成本等挑战,其广泛应用仍受到制约。相比之下,化石能源产氢,凭借低成本和现有的大规模基础设施,在中短期内仍将维持主导地位。

  水制氢,被认为是最可持续的途径——原料成本低廉且取用方便,燃烧释放能量后,又再生成水,循环往复、取之不尽,整个过程不会造成任何环境污染。例如,电解水产氢可以耦合可再生能源实现绿色产氢。

  但现阶段,水制氢仍面临能源利用效率低下、工程适配性不足及经济性挑战。推动电解水制氢技术的广泛应用与产业化,核心在于降低清洁电力的成本,增强其整体经济性和市场竞争力。此外,制氢催化剂长效稳定性的维持,也是当前电解水制氢技术中亟待突破的技术难题。

  笔者所在的研究团队结合多相催化(编者注:在两相〔固—液、固—气、液—气〕界面上发生的催化反应,工业中使用的催化反应大多属于多相催化)的研究特点,专注探索从水中提取氢气的科学过程。“水中取氢”的核心步骤是水分子的活化——水分子具有很高的热力学稳定性,因此在低温条件下实现水的活化并高效制氢,是当前面临的关键科学挑战。

  近年来,团队在“水中取氢”与“重整产氢”方向,发表了多篇具有国际影响力的科研论文,并形成了一系列发明专利。例如,我们与合作者最近的两项成果均围绕制氢反应过程的不同科学技术关键难点,进行探索突破。一项研究聚焦于制氢催化剂的稳定性问题,进一步开创了一种全新、具有广泛适用性的高活性产氢催化剂稳定策略,为开发高效、稳定的制氢技术提供了全新思路。另一项则聚焦于乙醇和水分子重整的零碳排放制氢路径,将为零碳排放的工业制氢奠定坚实的科学基础,为未来清洁能源的发展提供了重要的技术支撑。

  要实现氢能产业的绿色、可持续发展,还需解决一系列科学技术和应用难题。具体来说,针对中短期内仍占较大比例的化石能源制氢和工业副产制氢过程,应继续发展二氧化碳捕集与利用技术,在控制成本的同时,尽可能实现绿色环保;对于绿色可持续的催化产氢过程,需进一步优化效率以减少碳足迹;对于未来将成为主流的电解水产氢过程,如何提高其集成度、规模化以及降低可再生电能成本,则是核心问题。

  做化学研究,尤其是基础研究的人,都希望自己的成果既能“上书架”,也能“上货架”。未来,我们将紧密关注行业动态,聚焦产氢及相关过程的核心科学技术问题,发展绿色清洁的可持续产氢、储氢、运氢和用氢技术,推动重大的原创性科学研究实践落地,助力中国在氢能领域取得国际领先地位。

  (作者:高子睿 马丁,分别系北京大学化学与分子工程学院博士后,教授)