氢能拯救气候的潜力燃料、制氢储氢形成有效率能源循环闭环
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氢能(hydrogen) 是一种丰富的资源，在应对气候变化被誉为对环境友善的燃料，可以帮
助世界上污染最严重的石化行业大幅减少碳排放。目前，许多国家及企业越来越看中氢能
未来发展价值，希望能将氢真正成为绿色能源。
氢能有很多优势，就是质量能量密度非常大，是锂离子电池的几百倍，一吨锂离子电池的
汽车可以跑几百公里，但同等能量密度下仅需几公斤氢气就足够了。还有，氢的产物只有
水，没有二氧化碳，是一个零排放的能源媒介。例如，用于太空船的燃料及未来运输业的
动力来源。欧洲公司空中客车公司（Airbus）表示，希望在2035年之前推出世界上第一架
氢动力商用飞机。同时，许多大型汽车制造商已经使用氢燃料电池于汽车制造。德国和义
大利的运输政策正在制订氢动力火车计划。氢被认为是化石燃料的特别有前途的替代品。
像德国的Thyssenkrupp钢铁制造商正在试验制造氢动力炉。
根据国际能源署（International Energy Agency）的数据，2017年全球氢气生产量排放
了8.3亿吨二氧化碳，相当于印尼和英国的总排放量。
如何制氢
长期以来，科学家一直以电解过程从水中产生氢，也就是借由电流通过水，将其分解为氢
和氧。但是，这个过程仍需要使用到电力，以目前燃烧煤炭和天然气来发电。
基于水中含有丰富的氢，氢和水之间的相互转化可实现一个能源循环的闭环。目前，三种
产生氢能之来源：
第一个是绿色氢利用来自可再生能源驱动的水进行电解。这样可以减少碳排放，但成本仍
然很高。
第二种是从天然气中获得所谓的蓝色氢气，并在此过程中使用捕获二氧化碳技术。埃克森
美孚（ExxonMobil）和埃尼（ENI）等公司，都采用这种技术来产生氢能，但是，对二氧
化碳封存过程仍然不确定且成本高昂。
第三种是从核电产生的低碳氢进行电解。中国是这种方法的主要支持者，然而核能在世界
其他地方均不受欢迎。
产生氢能的选择路径，完全由成本价格和资源决定的，例如日本缺乏石油资源，会更倾向
用电解水制氢；中国有丰富煤更愿意用煤制氢。目前为止，全世界只有4% 的氢来自于电
解水制氢，更多的是来自于化石能源制氢。
关于电解水制氢，就是阴极产氢和阳极产氧，两个电极把水分裂成氢气和氧气的过程。电
解水制氢最大的优势在于，如果电来自于可再生能源，电解水制氢就是一个零排放技术。
但是目前电解水制氢主要的一个制约因素是高电耗带来的高成本。电解水的理论电压是
1.23 伏，电耗是2.943 度电/立方氢。但，复旦大学研究员龚鸣认为，电解水制氢可通过
精准的材料设计，可比现在工业上用的催化剂降低大概20% 的能耗。
电解水制氢主要可以分为四大类技术：碱槽电解、质子交换膜（PEM）电解、阴离子交换
膜（AEM）电解以及高温固体氧化物电解，其中前三类主要针对可再生能源。碱槽电解技
术相对比较成熟，适合大规模制氢，但产速较低、电耗较大。针对这两个劣势，质子交换
膜技术可以替换碱性电解质实现纯水的电解，产速较高、电耗较低，但对应的成本较高。
阴离子交换膜技术可以潜在结合两者的优势，但仍局限于阴离子膜的开发。而高温氧化物
电解技术可以针对核能废热废电实现高产速的氢气制备，但是相关技术仍在开发当中。
然而，在制氢过程更需要考虑一下氧管理，例如是否能有一种天然的资源可以捕获氧，形
成高附加值的产物？这样就可以在产氢的同时，将水中的氧转移到更有价值的地方去，从
而进一步降低制氢的成本。
在整个氢能产业链，主要分为四个环节：制氢、储氢、运氢、用氢，每个环节的能量效率
以及是否形成闭环，是决定氢能经济以及氢能效率的关键要素。
虽然氢能有很多优势，但是氢能可能存在一些潜在问题，就是安全性及储存议题。从氢气
的性质来说，氢气是密度极低的还原性物质。密度极低就代表会持续往上升，并会最终逃
出地球。而氢还原性性质导致会和大气中很多的化学物质进行反应，例如氢会和大气中的
氧物种进行反应，形成大量的水分，这些水分会平流层的底部进行累积，使局部的温度降
低，过量的氢排放会造成臭氧层空洞恶化，不利于臭氧的形成，导致臭氧层空洞修复的整
个过程变得异常缓慢。
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如何储氢
储氢是保证氢能安全以及可持续性的重要环节，主要分为物理储氢和化学储氢。
物理储氢是通过物理隔离的方式将氢气储存的一种方式，效率比较高，但是实现长时间储
存会面临一定的泄露风险，无法完成可持续性的目标。
化学储氢，则通过化学反应将氢转化成含氢的物质进行储存，安全性比较高，但对应整个
能源循环的效率就有所下降，因为整个过程需要额外的能量。
复旦大学研究员龚鸣认为，提高储氢可持续性的一种方式是不局限于储氢材料的寻找，而
更多地提高过程效率。比如，传统方式是通过先制氢再储氢的方式，整个过程步骤较多，
导致过程效率叠加时的总效能下降。把制氢和储氢结合起来，不直接产生氢气，而是直接
产生含氢的物质，将这些物质进行储存，需要的时候再通过化学反应把氢气释放出来，这
样可以大大减少整个过程所需要的步骤，提高整个储氢用氢过程的效率。
目前，物理储氢是现在主流的技术，但未来大家可能更多地布局化学储氢。各个国家对此
提出了不同的战略，美国能源局已提出目标，去寻找一些兼顾高储氢密度和储氢能效的材
料，尤其是固态储氢。但目前，储氢密度比较高的材料储氢能效比较低，储氢能效比较高
的材料储氢密度比较低，这个两难的困境需要持续的研发。日本则提出液态有机物的储氢
技术，可通过液态甲苯和液态甲基环己烷之间的相互转化，实现氢气的安全存储以及运输
，但同样受限于其循环能效。
各国政府正鼓励发展氢能政策
制定氢战略和基础设施是朝着零碳氢的积极一步，目前，各国政府正鼓励发展清洁氢气的
政策。但并非所有策略都只专注于绿色氢，有些包括将煤炭、天然气和核能转化成氢。
欧盟希望到2050年氢在其能源结构比率达12％至14％，而目前仅占2％。欧盟估计所需资
金在1800亿欧元（2180亿美元）至4700亿美元之间。在过去的一年中，荷兰、葡萄牙、德
国和法国都发布了氢能策略。德国已拨出90亿欧元用于绿色氢气。荷兰正计划建立“氢谷
”。
美国国家能源局在2016 年提出了规模化氢能经济战略（[email protected]），在电能的基础上发
展氢能网络，以期电能和氢能深度融合相互支撑，提高可再生能源的利用率以及电力在整
个能源系统中的比重。中国已经是氢技术的世界领导者，澳大利亚，日本，韩国也推动氢
革命。
虽然，因政府大量补贴及技术进步，使得太阳能和风能的价格下降、以及氢的使用不断增
加可能会使其生产成本在2050年之前大幅下降。专家估计，届时它的生产价格将在0.80美
元（0.66欧元）至1.6美元/千克之间，与天然气相当。同时，认为只有在正确选择使用氢
的情况下，氢成为更广泛的全球能源政策的一部分，氢才能为对抗气候变化做出真正的贡
献。