文/李燦 中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)報(bào)
氫被譽(yù)為未來世界能源架構(gòu)的核心，也被認(rèn)為是最潔凈的燃料。不過，如果氫氣來自于化石燃料，則其制備過程并不“潔凈”。目前，商用氫氣96%以上是從化石燃料中制取，制氫過程中會(huì)排放大量二氧化碳，這類氫氣也被稱為“灰氫”。
發(fā)展氫能不可以偏離初衷。從環(huán)境和生態(tài)的角度來看，通過風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)“零碳排放”，獲得真正潔凈的“綠氫”，還能夠?qū)㈤g歇、不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存為化學(xué)能，促進(jìn)新能源電力的消化，由此帶來的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益是難以估量的。
我國可再生能源十分豐富，開發(fā)力度也位居世界前列，新能源新增及累計(jì)裝機(jī)容量均排名世界第一。為落實(shí)“2030年前碳達(dá)峰”和“2060年前碳中和”的目標(biāo)，“十四五”時(shí)期還需要進(jìn)一步加大力度發(fā)展可再生能源，進(jìn)而進(jìn)行可再生能源制氫，這將是碳減排的重要路徑之一。
實(shí)際上，包括海水在內(nèi)的水資源是地球上最大的“氫礦”，電解水制氫被認(rèn)為是制備氫氣的有效方法。但是，可再生能源電解水制綠氫能否實(shí)際解決并應(yīng)用于規(guī)?；瘻p碳，還需要克服三大難題：電解水的大規(guī)模、低能耗和高穩(wěn)定性。筆者認(rèn)為，這應(yīng)該是“十四五”需要重點(diǎn)解決的工程技術(shù)難題。
要實(shí)現(xiàn)這三者的統(tǒng)一，首先需要研發(fā)新型電極催化技術(shù)、先進(jìn)的隔膜和電解槽組件技術(shù)及其系統(tǒng)工程技術(shù)，才能克服電解水電極催化劑活性低、能量轉(zhuǎn)化效率低等關(guān)鍵技術(shù)問題。例如，在低電壓下增大產(chǎn)氫電流密度、降低制氫能耗，提升穩(wěn)定性、擴(kuò)大單體電解槽設(shè)備制氫規(guī)模等。
目前，電解水制氫均采用純度較高的淡水為原料，若全球需氫量劇增，用豐富的海水資源直接制備氫氣將是一種途徑。電解海水更須具備“大規(guī)?！薄暗湍芎摹焙汀案叻€(wěn)定性”才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前，淡水條件下的電解水技術(shù)將為電解海水制氫奠定基礎(chǔ)，從原理和技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)看，實(shí)現(xiàn)電解海水制氫技術(shù)上也完全可行。
“十四五”要想把氫能產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)、做大，可再生能源電解水制氫勢(shì)在必行。一方面，可再生能源電解水制得的綠氫不僅可以直接作為燃料電池的燃料，另一方面，將其與二氧化碳相結(jié)合還可以合成甲醇。甲醇是液體燃料。它可以像汽油一樣運(yùn)輸、儲(chǔ)存，被輸送到加氫站后再轉(zhuǎn)化成氫。這樣就可以緩解氫燃料電池“制、儲(chǔ)、運(yùn)、加”的安全性和成本問題。
以甲醇為氫源的氫加氣站的方案具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，建議“十四五”時(shí)期進(jìn)行推廣。與傳統(tǒng)的氫氣加氣站不同，新方案既可以解決高壓運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加氫的安全問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳回收和用氫全過程清潔的目標(biāo)，可以形成油、醇、氫共站的新局面。
用綠色氫能轉(zhuǎn)化二氧化碳合成的甲醇被稱之為“太陽燃料”或“液態(tài)陽光”甲醇?！耙簯B(tài)陽光”甲醇是一種零碳排放液態(tài)燃料，也是一種重要的綠色化工原料。若“液態(tài)陽光”甲醇能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模使用，有望替代部分由煤炭、石油、天然氣等化石能源合成的甲醇，建立新型綠色低碳、高效的能源系統(tǒng)，催生新興的能源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。
