氢能驱动的未来
Date: 21.07.25
氢是宇宙中最常见的元素，自古以来广泛分布于我们的周围。那么，为何直到现在我们才认识到氢对更可持续的世界不可或缺？
目前，在全球经济中，约51%的氢气用于炼油厂，43% 的氢气用于合成氨（主要用于生产化肥）。最常见的氢气生产工艺是蒸汽甲烷重整（SMR）。这种工艺依赖于化石燃料，消耗全球约6% 的天然气和2% 的煤炭资源。
氢在地球上很少以单质形式存在，因此需要从含有氢的化合物中提取。化学式中带有“H”的化合物都含有氢元素，例如碳氢化合物、甲烷（CH4）和水（H2O）。事实上，氢约占宇宙的75%。
虽然氢气无色，但按照不同的颜色对其分类：黑氢（来自煤炭）、粉红氢（来自核能）、蓝绿氢（由甲烷热解产生）到蓝氢（由天然气产生，采用碳捕集技术），以目前最常见的灰氢（从煤气中提取）。氢气的来源材料和生产方法决定了氢的环保程度。
那么，如果氢气源自化石燃料，为什么它对实现可持续的未来如此重要呢？完全碳中和的氢气或“绿色”氢气是我们梦寐以求的“圣杯”。
绿氢通过使用电解槽向水中输送电流制造而成，电解槽的电力来自风能、太阳能或水力等可再生能源。通过电力将水分解为氢气与氧气，其中一个电极产生氢气，另一个电极则产生氧气。在可持续能源构成中，绿氢潜力巨大，这在于其燃烧方式与天然气的燃烧方式大致相同。此外，它可以进入燃料电池，以与电池类似的方式工作。
迄今为止，尽管氢的用途广泛，但制氢工艺能耗高，限制了氢的应用范围，有时制氢使用的能源甚至超过产生的能源。相较之下，基于化石燃料的灰氢则相对便宜；到目前为止，随着氢气环保程度的提高，其生产成本也随之增加。
然而，随着绿氢生产成为一种更可行的选择，这一切正在发生变化，并且在某种程度上，生产绿氢成为一种必然趋势。
化石燃料的价格不断上涨，且对气候变化产生负面影响，越来越不受人们的青睐。化石燃料还被用作地缘政治冲突中讨价还价的工具，因此减少对化石燃料的依赖变得日益紧迫。各国政府、全球机构和工业界还面临着削减温室气体排放以实现其设定的零排放目标的压力。事实上，只有通过实质性的新解决方案（如绿氢），才能实现这些目标。
此外，一系列举措将制氢列为优先事项。其中包括联合国绿氢弹射器计划（United Nations Green Catapult）、美国能源部氢计划、中国的长期氢计划和欧盟委员会的立法提案等。这些举措旨在提高制氢效率和成本效益。与此同时，太阳能和风能生产成本的下降显著降低了绿氢生产的总成本。那么，氢在可持续能源结构中将发挥怎样的作用？
当然，制造商们将在目前主要使用氢的关键化学加工应用中不断推进绿色转型。例如，在化肥生产中将从使用灰氢转变为使用绿氢。
那么氢动力汽车呢？事实上，早在1807 年，第一辆由氢气与氧气驱动的四轮汽车的构想就已经提出。甚至早在20 世纪70 年代和80 年代，许多人认为氢就是实现绿色汽车的解决方案。1978 年，好莱坞演员杰克·尼科尔森（Jack Nicholson）驾驶一辆由我们今天称之为“绿氢”驱动的汽车，令旁观者惊叹不已。
与此同时，电池技术取得了显著进步，使得目前纯电动汽车（BEV）在续航里程（一次充电或加满油后可行驶的距离）方面可与传统动力系统相媲美。尽管本田于008年成为首批向零售客户提供氢燃料电池电动汽车（FceV）的主机厂商（OEM）之一，但大多数专家认为，在可持续性汽车技术的赛道上，电池技术而非氢燃料电池技术才是真正的胜利者。
然而，对于其他类型的车辆来说，电池技术存在一些局限性，氢可能是更好的选择。据SAE International 称，主机厂商（OEM）和全球供应商正考虑将氢动力作为重型运输领域脱碳的解决方案。然而，与纯电动汽车相比，氢能源汽车长期不被看好，直到2020 年现代才开始生产Xcient氢燃料卡车。
因此，到目前为止，氢动力汽车的普及度和接受度不高也就不足为奇了。Information Trends 的数据显示，到2023 年，全球道路上只有56,000 辆氢动力汽车，其中商用或重型卡车占比非常少。然而，目前氢技术的突破有望减少车队排放，同时仍可提供可靠的服务以及拥有与现代柴油卡车等同的正常运行时间。
主机厂商正专注于开发难以实现电气化应用的技术：开发能够每天行驶400 公里及以上并在环境空气质量较低的地区使用的卡车，或具有高占空比应用（一天中大部分时间都在持续运行）的技术。
作为其探索的第一步，大多数主机厂商目前专注于利用现有技术和底盘的氢动力发动机。然而，燃料电池电动汽车最终可以为长途运输卡车实现脱碳提供长期解决方案。氢燃料电池为重型卡车在需要更高能量密度、快速燃料补充和更远行驶里程的应用中提供了广阔的前景。
除了陆上交通，海运业也面临着降低碳足迹的压力。目前，船舶的温室气体排放占全球温室气体总排放的3%。目前，正在开展几个项目，以测试氢和由氢制成的其他燃料（例如氨和甲醇）如何推动低碳海运业的发展。
另一个备受关注的领域是长途铁路，这方面的氢燃料技术已经得到实际应用。阿尔斯通的Coradia iLint ™是世界上第一辆由氢燃料电池驱动的客运列车；2022 年9月，单次充电里程达到1,175 公里，创下新的世界纪录。
氢最重要的可持续性应用是其在电网稳定供电方面的潜在作用。这是因为氢可以通过电解水产生，并可以储存起来，在需要时再次转化为电能。
可再生能源具有固有的“间歇性”特点，因为它取决于阳光照射或风吹的时间。尽管太阳能电池板和风力涡轮机的效率在不断提高，但在无法产生能源时仍需要替代能源。目前，煤气是备用能源，但因其对气候的影响，煤气是不可持续的能源。
有效的方案是用绿氢填补这一空白。当风能和太阳能发电达到峰值时，涡轮机和电池板生产的能源超过了电网的需求，因此它们会停止工作。这就导致可再生能源发电量损失高达20%。
目前，主要在氢能与可再生能源的整合方面进行投资。在发电达到峰值时，不会关闭电池板和涡轮机，而是将剩余的电力用于生产绿氢，然后储存起来。当电网需要能源时，氢气可以再次转化为电能。
令人难以置信的是，儒勒· 凡尔纳（Jules Verne）在19 世纪曾预言，水电解生产的氢气和氧气总会有一天将提供取之不尽用之不竭的热源和光源。如今，150 年后，他的预言正在得以实现，氢气将成为创造可持续发展世界的关键组成部分。
氢在地球上很少以单质形式存在，因此需要从含有氢的化合物中提取。化学式中带有“H”的化合物都含有氢元素，例如碳氢化合物、甲烷（CH4）和水（H2O）。事实上，氢约占宇宙的75%。
虽然氢气无色，但按照不同的颜色对其分类：黑氢（来自煤炭）、粉红氢（来自核能）、蓝绿氢（由甲烷热解产生）到蓝氢（由天然气产生，采用碳捕集技术），以目前最常见的灰氢（从煤气中提取）。氢气的来源材料和生产方法决定了氢的环保程度。
那么，如果氢气源自化石燃料，为什么它对实现可持续的未来如此重要呢？完全碳中和的氢气或“绿色”氢气是我们梦寐以求的“圣杯”。
绿氢通过使用电解槽向水中输送电流制造而成，电解槽的电力来自风能、太阳能或水力等可再生能源。通过电力将水分解为氢气与氧气，其中一个电极产生氢气，另一个电极则产生氧气。在可持续能源构成中，绿氢潜力巨大，这在于其燃烧方式与天然气的燃烧方式大致相同。此外，它可以进入燃料电池，以与电池类似的方式工作。
迄今为止，尽管氢的用途广泛，但制氢工艺能耗高，限制了氢的应用范围，有时制氢使用的能源甚至超过产生的能源。相较之下，基于化石燃料的灰氢则相对便宜；到目前为止，随着氢气环保程度的提高，其生产成本也随之增加。
然而，随着绿氢生产成为一种更可行的选择，这一切正在发生变化，并且在某种程度上，生产绿氢成为一种必然趋势。
化石燃料的价格不断上涨，且对气候变化产生负面影响，越来越不受人们的青睐。化石燃料还被用作地缘政治冲突中讨价还价的工具，因此减少对化石燃料的依赖变得日益紧迫。各国政府、全球机构和工业界还面临着削减温室气体排放以实现其设定的零排放目标的压力。事实上，只有通过实质性的新解决方案（如绿氢），才能实现这些目标。
此外，一系列举措将制氢列为优先事项。其中包括联合国绿氢弹射器计划（United Nations Green Catapult）、美国能源部氢计划、中国的长期氢计划和欧盟委员会的立法提案等。这些举措旨在提高制氢效率和成本效益。与此同时，太阳能和风能生产成本的下降显著降低了绿氢生产的总成本。那么，氢在可持续能源结构中将发挥怎样的作用？
当然，制造商们将在目前主要使用氢的关键化学加工应用中不断推进绿色转型。例如，在化肥生产中将从使用灰氢转变为使用绿氢。
那么氢动力汽车呢？事实上，早在1807 年，第一辆由氢气与氧气驱动的四轮汽车的构想就已经提出。甚至早在20 世纪70 年代和80 年代，许多人认为氢就是实现绿色汽车的解决方案。1978 年，好莱坞演员杰克·尼科尔森（Jack Nicholson）驾驶一辆由我们今天称之为“绿氢”驱动的汽车，令旁观者惊叹不已。
与此同时，电池技术取得了显著进步，使得目前纯电动汽车（BEV）在续航里程（一次充电或加满油后可行驶的距离）方面可与传统动力系统相媲美。尽管本田于008年成为首批向零售客户提供氢燃料电池电动汽车（FceV）的主机厂商（OEM）之一，但大多数专家认为，在可持续性汽车技术的赛道上，电池技术而非氢燃料电池技术才是真正的胜利者。
然而，对于其他类型的车辆来说，电池技术存在一些局限性，氢可能是更好的选择。据SAE International 称，主机厂商（OEM）和全球供应商正考虑将氢动力作为重型运输领域脱碳的解决方案。然而，与纯电动汽车相比，氢能源汽车长期不被看好，直到2020 年现代才开始生产Xcient氢燃料卡车。
因此，到目前为止，氢动力汽车的普及度和接受度不高也就不足为奇了。Information Trends 的数据显示，到2023 年，全球道路上只有56,000 辆氢动力汽车，其中商用或重型卡车占比非常少。然而，目前氢技术的突破有望减少车队排放，同时仍可提供可靠的服务以及拥有与现代柴油卡车等同的正常运行时间。
主机厂商正专注于开发难以实现电气化应用的技术：开发能够每天行驶400 公里及以上并在环境空气质量较低的地区使用的卡车，或具有高占空比应用（一天中大部分时间都在持续运行）的技术。
作为其探索的第一步，大多数主机厂商目前专注于利用现有技术和底盘的氢动力发动机。然而，燃料电池电动汽车最终可以为长途运输卡车实现脱碳提供长期解决方案。氢燃料电池为重型卡车在需要更高能量密度、快速燃料补充和更远行驶里程的应用中提供了广阔的前景。
除了陆上交通，海运业也面临着降低碳足迹的压力。目前，船舶的温室气体排放占全球温室气体总排放的3%。目前，正在开展几个项目，以测试氢和由氢制成的其他燃料（例如氨和甲醇）如何推动低碳海运业的发展。
另一个备受关注的领域是长途铁路，这方面的氢燃料技术已经得到实际应用。阿尔斯通的Coradia iLint ™是世界上第一辆由氢燃料电池驱动的客运列车；2022 年9月，单次充电里程达到1,175 公里，创下新的世界纪录。
氢最重要的可持续性应用是其在电网稳定供电方面的潜在作用。这是因为氢可以通过电解水产生，并可以储存起来，在需要时再次转化为电能。
可再生能源具有固有的“间歇性”特点，因为它取决于阳光照射或风吹的时间。尽管太阳能电池板和风力涡轮机的效率在不断提高，但在无法产生能源时仍需要替代能源。目前，煤气是备用能源，但因其对气候的影响，煤气是不可持续的能源。
有效的方案是用绿氢填补这一空白。当风能和太阳能发电达到峰值时，涡轮机和电池板生产的能源超过了电网的需求，因此它们会停止工作。这就导致可再生能源发电量损失高达20%。
目前，主要在氢能与可再生能源的整合方面进行投资。在发电达到峰值时，不会关闭电池板和涡轮机，而是将剩余的电力用于生产绿氢，然后储存起来。当电网需要能源时，氢气可以再次转化为电能。
令人难以置信的是，儒勒· 凡尔纳（Jules Verne）在19 世纪曾预言，水电解生产的氢气和氧气总会有一天将提供取之不尽用之不竭的热源和光源。如今，150 年后，他的预言正在得以实现，氢气将成为创造可持续发展世界的关键组成部分。
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