復(fù)旦大學(xué)青年研究員龔鳴：氫能是能源循環(huán)重回平衡的一個媒介

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領(lǐng)袖峰會暨《麻省理工科技評論》中國 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 頒獎典禮在紹興上虞舉行。“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國榜單正式發(fā)布。

會上，2019 年“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”獲得者復(fù)旦大學(xué)青年研究員龔鳴就可持續(xù)氫能發(fā)表了他的見解。

能源可持續(xù)是 21 世紀(jì)面臨最大的挑戰(zhàn)之一，目前大部分能源的主要來源于化石能源，資源非常有限。二氧化碳排放量持續(xù)上升，已經(jīng)打破了近百萬年的平衡，并帶來了溫室效應(yīng)以及氣候變化問題，所以人類不得不重新建立能源平衡。

為何會打破能源平衡？又如何回歸平衡？自然界的能源循環(huán)通過光合作用，在能源媒介介導(dǎo)下，固定二氧化碳并形成葡萄糖這種可提供能源分子，這些分子又能夠在呼吸作用下，重新獲取能量，閉環(huán)這一能源循環(huán)，又存有一定余量。億萬年的積累鑄造了當(dāng)今可供開采的化石能源體系，然而高速的工業(yè)化和現(xiàn)代化打破了化石能源在生成和利用上的原有平衡，時間和空間尺度上的嚴(yán)重不匹配造成了整個失衡。

面對這個失衡，當(dāng)今科學(xué)家可以通過化學(xué)合成的方法固定二氧化碳快速合成燃料，但這個過程既耗氫又耗能。目前能量和氫的主要來源是化石燃料，違背了我們減少碳排放的初衷，不利于碳中和的目標(biāo)。所以想要彌補(bǔ)能源上的缺口建立能源平衡，能量必須來自可再生能源，這也是大自然給予我們最大的啟示。

氫能應(yīng)運(yùn)而生

21 世紀(jì)以來，可再生能源飛速發(fā)展，尤其是光伏風(fēng)電行業(yè)，但是相較于 20 世紀(jì)初的電力產(chǎn)業(yè)，少了一百年的積累，可再生能源的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍然薄弱，同時可再生能源有一個時空不均一的局限性。比如說太陽能，白天有而晚上沒有；風(fēng)能，則是中國北方多、南方少。這就需要一個能源媒介讓我們在可再生能源富裕的時候?qū)⑵鋬Υ嫫饋恚诳稍偕茉簇汃さ臅r候，重新釋放出來以獲取能源。

基于此，氫能應(yīng)運(yùn)而生。水中含有豐富的氫，氫和水之間的相互轉(zhuǎn)化可實(shí)現(xiàn)一個能源循環(huán)的閉環(huán)。除此之外，氫能有很多優(yōu)勢：一是質(zhì)量能量密度非常大，是鋰離子電池的幾百倍，一噸鋰離子電池的汽車可以跑幾百公里，但同等能量密度下幾公斤氫氣就足夠了。二是氫的產(chǎn)物只有水，沒有二氧化碳，所以是一個零排放的能源媒介。氫還有著來源廣泛、與可再生能源高度匹配、可以合成燃料去消納過剩的二氧化碳等優(yōu)勢。

雖然氫能有很多優(yōu)勢，但是氫能可能存在一些潛在問題。只有更好地認(rèn)識氫能的問題，才能更好駕馭和利用氫能。

首先，鑒于歷史上有很多氫氣爆炸事故的發(fā)生，安全地使用和儲存氫氣非常重要。但是，其實(shí)在安全性方面，氫氣有一些可能是優(yōu)勢的特征，比如，氫氣擴(kuò)散性非常強(qiáng)，能以最快的速度泄露出去，從而減少持續(xù)燃燒的危險；再比如，氫氣的爆炸能量相對來說比較小，所以有研究表明，氫燃料電池的車的爆炸危害可能比汽油車會小很多。

這也帶來了另一點(diǎn)值得我們深入思考和探究的問題，那就是在更廣闊的環(huán)境意義上，氫能是可持續(xù)的嗎？從氫氣的性質(zhì)來說，氫氣是密度極低的還原性物質(zhì)。密度極低就代表會持續(xù)往上升，并會最終逃逸出地球。其還原性性質(zhì)導(dǎo)致會和大氣中很多的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

十幾年前的研究表明，過量的氫排放會造成臭氧層空洞惡化。這是因?yàn)闅鋾痛髿庵械难跷锓N進(jìn)行反應(yīng)，形成大量的水分，這些水分會平流層的底部進(jìn)行累積，使局部的溫度降低，不利于臭氧的形成，導(dǎo)致臭氧層空洞修復(fù)的整個過程變得異常緩慢。

這些研究并不是在阻礙氫能的發(fā)展，而是為氫能可持續(xù)發(fā)展更好地未雨綢繆。比如這個臭氧層空洞的分析取決于大氣中氫的含量，氫的含量不僅僅取決于使用量，而是取決于制氫、儲氫的泄露率，在提高使用量的前提下減少泄露率就可以提高氫能可持續(xù)性?！敖⒏鼮橥晟瓢踩墓?yīng)體系，是我們?nèi)祟愒跓o數(shù)次的危機(jī)中學(xué)到的基本技能。”龔鳴強(qiáng)調(diào)。

很多國家從 2010 年以來，就提出了各種氫能戰(zhàn)略。中國也在積極地探討關(guān)于氫能的能源戰(zhàn)略。美國國家能源局在 2016 年提出了規(guī)模化氫能經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略（H2@Scale），在電能的基礎(chǔ)上發(fā)展氫能網(wǎng)絡(luò)，以期電能和氫能深度融合相互支撐，提高可再生能源的利用率以及電力在整個能源系統(tǒng)中的比重，這樣可以減少我們對化石能源的依賴以及實(shí)現(xiàn)碳中和的目的。在整個氫能鏈條里面，主要分為四個環(huán)節(jié)：制氫、儲氫、運(yùn)氫、用氫，每個環(huán)節(jié)的能量效率以及是否形成閉環(huán)，是決定氫能經(jīng)濟(jì)以及氫能效率的關(guān)鍵要素。

關(guān)于電解水制氫技術(shù)

目前為止，全世界只有 4% 的氫來自于電解水制氫，更多的是來自于化石能源制氫。

“這是由價格和資源決定的，比如我國就是一個富煤少氣的國家，所以大家更愿意用煤制氫。而日本是資源相對匱乏一點(diǎn)的國家，更傾向用電解水制氫，所以各個國家會選取各個國家適合自己的制氫路徑?！饼忴Q表示。

關(guān)于電解水制氫，就是陰極產(chǎn)氫和陽極產(chǎn)氧，兩個電極把水分裂成氫氣和氧氣的過程。電解水的理論電壓是 1.23 伏，電耗是 2.943 度電/立方氫。

龔鳴介紹，電解水制氫最大的優(yōu)勢在于，如果電來自于可再生能源，電解水制氫就是一個零排放技術(shù)。另外，電解水制氫的純度非常高，高純氫的應(yīng)用領(lǐng)域非常重要，但是目前電解水制氫主要的一個制約因素是高電耗帶來的高成本。

電解水制氫主要可以分為四大類技術(shù)：堿槽電解、質(zhì)子交換膜（PEM）電解、陰離子交換膜（AEM）電解以及高溫固體氧化物電解，其中前三類主要針對可再生能源。堿槽電解技術(shù)相對比較成熟，適合大規(guī)模制氫，但產(chǎn)速較低、電耗較大。針對這兩個劣勢，質(zhì)子交換膜技術(shù)可以替換堿性電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)純水的電解，產(chǎn)速較高、電耗較低，但對應(yīng)的成本會急劇上升。陰離子交換膜技術(shù)可以潛在結(jié)合兩者的優(yōu)勢，但仍局限于陰離子膜的開發(fā)。而高溫氧化物電解技術(shù)可以針對核能廢熱廢電實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)速的氫氣制備，但是同樣部分技術(shù)仍在開發(fā)當(dāng)中。

一直以來，龔鳴從事堿性電解水的研究，主要目標(biāo)是通過高豐度、低成本的催化劑，以降低整個電解水制氫的電耗。他表示：“通過精準(zhǔn)的材料設(shè)計，可以比現(xiàn)在工業(yè)上用的催化劑降低大概 20% 的能耗。由于現(xiàn)在電解水的主要成本來自于電耗，所以 20% 的能耗下降就意味著可以大大降低制氫的成本?！?/span>

隨著制氫電耗慢慢下降，催化劑的研發(fā)也逐漸接近一個瓶頸期。如何突破現(xiàn)有能耗形成下一代電解水技術(shù)，龔鳴又提出了他的一些思考。他指出在可持續(xù)性方面，電解水制氫可能存在一些潛在問題，那就是關(guān)于電解水中的水。由于對電解水來說水的價格遠(yuǎn)小于電的價格，所以大家關(guān)注地比較少，但實(shí)際上目前的技術(shù)對水質(zhì)有著非常高的要求，而我們的淡水資源非常有限，且可再生能源和水資源在地域尺度上嚴(yán)重不匹配。另外，富產(chǎn)的氧氣其實(shí)應(yīng)用也非常有限，造成一定程度上資源的浪費(fèi)。

因而，面向制氫可持續(xù)性問題，需要在考慮氫經(jīng)濟(jì)的時候，更需要考慮一下氧管理。比如，是否能有一種天然的資源可以捕獲氧，形成高附加值的產(chǎn)物？這樣就可以在產(chǎn)氫的同時將水中的氧轉(zhuǎn)移到更有價值的地方去，從而進(jìn)一步降低制氫的成本。

龔鳴稱，這些天然資源其實(shí)并不難找，比如說天然生物質(zhì)、尿液中的尿素、工業(yè)廢水中的有機(jī)質(zhì)，這樣可以解決資源不匹配地域尺度的問題，以實(shí)現(xiàn)“有什么電什么”的下一代耦合電解水產(chǎn)氫技術(shù)。當(dāng)然這個技術(shù)還有很長的路要走，但無疑是下一個提高制氫可持續(xù)性的潛在方案。

如何儲氫？

儲氫是保證氫能安全以及可持續(xù)性的重要環(huán)節(jié)，主要分為物理儲氫和化學(xué)儲氫。物理儲氫是通過物理隔離的方式將氫氣儲存的一種方式，效率比較高，但是實(shí)現(xiàn)長時間儲存會面臨一定的泄露風(fēng)險，無法完成可持續(xù)性的目標(biāo)?；瘜W(xué)儲氫，則通過化學(xué)反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化成含氫的物質(zhì)進(jìn)行儲存，安全性比較高，但對應(yīng)整個能源循環(huán)的效率就有所下降，因?yàn)檎麄€過程需要額外的能量。

物理儲氫是現(xiàn)在主流的技術(shù)，但未來大家可能更多地布局化學(xué)儲氫。各個國家對此提出了不同的戰(zhàn)略，美國能源局已提出目標(biāo)，去尋找一些兼顧高儲氫密度和儲氫能效的材料，尤其是固態(tài)儲氫。但目前儲氫密度比較高的材料儲氫能效比較低，儲氫能效比較高的材料儲氫密度比較低，這個兩難的困境需要持續(xù)的研發(fā)。日本則提出液態(tài)有機(jī)物的儲氫技術(shù)，可通過液態(tài)甲苯和液態(tài)甲基環(huán)己烷之間的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)氫氣的安全存儲以及運(yùn)輸，但同樣受限于其循環(huán)能效

龔鳴表示，提高儲氫可持續(xù)性的一種方式是不局限于儲氫材料的尋找，而更多地提高過程效率。比如，傳統(tǒng)方式是通過先制氫再儲氫的方式，整個過程步驟較多，導(dǎo)致過程效率疊加時的總效能下降。把制氫和儲氫結(jié)合起來，不直接產(chǎn)生氫氣，而是直接產(chǎn)生含氫的物質(zhì)，將這些物質(zhì)進(jìn)行儲存，需要的時候再通過化學(xué)反應(yīng)把氫氣釋放出來，這樣可以大大減少整個過程所需要的步驟，提高整個儲氫用氫過程的效率。這是龔鳴一直在思考和研究的方向。

龔鳴最后強(qiáng)調(diào)，氫能是減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和，能源循環(huán)重回平衡的一個能源媒介。在整個氫能鏈條下，只有保證整個氫平衡、氫循環(huán)以及高效的氫能存儲與轉(zhuǎn)換，才能真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)氫。而在考慮氫經(jīng)濟(jì)的前提下考慮一下氧管理和碳中和是一條潛在可行的路徑。他也最終表示了他對可持續(xù)氫能未來蓬勃發(fā)展的期待和展望。