“氫氫”地，你正身處一場能源革命中｜國家工業密碼·未來篇

小新說

“十四五”圓滿收官、“十五五”揚帆起航之際，由中央網信辦網絡傳播局、國務院國資委宣傳工作局指導，國務院國資委新聞中心主辦的《國家工業密碼·未來篇》網絡互動傳播活動正式啟動。小新聯合中國科協創新戰略研究院、總臺科晚、總臺《創新進行時》欄目、中國移動咪咕、國家電網英大傳媒、機械工業出版社、《人民畫報》雜志、《美術》雜志、星球研究所、混知等伙伴共創，以宏觀的產業視角、微觀的技術視角，生動呈現中央企業在科技創新前沿取得的重大突破，在加快發展新質生產力、建設現代化產業體系進程中的硬核力量，帶您讀懂中國工業的創新密碼。今天為您帶來小新和星球研究所共創的《如何策劃一場氫能革命》。

“熱”知識：

如果你正在做飯，你家的燃氣灶

此時燃燒的很可能不只有天然氣，

還有氫。

沒錯，不知不覺間，

你早已身處一場能源革命之中。

“氫氫”敲醒一場能源革命，

我們的“來路”和“前路”在哪里？

清潔的“氫”，哪里來？

這是中國最強大的火箭，

一次能推起800輛小汽車的重量，

但它燒的不是煤、不是油，

而是氫；

這是中國最強勁的礦用卡車之一，

一次能拉動大約30頭大象，

但它用的不是煤、不是油，

而是氫；

這是中國面積最大的南極科考站，

一次最多能容納80位科考人員，

但讓它運轉的不只是油，

還有氫。

為什么偏偏是氫？

因為，它發生燃燒等反應時，

產生的僅僅是水，

——沒有污染物，沒有碳排放，

而它釋放的熱量，

卻能達到同等質量汽油的3倍，

煤炭的4-5倍。

但是，當前中國的大部分氫氣

依然需要從化石能源和工業生產中提取，

過程中也還會產生大量二氧化碳，

這些氫氣被稱作“灰氫”。

但在生產清潔的氫的路上，

我們已經邁開大步，收獲頗多——

我們到底是如何開始撼動

化石能源統治了260多年的

能源格局呢？

你是否還記得中學課堂里的
“電解水制氫”實驗？

只要準備

一個電源、兩個電極、一盆清水，

就可以讓水“分解”為氫氣和氧氣；

很好，此時我們

把整個裝備擴大復制數百萬倍，

就是一個工業級別的制氫設備——

堿性電解槽。

不過，

如果當前中國全年的氫氣產量

都只靠電解水，

那消耗的水相當于

1100萬人一年的生活用水，

消耗的電則相當于

全國人民一年多的生活用電。

這些成本，怎么控制？

電不夠，就去找電：

那些無法完全被電網消納

而“富余”出來的風電和光電

找到了適合自己的位置，

避免被棄用的同時

還能化作氫能儲存起來。

水不夠，就去找水：

礦井水、工業廢水，

甚至是茫茫汪洋之中的海水——

這可不是一座簡單的海上平臺，

而是一座海上制氫廠。

工程師們不僅可以通過常規方法

先淡化海水再電解制氫，

甚至還在嘗試

用特殊的結構和工藝

直接電解海水。

我們的能源行業工作者們

始終不滿足，

這一產業，現在還能加上

以莊稼秸稈等廢棄物

為原料的生物質制氫，

以及未來或許能實現的大規模核能制氫、

光解水制氫等等。

直到有朝一日，

各種來源的氫，會絢麗如虹，

讓這場能源革命的生產成本大幅降低。

但生產，還僅僅是第一步，

接下來，

又該如何把氫運往天南海北呢？

“氫”送萬里，何以載“氫”？

作為自然界密度最小的氣體，

要裝下1噸氫氣，

至少需要5個標準游泳池。

顯然，直接這樣運輸，

成本實在太高。

“壓縮”這一選擇，

似乎水到渠成：

在200倍大氣壓的高壓下，

將氫氣的體積壓縮到原來的1/200，

問題似乎迎刃而解，

然而氫原子實在太微小了，

在長期的高壓狀態下，

會逐漸侵入到金屬材料內部，

并緩慢發生反應、形成裂紋，

如果再遭受外力，

就容易出現開裂、破碎，

這就是“氫脆”。

好在材料工程師們出手了，

他們利用特殊的鋼材和工藝加工成無縫鋼瓶，

足以儲存200倍大氣壓的氫氣，

當它們編排成組，

就是目前最成熟的短距離運氫方式——

長管拖車。

又或者以鋁合金做內膽，

外部纏繞碳纖維，

制成強度更高、質量更輕的儲氫瓶，

就能為氫能汽車儲存燃料。

但這些方式最多也只能裝載

500公斤高壓氫氣，

這輛儲氫車

卻是即便在常溫常壓下，

也能儲存1噸氫氣，

不過它用的不是瓶瓶罐罐，

不是將氣體體積變小的思路，

而是一種特殊的金屬材料，

通過和氫氣發生反應

把氫氣變成固體物質儲存起來。

那么，還能繼續縮小體積嗎，

比如把氣體徹底變成液體？

當然可以！

像這樣的液氫槽罐車，

一次可以裝載4噸氫氣。

可是，直接讓氫氣液化，

溫度必須低于-253℃，

比讓天然氣液化的溫度還要再低 90℃，

這也意味著液化氫氣的能耗

將達到液化相同質量天然氣的十幾倍。

但化學工程師表示，

誰說液體只能是液氫呢？

回到剛剛出場過的這座海上平臺，

它除了電解海水以外，

還能將氫氣轉化為液氨和甲醇儲存起來，

更加安全，也更加節能，

這就是全球首座氫氨醇一體化平臺。

可以想象，

當它被放在航道上時，

便能化身往來船只的海上“加氫站”；

而在陸地上，

也只需要一條重載鐵路，

就可以把50多節車廂里滿載的2000多噸氨醇，

從西北內陸運往東部沿海。

要推動一場氫能運輸革命，

僅靠這些運氫方式似乎還不夠。

別擔心，就在你不知不覺間，

一條從內蒙古烏蘭察布出發、

跨越9個縣區

直達京津冀的氫氣輸送管道已經啟動

——這就是“西氫東送”，

管道全長400多公里，

它建成之后，

一年運送的氫氣將達到10萬噸，

而運輸成本僅有長管拖車的1/5。

至此，

氫能已經接連開啟了生產革命和運輸革命，

而天南海北的氫，

又會釋放怎樣的能量？

氫能，為什么“能”？

有一種特殊的電池，

只需一極接入氫氣、一極接入空氣，

就能在催化劑的作用下，

通過在兩極間轉移電子產生化學反應，

重新生成水，

并同時形成電流、釋放電能，

這就是氫燃料電池。

如果把它裝進車里，

你就可以得到一輛氫能汽車。

相比油車，

它零碳無污染，

而相比電車，

它只要加氫3-5分鐘

就可以續航500公里，

在零下40℃也可以輕松啟動。

那既然如此，

為何不把它裝在更多地方呢？

現在，一輛氫能汽車的售價

是純電版本的近4倍，

每100公里的燃料成本也最多相差2倍，

截至2024年底，

全國擁有加氫站540座，

還難以與隨處可見的加油站和充電樁相比。

是的，

一方面你會看到

一場“替碳行動”已然開啟，

公路上，

河北的綠氫正通過一輛輛長管拖車，

源源不斷地運往北京的加氫站，

隨后被加注到公交、大巴里；

而鐵路上，

氫能列車正在替代內燃機列車；

河流上，

氫能船舶也在替代燃油船舶；

氫能重卡在礦場里往來穿梭，

甚至氫能無人機也在天空中展翅翱翔

不僅如此，

作為更清潔的工業原料，

氫能也在席卷

鋼鐵廠、化工廠、煤電廠等各種工廠。

而另一方面，

你同樣會看到，

盡管今天中國已經成為

全球第一大氫氣生產國和消費國，

但氫的生產成本依然是煤炭、石油的十幾倍，

輸氫管道的造價將達到天然氣的2-3倍，

再加上居高不下的氫燃料電池造價等等，

想提高氫能在能源結構中的占比

依然任重而道遠。

但這依然是一場不得不開啟的能源革命，

畢竟，根據估算，

人類將在未來100多年里，

用完當前已發現的

所有天然氣、石油和煤炭。

我們必須重構一個全新的能源體系，

包括風、光、水、核，

也包括氫。

這種特殊的能源，

取之于水

最后又化作了水，

看似什么也沒有改變，

但由它點亮的文明之火，

卻在真實地存在著、閃耀著。

我們的能源行業建設者們，

前赴后繼，鉆研創新，

一塊塊地點亮著這場能源革命的每一格拼圖。

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責任編輯丨程鏡睿

校對丨陳婷 葛瑞蒂

執行主編丨劉海草 張灝然

內容來源｜國家能源集團 星球研究所