氢仍然是未来的燃料?

无论如何，我们需要在未来30年内将与能源相关的二氧化碳排放量减少60%，以将全球变暖限制在2°C以内。随着全球人口的增长和富裕程度的提高，应对这一挑战变得更加紧迫。再加上相关的空气污染造成的损害，人们的注意力又回到了一种储量丰富、燃烧时不产生碳排放、能量密度是化石燃料的两倍的元素上，这就不足为奇了。氢的吸引力在于它既可以作为原料，也可以作为能量载体。

在世界各地，研究人员都在努力提高生产、储存、运输和使用氢的效率和成本，这些应用领域包括供热和运输。从制氢技术的进步，到可以取代聚合物电解质膜燃料电池中铂的新型催化材料，这些材料将降低燃料电池的成本。示范项目正在进行中，这些项目可能会提供数据和技术，以显示氢气在哪里以及如何取代化石燃料。但在某种程度上，政客们将不得不做出决定，鼓励基础设施的建设。位于英国奥克尼的欧洲海洋能源中心(European Marine energy Centre)的氢开发经理乔恩•克利普沙姆(Jon Clipsham)表示，我们需要的就是重新构想我们的整个能源系统。

2011年福岛发生海啸并引发核灾难后，日本已经做出了这一承诺。它打算利用2020年东京奥运会展示数千辆氢燃料电池汽车、一个加油站网络和一个氢动力运动员村。日本汽车制造商正在销售氢燃料电池汽车，丰田正在建造一家生产燃料电池堆的工厂。日本家庭正在装备燃料电池技术来提供电力，并且正在建造利用可再生能源生产氢气的工厂。该国还将进口氢气，澳大利亚似乎是领跑者，利用其丰富的煤炭供应来生产氢气，并捕获由此产生的二氧化碳排放。

制造最轻的元素

目前，大部分氢气是通过蒸汽转化甲烷制成的，但如果要实现零排放，就必须将这与碳捕获和储存——或者更好地——利用结合起来。然而，二氧化碳排放量仍然比柴油低25-35%。法国液化空气集团高级业务和技术副总裁皮埃尔-艾蒂安·弗朗说:“这不是最终的结果，但这是一个很好的中介。manbetx手机客户端3.0在去年启动了氢能理事会这一全球合作项目之后。

氢也可以通过电解水来生产，为燃料电池提供所需的纯氢，但它的效率较低，而且比蒸汽重整更昂贵。可持续气体研究所估计，通过电解生产氢气的成本为每千瓦时4 - 9便士，相比之下，通过碳捕获和储存的蒸汽甲烷改造天然气每千瓦时2 - 5便士。

扩大规模将缩小这一差距，并提供一种方法来利用多余的可再生能源，否则这些能源将被浪费。储存产生的氢气可以缓冲间歇性的日常和季节性发电。例如，据报道，去年英国风电场的所有者获得了1亿英镑的报酬，要求他们在电力过剩时关闭涡轮机。的氢能委员会设想到2030年，230 - 250太瓦时的剩余太阳能和风能可以转化为氢气。研究表明，到2050年，氢可以提供近五分之一的总能源消耗，与今天相比，碳排放量减少约60亿吨。此外，它还将解决困扰许多工业化国家的空气污染问题。

其他技术也在探索中。的哈集团该公司从西澳大利亚大学(University of Western Australia)分拆出来，开发出一种将天然气转化为氢气的铁矿石催化剂。该工艺的一个主要优势是碳被捕获为合成石墨，用于锂离子电池。去年，该公司在一个预试验工厂生产了第一批氢和石墨，并正在努力优化条件，以持续运行这一过程。

利用太阳能分解水是另一个重要的研究课题，自40多年前日本科学家首次证明这种方法以来，人们一直在寻找合适的电极材料。英国埃克塞特大学(Exeter University)的科学家认为，他们可能已经开发出了一种由镧、铁和氧的纳米颗粒制成的光电极，它可以从水中释放氢。¹在其他地方，一个欧盟资助的项目已经在西班牙南部的Hydrosol工厂开发了用于太阳能热化学制氢的反应堆。它现在可以产生750千瓦的电力(足以供应大约200个家庭)，并产生了以千克计的氢气。研究人员预计，这项技术将在大约10年内实现规模化。

系统思考

可再生能源能产生足够的绿色氢来满足我们的需求吗?氢能促进对可再生能源的承诺吗?克利普沙姆对此深信不疑:“奥克尼群岛充满了氢气。“中国现有的潮汐能、风能和波浪发电集群的发电能力超过5MW，但有可能达到5GW。”这比约克郡德拉克斯发电站的发电量还要多。但如果没有昂贵的新海底电缆，奥克尼无法为英国电网增加更多容量。

Emec是来自欧洲各地的12个合作伙伴之一，共同参与奥克尼岛的Big Hit项目。这是为了证明，在其他方面受到限制的可再生能源可以用来生产氢气，可以储存并用于一系列的热和电力应用:为一系列氢航程延长的轻型车辆提供燃料，为建筑物供暖，并为停靠在柯克沃尔港的渡轮提供辅助动力和热量。

位于罗斯基勒的丹麦技术大学的研究人员将分析成本和环境影响。伊娃·瑞恩·尼尔森解释说，他们将计算每个服务产生的每千瓦时电力的确切成本，以及从摇篮到坟墓的环境影响，以准确地将奥克尼的集成系统与目前可用的系统进行比较。

克利普舍姆说:“我们拥有巨大的自然资源，可以利用波浪和潮汐能，而且在水中处理金属方面有15年的经验。”他说，要想取得进展，它需要一条通往市场的道路。为此，必须说服投资者。因此，一个耗资1100万欧元(960万英镑)的项目将可靠的潮汐能整合到欧洲电网中，使用氢气储存和输送过剩容量。

世界能源理事会(World Energy Council)设想，氢气转换可以在北海的退役油气平台上进行，现有的管道基础设施用于将天然气输送上岸。该公司对风能利用的分析表明，到2030年，海上和陆上电解可提供10GW的发电能力，到2050年将超过50GW，投资在270亿至370亿欧元之间，其中大部分将用于电解槽。

鸡和蛋

燃料电池开发商表示，最大的困难是提高产量，形成规模经济，从而降低成本。但这需要需求，而需求需要基础设施。

五月，英国政府推出了一项2000万英镑的基金旨在降低制氢成本，或至少提高减排潜力。另外，由设计和工程集团奥雅纳(Arup)领导的团队将制定氢气质量标准，并开发和测试家用和商用氢气设备，这是一项2500万英镑项目的一部分。对于家电制造商来说，这是一个实际的挑战，因为氢无色无味，燃烧时发出紫外线。

总部位于英国谢菲尔德的ITM power正在升级5个现有的加氢站，并将从英国交通部(Department of Transport)获得430万英镑，再增加4个加氢站。政府还希望看到氢燃料列车在网络上运行，这是到2040年取消柴油车辆的承诺的一部分。作为第一步，正在德国试验氢动力列车的法国列车制造商阿尔斯通(Alstom)将在一些现有的电动列车上增加氢燃料箱和燃料电池。氢燃料电池巴士正在欧洲各地部署，苏格兰是最早的采用者。该项目希望推动商业化，这样公交车在没有补贴的情况下在经济上是可行的，从而鼓励政府监管零排放的公共交通。

使用氢

工业每年已经使用约5500万吨氢气作为原料，而氢气本身是工业过程的副产品。英国化学公司英力士(Ineos)使用氯碱生产的副产品氢为其燃气锅炉提供部分燃料，并向燃料电池制造商供应氢。当化工集团沙特基础工业(Sabic)对其位于蒂赛德(Teeside)的乙烯工厂进行改造，以使用来自美国的廉价乙烷原料时，该公司还改变了其炉子上的燃烧器，以使用乙烷裂解的副产物氢。

氢可以使从工业过程中捕获的二氧化碳回收成化学品，例如甲醇。的乔治奥拉植物在冰岛每年回收超过5000吨二氧化碳。它以1994年诺贝尔化学奖得主命名，利用电解生产氢气，氢气与二氧化碳发生催化反应，可生产500万升甲醇。二氧化碳是从邻近地热发电厂的烟气中捕获的。

欧洲的一个大型项目Carbon2Chem通过使用炼钢等大型工业设施作为能量缓冲，重新思考可再生能源波动的问题。这个想法是，当有廉价的剩余可再生能源用于生产氢气时，就可以生产化学品。挑战在于设计出能够应对波动的催化剂和工艺，而不是今天的连续生产。该项目位于蒂森克虏伯钢铁厂在德国，预计将在大约10年内达到规模。Emec的Clipsham认为，氢也可能使化学合成分布在比目前更小的地点。

清洁然后绿色

事实证明，从英国供热网络中去除碳氢化合物(占排放量的30%以上)是一件很难解决的难题。然而，现有的基础设施可以重新利用氢气——有益的是，现有的铁管网络目前正在被聚乙烯取代，聚乙烯可以携带氢气。这是有先例的:在天然气被发现之前，热量是通过燃烧煤气产生的，其中含有大约50%的氢。

首先，英国基尔大学(Keele University)希望在天然气中混合20%的氢气，并在明年春天前将其注入校园网络。健康与安全执行局现在正在审查基尔的建议。基尔的合作发展主管伊恩•马德利(Ian Madley)说，研究人员花了15个月的时间来确定添加氢气没有额外的风险。我们进行了大量的化学实验，以确保没有任何材料受到氢气的不利影响[....]以及如果有泄漏，氢气会如何表现。”“我们想要做的是回答这个问题:你能否以足够高的水平向天然气网络注入氢气，从而产生影响，并跟踪天然气需求的每日和季节变化。”“氢气将通过电解产生。研究的后期阶段设想将风能加入到混合能源中，看看是否可以从波动的可再生能源中满足需求。

他们的想法是，在开发其他技术的同时，更广泛地推广氢混合物将有助于相对快速地降低碳排放。该团队表示，在全英国范围内，这将每年减少600万吨二氧化碳排放——相当于减少270万辆汽车的排放量。

我们进行了大量的化学实验，以确保所有材料都不会受到氢的不利影响

我们能超过20%吗?H21项目旨在改造英国利兹市的整个天然气网络，以使用氢气。该公司提议由位于蒂赛德的四个蒸汽甲烷重整器生产氢气，所产生的二氧化碳被压缩并储存在枯竭的气田中。满足日常和季节性需求的氢可以储存在现有的盐穴中。澳大利亚和爱尔兰也在进行类似的研究。

H21项目经理丹·萨德勒(Dan Sadler)在最近的一次会议上表示，他把实现气候变化目标的任务等同于“在下周五之前重建你的房子”。H21的逻辑是“在可用的时间尺度内实现清洁，然后在更长的时间内实现绿色”。

存储解决方案

如何储存氢气并有效地移动是一个紧迫的问题。氢的低密度意味着它必须在压力下储存，因此需要冷却。

氢燃料电池汽车使用带有塑料内衬的增强碳纤维罐，以燃料电池所需的纯度输送氢气。“到目前为止，还没有人提出更好的解决方案，”英国伯明翰大学(University of Birmingham)能源材料教授戴维·布克(David Book)说。“金属氢化物、纳米级微结构的镁合金——总会有一些致命的缺陷。这可能与温度有关，也可能与氢气的进出有关。在不太需要考虑重量的情况下，例如在固定应用或为船舶供电时，氢气可以在更大的储罐中以更低的压力储存。

也许有更有效的方法来大量移动和储存氢气。一种选择是将其转化为氨——一种被大量运往世界各地的工业产品。它是目前使用的燃料中氢密度最高的。在可再生能源无法直接制造氢气的情况下，氨可以提供一个可行的解决方案。

为了相对紧凑的足迹，没有多少无碳的东西能提供这么多的能量

西门子及其大学合作伙伴刚刚在英国牛津郡启动了一个氨储存演示装置，该装置将运行从可再生能源生产氢的整个周期;制造氨并将其分解成氢和氮。现在他们打算找出Haber-Bosch方法是否可以应对风能的间歇性。目前，氨的工业合成占全球二氧化碳排放量的2%，因此，通过氢利用可再生能源生产氨将产生重大影响。

据西门子项目经理伊恩·威尔金森(Ian Wilkinson)介绍，用于制造氨的90%的能源都用于制氢。他说，重新分解它也需要能量，但这只是方程中相对较小的一部分，尤其是使用催化剂降低温度。假设燃气轮机的效率为50%，一个2万吨的油箱将产生约50吉瓦时的电力——作为比较，特斯拉在美国内华达州的超级工厂的产能将达到约35吉瓦时。威尔金森说:“没有多少无碳产品能提供如此多的能源，而且碳足迹相对较小。”

虽然氨可以在发电厂燃烧-没有二氧化碳排放-但它和氢都会产生氮氧化物(NO_x)燃烧时的排放(氨明显更多)。减少排放是一个活跃的研究领域，具有讽刺意味的是，氨本身可以清除NO_x在适当的条件下排放。

另一项有前途的技术涉及芳香族化合物的可逆氢化。总部位于日本东京的千代田能源公司正在使用甲苯:氢化反应产生甲基环己烷(MCH)，可以在环境温度和压力下以液体形式储存。当需要时，可以通过脱氢过程将氢释放出来，甲苯回收。Chiyoda预计，日本现有的石油分销基础设施可以重新用于处理MCH。Hydrogenious德国埃尔兰根-纽伦堡大学(University of Erlangen-Nuremburg)分拆出来的一家公司使用二苄基甲苯。该公司表示，一立方米液体载体中可以储存57公斤氢气，足以装满12辆汽车。

氢会被证明是使可再生能源为我们的星球提供动力的不可或缺的工具吗?潜在的应用并不缺乏。但这也有些迫切性。

安杰丽·梅塔，英国爱丁堡科普作家