氢能

氢能会改变游戏规则。它有潜力通过供应和储存绿色能源来改变地球。它可以为卡车、船舶、飞机，甚至城市供能。但要让氢能革命成真，人类必须克服好几个技术和经济难题。所以，准备好来一趟原子级旅行，看看氢能不能改变世界吧！

如果你翻开一本宇宙之书，第一章就会看到氢。这是因为它是构成宇宙的基本元素之一。恒星中90%的原子都是氢^[1-4]，而在地球上，氢也是水、植物，甚至所有生物DNA的主要成分之一^[4-7]。

它还是一种能量密度超高的燃料，所以NASA用它为太空探索火箭提供动力^[8,9,10]。显然，氢已经在带着人类飞向新高度。最棒的是，它完全不产生CO₂！

那它为什么不是全球首选能源？嗯，事情没那么简单。

氢很难以纯净形式从地球中提取，尽管自然界确实存在氢矿藏^[11-17]。它通常会和其他元素结合，形成化合物。比如，它和氧结合时，会形成水，也就是H₂O。它也能和碳结合，形成化石燃气，也叫甲烷或CH₄。

所以，要获得纯氢，就得把它从与之结合的元素中分离出来。从水中提取氢时，会释放氧气。从化石燃气中分离氢时，会释放碳。所以，用氢作燃料对地球是好是坏，取决于这种氢是怎么生产出来的。

目前，生产氢燃料主要有三种方式，分为灰氢、蓝氢和绿氢：^[18-21]

如今，大多数氢都由化石燃料制成^[22-28]，最常见的是用化石燃气制成的灰氢。但不管用的是燃气、煤还是石油，用化石燃料制氢都会向大气排放大量CO₂^{[19,26,27,28]}。可惜，这些方式占了所有氢气产量的99%以上^[23,24,28]。哎呀！

事实上，光是生产灰氢排放的CO₂，就比英国和澳大利亚加起来还多^[28,29]！

近几年，碳捕集与封存技术的发展，让发电厂能捕集自己排放的CO₂，并把它封存在地下^[30,31,32]。把这和制氢结合起来，产物就叫蓝氢^[33,34]。

但这种方法虽然能减少CO₂排放，目前却容易泄漏甲烷(CH₄)^[34-37]，而在20年期间，它对大气的危害可能超过80倍^[38,39,40]。甚至有研究发现，如果操作不当，增加的CH₄排放会高到还不如一开始就直接烧化石燃料^[35]。

科学家真正想要的，清洁能源的黄金国，叫做绿氢。它通过一种叫电解的化学过程从水中制取：^[41-45]

想象一个装满水，也就是H₂O的大罐子。要得到氢，你首先得打破它和氧之间的化学键。为此，你用电来拆开水分子里的化学键，产生宝贵的氢气。简单！

这一切都可以由太阳能和风能等可再生能源驱动，排放几乎为零^[41-45]。

这种绿氢有潜力重塑世界^{[21,28,43,44,45]}。石化生产和炼钢等行业^[44-47]，分别约占全球排放的3.6%和7.2%^[48]，正开始用绿氢替代化石燃料来减排。一些国家正投资用它来给化肥原料氨的生产脱碳，这还能再减少全球1-2%的排放^{[44-46,49-53]}。

专家也在研究它在交通系统中的应用。由于电动车已经很成熟，汽车的优先级较低，但长途卡车、国际航运和远程飞机的优先级更高。因为它们没法靠沉重的电池供能，绿氢就是理想的替代选择^{[21,28,44,45,54]}。

理论上（只要它是可持续生产的），使用氢燃料时唯一的直接排放物就是水。事实上，NASA的航天飞机上甚至会用这种水，宇航员真的会喝它！^[55,56]

所以，问题在哪？

嗯，如果你直接燃烧氢，它也会让空气中的氮发生反应，产生氮氧化物这种有害空气污染物^[57-61]。

这仍然比燃烧化石燃料更清洁，但最清洁的选择是根本不烧它，而是使用氢燃料电池，它能把氢的化学能直接转化成电能^[62-65]。它不仅效率更高，而且不排放氮氧化物，当然也不排放CO₂！^{[57-59,63-65]}

听起来不错吧？那为什么如今生产的氢中，不到1%是绿色的？^[23,24,28] 为什么大家不都来用这个环保版本？

目前，氢很贵，生产时还需要大量电力^[66-69]。如果你想用绿氢给手机供电，而不是直接用可再生能源充电，你得先把可再生能源的电转化成氢，再用燃料电池把它转回电。这样做，可能会损失多达70%的能量，而这些能量原本只要一开始直接用太阳能板给手机充电就能得到！^[70,71,72]

看来绿氢不太划算。那人们为什么要用它来为家和城市供能？

答案就在氢最强大的特性之一……它能储存大量能量，留到以后再用。

风力涡轮机需要风，太阳能板需要阳光，所以在又黑又没风的日子里，往往得靠燃气和煤来维持供电。但这里有个更绿色的主意：

你通过灵活的智能电网，用可再生能源为家庭供电，并建设足够多的风电场和太阳能电站，产生多余的能源。多出来的电力可以送到绿氢工厂，用来制氢。然后，这些氢可以储存起来，在太阳能和风能无法满足需求时用来发电^[73-76]。

而且还不止这些，氢可以大量储存在地下很长时间，比如废弃矿井、盐穴，甚至枯竭的油气田中^[77-80]。这意味着它全年都能使用，连寒冷的冬季也没问题。

这叫跨季节储能，许多国家已经在投资了^{[23,81,82,83]}。有一天，它甚至可能帮助消除对化石燃料的依赖。更妙的是，这些巨大的氢储备能让国家拥有更多能源自主权，减少对能源进口的依赖，也就不用靠其他国家来维持灯火通明^[84,85,86]。

但电池不能做同样的事吗？

不完全能。要为一座城市储存数周或数月的备用能源，所需电池会贵得多得多^[87-90]。而氢可以非常便宜地大规模储存，并有望解决这个储能难题^[91,92]。

所以，氢能在给地球脱碳中发挥作用吗？嗯，只有它是由可再生能源制成的绿氢^[93]，而且成本得现实可行^[66-69]。要做到这一点，就需要扩建和更新基础设施，并大规模部署可再生能源。

但有个好消息！风能和太阳能现在已经比化石燃料便宜了^[27,94-97]。而且，多亏了电解槽技术近期的进步，绿氢的生产成本也在快速下降^[98-102]。

所以，只要人类支持这项新兴技术，绿氢可能就是我们一直在等待的一颗闪亮之星。