鉅大LARGE | 點擊量：897次 | 2021年12月17日
氫能正在成為國家重點投資領域 為何要綠色氫氣？
綠色氫最近經常出現在新聞中。當選總統拜登承諾將利用可再生能源生產比天然氣成本更低的綠色氫氣。美國能源部（DepartmentofEnergy）正投入高達1億美元用于氫電池和燃料電池的研發。到2030年，歐盟將在綠色氫方面投資4300億美元，以幫助實現其綠色協議的目標。智利、日本、德國、沙特阿拉伯和澳大利亞都在對綠色氫氣進行重大投資。
那么，什么是綠色氫？簡單地說，氫燃料是用可再生能源而不是化石燃料制造的。它有潛力為制造業、運輸業等提供清潔能源，唯一的副產品是水。
綠色氫從何而來？
氫能用途非常廣泛，因為它可以以氣體或液體的形式使用，可以轉換成電能或燃料，而且有許多生產氫能的方法。全球每年大約生產7000萬公噸氫氣，用于煉油、氨生產、鋼鐵制造、化學和化肥生產、食品加工、冶金等。
宇宙中的氫比任何其他元素都多據估計，大約90%的原子是氫。但是氫原子本身并不存在于自然界中。為了產生氫，它的原子需要與其他元素分離，這些元素與氫一起存在于水、植物或化石燃料中。這種脫鉤的方式決定了氫能的可持續性。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前使用的大部分氫氣是通過一種叫做蒸汽甲烷重整的工藝生產的，這種工藝利用催化劑使甲烷和高溫蒸汽發生反應，產生氫氣、一氧化碳和少量二氧化碳。在隨后的過程中，一氧化碳、蒸汽和催化劑發生反應，產生更多的氫氣和二氧化碳。最后二氧化碳和雜質被去除，留下純氫。其他化石燃料，如乙醇、丙烷、汽油和煤也可用于蒸汽重整制氫。這種以化石燃料為動力的生產方法每年產生灰色氫氣和8.3億噸二氧化碳排放量，相當于英國和印度尼西亞的排放量之和。
當蒸汽甲烷重整過程中產生的二氧化碳被捕獲并儲存在其他地方時，產生的氫氣被稱為藍色氫氣。
氫也可以通過電解水產生，只留下氧氣作為副產品。電解利用電流在電解槽中將水分解成氫和氧。如果電力是由可再生能源產生的，比如太陽能或風能，那么產生的無污染氫就被稱為綠色氫。可再生能源成本的迅速下降是人們對綠色氫氣越來越感興趣的原因之一。
為什么需要綠色氫氣？
大多數專家都認為，綠色氫對于實現《巴黎協定》的目標至關重要，因為經濟中有某些部分的排放很難消除。在美國，氣候變暖排放的前三大來源來自交通、發電和工業。
能源效率、可再生能源和直接電氣化可以減少電力生產和一部分運輸的排放；但經濟的最后15%左右，包括、航運、長途卡車運輸以及混凝土和鋼鐵制造，很難脫碳，因為這些部門需要高能量密度燃料或高熱量。綠色氫氣可以滿足這些需求。
綠色氫氣的優點
氫是豐富的，它的供應幾乎是無限的。它可以在生產或運輸到其他地方的地方使用。與無法長時間儲存大量電能的電池不同，氫可以從多余的可再生能源中產生，并大量儲存很長時間。一磅一磅，氫所含的能量幾乎是化石燃料的三倍，所以做功所需的能量更少。綠色氫的一個特別的優點是它可以在任何有水和電的地方產生，從而產生更多的電或熱。
氫有許多用途。綠色氫氣可以用于工業，可以儲存在現有的燃氣管道中，為家用電器提供動力。它可以運輸可再生能源時，轉化為載體，如氨，一個零碳燃料航運，例如。
氫還可以與燃料電池一起使用，為任何用電的東西提供動力，如電動汽車和電子設備。與電池不同的是，氫燃料電池不需要充電，只要有氫燃料就不會耗盡。
燃料電池的工作原理和電池一樣：氫氣被送入陽極，氧氣被送入陰極；它們被催化劑和電解質膜分開，電解質膜只允許帶正電荷的質子進入陰極。催化劑將氫的帶負電電子分離，使帶正電的質子通過電解液到達陰極。同時，電子通過外部電路傳輸，產生電能，電能在陰極與質子相遇，質子在陰極與氧氣反應形成水。
氫被用來為氫燃料電池汽車提供動力。由于它的能源效率，氫燃料電池的效率是燃氣內燃機的兩到三倍。而燃料電池電動車的加油時間平均不到4分鐘。
由于燃料電池可以獨立于電網運行，因此可以在領域或災區使用，并作為獨立的發電機發電或供熱。當它們固定在適當的位置時，就可以連接到電網以產生穩定可靠的電力。
綠色氫的挑戰
它的易燃性和輕便性意味著氫和其他燃料一樣，需要妥善處理。許多燃料是易燃的。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣在空氣中更易燃。然而，低濃度的氫與其他燃料具有相似的可燃性。由于氫的重量是汽油的57倍，它能迅速擴散到大氣中，這是一個積極的安全特征。
因為氫的密度比汽油低得多，所以很難運輸。它要么需要冷卻到-253?C才能液化，要么需要壓縮到700倍大氣壓才能作為壓縮氣體輸送。目前，氫氣通過專用管道、低溫液體罐車、運輸氣態氫的管拖車或鐵路或駁船運輸。
如今，1600英里長的氫氣管道在美國各地輸送氣態氫，主要分布在化工廠和煉油廠使用氫氣的地區，但這還不足以滿足廣泛使用氫氣的需要。
天然氣管道有時僅用于輸送有限的氫氣，因為氫氣會使鋼管和焊縫變脆，導致裂紋。當不到5%到10%的氫氣與天然氣混合時，氫氣可以通過天然氣基礎設施安全地分配。為了分配純氫，需要對天然氣管道進行重大改造，以避免金屬管道的潛在脆化，或者需要建造完全分離的氫氣管道。
燃料電池技術一直受到燃料電池高成本的制約，因為昂貴的鉑用于陽極和陰極，作為分解氫的催化劑。研究正在進行，以提高燃料電池的性能，并找到更有效和更便宜的材料。
燃料電池電動汽車面臨的一個挑戰是如何在車內儲存足夠的氫氣，即5至13公斤的壓縮氫氣，以達到300英里的常規行駛里程。
燃料電池電動車市場也受到加油站稀缺的阻礙。截至8月，美國只有46個加氫站，其中43個在加州；加氫成本約為每磅8美元，而加州的每加侖汽油價格為3.18美元。
一切都歸結為成本
綠色氫面臨的各種障礙實際上可以減少到一個：成本。哥倫比亞大學全球能源政策中心高級研究學者胡里奧·弗里德曼認為，綠色氫唯一真正的挑戰是它的價格。他說，每年生產7000萬噸氫氣，并通過管道運送到美國各地，這一事實表明，分配和使用氫氣的技術問題“簡單明了，而且相當清楚”。
問題是，目前綠色氫氣的成本是美國天然氣的三倍，生產綠色氫氣的成本比生產灰色或藍色氫氣的成本要高得多，因為電解很貴，盡管隨著制造規模的擴大，電解槽的價格正在下降。最近的一項研究顯示，目前，灰色氫氣每公斤價格約為1.50歐元（約合1.84美元），藍色每公斤價格為2至3歐元，綠色每公斤價格為3.50至6歐元。
Friedmann詳細介紹了降低綠色氫價格的三個關鍵策略，以便更多人購買：
1、支持新的氫氣生產和使用的創新。他指出，國會剛剛通過的刺激法案提供這種支持，將有助于在未來幾年削減燃料電池和綠色制氫的成本。
2、對氫的價格支持，如投資稅收抵免或生產稅收抵免，類似于為風能和太陽能建立的稅收抵免，有助于推動其價格下跌。
3、限制排放的監管標準。例如，現在使用的氨有一半用于化肥生產。”弗里德曼說：“如果我們說‘我們有一個低碳氨的排放標準’，那么人們就會開始使用低碳氫來制造氨，而現在他們沒有，因為它的成本更高。”但如果你有一個規定，說你必須這樣做，那么它就更容易做到。”另一個監管選擇是，政府可以決定采購綠色氫，并要求所有燃料都必須使用一定比例的綠色氫。
綠色氫的未來
麥肯錫的一項研究估計，到2030年，美國氫經濟可能創造1400億美元，并支持70萬個就業崗位。
弗里德曼認為，在未來五到十年內，尤其是在歐洲和日本，將大量使用綠色氫氣。然而，他認為，無論是管道基礎設施還是輸電線路，現有基礎設施的限制都將很快達到，因為制造綠色氫氣需要的電力容量將比我們現在的電力容量高出大約300%。他說：“我們將在電解槽制造、電力基礎設施、港口制造和運輸能力、工業改造速度等方面達到極限。我們沒有人力資本，也沒有基礎設施。做這些事情需要一段時間。”
許多專家預測，我們還需要10年才能看到綠色氫氣的廣泛應用；然而，弗里德曼堅持認為，這10年的預測是基于一些假設他說：“這是以大規模生產電解槽為前提的，這在世界上任何地方都沒有發生過。它的前提是一系列尚未做出的政策調整，以支持市場。這是以這些市場推動的一系列基礎設施變革為前提的。”
在美國和世界各地有許多綠色能源項目試圖應對這些挑戰，并促進氫的采用。這里有幾個例子。
加州將在2023年前投資2.3億美元用于氫氣項目；全球最大的綠色氫氣項目正在加州蘭開斯特由能源公司SGH2建造。這個創新的工廠將利用廢物氣化，每年燃燒4.2萬噸再生廢紙來生產綠色氫氣。因為它不使用電解和可再生能源，它的氫氣將與灰色氫氣具有成本競爭力。
一個新的西方國家氫能聯盟，由重型氫和燃料電池行業的領導者組成，正在推動在13個西方國家開發和部署燃料電池技術和基礎設施。
歐洲氫工業，一個促進氫的領先協會，正在開發一種從農作物和森林殘渣的生物質氣化生產純氫的工藝。由于生物質在生長過程中吸收大氣中的二氧化碳，該協會堅持認為，生物質產生的凈碳排放量相對較少。
由比爾·蓋茨（BillGates）共同創立的突破能源公司（BreakthroughEnergy）正在投資一家新的綠色氫研發企業，名為歐洲綠色氫加速中心（EuropeangreenhydrogenAccelerationCenter）。它的目的是縮小目前化石燃料技術和綠色氫氣之間的價格差距。突破能源公司還投資了ZeroAvia，一家開發氫燃料的公司。
去年12月，聯合國發起了綠色氫彈射器倡議，召集了全球最大的7家綠色氫項目開發商，目標是到2027年將綠色氫的成本降至每公斤2美元以下，并將綠色氫的產量提高50倍。
歸根結底，綠色氫能否實現其承諾和潛力，取決于汽車制造商、加油站開發商、能源公司和政府在未來幾年愿意對其進行多少投資。
但由于對全球變暖置之不理不是一種選擇，綠色氫有很大的潛力，弗里德曼對其未來持樂觀態度。綠色氫是令人興奮的，他說這是令人興奮的，因為我們可以在每個領域使用它。這是令人興奮的，因為它解決了問題工業和重型運輸中最困難的部分。很有趣，因為成本正在下降。有很多方法可以制造零碳氫，藍色和綠色。我們甚至可以用生物氫制造負碳氫。二十年前，我們還沒有足夠的技術和財力去做這件事。現在我們做到了。
