氢位于元素周期表首位，是宇宙中含量最多的元素，大约占据全宇宙质量的75%。氢在自然界分布很广，在水中的质量分数比为11%，在土壤中也存在约有1.5%。氢的燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量约为汽油的3.3倍、天然气的4倍、标准煤的4.9倍。此外，氢燃烧后的产物仅有水，水又可以再次分解生成氢，因此，氢是一种可再生能源。凭借着来源广泛、灵活高效、清洁无污染、可循环利用，氢被誉为21世纪“最理想能源”，已逐步成为推动绿色转型、助力实现双碳目标的重要载体。
氢是一种二次能源，它不是直接取自于自然界，需要通过其他方式制备得到。氢的制备方法多样，按照制取氢所用的原料划分，现阶段氢的制取主要有化石燃料制氢、工业副产氢和电解水制氢三种技术路线。化石燃料制氢技术最为成熟，效率高、成本低，但制氢过程二氧化碳排放也较多，所得氢气中普遍含有硫、磷等杂质，对提纯及碳捕获有较高的要求。工业副产制氢成本低廉、原料丰富，但所得氢气仍须去除杂质，提纯工艺相对复杂。电解水制氢具有工艺简单、制氢过程零碳排放、氢气纯度高、易与可再生能源结合等优点，被认为是未来最具发展潜力的制氢方式。总体来看，目前全球制氢技术的主流选择是化石燃料制氢，其中天然气重整制氢由于清洁性好、效率高、成本相对较低，占到全球48%。我国能源结构的基本特点为“富煤贫油少气”，国内煤制氢占比约为63.5%，工业副产制氢约占21%，天然气制氢约占14%，电解水制氢约占1.5%。除上述三种技术路线外，新型制氢技术也在不断涌现，美国研发的“太阳能热化学制氢”技术，加拿大推出通过热等离子热解从碳氢化合物中生产氢的制氢技术，南京工业大学课题组与电子科技大学、德国达姆施塔特工业大学合作，设计出一种新型等离激元复合材料作为高效且稳定的析氢光催化剂。
氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命，其在工业、交通、储能、建筑等领域均有较为广阔的应用场景。
氢是重要的工业原料，工业领域目前仍是氢能应用占比最大的领域。95%以上的氢气作为原料用于化工行业合成甲醇、合成氨、炼化行业以及钢铁冶金等领域。全球每年约有1300万吨的氢用于生产甲醇，大约有3300万吨氢用于制氨。石油炼化工业用氢量仅次于制氨，在炼制过程中，氢气主要用于加氢脱硫、改进燃料功能和加氢裂化等方面，全球知名能源咨询顾问公司伍德麦肯兹预测，到2050年，全球炼油行业潜在的低碳氢气需求量可能达到每年5000万吨。氢的还原性很高，氢气冶金可以减少乃至避免传统冶金生产带来的碳排放和环境污染。此外，氢气在玻璃、陶瓷和半导体工业领域都发挥着重要作用。
交通领域是氢能应用的重要领域。氢燃料电池汽车与纯电动汽车相比，在续航里程、燃料补剂速度、节能减排降噪等方面有着综合优势，同时在体验方面接近传统燃油车，更符合用户的体验。根据中国氢能联盟研究院的统计，截至2022年底，全球氢燃料电池车保有量达到6.7万辆，同比增长36.6%，其中我国氢燃料电池车保有量为1.3万辆，全球在营加氢站数量达到727座，同比增长22.4%，其中我国累计建成加氢站358座，在营245座。2023年2月14日，全国首个氢燃料电池轿车全场景规模化示范运营项目在广州南沙启动，氢燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期。
氢能与建筑融合是一种全新的绿色建筑理念。2020年东京奥运会期间，日本推广了全球第一个氢能住宅社区。社区内的所有商业设施、巡回巴士、路灯等用电，由氢能源提供，社区内住宅全部采用家用氢能源燃料电池作为家庭基本电源。氢能社区是实现氢能综合应用的重要方式，也是国家基础设施建设的重要组成部分。2021年11月，我国首座氢能进万家智慧能源示范社区项目在广东佛山南海区正式投运。该项目将太阳能光伏引入电解水制氢装备，为社区和加氢站供应氢气，从而实现冷热电三联供。这是国内首次将氢能运用于社区建筑，为探索氢电融合、打造氢能社区提供了新范式。
氢能在储能领域的规模化应用短期内难以实现，但是具有巨大的发展潜力。氢储能技术是利用光伏、风电等间歇性新能源发电所产生的富余电能，通过电解制氢，并经由压缩机储存在储氢罐中，在其他需要用电时段由燃料电池发电或通过储氢瓶、管道等手段供应至用电终端。2023年3月，南方电网广州供电局小虎岛电氢智慧能源站建成投产。该站是国内首个应用固态储供氢技术的电网侧储能型加氢站。近日，甘肃张掖市光储氢热综合应用示范项目建成，这是中国西北地区首个光、储、氢、热综合应用一体化项目，其将把外送之余的新能源电进行存储，并在“风光无限”的河西走廊探索绿色氢能多元应用。
低成本低排放绿氢制取是氢能产业发展面临的重要挑战之一。煤炭价格在450~950元/吨时，煤制氢价格介于9.73~13.70元/kg；天然气价格在1.67~2.74元/m³时，天然气制氢价格介于9.81~13.65元/kg。工业副产氢的成本约为9.29~22.40元/kg，具有一定的成本优势和规模优势，有望成为氢产业绿色化可行的过渡方案。现阶段电解水制氢的成本仍较高，工业用电价格为0.4元/kw·h时，碱性电解水制氢成本约为30元/kg，质子交换膜电解水制氢成本约为40元/kg。此外，氢易燃易爆、爆炸极限宽（4%~75.6%）、点火能量低（约为汽油的十二分之一、天然气的十五分之一）、扩散系数大（约为天然气的3.8倍、汽油的12倍）且对材料力学性能产生劣化影响，如何安全地储存和运输，是氢能产业发展的关键要素之一。目前，储氢方法主要分为高压气态储氢、低温液态储氢、有机液体储氢及固体材料储氢四种。高压气态储氢技术最为成熟且应用最广，但是储氢密度不够高、安全性存在瓶颈；低温液态储氢技术储氢密度大，但因液化过程耗能大、储氢容器绝热要求极高；有机液态储氢由于成本和技术问题还未能大规商业化应用；固体材料储氢则有着巨大潜力，但目前尚处于实验研究阶段。现阶段氢的运输主要以高压气态长管拖车运输为主，这也一定程度上限制了氢能的大规模利用。
当前，氢能除了在交通、建筑、储能等领域持续推广外，正积极向生活服务、远洋运输、军事和航空等领域进行延伸和拓展。英国结合氢燃料锅炉、电空气源热泵和智能控制技术，开发出全球首个智能氢混合供热系统，提供了一种安全、廉价的供热方案。加拿大海洋技术公司开发出由氢燃料电池驱动的自主水下航行器Solus-LR，可用于军事领域。德国先进的214型潜艇上安装的正是氢能质子交换膜燃料电池。2023年3月25日，由中国工程院院士杨凤田倡导的我国首款四座氢内燃机飞机验证机在沈阳某机场完成首飞。氢能发展的蓝图徐徐展开，在“双碳”目标实现的过程中，“氢”装上阵，未来无限可期。
（作者单位：江苏省科技发展战略研究院）
责任编辑：王昆鹏
