第624期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读]《氢能源离我们有多远？》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——氢能源离我们有多远？
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：李 灿，中国科学院院士。
毛宗强，清华大学核能与新能源技术研究院教授。
讲座时间：2024年12月23日～12月29日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——氢能源离我们有多远？
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。最近很多人关注氢能源这个话题，当说到氢能源的时候，人们会想到它百般的好，可是为什么在我们的生活当中很少见到它的应用呢？那氢能源到底离我们有多远？我们通过短片来进入今天的节目。人类对氢能的利用早已开始，早在1807年，瑞士人就制造了使用氢气内燃机的汽车。二十世纪五十年代，氢能应用到航天领域。我国的长征2号、3号运载火箭上，都使用了液氢作为燃料，与传统的煤炭、石油等化石能源相比，氢能清洁、高效，存储量巨大，但是作为一种一直被看好的清洁能源，氢能源却始终没有得到更广泛的利用，到底是什么阻碍了氢能源的发展？氢能源离我们还有多远？首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院院士李灿，另一位是清华大学核能与新能源技术研究院的教授毛宗强。这些年我们也不断听到氢能源，但是为什么在我们普通人的生活当中，却很少见到氢能源的应用？
根本的原因就是氢它的成本还是比较高，如果在航天里面使用，或者在特殊行业使用的时候，不在乎它的价格问题，它用的量不多，作为老百姓来使用它的话，不那么简单。因为这个是技术上的问题，再一个是成本的问题，让老百姓来用一定是让老百姓接受这个价格。实际上氢的应用很早，甚至比电还早，实际上在电发明之前，城市里的路灯靠什么？靠煤气、煤炭制造的气，这个煤气的成分就50%多是氢气，氢气是主要成分。没把它叫成氢气灯？对，所以实际上是大家没在意，为什么没发展起来？后来其他的能源就是煤，天然气、石油起来了，代替了这个煤炭。这样的话，你氢发展就晚了一点，晚的主要原因两条，一条是它的成本，刚才李老师已经讲了成本会高一点。第二个就是缺乏基础设施，你像做柴油汽油这个车已经有了，加油站也有了，所以大家在有了以后就方便，就可以用它，你要做这个氢的交通燃料的时候，你还要一系列的基础设施得跟上去，所以这一些都是制约了它的发展。所以在这样一个如此难度系数的背景下，那为什么还有专家会说二十一世纪将会是氢能的世纪？氢能源跟我们那些传统能源比较起来，它的优势体现在哪些方面？
一方面是氢能源，它将来是生成水。绿色低碳就是将来发展的方向，除了它的清洁，它的无污染之外，实际上它的能量密度是很高的，天然气、石油、煤这些能量（密度）都不及它。它是这些能源的多少倍，这是它的第二个优点。第三个，氢的（存储）量是巨大的，你要划条线，从地球到太阳，那么太阳就充满了氢，太阳给我们光明都是来自于氢的聚变反应，可以讲氢是给了整个宇宙，至少太阳系吧，这个能源的来源。另外在地球上的你看海洋水这么大的量，那就是Ｈ2Ｏ，就是氢的含量很高。从原料的资源来讲，氢能量是非常非常丰富的，取之不尽。取之不尽，用之不竭，而且它用完了以后，释放出的还是水，又回去了。氢不存在危险性吗？安全的问题吗？氢能源也有安全问题，凡是能源都有安全问题。因为它集聚了能量嘛，但是氢有个好处，假设万一发生安全事故，它发生完以后就生成了水，不会生成次安全的问题。我们说氢的制取成本高，技术难度大，到底它难在哪儿呢？
这主要因为氢的特点决定的，地球上本来没有游离态的氢，就没有现成的氢气，都是要分解带氢的化合物，比如水，比如硫化氢等等。你要把它拿出来，提取出来就比较困难。水，大家很熟悉，但是水是非常稳定的。你看海洋里面有这么多水，它一直在那里存在，就说明它非常稳定，因为它稳定，把氢要拿出来就很困难，要付出很大的代价，就是注入很高的能量。才把这个水分子化学键打断，把氢气拿出来，但是因为它的这个氢氧键很难打断，所以这么多年来一直进展得很慢。你要打破这个你就需要很多的能量，比如说电解水（制氢），你要得到一立方米氢气，你差不多消耗4.5度（千瓦时）电，这基本上都这样的。这个成本就太高了。氢能源它的储存和运输方面，这个难题出现在哪里？氢子元素周期表第一个元素，原子量是1，它非常轻，一粒方米的氢气也才几克重，所以它这种情况下你要是把它储运，它的重量能量密度很高，但是它的体积能量密度很低，要把它储运走就效率比较低。就稍有不慎，它就飞起来了，就像小孩子玩那个氢气球。对。所以你要运输它，储存它，就要高压把它压到一个小的空间里面来，即便是高压的钢瓶，我们一般家庭或者实验室用那个钢瓶压几百公斤，那一瓶也（就）装了几十克氢，一公斤都没有，所以你要用几十公斤，上多少吨的氢来运输储存就不得了，这个需要的压力需要的体积就大得不得了。
实际上还有其他的办法，比如说冷冻，你把它降温，降到负的零下253（摄氏）度，那么氢就可能会变成像水一样的液体，我们叫液氢。那么它的密度就增加了800倍，就是一六方米的液氢，如果放成全部是气体，就变成800立方米，就这个意思，所以这也是储存储运的一个方法。如果大规模需要，可以用管道来输送，这是最便宜的。以前氢在全世界都不是主要能源，它作为能源来用是最近的事情，以前都是作为化工原料产品之类的，所以在全世界来讲氢气的管道不是太多，只有几千公里，大概五千公里左右，全世界。氢能源利用起来，这个难题体现在哪些方面？在应用方面实际上两个方向，一个就是烧，就是热化学。一个就是电化学，燃料电池，这个烧其实也很有讲究，氢完全可以替代天然气去烧起来开动汽车，但是它的问题是什么问题？主要是在内燃机过程中，它一个功率会损耗比较大，关键是在这个内燃机烧的过程中，因为用到空气进去，那么空气中的氮和空气中的氧，在那么高温的情况下就会生成氮氧化物，氮氧化物也是一种温室气体，所以这个也不是零排放，而燃料电池做出来以后，因为燃料电池工作温度，只有80（摄氏）度。在80（摄氏）度情况下空气进去，那里面空气里的氮和氧，不会化合成氮氧化物，所以它是没有排放的，叫零排放。氢既好，但是又难用，我们通过短片去了解一下。
氢作为能源，除了清洁、存储量大，还有能量密度高、易燃烧、燃烧速度快等优势，而且氢能的形态也很多样。除了有气体氢和液氢，它还可以形成固态的金属氢化物，这就决定了氢能可以适应不同的储运方式，也有广泛的应用场景。氢作为能源优势突出，但是氢元素的一些特质，比如原子又轻、又小、又活泼，也决定了想利用它技术难度很大，成本也会很高。那目前新能源领域我们取得了哪些技术成果？现在人类从化石资源里面来获取氢，这个技术已经是算是成熟的，是可以的，只是说现在要从水里面，最理想的是从水里面拿氢，水这么多是吧，现在还是有一定的困难。特别是用这种光、太阳能直接来把水里面的氢给拿出来，现在还是一个世界性的难题。就是如果我们的氢，来自于化石资源，因为它要排二氧化碳，就把它叫为灰氢，人们追求是绿氢。氢能的分类是分为灰氢、蓝氢和绿氢，为什么用颜色来区分它？实际上国际对这个颜色是五彩缤纷的，除了这三种以外，还提出红色的氢，所谓红色的氢就是用核能发电制氢叫红色的氢。我们国家区分灰氢、蓝氢和绿氢，根本的标准就是在制氢过程中是否排放二氧化碳。如果你排放二氧化碳，你又没处理，那就是灰氢了。
虽然是制氢的过程排放了二氧化碳，但是把这部分二氧化碳给它捕捉下来，再储存或者埋到地下去，这就是蓝氢。绿氢是什么？就是从这个没有碳的资源里面，没有碳产生的技术里面来获得氢，氢就是很干净的、绿色的。那目前这个绿氢，它的制备方法，我们做得怎么样？绿氢现在就好几个路子在做，光催化，光电催化，就是希望光、太阳能直接跟催化剂作用，把氢拿出来，那么这个技术是非常理想的一个技术，但是现在目前效率还不足以大规模工业化。瓶颈在哪里？就是它效率还是比较低。效率低。产氢过程很难，是因为水分子稳定，将来理论上成本会很低的，就是光催化，但是很难。我自己的研究，2001年20年前就开始做这个工作。那2001年的时候，全世界光催化的，从太阳能到氢的效率只有百分之零点几，又经过了这么多年以后，涨到1.8%。哦。就是零点几涨了二三十倍吧。这也是很大的进步。很大的进步，最近一个新闻大家关注就是，我们把光电催化，这种原理结合，我们做到4.3%。这水平很高了。一个很大的进步，5%的话就可以大规模地工业化试一下，但是这个还是很（大的）挑战，我们还在不断地努力。水电解制氢实际上也有很大的进步。我们国家的情况是碱性电解水，无论是规模化效率，已经是国际领先的。酸性、中性的这个，现在（在）国际上也是不错的，但是还需要努力，高温氧化物电解水，跟国际上都差不多，还在实验室阶段，到工业上还需要一段路，现在已经能够工业化应用电解水（制氢），每小时上千方（立方米）的这样的规模化，都已经有了这些技术。这个进展就使得我们未来是非常有希望的，用到绿氢。
我们实现了技术上突破，成本自然而然也就降下来了。现在可再生能源里面获取这个氢，两个方面的成本，一方面是电价要降得很低，成本降得很低，它占了80%，还有电解水（制氢的）这个技术本身占20%到30%。所以这个技术要不断地进步，把这部分也压下来，那么电解水的这个光伏、风电的电价也降下来，最后电解水制氢的成本降下来了。我们寄希望于可再生能源的发电成本迅速下降，这个也是有希望的，在国际招标中一立方米氢气，一度（千瓦时）电的招标价，现在最低的国际上已经达到一个美分一度（千瓦时）电，中国的最近招标也达到了一毛四（0.14元）一度（千瓦时）电。如果一毛四（0.14元）一度（千瓦时）电的话，实际上你算五度（千瓦时）电，那才七毛钱（0.7元），再加上设备这就一块多钱，就跟化石能源制氢很可能相比，而且还不排放二氧化碳，所以它难度是有，但是它的前景非常乐观。氢能源存储和运输方面在技术上有哪些突破？
一个最简单的想法就拿一种材料，我把氢吸到里面去，像海绵吸水那样的，吸完了以后我把这个材料拿去，到时候我用的时候把它放出来，很多年大家做这样的工作，但是挑战很大，现在商业上大致有个判断，如果这个材料能够吸7%的氢，就重量100公斤能吸7公斤（氢），这个材料就，这个材料就有商业化应用的价值。但现在很少有材料能做到这个程度，所以它的挑战比较大，中国科学家已经在实验室里做到了在一种复合的金属材料里，把氢吸进去，而且吸进的比例比较高，高到（百分之）八点几，超过8%。另外氢不但吸进去，关键还要放出来，以前我们做的一些实验，百分之二点几的时候放的温度很高，放氢要加热，要加到250（摄氏）度，这个他说只要加到90多（摄氏）度，这是实验室已经做到的，所以我希望像这种新型的进展，能够迅速地被证实、产业化。这是一个技术的突破。现在有几种路子，比如说（氢）跟氮气，空气里的氮气形成合成氨，形成氨气，氨里面就有NH，就有17%的这样的储存的量，这是非常好的。到用的时候把氨再分解出来。那么还有一个现在更受关注的就是人们用氢气和二氧化碳，现在不是二氧化碳是一种温室气体，把这种有害的温室气体拿回来，跟这个氢气反应生成甲醇，甲醇是液体的，液体的燃料，用的时候把甲醇的氢再放出来，现在这个也是越来越受重视。
那在应用方面会有哪些突破？氢的应用主要是在几个方面，一个是发电，一个供热，一个建筑用氢，一个就是交通用氢这几大块。这几大块里交通用氢占的比例并不是很高，在百分之十几左右。就交通来讲，它不仅仅在陆地上交通，现在在船运，在飞机、无人机都已经好多采用了燃料电池、氢能。那一说到我们在生活当中这个氢能源的应用，很多人更多想的就是交通、新能源汽车未来发展方向，到底是以锂为主，还是以氢为主？锂电的专家说一定是以锂为主的，我不知道氢能源的专家会说什么？锂电池是一种电池，它需要外面的能源，它本身不是一个能源，它是一个储能的东西。氢燃料电池它是个发电的技术，它可以源源不断把电能发出来。根本上它是跟氢燃料电池技术，是完全不同的一个东西，而且它还有一个这么多锂电池怎么来，后处理的问题，如果是处理不慎的话，又造成二次污染，本来要氢燃料电池也好，锂电池也好，是为了这个世界更清洁，结果你用了这个技术以后变得还更脏，环境还更糟糕了，那这个事情就得不偿失了。但氢这个能源它是清洁的，它这一点是最大的优势，所以交通领域，应该是这样一个认识，就是说现在在短距离的小轿车，这个锂离子电池技术还是很不错的。
它跟氢燃料电池有一比，但是在长距离的续航比较长的大卡、重卡这些可能氢燃料电池，氢能是将来能量密度很高，它可能会发挥更大的作用。实际上现在锂离子车，锂离子电池的车是不少的，但是它的问题也不少，一个就是它的能量密度现在已经接近理论密度的话，那么它的跑的续程里程越长，就需要装载的电池越多就越重，这样效率会降低。第二，它的温度效应。大家应该注意到，如果你在深圳比较暖和，问题不大，但是你要到北京，零下十度，零下二十（摄氏）度就启动不起来，充不了电，实际上氢能燃料电池完全没这问题。氢能燃料电池在零下三十（摄氏）度，在外面冻着，不是放在车库里照开，当然稍微慢一点，就是启动时间长一点。就是它的优势。我们老百姓大家最关注的就是在交通里面，开轿车，氢能源车现在路上已经有了，其实氢的应用里，更大的还不在这儿，更大的在现在排放二氧化碳的这些领域里面，石化领域、材料领域，我们合成的各种材料合成的过程里面是要排放二氧化碳的。那如果我们把绿氢再拿回去，就可以解决这些问题，现在还没有大规模产业化，已经做了示范工程，国外已经有这个技术，咱们炼钢的时候排了大量的二氧化碳。因为炼钢的时候用这个煤焦去还原，那么现在有想法就是不要用这个煤和焦（炭）去炼钢，而是用绿氢，绿氢进去就生成水出来了，把钢还原出来，所以现在国家也很重视这个东西。如果将来绿氢要用在这个行业，这用的量比交通（里面的）还要大。我们国家氢能源的应用到底怎么样？我们通过短片去了解一下。
中国氢能源的发展早已起步，以交通用氢为例，截止到2020年底，全球有氢能源汽车大约3万多辆，其中中国7000多辆，全球共有加氢站约500座，其中中国128座。中国氢能源的开发和利用都居于世界前列，但是对于人口基数大、资源消耗量大的中国来说，这还远远不够。如此清洁、高效的能源，应该在中国得到更好的应用。所以在2019年氢能源被首次写入政府工作报告，2021年在《做好碳达峰碳中和工作的意见》中，提出要统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，氢能源的广泛应用势在必行。那么，氢能源在中国的发展存在哪些瓶颈呢？目前我们国家氢能源的发展，它的瓶颈又在哪里？缺乏基础设施，比如说现在汽车氢能源的纯氢的这个车，为什么不能迅速地推开，就是因为到处要建加氢站。而建加氢站不仅要投资，而且还要政策管理，束缚因素会很多，土地问题，就比如说加氢站的用地必须是商业用地，那就很贵了，实际上工业用地就可以了。我们想大力发展氢能源汽车的话，那未来我们是不是可以考虑把部分加油站改成加氢站？
这已经做了，在广州一带已经建了四个加油加氢合建站，就这个站又加汽油，又加柴油，又加氢气，这是在未来现有的加油站的基础上改建的，增加的加氢设备，所以你的想法是很对的，这很符合自然的。目前阻碍我们的也就是在基础设施？对，基础设施还没有跟上来，这是第一。第二，就是说国家的标准，国家的这些氢作为这个行业的很多标准也没有完全出来，目前我们国家还把氢列为危化学品。过去因为氢它用的量少，但是它又是高压，一旦是高压的东西他很害怕，就把它列为危化学品，是为了大家安全，现在大规模地要用氢的话，再把它继续列为危化学品，是不合适的，我觉得这个是迟早要放开的。其实我们一直希望氢气能够得到天然气的待遇，天然气本身就是危化品，但是它又作为能源到千家万户，所以大家也接受了，所以有时按能源来处理，就有能源的一套管理办法，就可以促进它氢的发展。
您帮我们来预测一下，未来氢能源真正走进我们百姓生活？我觉得不是特别远，2030年吧。2030年那很快了，不到十年的时间？对。您会觉得这样的估计过于乐观了吗？有一定的道理，其实氢能要说远也很远，要说近也很近，现在已经是离我们很近，已经有了刚才讲的交通领域，市面上已经开始有这个车了，但是说远是什么意思？一些基础设施跟上去，一切配套的制氢、储氢、运氢，跟基础设施跟上去以后，我估计还得十年以上。您觉得十年是一个基础，可能还要更长一点？对。如果按这个程式来推算下去，那氢能源会成为未来的能源的主流？咱们回顾一下，就是从1860年吧从工业革命开始，那个时候全世界能源的总量80%是柴薪，就是柴火，20%是煤炭，那个后来发展到现在，煤炭后来越来越涨，涨到1973年左右，世界能源比重煤炭是上来了，柴薪下来了。柴薪下来是主要有两个理由，一个理由是资源供应不上，第二个它的能量密度也不够，所以煤炭上来了，后来石油又上来了，石油、天然气，所以看到能源的变化过程中是这样的、替代的，可以讲煤炭替代了柴薪，石油、天然气替代了煤炭，所以我们预测下面一个就应该是氢。
您这也是一个预测（方法），按照过去这个能源变化规律。因为它这里面有个规律，什么规律？这里面也可以看到它每一种能源里面氢原子的数目，跟碳原子数目的比例是不断变化的，比如说柴薪跟煤炭，它里面氢原子数跟碳原子数差不多是1：1，就是一个氢原子、一个碳原子，石油就变2：1了，就两个氢、一个碳，到了天然气就四个氢、一个碳。您同意他的推算方法吗？可以这样讲，人类越来越低碳，就是这个氢的量是越来越高了，所以人类是越来越低碳富氢的，这个能源方向发展。中国已经开始走氢能源的路线了，国家已经非常重视这个事情了。就在今年（2021年）发布了两个国家级的示范项目，一个就是氢进万家，这是科技部和山东省来合作来做，他们提出来要进多少多少万辆车，多少多少加氢站，多少多少管线要建起来，多少多少吨的氢气要用掉，这都有具体指标的，这个任务是四年之内完成，我相信能够成功。今年还同时国家宣布了，三个关于这个城市群的建设，来示范氢燃料电池。北上广城市群的概念，就是以这三个城市为中心，扩其周边的城市。
每个城市群都包括了好几个省和市，三个城市群加起来有包括20多个省市都要搞起来。在这样一个利好的政策的前提下，跟我们畅想一下未来真的氢能源走进千家万户的时候，到底会给我们的生活带来怎样的变化？真正要用绿色氢能源的发展，将来蓝天白云，雾霾就没了。因为现在的雾霾主要还是利用化石资源造成的，所以蓝天白云情景是可以想象到的。另外，整个社会应该变得更加轻便，更加方便。出行也好，生活也好，还有一些我们意想不到的，包括我们的日常生活里面，会产生非常非常多的一些新的，想象不到的都有可能出现。在20年之后您推开家门的时候，当氢能源都已经普及的时候，那会是什么样子？那首先我就想家里的电，它是来自于可再生能源的，光伏的电，但是光伏的电有问题就是波动性，有时候如果没有太阳你就没电了，那怎么办？所以这个家庭来讲，家庭成立个独立的能源系统是完全可能的，就是说光伏发电，发了电以后在用不完的时候，可以当电解水把氢存在那儿，如果没有电的时候，这个氢就能够用燃料电池发电，反过去同时产生热水，所以家里的热水是很多的，不仅洗澡，不仅厨房都可以用。这个事情并不是个虚幻的，现在日本就已经推广大概有几十万台这个设备，这是很好的。
另外，家里植物可能更漂亮，因为环境更好了，植物甚至可能有含氢水，作为农业也有可能的，那这样的话，植物可能长得更好。还有一个特别值得大家关注的，就未来航天航空，甚至要登月、登火星，那人类到火星上怎么生存，一个理想的科普（科幻）性的思路，就是背一些水上去。火星上的太阳光的这个能量密度很高的，然后把这个水分解成氢气和氧气，相当于把太阳光，白天的时候存起来，转到背面去，也就是（跟）地球一样，就没有能源了，那么这个氢和氧又反应生成把能量又放出来，这样就解决人类将来那个登月、登火星（的问题）。登月的话，你看15天是白天，相当于15天白天，15天是黑夜，到15天黑夜的时候，那个能量从哪来，背着太阳，就要用这样的办法。现在也是一个人们类似于科普（科幻）这样的想象，实际上是可以这样做的，所以现在一到了一个地方，都关心那地方，星球上有没有水，一旦有水就可以有生命，而且能源也有了。形成了一个自我循环的新的一个体系。
水就是一个氢的载体，不断地生成，不断地释放，就是能量储存的过程，很大胆也很有趣的畅想。还有一个，我觉得特别值得就是说现在这个碳达峰、碳中和越来越深入人心，老百姓也很关心了，大家都关心什么叫碳达峰、碳中和？就是要把二氧化碳要减排，解决二氧化碳的问题，现在看样子最重要最重要的，一个途径就是要用绿氢，就是水里面拿到的氢，可再生能源拿到的氢，那就解决二氧化碳排放。所以这个是大家在期待，我们中国任务很紧，2030年之前碳达峰，2060年之前要碳中和。这个整个影响我们社会，我们的经济，也影响我们千家万户的生活。感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视视频收看我们过往的节目。好，我是胜春，今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。
