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從太陽能到氫燃料 一場(chǎng)光與水的綠色化學(xué)反應(yīng)

來源：中國能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2025-05-23 10:43

楊建強(qiáng)

　　想象一下，未來的汽車不再加油，而是加注由陽光和水制成的氫氣，燃燒后只排放水蒸氣;工廠不再依賴化石燃料，而是用太陽能電解水產(chǎn)生的氫能驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)——這并非科幻場(chǎng)景，而是正在發(fā)生的能源革命。太陽能取之不盡，但受晝夜和天氣影響，難以穩(wěn)定供電;氫能清潔高效，但傳統(tǒng)制氫方式依賴化石燃料，仍會(huì)產(chǎn)生碳排放。如何讓兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合？科學(xué)家們找到了一把關(guān)鍵鑰匙:利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣，實(shí)現(xiàn)真正的綠氫生產(chǎn)。這場(chǎng)“光與水的綠色化學(xué)反應(yīng)”，正在重塑人類能源的未來。

　　氫能：為什么我們需要它？

　　氫是宇宙中最豐富的元素，其作為能源載體具有三大優(yōu)勢(shì):零碳排（氫氣燃燒或通過燃料電池發(fā)電時(shí)，唯一副產(chǎn)品是水，完全不產(chǎn)生顆粒物、硫化物或者CO?）、高能量密度（單位質(zhì)量氫的熱值是汽油的3倍，適合航空、重卡等高耗能領(lǐng)域)、可儲(chǔ)存性（氫能長期儲(chǔ)存，彌補(bǔ)風(fēng)能、太陽能間歇性缺陷）。然而，傳統(tǒng)制氫方法還面臨著一系列困境。目前全球95%的氫來自天然氣重整或煤制氫(簡稱“灰氫”)，每生產(chǎn)1噸氫排放約10噸CO?。即使通過碳捕捉技術(shù)制成“藍(lán)氫”，仍無法徹底脫碳。因此，可引進(jìn)太陽能制氫（綠氫)作為真正的清潔能源解決方案。

　　太陽能如何變成氫燃料?

　　太陽能制氫的核心原理是光解水(Photoelectrolysis)：利用太陽能將水(H?O)分解為氫氣(H?)和氧氣(O?)。目前太陽能制氫主流技術(shù)路徑有：光伏+電解水(PV-EC)、光催化直接制氫(PEC)以及太陽能熱化學(xué)制氫等。“光伏+電解水”(PV-EC)步驟為：先利用光伏發(fā)電板將陽光轉(zhuǎn)化為電能，再將電能輸入電解槽，分解水分子?！肮夥?電解水”技術(shù)亮點(diǎn)為：電解效率高達(dá)70%-80%。全球最大項(xiàng)目：中國寧夏的“光伏—?dú)淠芫C合示范工程”便是采用的該技術(shù)，年產(chǎn)綠氫2萬多噸；光催化直接制氫(PEC)步驟為：先模仿植物光合作用，用特殊材料（如二氧化鈦）在陽光下直接催化水分解。該技術(shù)目前還面臨催化劑壽命短，規(guī)模化難度高的問題。不過值得注意的是，2023年德國科學(xué)家開發(fā)出了新型鈣鈦礦光催化劑，將制氫效率提升至了19%；太陽能熱化學(xué)制氫步驟為:聚焦太陽光產(chǎn)生高溫（1000℃以上），驅(qū)動(dòng)金屬氧化物循環(huán)反應(yīng)分解水。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于無需電能轉(zhuǎn)換，效率潛力超過30%。

　　太陽能制氫關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與突破

　　太陽能制氫效率瓶頸：光伏電解水綜合效率約10%~15%，遠(yuǎn)低于理論極限(30%)，可通過開發(fā)多結(jié)太陽能電池(效率超40%)+低溫電解槽的方式加以解決;太陽能制氫成本難題:綠氫成本目前約3~5美元/公斤，目標(biāo)是2030年降至1美元/公斤，其降本路徑為:規(guī)模化電解槽生產(chǎn)（如中國堿液電解槽成本已降60%）；太陽能制氫儲(chǔ)運(yùn)與安全：氫氣易泄漏、易燃，需高壓壓縮（大概700大氣壓），將氫氣壓縮至原體積的1/800，或者轉(zhuǎn)化為液態(tài)(-253℃)運(yùn)輸，又或者采用新型材料儲(chǔ)氫，如金屬有機(jī)框架（MOFs）、氨（NH?）轉(zhuǎn)化，具體可參考日本“氫能社會(huì)”試點(diǎn)用有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)（LOHC）破解該難題。

　　全球應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)

　　太陽能制氫在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。例如：豐田Mirai、現(xiàn)代NEXO等氫燃料電池車已商業(yè)化，行駛時(shí)僅排放水蒸氣；中國“氫能重卡”在港口、礦區(qū)推廣，單次加注續(xù)航超800公里，遠(yuǎn)超電動(dòng)卡車;空客計(jì)劃2035年推出氫能客機(jī)，航程超2000公里。太陽能制氫在工業(yè)脫碳領(lǐng)域的應(yīng)用。例如:鋼鐵巨頭安賽樂米塔爾用綠氫替代焦炭煉鋼，減少90%碳排放；化工行業(yè)將綠氫用于合成氨、甲醇等。太陽能制氫在能源儲(chǔ)備行業(yè)的應(yīng)用。例如，澳大利亞“亞洲可再生能源中心”計(jì)劃用26GW風(fēng)光電制氫，出口亞太;德國將廢棄鹽穴改造為氫儲(chǔ)能庫，調(diào)節(jié)電網(wǎng)波動(dòng)。

　　未來展望：氫能社會(huì)的鑰匙

　　國際能源署(IEA)預(yù)測(cè)，2050年綠氫將滿足全球12%能源需求。但實(shí)現(xiàn)這一愿景需：(1)政策支持。如歐盟碳邊境稅、中國“氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃”等。(2)技術(shù)協(xié)同。如風(fēng)光電成本下降+電解槽技術(shù)迭代;(3)基礎(chǔ)設(shè)施。如全球需新建超5萬公里氫管道。

　　從陽光照射到水分子斷裂，再到氫氣點(diǎn)燃引擎——這場(chǎng)“綠色化學(xué)反應(yīng)”的背后，是人類對(duì)可持續(xù)發(fā)展的終極追求。正如諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主喬治·奧拉所言：“氫能是未來的能源，而太陽能是制氫的最佳途徑?！被蛟S不久后，我們回望今天，會(huì)發(fā)現(xiàn)綠氫的崛起，正是碳中和時(shí)代的真正起點(diǎn)。（作者來自廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司欽州靈山供電局）

　　責(zé)任編輯：于學(xué)華