能開火箭、開汽車，還能煉鋼、治病！走進清華長三院，探秘“氫”世界
電影《流浪地球》的片頭，幼年的劉啟詢問即將奔赴領(lǐng)航員空間站的爸爸劉培強：“爸爸，氫是什么？”得到的回答是：“氫是爸爸開大火箭的燃料”。
氫（H），在元素周期表中位于第一位，是宇宙中最常見的物質(zhì)。氫通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣，一種無色無味、極易燃燒的氣體。
作為最輕的氣體，連地球引力也無法完全抓住氫氣，這使得它在空氣里的含量幾乎為零。但氫氣燃燒熱值高，而且燃燒釋放能量后生成水，是一種非常清潔無污染的能源。每千克氫氣燃燒放出的熱量為143兆焦，是石油熱值的3倍多。所以，液氫被用作運載火箭的燃料。
《流浪地球》的背景設(shè)定在2075年，電影里那時氫能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、化工以及建筑等諸多領(lǐng)域。
而事實上，按照國際氫能委員會預(yù)計，到2050年氫能源就將有望貢獻全球整體能源需求的18%，創(chuàng)造出年均2.5萬億美元總產(chǎn)值。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計，到2050年氫能源有望貢獻全國終端能源需求的10%，創(chuàng)造超過10萬億元的總產(chǎn)值。
4月24日下午，浙江省科協(xié)2024“走進新質(zhì)生產(chǎn)力”系列科普活動就帶著嘉興市文賢學(xué)校的孩子們，走進了浙江清華長三角研究院智慧能源研究中心。作為專注氫能源產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)與關(guān)鍵材料研發(fā)、以開展應(yīng)用性科技研究為目的的創(chuàng)新型科研機構(gòu)，長三院智慧能源研究中心可以讓孩子們直觀地感受到氫能的澎湃魅力。
“灰氫”“藍氫”“綠氫” 都是什么？
活動一開始，長三院智慧能源研究中心的主任助理、博士后汪宗御就給孩子們科普了關(guān)于“氫”的小知識。盡管大氣中的氫氣含量極少，但氫在自然界中分布很廣，它是構(gòu)成物質(zhì)世界的基礎(chǔ)之一。其中，我們熟悉的水便是氫的“倉庫”，而在泥土里也約有1.5%的氫。汪宗御還告訴孩子們，氫能是一種二次能源，它需要通過一定的方法利用其他能源制取，而不像煤、石油、天然氣可以直接開采。
而根據(jù)制取過程的碳排放強度，氫氣可被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。我國是世界第一產(chǎn)氫大國，氫氣產(chǎn)能約3300萬噸。
汪宗御向大家解釋道，灰氫是指通過化石燃料轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有大量二氧化碳排放；藍氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳捕集和封存技術(shù)，實現(xiàn)低碳制氫；而綠氫是通過太陽能、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電進行電解水制氫，在制氫過程中沒有碳排放，被視為實現(xiàn)碳中和的最佳方式。
目前，我國氫氣制取以煤制氫方式為主，占比約80%。未來，隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，綠氫占比將逐年上升，預(yù)計2050年將達到70%。
在講到氫能的應(yīng)用方面，汪宗御告訴大家，目前我國氫能應(yīng)用占比最大的領(lǐng)域是工業(yè)領(lǐng)域。氫能除了具有能源燃料屬性外，還是重要的工業(yè)原料。氫氣可代替焦炭和天然氣作為還原劑，可以消除煉鐵和煉鋼過程中的絕大部分碳排放。
在電力領(lǐng)域，因為可再生能源具有不穩(wěn)定性，而通過電—氫—電的轉(zhuǎn)化方式，氫能可以成為一種新型的儲能形式。在用電低谷期，利用富余的可再生能源電力電解水制取氫氣，并以高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、有機液態(tài)或固態(tài)材料等形式儲存下來；在用電高峰期，再將儲存的氫氣通過燃料電池或氫氣透平裝置進行發(fā)電，并入公共電網(wǎng)。氫儲能的存儲規(guī)模更大，可達百萬千瓦級，存儲時間更長，可根據(jù)太陽能、風(fēng)能、水資源等產(chǎn)出差異實現(xiàn)季節(jié)性存儲。
“同學(xué)們還知道哪些氫能的應(yīng)用嗎？”孩子們紛紛積極作答，“我看到有公交車寫的是氫能源巴士”，“沒錯，我們現(xiàn)在已經(jīng)有氫燃料大巴在投入使用了�！�
在互動環(huán)節(jié)，孩子們也表達了自己對氫能的好奇，“既然宇宙中的氫氣那么多，是不是可以把它們運輸?shù)降厍蛏瞎┪覀兪褂媚兀俊薄澳愕南敕ê芎谩�，汪宗御說，“但是要實現(xiàn)這個想法難度很大，目前我們的科技還無法實現(xiàn)，也許未來你們可以成為這方面研究的科學(xué)家，找到更好的解決方案。”
感受氫能體驗之旅
聽完關(guān)于氫能的科普，孩子們走進了德燃（浙江）動力科技有限公司的車間展廳，德燃動力市場技術(shù)總監(jiān)夏全剛博士給孩子們講解了氫燃料電池動力系統(tǒng)，“燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，按照電化學(xué)原理，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實際上這是一個氧化還原反應(yīng)�！毕娜珓傊钢故镜难b置跟孩子們介紹，“燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。就好比我們身體中心臟將血液輸送到全身，燃料電池也是給動力系統(tǒng)輸送能量的‘心臟’，讓車輛持續(xù)行駛、工作。”
夏全剛告訴大家，截至2022年底，我國新能源汽車保有量近1500萬輛，其中純電動汽車1200萬輛，占新能源汽車總量近80%。隨著發(fā)展，鋰電池技術(shù)的瓶頸逐漸顯現(xiàn)，而燃料電池汽車將成為未來的突破口和發(fā)展趨勢。國際氫能委員會預(yù)測：2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%。
聽完講解，孩子們還開啟了他們的氫能應(yīng)用體驗之旅，坐上了氫能源大巴。大巴緩緩地在園區(qū)行駛，車輛行駛平穩(wěn)無震動，與普通汽車相比，它更加環(huán)保、安靜和高效�！捌綍r坐普通的車偶爾會有汽油味，但是坐這個氫能車一點氣味都沒有”，一個孩子興奮地說。
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