近日，#南北兩極同時出現極端高溫#的話題登上微博熱搜榜。據報道，南極東方站從零下55℃驟升至零下17℃，康科迪亞站升溫至零下11℃，與南極季節完全相反的北極地區同樣在今年三月觀測到創同期紀錄的高溫。

當氣候異常的痕跡越來越多地出現在視野中，尋找新能源、減少碳排放已成為四象限法則中“緊急且重要”的事務。

無碳燃料：破解全球變暖困局的密碼

溫室氣體、全球變暖如今已成為老幼皆知的詞匯。化石燃料或生物質燃燒產生的二氧化碳（CO2）是變暖的元兇。此外這些燃料中含有氮、硫等雜原子，隨著燃燒成為大氣污染物，并引發酸雨等衍生問題。

自工業革命以來，化石燃料就長期霸占人類可利用能源之首，早已是人類發展離不開的供能者。而氣候變暖亦是關乎全球、全人類共同發展的問題。在這個問題上，各國科學家和政策制定者大都持相同的態度。于是大家集思廣益想出一個絕頂聰明的主意：既然CO2是碳被氧化的最終產物，那以后大家就用不含碳的燃料好了。

這很聰明，但又不完全聰明。畢竟我們生活中所能見到的燃料，幾乎都是有機物，既然是有機物，又怎么會沒有碳呢？

于是氫氣開始進入了人們的視線。作為一種完全無碳，只由氫原子組成的單質，它似乎是解決以上問題的完美答案。零碳排放、燃燒的產物只有水、制備出的氫氣產品中雜質極少……這些特性恨不得把“我很干凈”四個大字刻在氫氣的大腦門上閃閃發亮。更令人驚喜的是，在現在人們使用的所有燃料中，氫氣的單位質量熱值是最高的。

表 常見燃料的熱值

神奇氫氣在哪里

我們聽說過油礦煤礦天然氣礦，聽過金礦銀礦鉆石礦，但似乎從沒有人聽說過“氫氣礦”這種神奇的東西。Emmm…因為確實沒有這個神奇的東西！

盡管氫是宇宙中最豐富的元素，它在地球上卻大多以化合物的形式存在。我們無法像開采石油或煤那樣從自然界中“捕獲”氫氣，只能依靠化學反應將氫原子從其他物質里“提取”出來并轉化為氫氣單質。

目前成熟進入工業化制氫的方法主要有四種：天然氣蒸汽重整、石腦油等石油產品的重整、煤炭氣化，以及電解水。它們制造的氫氣分別占據全球氫產量的48%、30%、18%和4%。天然氣制氫獨享半壁江山，而對于天然氣儲量有限或價格較高的國家或地區，煤氣化制氫則是更優先的選擇。

當無色的氫氣被賦予不同色彩

講到這里，聰明的讀者或許已經發現其中的問題：我們為了減排減少污染才選擇氫能，現在卻告訴我超過95%的氫氣仍然要通過化石燃料來獲取。所以……氫能到底是不是清潔的？

為了科學地探討這個問題，研究者根據氫氣的生產方式，將其分為綠氫、藍氫和灰氫三種不同顏色的氫氣。顧名思義，一聽就很綠色的“綠氫”是由清潔電力電解水所得到的產物，而聽起來不太干凈的“灰氫”則是由化石燃料或焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業副產氣制備。

既然能量的源頭都是化石燃料，不直接使用化石燃料供能，而將之轉化為氫氣再利用的意義又在哪里呢？相比于在燃燒階段釋放碳，生產階段去除碳的優勢在于可以利用碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技術集中地處理掉一大部分碳，避免它們進入大氣，“藍氫”就是由化石燃料轉換，但經歷了碳捕集過程的產物。

由于技術成熟度的差異，綠氫的單價是三種氫氣中最高的，在無法完全拋棄經濟考量的情況下，我們還有很長一段時間要使用灰氫與藍氫。

文獻中報道的氫氣生產成本

不必過于悲觀，隨著可再生電力和電解槽設備的價格不斷下降，將來綠氫的價格甚至會降到藍氫與灰氫之下，成為既環保又經濟的選擇。根據權威能源機構Wood Mackenzie的分析，到2040年，綠氫在價格上能與化石燃料生產的氫氣競爭。

電解水與核熱“閑魚”制氫，

向清潔與節約邁進

上文我們提到電解水是實現工業制氫的方法之一。比起化石燃料轉化后再捕集碳，直接選擇水作為氫原子的提供者顯然更清潔，而且不耗費有限的化石燃料儲備。電力作為一種二次能源，同樣不能從自然界直接獲得，要依靠初級能源的轉化。所以我們面臨的一個事實就是……（見下圖）

好像……兜兜轉轉又回到了原點……

好在清潔可再生電力在制氫技術中展現出非凡的優勢。比如風能發電，由于其初級能源（風力）的特點，風電不一定能作為某地區穩定的主要供電來源。如果制氫廠建在風力發電站附近，利用風電外加備用供電源，作為水電解制氫的能源供給，就能生產綠氫，同時把電能轉化為儲存在氫氣中且可運輸的化學能。目前，風能制氫已經在包括中國、德國、土耳其、阿根廷和智利在內的許多國家開展試點。

什么叫國際巨星啊？（戰術后仰.gif）

近些年核電站如雨后春筍般快速出現，核電也可以用到綠氫的生產中。而科學家們在此基礎上，又把目光投到了新的方向。

圖 核電站能量類型轉化示意

核電站不是將核能一步轉化為電力的，中途還要經歷熱能和機械能兩種形式。核燃料燃燒產生的熱能中，很大一部分是無法按照上述途徑順利完成下步轉化的，這部分未被利用的熱稱為“余熱”。

出于安全考慮，核反應堆余熱一般不用于民用供暖管網，因而大量能量遭到“閑置”。有閑置，怎么辦？找個二手平臺收掉就好！

將核反應堆與采用先進制氫工藝的制氫廠耦合,可以回收余熱進行氫的大規模生產。其中一類先進工藝稱為高溫電解，即引入熱能以降低電解水的耗電量；另一種工藝是熱化學循環，讓熱能驅動幾個循環的化學反應，這個過程的總效果是水分解為氫氣與氧氣，而其他的物質作為“輔助者”可以不斷循環，反復利用。

圖 硫碘循環制氫原理示意

前進路上的最后一座大山

當我們找到了氫氣作為化石燃料的接班人，又發現“綠氫”從技術和經濟上看即將變成具有市場競爭力的新能源產品。到這里，一切都萬事大吉了嗎？

No！???

講個不那么童話的童話：勇敢的騎士歷盡千難萬險打入惡龍巢穴，騎士說：“公主別怕，我帶你走。”公主說：“不了，我跟龍混熟了，在這兒住得挺好的。再見！”

“氫經濟”難以實現的一大原因，就是在過去的幾百年間我們和化石燃料“混得太熟”。無數的火電廠、供熱廠、重工業生產廠和加油站幾乎遍布全球各個角落，換掉能源，就意味著我們可能要換掉所有的這些設施。其難度不言而喻。

華威大學經濟學家Andrew Oswald計算后發現，哪怕僅僅將交通業使用的能源先換成綠氫，英國要實現這一點，就要建設十萬臺風力渦輪機。

如果數字過于抽象，那換一種表達：整個威爾士地區被風電裝置鋪滿。（不列顛：痛失土地嚶嚶嚶）

而美國想要完成交通業的能源轉變，這個數字還要乘以10。哪怕使用更“強大”的核電，也要再建設1000座新的核電站。

所以，要想用上綠色氫能，或許還要耐心等待，等待有足夠的可再生電力或核熱儲備，才能實現這個偉大的目標。

結語

無論能源發展到怎樣的水平，可利用的能量都是有限的，人類不該以其“更清潔”、“可再生”為由肆無忌憚地加以浪費。節能減排不是空話。先節能，才有機會實現減排。請從身邊小事做起，節約能源，共同守護我們的綠色家園。

審核編輯 ：李倩