第720期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《新能源（四）氢能源》
讲座题目：透视新科技——新能源（四）氢能源
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：2025年11月24日～11月30日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——新能源（四）氢能源
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呢？我们通过短片来进入今天的节目。人类对氢能的利用，早在1807年就已经开始，瑞士人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，氢能源在现代生活中却始终没有得到更广泛的应用。2022年3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划》，这是我国首个氢能产业的中长期规划，首次明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，这标志着氢能源在中国的发展将进入一个更加快速的轨道。要想实现氢能的大规模应用，我们还有哪些问题需要解决？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能接受这个价格。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，你要从它的那里面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，你差不多得消耗4.5度（千瓦时）电，这基本上都这样的。这个成本就太高了？对，为什么没发展起来？主要是两个问题，一条是它的成本，刚才李老师已经讲了成本会高一点，因为它是能源载体，它需要一次能源去制备柴火价格就定在那儿，那柴火就做成氢气，氢气就加上柴火的成本就更贵一点。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，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。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，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，这样的话氢发展就晚了一点。那为什么还有专家会说，二十一世纪将会是氢能的世纪，氢能源跟我们一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，你要画条线从地球到太阳，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的，至少太阳系这个能源的来源。另外这地球上的海洋、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？安全性的问题吗？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，假设说万一发生安全事故，它发生完了以后就生成了水，不会生成次安全的问题，这个是个很重要的事情。你看核能大家知道福岛，一个事故多少万人都迁移，几十年都不能动，这个不一样。氢作为能源优点非常突出，不仅清洁存储量大，能量密度高，燃烧速度也很快，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，也有着广泛的应用场景。但是与此同时，氢元素的一些特质也决定了它应用起来并不容易。比如要从水中取出氢，就要消耗其他能源，这直接决定氢能源的使用成本，这些都是需要科学家逐一去解决的难题。
那目前氢能源领域，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，人们追求的是绿氢。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，这个就是蓝氢。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。绿氢是获取氢能源最清洁的一种方式了，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，产氢过程很难，是因为水分不稳定，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%，就是零点几涨了二三十倍吧。这也是很大的进步？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%。这已经很高了。一个很大的进步，到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，咱们现在常用的就是碱性电解质，耗电的能量大概是10.5度（千瓦时）电每立方米氢气。这个实际上咱们国家做得已经很大了，可以做到5兆瓦差不多，就是说每小时可以达到一千立方米的（产量），这已经产品化了，而且更大的十兆瓦，每小时两千立方米的氢气，这个也在实验中。
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）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、风电电价也降下来，最后电解水制氢成本降下来了。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平，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。
作为一种新能源，氢能源的优势非常突出，但是氢本身的特性也决定了使用它存在安全上的隐患。氢是自然界最轻的元素，分子量小且非常活泼，所以装在容器里容易泄漏。当我们想在有限的空间里放入更多的氢气时，往往需要给氢气施加压力，但是压力越大，氢分子就越活泼，越容易泄漏和扩散。当空气中的氢气浓度超过4%，就有发生燃烧和爆炸的风险。不仅如此，点燃氢气所需要的能量又很少，有时候甚至不需要明火，仅仅是一般的碰撞、摩擦或者一小股电流就能够把它引燃，氢气的易泄、易燃、易爆炸，给氢能源的储运带来了很大挑战。这个难题又该如何破解呢？氢能源它的储存和运输方面，这个难题出现在哪里？氢是元素周期表第一个元素，原子量值是1，它非常轻，一立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。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，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，如果放成全部的气体，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，到时候我用的时候再把它放出来，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，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，比如说跟氮气，空气里的氮气形成合成氨，形成氨气，氨里面就有NH3，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利用氢气和二氧化碳。现在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，很多人更多想到的就是交通。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，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。锂离子电池它的温度效应，实际上氢能烯料电池，完全没这问题。氢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。
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，其实氢的应用里面，更大的还不在这儿，更大的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，这用的量比交通还要大。中国氢能源的发展起步较晚，但是发展速度很快，以交通用氢为例，截至2021年底，全球在营加氢站659座，我国有183座，占四分之一。氢能源汽车全球主要国家累计投用近5万辆，我国有9千多辆，近五分之一。目前，中国制氢用氢的数量均居世界第一位，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。我国的《氢能产业发展中长期规划》中提出，2025年中国要基本掌握氢能核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量达到约5万辆。到2035年，中国要形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢的比例要明显提升，氢能源的广泛应用势在必行，科学家们也在积极研发，并且成果显著。那么，要想让新能源走进千家万户，我们还需要攻克哪些难题？
目前我们国家氢能源的发展，它的瓶颈又在哪里？缺乏技础设施，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。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一种危化学品，过去因为氢它用的量少，但是它又是高压的，一旦是高压的东西很害怕，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，所以有时就按照能源来处理，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，其实氢能要说远很远，要说近出很近。现在已经是离我们近，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，按照过去这个能源变化规律。因为它这里面有个规律的，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。石油就变成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，发布了两个国家级是示范项目，一个就是氢进万家，这是科技部和山东省来合作在做，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，这都是具体指标的，这个任务是四年之内完成，我相信能够成功，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，三个城市群加起来包括20多个省市都要搞起来。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。另外家里植物可能更漂亮，因为环境更好了，植物甚至可能用含氢水，作为农业也有可能，那这样的话，作物可能长得更好。还有一个特别值得大家关注的，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（幻）性的思路，就是背一些水上去，火星上的太阳光里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，把能量给释放出来，这样就解决人类将来那个登月、登火星。
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，那个能量从哪儿来，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（幻）这样的想象，实际上是可以这样做的。所以现在到了一个地方，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（关注），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，大家也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，2006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。
（通讯员 : 邓辉）
