從太陽能到氫燃料 一場光與水的綠色化學反應
來源：中國能源新聞網 時間：2025-05-23 10:43
楊建強
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生的氫能驅動生產——這并非科幻場景，而是正在發生的能源革命。太陽能取之不盡，但受晝夜和天氣影響，難以穩定供電;氫能清潔高效，但傳統制氫方式依賴化石燃料，仍會產生碳排放。如何讓兩者優勢結合？科學家們找到了一把關鍵鑰匙:利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣，實現真正的綠氫生產。這場“光與水的綠色化學反應”，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勢:零碳排（氫氣燃燒或通過燃料電池發電時，唯一副產品是水，完全不產生顆粒物、硫化物或者CO?）、高能量密度（單位質量氫的熱值是汽油的3倍，適合航空、重卡等高耗能領域)、可儲存性（氫能長期儲存，彌補風能、太陽能間歇性缺陷）。然而，傳統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1噸氫排放約10噸CO?。即使通過碳捕捉技術制成“藍氫”，仍無法徹底脫碳。因此，可引進太陽能制氫（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)以及太陽能熱化學制氫等。“光伏+電解水”(PV-EC)步驟為：先利用光伏發電板將陽光轉化為電能，再將電能輸入電解槽，分解水分子。“光伏+電解水”技術亮點為：電解效率高達70%-80%。全球最大項目：中國寧夏的“光伏—氫能綜合示范工程”便是采用的該技術，年產綠氫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。該技術目前還面臨催化劑壽命短，規模化難度高的問題。不過值得注意的是，2023年德國科學家開發出了新型鈣鈦礦光催化劑，將制氫效率提升至了19%；太陽能熱化學制氫步驟為:聚焦太陽光產生高溫（1000℃以上），驅動金屬氧化物循環反應分解水。該技術優勢在于無需電能轉換，效率潛力超過30%。
太陽能制氫關鍵技術挑戰與突破
太陽能制氫效率瓶頸：光伏電解水綜合效率約10%~15%，遠低于理論極限(30%)，可通過開發多結太陽能電池(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，目標是2030年降至1美元/公斤，其降本路徑為:規模化電解槽生產（如中國堿液電解槽成本已降60%）；太陽能制氫儲運與安全：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，或者轉化為液態(-253℃)運輸，又或者采用新型材料儲氫，如金屬有機框架（MOFs）、氨（NH?）轉化，具體可參考日本“氫能社會”試點用有機液體儲氫技術（LOHC）破解該難題。
全球應用：從實驗室到產業
太陽能制氫在交通領域的應用。例如：豐田Mirai、現代NEXO等氫燃料電池車已商業化，行駛時僅排放水蒸氣；中國“氫能重卡”在港口、礦區推廣，單次加注續航超800公里，遠超電動卡車;空客計劃2035年推出氫能客機，航程超2000公里。太陽能制氫在工業脫碳領域的應用。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；化工行業將綠氫用于合成氨、甲醇等。太陽能制氫在能源儲備行業的應用。例如，澳大利亞“亞洲可再生能源中心”計劃用26GW風光電制氫，出口亞太;德國將廢棄鹽穴改造為氫儲能庫，調節電網波動。
未來展望：氫能社會的鑰匙
國際能源署(IEA)預測，2050年綠氫將滿足全球12%能源需求。但實現這一愿景需：(1)政策支持。如歐盟碳邊境稅、中國“氫能產業中長期規劃”等。(2)技術協同。如風光電成本下降+電解槽技術迭代;(3)基礎設施。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，再到氫氣點燃引擎——這場“綠色化學反應”的背后，是人類對可持續發展的終極追求。正如諾貝爾化學獎得主喬治·奧拉所言：“氫能是未來的能源，而太陽能是制氫的最佳途徑。”或許不久后，我們回望今天，會發現綠氫的崛起，正是碳中和時代的真正起點。（作者來自廣西電網有限責任公司欽州靈山供電局）
責任編輯：于學華
