氫是宇宙中最富有的元素之一，也是一種具有吸引力的可再生能源，在解決氣候危機方面發(fā)揮重要作用。但氫在能夠成為下一代能源技術(shù)組合關(guān)鍵部分之前，需要更容易被生產(chǎn)，成本更低。以下美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室?guī)椭鷮崿F(xiàn)這些目標(biāo)的八種方法：
上述圖片代表了H2@Scale，美國能源部的新方案，將該工程的參與者全部聚集起來，推動廉價氫氣生產(chǎn)、運輸、存儲以及應(yīng)用，實現(xiàn)多個部門的脫碳和創(chuàng)收機會。（圖片由DOE氫氣與燃料電池技術(shù)部提供）
1. 生產(chǎn)清潔、低價的氫氣
如今，清潔的氫氣是通過水電解生產(chǎn)的，利用可再生能源和核能發(fā)電將水轉(zhuǎn)化為氫。這一過程的成本大約要5美元/公斤。美國能源部的Hydrogen EarthShot計劃嘗試在10年內(nèi)降低生產(chǎn)清潔氫的成本的80%，將成本降低至1美元/公斤。阿貢實驗室采取了多方面方法來實現(xiàn)這一目標(biāo)。這將需要對分子和電子結(jié)構(gòu)如何影響氫氣生產(chǎn)有一個基本的了解，只使用清潔和可持續(xù)能源投入和地球上豐富的材料。這是由美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室（DOE-BES）支持阿貢項目的關(guān)鍵計劃，在陽光下從水中生產(chǎn)氫氣，正如最近在BES圓桌會議上強調(diào)的碳中和氫氣技術(shù)。對于電解，電解槽（將水轉(zhuǎn)化為氫氣的設(shè)備）將需要更高效、更耐用、更低的制造成本。阿貢實驗室研究人員正在與其他國家實驗室共同合作，能源部氫和燃料電池技術(shù)辦公室（HFTO）為下一代水電解槽氫（H2NEW）提供一部分的資金。目標(biāo)是提高電解槽的性能與耐用性，降低生產(chǎn)清潔氫氣成本，以實現(xiàn)Hydrogen Shot目標(biāo)。
2. 使制造燃料電池與電解槽的價格更合適
燃料電池利用氫氣清潔更高效地發(fā)電，為運輸以及其他能源應(yīng)用提供便利。無論是燃料電池還是電解槽都需要由稀有昂貴的金屬制成的催化劑，像是用于燃料電池中的鉑，電解槽中的銥。這些催化劑大大提高了技術(shù)成本。阿貢實驗室與能源部氫和燃料電池技術(shù)辦公室的共同投資，其目標(biāo)是利用豐富且成本低的金屬材料開發(fā)燃料電池與電解槽的催化劑，如鐵、鈷和鎳。
H2@Scale的LOGO，代表能源的一項倡議。（圖片由DOE氫氣與燃料電池技術(shù)部提供）
3. 重型車輛電氣化難以脫碳
卡車、火車、輪船、飛機、越野和其他重型運輸工具約占美國所有二氧化碳排放量的15%。通過用氫燃料電池取代內(nèi)燃機對這些運輸工具實行脫碳，可以減少運輸業(yè)的二氧化碳排放。阿貢實驗室正在對這些重型車輛的氫燃料電池與化石燃料內(nèi)燃機進行研究比較。目標(biāo)是確定改進此類重型燃料電池車輛性能、耐久性和成本的機會。此外，作為HFTO百萬英里燃料電池卡車（M2FCT）聯(lián)盟的一部分，阿貢的科學(xué)家和工程師正在與其他國家實驗室的同行合作，以提高此類燃料電池系統(tǒng)的效率、耐用性和成本。
4. 利用氫氣和燃料電池技術(shù)應(yīng)對氣候變化
減少二氧化碳排放是應(yīng)對氣候變化，有效利用氫氣和燃料電池技術(shù)的關(guān)鍵因素之一 。如今，美國每年生產(chǎn)約1000萬噸氫氣，主要用于石油精煉和合成氨生產(chǎn)，其中95%以上的氫氣是通過天然氣蒸汽重整產(chǎn)生的，天然氣蒸汽重整利用高溫和蒸汽將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣。根據(jù)阿貢的溫室氣體、管制排放和能源使用技術(shù)模型（GREET），通過蒸汽重整生產(chǎn)氫氣每生產(chǎn)一磅氫氣，就會產(chǎn)生約8磅二氧化碳，盡管這些排放可以通過碳捕獲和儲存技術(shù)來緩解。新技術(shù)正在興起，通過各種資源中生產(chǎn)清潔氫氣，每種資源都有自己的碳足跡。此外，氫氣在燃料汽車、卡車、火車和其他車型以及鋼、化學(xué)品制造和二氧化碳燃料生產(chǎn)中的新應(yīng)用也正在興起。量化生產(chǎn)和使用氫氣的新方法的碳足跡對于評估其對應(yīng)對氣候變化的影響至關(guān)重要。阿貢研究人員通過GREET對美國經(jīng)濟脫碳的不同制氫途徑的方法來評估整個生命周期的碳足跡。
5. 研發(fā)氫氣路線圖
隨著生產(chǎn)清潔氫氣的成本降低和使用氫氣新技術(shù)的研發(fā)，對氫氣的需求增加。了解氫氣的需求在何處發(fā)展，以及如何從生產(chǎn)地運輸是至關(guān)重要的。阿貢研究人員與美國國家可再生能源實驗室（DOE’s National Renewable Energy Laboratory）共同合作正在制定國家和區(qū)域的路線圖來解答這些問題。該路線圖將作為公共和私人部門指南，以加快氫氣技術(shù)的進步和發(fā)展，向經(jīng)濟脫碳邁進一步。
6. 在中西部開發(fā)氫氣生態(tài)系統(tǒng)
在美國中西部通過清潔、低碳資源生產(chǎn)氫氣，例如核能、生物質(zhì)和副產(chǎn)品氫源。該地區(qū)還可以在運輸部門、煉油廠和鋼鐵廠等行業(yè)使用氫氣。阿貢實驗室一直與美國能源部和大學(xué)的一些相關(guān)部門合作，以建立中西部氫氣合作關(guān)系，促進氫的區(qū)域生產(chǎn)和利用，并為氫的生產(chǎn)、分配和加油提供充足的基礎(chǔ)設(shè)施。阿貢還一直在促進芝加哥地區(qū)和中西部各州的工業(yè)和政府互動，以建立區(qū)域氫經(jīng)濟。例如，由阿貢和伊利諾伊大學(xué)厄本那香檳分校發(fā)起的中西部氫合作伙伴關(guān)系是工業(yè)、學(xué)術(shù)和研究機構(gòu)、政府和其他感興趣的利益相關(guān)者之間的合作。這種合作關(guān)系能夠使中西部地區(qū)應(yīng)對挑戰(zhàn)、障礙和機遇，實現(xiàn)氫經(jīng)濟。
7. 利用核能制氫
在需求低的時期，核能可以產(chǎn)生無二氧化碳的電力，通過水電解產(chǎn)生清潔氫氣。阿貢實驗室正在與Exelon, Nel Hydrogen，DOE愛達(dá)荷州國家實驗室和國家可再生能源實驗室探索如何通過核能產(chǎn)生清潔氫氣提高核電站的價值，同時幫助其他行業(yè)共同脫碳。阿貢實驗室?guī)椭鷿撛诘臍錃馐袌?，確定盈虧平衡的核能氫成本，并確定生產(chǎn)和使用核氫的機會。
8. 降低氫氣加注成本
加利福尼亞正在部署以燃料電池為動力的氫燃料汽車?，F(xiàn)在，在加利福尼亞的加油站，在等效能量基礎(chǔ)上，氫氣成本大約是汽油的三倍。阿貢實驗室正在開發(fā)新的氫氣站，從而降低氫氣成本，提高氫氣分配效率。這種氫氣站將降低客戶為燃料電池汽車支付的氫氣成本。阿貢新設(shè)計已經(jīng)獲得PDC Machines認(rèn)證，PDC Machines是全球壓縮機制造商，用于新電站建造。
阿貢國家實驗室尋求解決國家科學(xué)與技術(shù)問題的方法。該實驗室是美國第一個實驗室，幾乎在每一個科學(xué)領(lǐng)域都進行前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。實驗室的研究人員與上百家公司、大學(xué)、聯(lián)邦和政府機構(gòu)密切合作，來幫助他們解決特殊問題，提升美國科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)能力，為更好的未來做準(zhǔn)備。實驗室的工作人員來自60個多國家，由美國能源部門科學(xué)辦公室的UChicago Argonne, LLC管理。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
2021.11.18