可再生氢能：深度脱碳的解决方案

前言：氢能并不是满足社会上所有能源存储和转换要求的最低成本的解决方案，但是它在某些方面具有独特的作用。

近日，我们采访了Jack Brouwer先生。Jack Brouwer先生现担任加州大学欧文分校国家燃料电池中心的主任，兼机械与航空工程学、土木与环境工程学教授。

采访讨论了以下内容：

关于锂电池和燃料电池在脱碳中如何发挥作用的看法；

可再生氢如何用于难脱碳领域；

深入思考我们未来的能源需求对于真正的脱碳至关重要的原因。

以下为采访正文。

问题：Jack，您能介绍一下您自己吗？您的专业领域和感兴趣的研究方向是什么？

JackBrouwer：我的研究涉及可再生能源和零排放能源的转换，其中电化学能源转换系统可如何为实现零排放政策目标做出贡献是我的关注重点。因此，我实质上是研究燃料电池、电解槽和锂电池，以补充太阳能、风能和其他可再生能源，实现未来能源转换的可持续发展。

其中我最感兴趣的主题是氢能、氢能存储和燃料电池技术，它们对于我们实现可持续能源转换的未来至关重要。在过去的22年中，我很幸运能与该领域一些顶级研究生、博士后研究人员和同事一起工作。

问题：国家燃料电池研究中心研究项目的任务是什么？加州大学欧文分校的国家燃料电池研究中心

Jack Brouwer：我们的任务是与盟友一起，永远推进能源技术，以实现可持续的能源转换经济。这意味着我们将来不会再造成污染、不再消耗自然资源，也不再引起气候变化，类似于我们现在在的能源转换经济。

问题：氢能在我们未来的能源需求中扮演什么角色？

Jack Brouwer：氢能并不是满足社会上所有能源存储和转换要求的最低成本的解决方案，但是它在某些方面具有独特的作用。

举个例子。锂电池在某些方面的确具有优势。比如当您需要短时间能量存储和短距离运输时，锂电池将比氢燃料电池更合适。但是对于需要快速补充燃料的车辆，比如每天工作8个小时的Uber司机，氢燃料电池技术能满足他们快速补充燃料的需求，而锂电池则不能满足此类需求。众所周知，锂电池的充电时间需时很长。

再举两个例子。当您需要携带大量设备或有效载荷时，轻便的氢能零排放解决方案将比沉重的锂电池更具优势。再比如，当您需要同时实现长途运输、远距离重载和快速补充燃料三个条件时，氢燃料电池将是唯一的解决方案。

相反，短距离行驶、小型车辆或只需短时间能量存储的应用中，锂电池解决方案的效率则比氢燃料电池高。因此，我们未来的零排放经济需要锂电池技术和氢燃料电池技术互为补充。

问题：您为什么认为氢能对于未来的脱碳目标是必要的？

Jack Brouwer：我们经济的任何脱碳目标首先需要所有部门进行脱碳。这意味着我们的脱碳行动不仅针对电网，还包括航空旅行、国际运输和货运网络等。

我们都清楚，一架仅使用锂电池的747飞机不可能完成从纽约飞往澳大利亚的飞行任务。它必须加入可再生氢能解决方案，无论是液化的或是可再生氢燃料衍生物均可。

我们可以将可再生氢能与从大气中提取的二氧化碳结合起来，制成100％可再生和可循环利用的液体燃料。这种合成燃料也是可再生和可循环的。可再生氢能是那些难以实现电气化的领域实现脱碳的基础，我们可以利用可再生太阳能和可再生风能制造可再生氢能。

氢能可以为国际货运、飞机旅行、长途卡车、火车以及所有我们认为无法使用当前技术进行脱碳的领域脱碳。我们完全可以通过氢能对它们完成脱碳处理，这就是我所研究的重点。我认为氢能为这些部门以及农业等其他部门实现零排放提供了解决方案。

农业需要肥料。如今，肥料通常由化石燃料制成。但有趣的是，其实我们还可以利用太阳和风能从可再生氢能制得相同的肥料，比如氨。

钢铁和水泥制造等其他行业难以进行电气化。比如您不能将电加热器放入水泥窑中，但是这些都可以使用可再生氢能来实现。

因此，人们认为很难脱碳的应用，氢会在脱碳过程中发挥作用。能解决难以脱碳领域的需求是其中第一个原因，其他原因是要实现持续时间长和能量存储量大的100％可再生能源电网。

每当需要长时间存储能量（尤其是电能）时，锂电池都不是最优解决方案。这是锂电池无法避免的短板，因为它们的电化学存储溶液一直与电极接触。人们可以很容易地意识到这一点：当一辆锂电池电动汽车在某个地方停放六个月后，无法再次成功启动。

这不是因为锂电池出现故障，这只是锂电池无法避免的物理现象：锂电池储能系统中始终处于自放电状态。但是氢燃料电池和电解槽不受这种物理现象的困扰，它们将氢气存储在与电解槽或燃料电池电极分开的储罐中。因此氢气可以解决长期保存的问题，而锂电池不能。

此外，由于您可以根据功率大小来确定电极的大小，并且可以根据所需能量来调整储罐的大小，因此与锂电池相比，以氢能形式存储大量电能成本较低，因为您不需要购买其他电解槽或燃料电池。

问题：从您的角度来看，燃料电池技术取得了哪些进步？

Jack Brouwer：在过去的十年中，尽管在政策层面遇到阻碍，但燃料电池技术还是取得了长足的进步。美国能源部和全球大多数能源机构已经撤回了对氢能和燃料电池技术资金的支持，他们希望将更多的注意力放在锂电池上。

从某种意义上说，我不介意这种举动。因为锂电池在可持续能源未来的确可以发挥重要作用。但是他们把过多的注意力放在锂电池上，并取消了对燃料电池支持的决定是错误的。

尽管如此，巴拉德、丰田、本田等公司仍在继续投资燃料电池技术。他们取得了巨大的进步，他们知道燃料电池技术的根本特征与锂电池根本不同。他们很清楚燃料电池对于我们可持续能源转换的未来有多重要。因此这些公司取得了巨大的进步，特别是在最近几年中。最重要的进展之一是在降低催化剂用量方面显着降低了成本。

问题：什么是较低的催化剂负载量？

Jack Brouwer：这对质子交换膜燃料电池技术至关重要，这是我们当今在汽车中使用的技术，也是巴拉德在很长一段时间内发展起来的技术。它们需要电催化剂使反应在低温下快速进行，最好的催化剂是铂。但是，铂是一种昂贵的贵金属。

因此，如果您使用大量的铂，虽然可以使燃料电池良好运行，但成本昂贵。最近几年，诸如3M、巴拉德、丰田和本田等公司开始研究出如何大幅减少铂金使用量但同时提高燃料电池性能的方法，这对于减少和改进质子交换膜燃料电池的成本非常重要。此外还有两点我想谈谈。

第一，耐久性显著提升。由于产品性能衰减机制有了更深入的了解，这些燃料电池的使用寿命比以前更长，然后各公司开始围绕这些机制设计系统。例如，禁止系统长时间处于开路电压状态，避免高压所导致的某种产品性能衰减；避免氧气出现在燃料端，即使电池连接的时间很短暂。现在的技术已经攻破许多难关，从而使系统寿命变长。

第二，功率密度的显著改善。曾经，巴拉德的燃料电池需要大量生产材料进行制造，体积很大，勉强能装在引擎盖下。现在，这些燃料电池的大小约为以前产品总大小的四分之一。试想一下，这些进步都是在过去10年中取得的，它们显着提高了燃料电池可以实现的可购性、耐用性和性能特征。想象一下未来十年会是什么样子？

问题：在零排放运输领域，您对氢能有什么长期愿景？

Jack Brouwer：在重型行业中，与任何零排放替代品相比，燃料电池和氢能都具有非常明显的优势。我希望燃料电池是用于国际运输、铁路货运和长途卡车运输的唯一技术。它将拥有这些市场的100％占有率，同时它还将在轻型车辆技术方面具有非常重要的市场渗透率，原因有二。

首先是终端用途。我前面提到过Uber司机，他们需要快速补充燃料，以便继续工作。还有些客户需要相当大的负载，比如建筑工人，他们必须随身携带大量建筑材料和工具。零排放燃料电池比锂电池电动汽车更适合上述情况。

其次是锂电池汽车充电对电网造成的负荷问题。如果所有人都使用锂电池电动汽车，当他们对车辆进行充电时，无论是城市还是住宅区的基础设施都不可能承受得起这样的电力负荷问题。因此需要燃料电池汽车解除电网负荷过重的困境。

基础设施不足以在任何特定的社区、特定的城市环境、任何特定的公寓大楼中支持100％采用锂电池电动汽车。因此，即使在轻载状态下，氢燃料电池技术也会在未来零排放车辆中占据一席之地。因为引入氢能基础设施，要比尝试为一栋公寓楼增加三倍、四倍甚至十倍的电力基础设施，以满足每个人车辆充电需求的成本便宜。

问题：您还有什么关于氢能和燃料电池未来的看法想与读者分享？

Jack Brouwer：我再补充几点。氢能的故事很长，或许有些难以理解，但是它的确可为许多不同领域做出贡献。

我前面提到了运输火车、飞机、水泥、钢铁、氨水、化肥和电网支持等达到高水平的可再生能源的例子。要理解它对社会的重要性可能还有点困难。在很多地方看起来似乎锂电池、太阳能、风能就能实现零排放政策目标，我们对氢能的需求目前也许很难说服大众。

但是如果您深入思考，就会意识到我们需要大量的、长时间的能量存储，而这些锂电池根本无法完成。在这些困难的领域，太阳能、风能和氢能才是合适的解决方案。这是一个更深层的层面和更复杂的事情。但是，对未来我们零排放目标的思考需要长远的眼光，这一点非常重要。

最后，根据我们最近对氢的技术经济分析，即使没有任何补贴的情况下，可再生氢能也将比当今的柴油和汽油价格更低。

我相信，世界会在化石燃料消耗殆尽之前进入可再生氢能使用时代。氢能是一种更便宜的可再生、可持续的能源替代品。