氢社会：从今天到将来

氢能是实现净零排放和可持续发展计划的重要基石。成功建设氢能源社会需要技术进步，以及氢的生产、储存、输送和使用的合理设计。在此，我们系统地洞察了上述方面的最新成就、局限性和未来方向。随着可再生能源的发展，可持续的绿色氢气生产应取代传统的灰色氢气和过渡性的蓝色氢气模式。我们的技术和经济计算表明，高额的电力消耗占据了绿色氢气生产的大部分成本，其中不同地区的电价差异引发了氢气流动，以弥补供需差距。文章提供了催化剂形态、理化性质、结构特征和筛选路径的基本原则和方法，以便合理开发具有低电耗水平的最优电催化剂。此外，现有基于物理的氢气储存系统虽然接受度高，但能量密度有限，某些应用中可能会被前景良好的材料基氢气储存系统所取代；这些应用仍面临着动力学、热力学和工程挑战。理想的氢气输送路线包括拖车、管道、氢气载体和固定式氢气生产系统，这些都严重依赖于特定场景。我们的原始计算场景为实现美国能源部成本目标提供了一个良好示例。我们相信，这一观点将为未来建立氢能源社会提供关键指导。

Guan, Daqin, et al. "Hydrogen society: From present to future." Energy & Environmental Science 16.11 (2023): 4926-4943.

由于工业革命以来，对能源资源的需求不断增加以及不可再生化石燃料的过度消耗，引发了许多能源和环境问题（例如能源短缺、全球变暖、海洋酸化和空气污染问题）。因此，开发绿色能源载体以及探索可持续的能源转换和储存途径成为了紧迫且关键的研究课题。近年来，通过电厂利用可再生的太阳能、风能和水电能在一定程度上缓解了上述危机的压力。然而，这些资源的间歇性和电网的饱和（最多~15%外部输入）阻碍了这一路径的发展。利用从可再生资源转换而来的过剩电力，通过电解路线合成含有碳/氮/氧/氢的化学品可以克服这一限制。在所有含碳/氮/氧/氢的化学品中，氢气是产生重要基础化学品的成分，例如氨、甲醇和盐酸；此外，由于其高热值（~282 kJ mol^-1）、零碳特性和环境友好的优点，氢气是碳中性计划和净零排放路径的理想能源载体。

根据国际能源署（IEA）对全球最终能源消费总量的分析，到2030年和2050年，氢能占最终能源消费总量的比例应分别增加到～2%和～10%，以实现净零排放计划，同时大幅减少不可再生化石燃料的消费水平（见图1a）。此外，与2020年相比，2030年和2050年的可再生能源最终能源消费水平应分别增加～0.51%和～7.41%。对可再生能源的增加需求促进了电力消费，从2020年的～19.13%增加到2030年的～26.28%，再到2050年的～49.23%（见图1a）。值得注意的是，间歇性的可再生能源可以通过电站转化为电网用电，而过剩的电力可以用来通过电解生产氢气；通过燃料电池和电解槽可以实现氢气与电力之间的有效转换。因此，氢气在未来长期能源系统中应发挥关键且不可或缺的作用。

接下来，这里提供了对生活和生产中氢气需求和使用趋势的见解。如图1b所示，全球氢气需求从2000年的～59百万吨急剧增加到2010年的～74百万吨，然后到2020年的～88百万吨。预计2030年和2050年的需求将分别增加到～2.4倍（~211百万吨）和～6.0倍（~528百万吨）2020年的需求，证明了氢气在可持续发展中的重要性。关于氢气的利用，在2020年之前，氢气主要用于炼油和工业过程，未来将在交通、电力、NH₃燃料、合成燃料、建筑和电网注入等领域得到日益广泛的应用（见图1b）。据估计，到2050年通过氢气价值链需要投资7-8万亿美元，通过氢气经济创造约3万亿美元的收入。因此，氢气需求量大，应被广泛应用于社会各界。

零碳氢气在减少二氧化碳排放中扮演着至关重要的角色。为了实现碳中性计划和净零排放路径，从2020年到2050年，各个领域都提出了详细的二氧化碳减排要求，包括电力、热能、工业、交通和建筑（见图1c）。为了达成这些目标，国际能源署指出到2030年应投资约4.3万亿美元，并在2030年和2045年扩大低碳氢和电解槽的规模。具体来说，2030年和2045年应分别使用约150百万吨和435百万吨的低碳氢，同时在2030年和2045年分别应有～850吉瓦和～3000吉瓦的电解槽投入运行。然后，生产足够的氢能是首要的关键步骤。根据不同的生产方式，氢气可以分为灰色、蓝色和绿色氢气模式。如图1d顶部所示，灰色氢气是通过煤炭、石油或天然气的重整或气化来制备的。由于成熟度高且成本低（如图1e揭示的1-2美元/公斤），灰色氢气占所有生产氢气资源的～95%。然而，不纯净的灰色氢气需要进一步复杂的净化过程才能使用，并且在生产1公斤灰色氢的同时会产生约10公斤的二氧化碳；这种产生方式强烈呼吁可持续的低碳氢气模式。蓝色氢气来自蒸汽甲烷重整或气化，并应用了碳捕获和储存（CCS）技术（见图1d中间部分）。被捕获的二氧化碳在高压条件下被注入深层多孔岩石层中进行长期储存。尽管蓝色氢可以满足大多数地区的二氧化碳排放要求，但必须继续消耗不可再生的化石燃料；通过这种必要的消耗，生产1公斤蓝色氢应排放0.5-6公斤二氧化碳。此外，CCS技术的应用相当严格，在许多地区并不适用。总体而言，蓝色氢模式是长期氢气生产路线图中的过渡阶段。

通过电化学水分解，绿色氢模式可以使用从太阳能、风能和水电资源转换来的电力进行可持续的氢气生产（见图1d底部）。由于其多种输入资源（水和可再生电力）、零碳排放、环境友好性和高氢气纯度，这条路线被认为是未来氢气生产的理想方法。此外，绿色氢模式可以解决可再生资源的间歇性和电网的饱和问题。根据氢能委员会和国际可再生能源机构（IRENA）的预测，尽管目前绿色氢的比例仅为所有生产氢气资源的～4%，但到2030年约30%的灰色氢将被绿色氢取代。绿色氢模式的最大障碍是其高成本，目前仍然是灰色氢的4-5倍（见图1e）。随着可再生能源技术的发展和二氧化碳排放收入政策的引入，绿色氢的成本应在2028年至2034年间低于灰色氢（见图1e）。这表明，绿色氢模式的未来最低成本约为1美元/公斤H₂，应逐渐取代灰色氢模式，以实现碳中性计划和净零排放路径。

图1 氢能源的未来。

(a) 2020年、2030年和2050年全球最终能源总消费量。

(b) 从2000年到2050年的全球氢需求。

(c) 净零排放路径下，从2020年到2050年的二氧化碳排放量。

(d) 生产灰色氢、蓝色氢和绿色氢的示意图。

(e) 从2020年到2050年，灰色氢、蓝色氢和绿色氢的生产成本，其中实线是平均成本，虚线是最佳成本。

尽管目前氢能在总最终能源消费系统中的比例较小，但由于其在生产、生活、环境和经济中的重要作用和不可或缺性，氢在实现可持续社会时将保持高需求。这种需求正在推动与氢的生产、储存、输送和使用相关的技术开发。在氢气生产方面，由于未来最低成本（约1美元/公斤H2）的存在，可再生且可持续的绿色氢生产有望在未来取代传统的灰色氢和蓝色氢生产方式。然而，高成本是绿色氢发展的主要障碍。对代表性技术（如碱性水电解AWE、酸性水电解AEME、聚合物电解质膜水电解PEME、固体氧化物电解池SOEC和压电化学电解PCEC）的优缺点进行了系统分析，以指出它们的发展方向。我们的技术和经济计算显示，上述技术的主要成本来源于它们对电力的高消耗，不同地区的不同电价导致非常高的氢气供需差距，并促进了全球氢气流动。这种现象呼吁发电技术的进步。此外，开发和筛选高效且稳定的电催化剂候选物是降低电力消耗和生产成本的关键。从催化剂形态、宏观物理化学性质、分子级结构信息和电子结构特征，我们提供了全面而稳健的见解，以合理设计有前景的电催化剂。进一步地，基于大数据和人工智能的有效筛选潜在材料候选物的框架被提出，旨在不断更新最佳电极电催化剂，以降低成本并加速绿色氢生产的商业化。以密集和安全的方式储存氢气仍然是一个关键挑战。商业上，基于物理的氢气储存显示出高接受度和有限的能量密度。科学界非常重视用于车载应用的材料基氢气储存，其中大多数固态化学吸附系统需要克服动力学和热力学障碍，以将脱氢温度降低到美国能源部提出的85°C以下的目标，并保证氢气储存容量（46.5重量百分比）。实验策略，如纳米结构化、催化、复合和表面/界面工程，已为这些固有限制提供了有希望的解决方案。基于机器学习和大数据的新型氢气储存材料开发和性能预测应该被期待，尽管在最近的领域中进行的工作很少。在实际的氢气储存-消费系统中，应仔细考虑氢气、热能和电能耦合的设计和管理。降低氢气输送成本以满足美国能源部在加氢站的终端成本低于4美元/公斤H2和输送成本低于2美元/公斤H2的目标是成熟氢社会的基石。输送过程通常包括传输、分配和加注，具有不同的运输规模。氢气载体的运输、通过氢气管道的大规模运输、拖车小规模运输、天然气管道的重新利用、氢气掺入天然气以及分布式/固定式氢气生产都是潜在的且有前景的模式。这些模式可以根据特定场景适当结合，构成多级输送路线，包括体积、距离、地理条件、流通周期、政策和安全等因素。我们的原创技术和经济计算表明，通过对氢气生产和输送的合理路线设计，加氢站的终端成本可以满足美国能源部的成本目标。对于氢气的使用，燃料电池对于氢应用是必不可少的，其中PEMFCs和SOFCs已经显示出相对较高的技术成熟度。为了在氢社会中大规模商业化燃料电池，仍然迫切需要开发电池和系统的基本材料和设计，以进一步提高效率、延长寿命并降低成本。