从太阳能到氢燃料 一场光与水的绿色化学反应

来源：中国能源新闻网 时间：2025-05-23 10:43

杨建强

　　想象一下，未来的汽车不再加油，而是加注由阳光和水制成的氢气，燃烧后只排放水蒸气;工厂不再依赖化石燃料，而是用太阳能电解水产生的氢能驱动生产——这并非科幻场景，而是正在发生的能源革命。太阳能取之不尽，但受昼夜和天气影响，难以稳定供电;氢能清洁高效，但传统制氢方式依赖化石燃料，仍会产生碳排放。如何让两者优势结合？科学家们找到了一把关键钥匙:利用太阳能将水分解为氢气和氧气，实现真正的绿氢生产。这场“光与水的绿色化学反应”，正在重塑人类能源的未来。

　　氢能：为什么我们需要它？

　　氢是宇宙中最丰富的元素，其作为能源载体具有三大优势:零碳排（氢气燃烧或通过燃料电池发电时，唯一副产品是水，完全不产生颗粒物、硫化物或者CO₂）、高能量密度（单位质量氢的热值是汽油的3倍，适合航空、重卡等高耗能领域)、可储存性（氢能长期储存，弥补风能、太阳能间歇性缺陷）。然而，传统制氢方法还面临着一系列困境。目前全球95%的氢来自天然气重整或煤制氢(简称“灰氢”)，每生产1吨氢排放约10吨CO₂。即使通过碳捕捉技术制成“蓝氢”，仍无法彻底脱碳。因此，可引进太阳能制氢（绿氢)作为真正的清洁能源解决方案。

　　太阳能如何变成氢燃料?

　　太阳能制氢的核心原理是光解水(Photoelectrolysis)：利用太阳能将水(H₂O)分解为氢气(H₂)和氧气(O₂)。目前太阳能制氢主流技术路径有：光伏+电解水(PV-EC)、光催化直接制氢(PEC)以及太阳能热化学制氢等。“光伏+电解水”(PV-EC)步骤为：先利用光伏发电板将阳光转化为电能，再将电能输入电解槽，分解水分子。“光伏+电解水”技术亮点为：电解效率高达70%-80%。全球最大项目：中国宁夏的“光伏—氢能综合示范工程”便是采用的该技术，年产绿氢2万多吨；光催化直接制氢(PEC)步骤为：先模仿植物光合作用，用特殊材料（如二氧化钛）在阳光下直接催化水分解。该技术目前还面临催化剂寿命短，规模化难度高的问题。不过值得注意的是，2023年德国科学家开发出了新型钙钛矿光催化剂，将制氢效率提升至了19%；太阳能热化学制氢步骤为:聚焦太阳光产生高温（1000℃以上），驱动金属氧化物循环反应分解水。该技术优势在于无需电能转换，效率潜力超过30%。

　　太阳能制氢关键技术挑战与突破

　　太阳能制氢效率瓶颈：光伏电解水综合效率约10%~15%，远低于理论极限(30%)，可通过开发多结太阳能电池(效率超40%)+低温电解槽的方式加以解决;太阳能制氢成本难题:绿氢成本目前约3~5美元/公斤，目标是2030年降至1美元/公斤，其降本路径为:规模化电解槽生产（如中国碱液电解槽成本已降60%）；太阳能制氢储运与安全：氢气易泄漏、易燃，需高压压缩（大概700大气压），将氢气压缩至原体积的1/800，或者转化为液态(-253℃)运输，又或者采用新型材料储氢，如金属有机框架（MOFs）、氨（NH₃）转化，具体可参考日本“氢能社会”试点用有机液体储氢技术（LOHC）破解该难题。

　　全球应用：从实验室到产业

　　太阳能制氢在交通领域的应用。例如：丰田Mirai、现代NEXO等氢燃料电池车已商业化，行驶时仅排放水蒸气；中国“氢能重卡”在港口、矿区推广，单次加注续航超800公里，远超电动卡车;空客计划2035年推出氢能客机，航程超2000公里。太阳能制氢在工业脱碳领域的应用。例如:钢铁巨头安赛乐米塔尔用绿氢替代焦炭炼钢，减少90%碳排放；化工行业将绿氢用于合成氨、甲醇等。太阳能制氢在能源储备行业的应用。例如，澳大利亚“亚洲可再生能源中心”计划用26GW风光电制氢，出口亚太;德国将废弃盐穴改造为氢储能库，调节电网波动。

　　未来展望：氢能社会的钥匙

　　国际能源署(IEA)预测，2050年绿氢将满足全球12%能源需求。但实现这一愿景需：(1)政策支持。如欧盟碳边境税、中国“氢能产业中长期规划”等。(2)技术协同。如风光电成本下降+电解槽技术迭代;(3)基础设施。如全球需新建超5万公里氢管道。

　　从阳光照射到水分子断裂，再到氢气点燃引擎——这场“绿色化学反应”的背后，是人类对可持续发展的终极追求。正如诺贝尔化学奖得主乔治·奥拉所言：“氢能是未来的能源，而太阳能是制氢的最佳途径。”或许不久后，我们回望今天，会发现绿氢的崛起，正是碳中和时代的真正起点。（作者来自广西电网有限责任公司钦州灵山供电局）

　　责任编辑：于学华