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(jī)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(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室?guī)椭鷮?shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的八種方法：
上述圖片代表了H2@Scale，美國(guó)能源部的新方案，將該工程的參與者全部聚集起來(lái)，推動(dòng)廉價(jià)氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多個(gè)部門(mén)的脫碳和創(chuàng)收機(jī)會(huì)。（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(jià)的氫氣
如今，清潔的氫氣是通過(guò)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(guò)程的成本大約要5美元/公斤。美國(guó)能源部的Hydrogen EarthShot計(jì)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(shí)驗(yàn)室采取了多方面方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這將需要對(duì)分子和電子結(jié)構(gòu)如何影響氫氣生產(chǎn)有一個(gè)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(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室（DOE-BES）支持阿貢項(xiàng)目的關(guān)鍵計(jì)劃，在陽(yáng)光下從水中生產(chǎn)氫氣，正如最近在BES圓桌會(huì)議上強(qiáng)調(diào)的碳中和氫氣技術(shù)。對(duì)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(shí)驗(yàn)室研究人員正在與其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)Hydrogen Shot目標(biāo)。
2. 使制造燃料電池與電解槽的價(jià)格更合適
燃料電池利用氫氣清潔更高效地發(fā)電，為運(yùn)輸以及其他能源應(yīng)用提供便利。無(wú)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(shí)驗(yàn)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(kāi)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(xiàng)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(jī)、越野和其他重型運(yùn)輸工具約占美國(guó)所有二氧化碳排放量的15%。通過(guò)用氫燃料電池取代內(nèi)燃機(jī)對(duì)這些運(yùn)輸工具實(shí)行脫碳，可以減少運(yùn)輸業(yè)的二氧化碳排放。阿貢實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這些重型車輛的氫燃料電池與化石燃料內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行研究比較。目標(biāo)是確定改進(jìn)此類重型燃料電池車輛性能、耐久性和成本的機(jī)會(huì)。此外，作為HFTO百萬(wàn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)氣候變化
減少二氧化碳排放是應(yīng)對(duì)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(guó)每年生產(chǎn)約1000萬(wàn)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(guò)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(guò)蒸汽重整生產(chǎn)氫氣每生產(chǎn)一磅氫氣，就會(huì)產(chǎn)生約8磅二氧化碳，盡管這些排放可以通過(guò)碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)來(lái)緩解。新技術(shù)正在興起，通過(guò)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(duì)于評(píng)估其對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化的影響至關(guān)重要。阿貢研究人員通過(guò)GREET對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)脫碳的不同制氫途徑的方法來(lái)評(píng)估整個(gè)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(duì)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(yùn)輸是至關(guān)重要的。阿貢研究人員與美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（DOE’s National Renewable Energy Laboratory）共同合作正在制定國(guó)家和區(qū)域的路線圖來(lái)解答這些問(wèn)題。該路線圖將作為公共和私人部門(mén)指南，以加快氫氣技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，向經(jīng)濟(jì)脫碳邁進(jìn)一步。
6. 在中西部開(kāi)發(fā)氫氣生態(tài)系統(tǒng)
在美國(guó)中西部通過(guò)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(yùn)輸部門(mén)、煉油廠和鋼鐵廠等行業(yè)使用氫氣。阿貢實(shí)驗(yàn)室一直與美國(guó)能源部和大學(xué)的一些相關(guān)部門(mén)合作，以建立中西部氫氣合作關(guān)系，促進(jìn)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(jìn)芝加哥地區(qū)和中西部各州的工業(yè)和政府互動(dòng)，以建立區(qū)域氫經(jīng)濟(jì)。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(jī)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(duì)挑戰(zhàn)、障礙和機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)。
7. 利用核能制氫
在需求低的時(shí)期，核能可以產(chǎn)生無(wú)二氧化碳的電力，通過(guò)水電解產(chǎn)生清潔氫氣。阿貢實(shí)驗(yàn)室正在與Exelon, Nel Hydrogen，DOE愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室探索如何通過(guò)核能產(chǎn)生清潔氫氣提高核電站的價(jià)值，同時(shí)幫助其他行業(yè)共同脫碳。阿貢實(shí)驗(yàn)室?guī)椭鷿撛诘臍錃馐袌?chǎng)，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(jī)會(huì)。
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(dòng)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(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)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(jì)已經(jīng)獲得PDC Machines認(rèn)證，PDC Machines是全球壓縮機(jī)制造商，用于新電站建造。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室尋求解決國(guó)家科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題的方法。該實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，幾乎在每一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域都進(jìn)行前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)室的研究人員與上百家公司、大學(xué)、聯(lián)邦和政府機(jī)構(gòu)密切合作，來(lái)幫助他們解決特殊問(wèn)題，提升美國(guó)科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)能力，為更好的未來(lái)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)室的工作人員來(lái)自60個(gè)多國(guó)家，由美國(guó)能源部門(mén)科學(xué)辦公室的UChicago Argonne, LLC管理。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2021.11.18