被誉为“21世纪终极能源”的氢能，与时下受热捧的“风、光、水、核”等新能源之间，有着怎样的关系？

新能源“远虑”

今年的夏天似乎又比往年热了一些，山东、上海、浙江、福建、河南、重庆......半个中国都出现了多日破40度的极端高温天气，户外煎鸡蛋也已算不得新鲜事。

不仅仅是国内，欧洲、美洲、澳洲等世界各地，均出现历史罕见的热浪，北极气温甚至一度突破30度，热到穿短袖。

种种迹象，均在提醒着人们气候变化问题的存在，以及节能减排的重要性。

为此，在“碳中和、碳达峰”目标的引导下，大力推动以风电、光电、水电以及核电新能源发展已经成为世界多个国家和地区的共识（部分国家对核电发展持谨慎态度）。

过去五年，我国光伏发电累计装机容量从2016年底的0.77千瓦，提升至2021年底的3.06亿千瓦，增长约四倍；风力发电累计装机容量从1.64亿千瓦，提升至3.28亿千瓦，实现翻倍；水力发电装机容量从3.44亿千瓦，提升至3.91亿千瓦；核电装机容量从0.33亿千瓦，提升至0.53亿千瓦。

另从实际发电量来看，2021年，全国风力发电5667亿千瓦时，占比6.99%；核能发电4075.2亿千瓦时，占比5.02%；火力发电57702.7亿千瓦时，占比71.13%；水力发电11840.2亿千瓦时，占比14.60%；光伏发电1836.6亿千瓦时，占比2.26%。

可以看到，清洁能源已然成为我国电力结构中的重要组成部分，并呈现高速增长态势。

不过，以更加长远的视角观察，环保、可再生等优势背面，清洁能源还存在一些可能被掣肘之处。

一方面是时间、空间的限制。

例如光伏，不仅只能在白天使用，而且对太阳照射量有着较高要求，遇到雨天、阴天、多云天气便会严重影响发电效率；风力发电机则需要安放在草原、海洋等多风地区，且需要达到四、五级风才能充分发挥作用。

8月5日，由雁栖湖研究院主办的第四届雁栖湖论坛上，中科院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林介绍，我国光伏发电每年平均可利用时间约为800小时，风力发电约为1200小时，受“时、空”限制较大。这一数据亦与前文“发电量/装机容量”比值接近。

至于水力发电，随着多年的开发建设，我国河流适宜建设水力发电站的区域已经不多，未来增量有限。王中林同时分析，海洋能量巨大，理论上海洋每年能够提供的能量，是全世界总耗能的四倍半，但由于海洋属于动作慢、频次低的低强度能源，在现有主流技术条件下，收集困难。

相比风、光，水力发电已经接近阶段性天花板，近年增速明显降低。

另一方面是随机性、不稳定性较强，对电网提出了更严苛的要求。

受天气条件限制，风能、太阳能容易出现间歇性发电的状况，进而会导致电网实际使用效率降低、供电电压与频率不稳定，甚至产生浪涌电流，破坏电力设备。雁栖湖论坛上，中能融合智慧科技有限公司党委书记、董事长王海即表示，“新能源的消纳，将成为未来新型电力系统的主要矛盾”。

除此之外，光伏硅片、风机叶片等设备，还存在生产成本偏高、维护难度较大等问题。

为什么是“氢”？

新能源优势明显，劣势同样存在，为了解决这些问题，各方参与者都在积极寻求办法，如钠电池储能、飞轮储能、建设新型智慧电网，实现“风光水火”多能互补。

这其中，氢能是受关注度最高的方向之一，甚至被誉为“21世纪的终极能源”。

之所以能获得如此美誉，原因在于“氢”的三大主要优势。

一是同样环保。

在今年初落幕的北京冬奥会，投入使用的氢能源汽车超过1000辆。而氢燃料电池的排放物基本只有水。

二是适用性强，“用武之地”众多。

据中国工程院院士、中国矿业大学教授、“雁栖湖论坛·鸿雁奖”获得者彭苏萍介绍，2015年之前，我们仅仅孤立地看到“氢”作为“能源”使用这一单一用途。但实际上，氢既是原料（制氨，生产化肥），又是能源，还可以作为储能介质，它在作为清洁能源使用的同时，还能够与电能耦合，增加电力系统的灵活性，弥补电力不可存储的问题，进而弥补“风、光、水”点稳定性差的状况，实现不同能源网络间的协同优化。

三是来源广泛，制备“性价比”高。

氢能的制备有化石燃料制氢、工业副产品制氢和电解水制氢等主要路径，我国目前以化石燃料制氢中的煤制氢，以及工业副产品中的氯碱副产品制氢为主。

我国一直是一个“富煤、少油、缺气”的国家，长期以来，以煤炭为原料的火力发电占据着电力系统的主流，煤化工亦蓬勃发展。这就为煤制氢提供了充足的原料以及产业基础，能够以较低成本大规模制氢，同时，煤制氢还能够帮助消纳产业结构调整下煤化工的剩余产能，实现双向互补的效果。

但值得注意的是，化石燃料制氢过程中，还是会产生较多的二氧化碳排放，且含有硫等杂质，提纯成本大，此类氢气又被称为“灰氢”。当然，这一问题可以通过提高能源效率、二氧化碳再利用的方式进行缓解，因此其依旧是氢能利用探索发展的重要方向之一，如中海油（0883.HK）近年装备运行的E-Gas煤制氢联合装置，在碳转化率、热利用效率、耗氧等指标方面均有突破，较传统工艺成本可降低20%至25%。

氯碱副产制氢具有氢气提纯难度较小、耗能低、自动化程度高以及无污染的特点，由此制取的氢气被称为蓝氢，鸿达兴业（002002.SZ）、滨化股份（601678.SH）、嘉化能源（600273）等公司均具备氯碱制氢能力。

不过，顾名思义，工业副产品制氢在生产规模上会受“主产品”产量限制，难以满足日益增长的氢能需求，这还是以氢能为主的燃料电池尚未出现突破式发展的情况下。

相比之下，通过电解水等手段制取的氢气被称为绿氢，制氢工艺相对简单，过程不会排放温室气体，而且得到的氢气纯度高，但目前由于耗电量大，推高了成本，限制了其大规模的推广应用。

传统和未来的“粘合剂”

三种主要制氢方式各有难点，似乎只能苦等技术突破，如此背景下，彭苏萍提出的氢能电能耦合理念，打开了一条全新的思路。

第一部分提及，风、光等分布式新能源发电方式，存在时空受限明显，间歇性强、稳定性差等问题，而如果将此类电能用以制氢，便可以达到储能调峰的效果，化解上述劣势，特别是近年在德国、新加坡出现并慢慢成熟固体氧化物电解池技术，可以将传统集中制氢模式转变为分布式制氢，更加便于光伏等发电模式的使用。

彭苏萍同时指出，之所以现阶段业内对“灰氢”、“绿氢”差别以待，认为后者优于前者，一个很重要的原因在于燃料电池技术（而非制氢技术）的落后，如果能够提升燃料电池工作温度（到130度，目前约90度），“灰氢”问题便迎刃而解。

除了氢能，“双碳”目标指引下，还有更多可行性正在被探索。

例如王中林舍弃了主流电磁发电机方向，将目光直接投向自然界中广泛存在但却难以收集的分布式、碎片化能量，致力于摩擦纳米发电机的研发。

该发电机是一种基于麦克斯韦位移电流原理，能够将环境中的低频次、低振幅的机械能量转换为电能的装置。通俗来讲，即利用微小的震动进行发电，能够填补电磁发电机适用场景的空缺，并有着更高的使用效率。

该技术目前在微纳能源、智能纺织与传感等部分领域的应用已经趋于成熟，例如“自驱动心脏起搏器”，无需额外电源，仅借助人体自身“呼吸”等动作即可维持运转，已进入小试阶段。

王中林介绍，该技术还可以应用于海洋能源的收集，即通过将摩擦纳米发电机制作成球形，通过球中套球等手法，利用海浪带来的动力形成摩擦，实现发电。

当然，考虑到工艺难度与制造成本，这或许是一个比氢能更加“未来”的技术。

一场新能源革命正在发生，我们每个人都无法置身事外，在使用各类能源的过程中，你有着怎样的体验，又有何种疑问？欢迎在文末留言。