“氢文明”：重塑未来经济霸权，从建立全周期生态系统开始
韩国科学技术研究院 (KIST)清洁氢储存与利用战略研究中心主任 Lee Gwan-young，11月4日发表观点：“改变未来经济霸权的“氢文明”…… 我们需要建立一个贯穿整个周期的生态系统。
内容简介：“氢”是未来新能源革命
氢气，世界上最轻的气体
单位重量燃烧热优点突出，是甲烷和汽油的3倍
燃烧后只剩下水... 污染物“0”
它很有用，因为它可以和电进行双向切换。
与化石燃料文明不同，氢文明需要采取不同的方法。
在接下来的碳中和时代，我们需要探索多种生产方式。
氢的痛点：由于存在易燃易爆风险，迫切需要存储和运输解决方案。
氢能是确保一个国家在全球领导地位的重要基础。
给现代人类生活带来最激进变革的化石燃料文明不可持续
从19世纪工业革命真正开始到现在的时间很短，只占现代人类历史的0.05%左右。然而，在这转瞬即逝的时刻发生的科学技术的发展是整个人类35万年历史中最激进和压倒性的。
在短短 200 年里彻底改变人类生活的决定性科学技术之一是煤炭和石油等化石燃料的发现和大规模使用。
即使在今天，占全球能源需求80%以上的化石燃料也是最重要的能源，能够大规模生产铁、化肥、塑料这三大构成现代物质文明基础的核心资源。
工业革命期间使用煤炭生产钢铁的高炉炼钢工艺仍占全球钢铁产品产量的 70%。解决粮食问题是人类长久以来的梦想，没有化石燃料就不可能实现。
1913 年通过哈伯-博世方法制造的氮肥极大地提高了粮食产量，在短短 100 年内将世界人口从约 10 亿增加到 80 亿。氨是氮肥的原料，是通过氮和氢反应合成的。甲烷等天然气的使用对于以低价供应所需的大量氢气来说是绝对必要的。
塑料于 1902 年随着第一种商业合成树脂电木的开发而出现，也是全人类生活水平迅速提高的主要贡献者，无论贫富。
按照人类生活主要使用的材料将历史划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代的方法，可以毫不夸张地说，我们现在所处的时代是塑料时代。
这种神奇的材料，由于其成本效益和耐用性是任何其他材料难以比拟的，现在已成为日常生活和整个工业中不可或缺的必需品，也是石化工业的成果。
然而，现在全世界都知道，给人类带来前所未有的物质自由和丰富时代的化石燃料文明不可能永远持续下去。
过去150年来，全球变暖气体二氧化碳的浓度持续增加，导致地球平均温度上升了1.5度，而且上升速度还在加快。与此同时，细尘和微塑料等对人类生命构成重大威胁的元素正在出现。显然，如果在不久的将来我们不找到替代化石燃料的新能源，以光速发展的现代文明将不可避免地面临更快速衰落的冲击。
氢能：真正可以替代化石燃料的能源
在讨论作为化石燃料替代品的未来能源中，最理想的是无限清洁的太阳能。每小时照射到地球表面的阳光量大约是世界每年 15 太瓦能源消耗量的 10,000 倍。这意味着仅使用0.1%的太阳辐射就可以满足人类所有的能源需求。此外，利用植物光合作用的原理，仅利用阳光、水和二氧化碳产生碳水化合物，可以大量生产人类所需的化学材料。但这是一个非常遥远的梦想。那么真正可以替代化石燃料的能源是什么？
毫无疑问，氢能是目前正在讨论的未来能源中最实用、最具体的替代方案。氢以水和有机化合物的形式存在于自然界各处，理论上它的生产几乎是无限的。单位重量的燃烧热是甲烷和汽油的2～3倍，燃烧后仅留下纯净水，不产生污染物。
电力是 21 世纪最重要的能源，氢电可以实现双向转换。另一个优势是，自现代科学诞生以来，我们通过不断研究和应用，在氢气生产和使用方面已经积累了大量的技术和知识。
迎接氢文明：必须优先打造贯穿氢生产、储存、运输、利用全周期的生态系统
然而，要实现氢能时代，还有一些事情需要牢记。氢文明的到来需要采取与过去的化石燃料文明截然不同的方法。化石燃料文明的开始是从获取煤炭和石油等原材料开始的。逐渐地，各种利用化石燃料的方法被开发出来，导致了材料和工业的诞生。
另一方面，氢文明必须优先打造贯穿氢生产、储存、运输、利用全周期的生态系统。这就是为什么很难指望仅通过某一领域的技术创新让人类进入氢文明。
获得足够数量的氢气来完全替代化石燃料并不容易。它是一种无法像煤炭、石油或天然气那样容易开采或提取和使用的资源，必须投入大量能源进行人工提取。
推进水电解技术很重要，这是最终的环保制氢方法，但必须开发各种方法，包括基于化石燃料但加上碳捕捉的蓝氢、利用余热制氢以及来自核能制的粉氢，甚至是埋在地下的天然氢。任何能够同时确保经济性和生态友好性（碳中和时代相互冲突的要求）的制氢技术都值得重视。
重点：发展安全高效的氢气储存和运输技术
此外，氢气是世界上最轻的气体。就单位重量的燃烧热而言，它可以比相同重量的无烟煤、汽油或天然气产生数倍的能量。
但如果以体积为标准，情况就完全不同了。氢不易压缩或液化，因此其能量密度明显低于化石燃料。还存在爆炸的危险。这意味着需要非常大的容器来储存和运输大量的氢气。
因此，为了利用氢作为实用的能源载体，需要技术来尽可能减小其体积。目前，最具代表性的储存和转移技术是在–253℃下液化氢气，并将其转移到昂贵的高压罐中。
氢气具有被稀土和过渡金属很好地吸收的特性。这种特性对于氢气的生产和储存很有用，但它也给设计储罐或气体管道带来了困难，因为吸收氢气的材料很容易破裂。进入氢社会时可能被忽视的储存和运输问题是亟待解决的问题。
安全高效的氢气储存和运输技术对于未来绿色氢能的国际贸易也至关重要。水电解制氢所用的电力必须来自可再生能源。然而，太阳能、风电、地热能等可再生能源资源的地区差距非常严重。
由于可再生能源资源丰富的国家之间的制氢单价存在较大差异，例如幅员辽阔、日照时间长的美国、澳大利亚，日照时间长的智利，氢出口贸易势必会更加活跃。而冰岛这样的国家则是地热丰富、但日照资源缺乏。
Lee Gwan-young认为，考虑到韩国也是一个难以均匀稳定供应可再生能源的环境，开发有效的氢储存和运输技术是一个必须像生产环保氢一样战略性解决的问题。
在未来极有可能分裂的全球氢价值链中，韩国的最佳选择是确保高附加值氢技术出口国的地位，并在此基础上确保可以低成本从可再生能源资源丰富的国家采购氢气，输出技术在国外建设生产基地对于可再生资源缺乏、但氢能需求大的国家是一条可行的能源独立路径。
用氢：使用场景越来越丰富，全面替代化石燃料
最后，我们来考虑一下使用。氢气以环保方式生产，然后经过安全高效的储存和运输过程，最终消费者是大大小小的氢燃料电池。氢燃料电池本身就是小型发电厂。它不仅可以安装在车辆、船舶等运输工具上，还可以安装在城市中心、工业园区等需要的地方，作为小型发电厂使用。
在这些应用场景，通过水分解的逆反应产生电力，在与大气中的氧气和氢气结合的过程中，它还充当了一个大型空气净化器，净化空气污染物和细小灰尘。它可以用作储能系统，可以长期存储生产时间不均匀时丢弃的可再生能源，例如太阳能和风能。
氢不仅用于能源领域。预计氢将在以前由化石燃料生产的关键材料的生产中发挥重要作用。以前使用煤炭生产钢铁的高炉炼钢工艺将转变为使用氢气的氢还原炼钢工艺，塑料将从生物质而不是石化工业中获得。
化石燃料是现有塑料的原材料，是来自动植物的有机物质。动植物的主要成分——碳（C）、氢（H）、氧（O）和氮（N）——经过很长一段时间，氧和氮被除去，只剩下碳和氢。
目前，石化工业中的大多数塑料生产是通过部分氧化反应完成的，其中氧气被适当地添加到剩余的碳和氢中。塑料是以这种方式合成的部分氧化材料的聚合体。这最终意味着塑料可以从生物质中获得，这与化石燃料的起点相同。
生物质与化石燃料的不同之处在于，它在常温常压下存在于大气中而不是存在于地下，因此含有大量的氧气。去除多余氧气的最佳方法是将其还原为氢气。
当然，生物质的部分还原技术以及通过其生产塑料仍然很困难，但随着世界各地正在进行大量研究，可行性不断增加。
氢能的公平性：将成为改变世界权力版图和经济格局的利器
过去200年来，世界在化石燃料的帮助下享受了前所未有的繁荣，现在正面临着建设先进文明的挑战，通过开发新的生态友好型能源，促进地球生态系统与人类社会的共存。
我们把这种可实现人类更好未来的能源称为氢，氢文明时代即将到来。对于许多类似韩国这样没有化石燃料资源的国家来说，也是一个新的机遇。
因为它打开了一条公平、平等的起跑线，只要有知识和技术，就可以在全球新能源版图中占据领先地位。
对氢生产、储存、运输和利用全周期技术开发和生态系统建设的兴趣和努力，不仅可以解决全球环境问题，还将改变受化石燃料影响的世界权力版图和经济格局。Lee Gwan-young认为，这将是韩国在正在到来的氢文明时代，确保能参与全球领导地位的最重要基础。
关于 Lee Gwan-young
Lee Gwan-young， 他是韩国化学工程和能源工程领域的顶尖学者。在高丽大学担任教授超过30年，包括担任负责研究领域的副校长。最近，他调到韩国科学技术院，担任该国全球项目“清洁氢储存和利用战略研究小组”的负责人。