氢是宇宙中最富有的元素之一，也是一种具有吸引力的可再生能源，在解决气候危机方面发挥重要作用。但氢在能够成为下一代能源技术组合关键部分之前，需要更容易被生产，成本更低。以下美国能源部（DOE）阿贡国家实验室帮助实现这些目标的八种方法：
上述图片代表了H2@Scale，美国能源部的新方案，将该工程的参与者全部聚集起来，推动廉价氢气生产、运输、存储以及应用，实现多个部门的脱碳和创收机会。（图片由DOE氢气与燃料电池技术部提供）
1. 生产清洁、低价的氢气
如今，清洁的氢气是通过水电解生产的，利用可再生能源和核能发电将水转化为氢。这一过程的成本大约要5美元/公斤。美国能源部的Hydrogen EarthShot计划尝试在10年内降低生产清洁氢的成本的80%，将成本降低至1美元/公斤。阿贡实验室采取了多方面方法来实现这一目标。这将需要对分子和电子结构如何影响氢气生产有一个基本的了解，只使用清洁和可持续能源投入和地球上丰富的材料。这是由美国能源部基础能源科学办公室（DOE-BES）支持阿贡项目的关键计划，在阳光下从水中生产氢气，正如最近在BES圆桌会议上强调的碳中和氢气技术。对于电解，电解槽（将水转化为氢气的设备）将需要更高效、更耐用、更低的制造成本。阿贡实验室研究人员正在与其他国家实验室共同合作，能源部氢和燃料电池技术办公室（HFTO）为下一代水电解槽氢（H2NEW）提供一部分的资金。目标是提高电解槽的性能与耐用性，降低生产清洁氢气成本，以实现Hydrogen Shot目标。
2. 使制造燃料电池与电解槽的价格更合适
燃料电池利用氢气清洁更高效地发电，为运输以及其他能源应用提供便利。无论是燃料电池还是电解槽都需要由稀有昂贵的金属制成的催化剂，像是用于燃料电池中的铂，电解槽中的铱。这些催化剂大大提高了技术成本。阿贡实验室与能源部氢和燃料电池技术办公室的共同投资，其目标是利用丰富且成本低的金属材料开发燃料电池与电解槽的催化剂，如铁、钴和镍。
H2@Scale的LOGO，代表能源的一项倡议。（图片由DOE氢气与燃料电池技术部提供）
3. 重型车辆电气化难以脱碳
卡车、火车、轮船、飞机、越野和其他重型运输工具约占美国所有二氧化碳排放量的15%。通过用氢燃料电池取代内燃机对这些运输工具实行脱碳，可以减少运输业的二氧化碳排放。阿贡实验室正在对这些重型车辆的氢燃料电池与化石燃料内燃机进行研究比较。目标是确定改进此类重型燃料电池车辆性能、耐久性和成本的机会。此外，作为HFTO百万英里燃料电池卡车（M2FCT）联盟的一部分，阿贡的科学家和工程师正在与其他国家实验室的同行合作，以提高此类燃料电池系统的效率、耐用性和成本。
4. 利用氢气和燃料电池技术应对气候变化
减少二氧化碳排放是应对气候变化，有效利用氢气和燃料电池技术的关键因素之一 。如今，美国每年生产约1000万吨氢气，主要用于石油精炼和合成氨生产，其中95%以上的氢气是通过天然气蒸汽重整产生的，天然气蒸汽重整利用高温和蒸汽将天然气转化为氢气。根据阿贡的温室气体、管制排放和能源使用技术模型（GREET），通过蒸汽重整生产氢气每生产一磅氢气，就会产生约8磅二氧化碳，尽管这些排放可以通过碳捕获和储存技术来缓解。新技术正在兴起，通过各种资源中生产清洁氢气，每种资源都有自己的碳足迹。此外，氢气在燃料汽车、卡车、火车和其他车型以及钢、化学品制造和二氧化碳燃料生产中的新应用也正在兴起。量化生产和使用氢气的新方法的碳足迹对于评估其对应对气候变化的影响至关重要。阿贡研究人员通过GREET对美国经济脱碳的不同制氢途径的方法来评估整个生命周期的碳足迹。
5. 研发氢气路线图
随着生产清洁氢气的成本降低和使用氢气新技术的研发，对氢气的需求增加。了解氢气的需求在何处发展，以及如何从生产地运输是至关重要的。阿贡研究人员与美国国家可再生能源实验室（DOE’s National Renewable Energy Laboratory）共同合作正在制定国家和区域的路线图来解答这些问题。该路线图将作为公共和私人部门指南，以加快氢气技术的进步和发展，向经济脱碳迈进一步。
6. 在中西部开发氢气生态系统
在美国中西部通过清洁、低碳资源生产氢气，例如核能、生物质和副产品氢源。该地区还可以在运输部门、炼油厂和钢铁厂等行业使用氢气。阿贡实验室一直与美国能源部和大学的一些相关部门合作，以建立中西部氢气合作关系，促进氢的区域生产和利用，并为氢的生产、分配和加油提供充足的基础设施。阿贡还一直在促进芝加哥地区和中西部各州的工业和政府互动，以建立区域氢经济。例如，由阿贡和伊利诺伊大学厄本那香槟分校发起的中西部氢合作伙伴关系是工业、学术和研究机构、政府和其他感兴趣的利益相关者之间的合作。这种合作关系能够使中西部地区应对挑战、障碍和机遇，实现氢经济。
7. 利用核能制氢
在需求低的时期，核能可以产生无二氧化碳的电力，通过水电解产生清洁氢气。阿贡实验室正在与Exelon, Nel Hydrogen，DOE爱达荷州国家实验室和国家可再生能源实验室探索如何通过核能产生清洁氢气提高核电站的价值，同时帮助其他行业共同脱碳。阿贡实验室帮助潜在的氢气市场，确定盈亏平衡的核能氢成本，并确定生产和使用核氢的机会。
8. 降低氢气加注成本
加利福尼亚正在部署以燃料电池为动力的氢燃料汽车。现在，在加利福尼亚的加油站，在等效能量基础上，氢气成本大约是汽油的三倍。阿贡实验室正在开发新的氢气站，从而降低氢气成本，提高氢气分配效率。这种氢气站将降低客户为燃料电池汽车支付的氢气成本。阿贡新设计已经获得PDC Machines认证，PDC Machines是全球压缩机制造商，用于新电站建造。
阿贡国家实验室寻求解决国家科学与技术问题的方法。该实验室是美国第一个实验室，几乎在每一个科学领域都进行前沿的基础和应用科学研究。实验室的研究人员与上百家公司、大学、联邦和政府机构密切合作，来帮助他们解决特殊问题，提升美国科学领导能力，为更好的未来做准备。实验室的工作人员来自60个多国家，由美国能源部门科学办公室的UChicago Argonne, LLC管理。
中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译
2021.11.18
