我們不斷被告知，我們的星球正處於危機之中

我們不斷被告知，我們的星球正處於危機之中；為了拯救它，我們就得改變現有的生活方式。在全球氣候問題不斷凸顯的當下，氫能已經悄然成為應對各類環境難題和能源轉型的關鍵，並被寄予越來越高的期望。

2022年3月23日，國家發改委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》。該規劃明確了氫的能源屬性，定位為未來國家能源體系的重要組成部分，充分發揮氫能清潔低碳特點，推動交通、工業等用能終端和高耗能、高排放行業綠色低碳轉型。

從交通和基礎設施到供暖和電力，氫能可以取代化石能源，促進經濟增長，並鼓勵全球對氣候變化採取行動。它還可以解決當今可再生能源最令人頭疼的問題，如風能與太陽能的運輸、儲存及其對天氣變化的脆弱性，電池的笨重、短壽命和低效率等。

6月15日，“雙碳”背景下的氫能產業發展研討會暨《氫能革命》新書發佈會在機械工業出版社融媒體中心舉行。中國工程院院士、中國氫能聯盟戰略指導委員會委員彭蘇萍，清華大學教授、國際氫能協會副主席毛宗強，發改委能源研究所可再生能源中心主任趙勇強，Snam中國董事兼高級副總裁彭寧科，國家能源集團北京低碳清潔能源研究院氫能總監何廣利等眾多行業內的專家學者，共同為大家帶來了精彩的氫能科普，就中國氫能產業的發展戰略與部署、氫能的安全性、氫能的未來應用場景、氫能何以引導一場能源革命等問題進行了深入的探討。

“雙碳”背景下的氫能產業發展研討會暨《氫能革命》新書發佈會現場。會議由機械工業出版社與中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟共同主辦（主辦方供圖）

氣候問題對中國相對複雜的能源結構帶來了嚴峻的挑戰，氫能使得高碳能源低碳化，與中國的能源體系互相融合，並且使得中國的可再生能源規模化。據此，彭蘇萍認為，氫能在中國能源體系中的定位已從“重要補充”逐漸變成“重要組成部分”。那麼，為什麼現今大家都重視氫能呢？來自發改委能源研究所的趙勇強認為，一是它能應對氣候變化，二是它能幫助我們提出長期性、整體性的能源低碳發展解決方案；三是它能為不同的能源系統提供靈活性。

在《氫能革命：清潔能源的未來藍圖》一書中，該書的作者，在能源行業擁有超過20年的從業經驗的馬可•阿爾韋拉對氫能的未來提出了清晰而發人深省的觀點，展示了為什麼氫能可以應對氣候變化併成為未來的理想燃料。

《氫能革命：清潔能源的未來藍圖》，[意]馬可·阿爾韋拉 著，劉瑋、萬燕鳴、張巖 譯，機械工業出版社2022年6月版

有關氫的故事可以追溯到138億年前，那時宇宙剛誕生，温度極高。在最初的38萬年裏，太空中充滿了被稱為等離子體的熱粒子，由鬆散的電子、質子以及一些較重的原子核（質子和中子的組合）組成。慢慢地，温度下降到電子可以與質子結合形成氫原子的程度。從那個原始熔爐中產生的氫比其他任何元素都要多，即使在今天，氫元素仍然主宰着宇宙。

氫是恆星的主要成分，還有一些氫以一層層薄霧的形態散佈在星際間。有時，在巨大的星際氣體雲中，氫會以我們熟知的形式——由兩個氫原子組成的氫分子（H2）出現。

氫原子是最簡單的原子，只有一個電子環繞着一個質子。這個簡單的結構是氫原子所有既奇妙又麻煩的特性的來源。早在我們知道氫的起源或內在本質之前，它作為“能源連接器”的潛力就已經嶄露了。

我們對氫的瞭解始於16世紀瑞士化學家西奧菲拉斯特·邦博斯特·馮·霍恩海姆（Theophrastus Bombastus von Hohenheim）的實驗。他非常擅長自我推銷，“浮誇”（bombastic）這個詞就源於他的名字。他更為我們熟知的是他的假名帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）。他發現鐵可以溶解在硫酸中，並釋放出一種神秘的氣體一。後來，西奧多·蒂爾凱·德·邁耶爾（Théodore Turquet de Mayerne）重複了這個實驗，發現這種神秘的氣體可以燃燒。

1766年，亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在倫敦的私人實驗室裏利用相似的反應過程收集到了這種氣體，只不過他用的是鹽酸和鋅。有一段時間，他沉迷於把這些氣體點燃，覺得很好玩兒。但是，他也注意到，燃燒這種氣體會產生一種意想不到的副產物：水。1781年，他提出了一個現在眾所周知的結論，那就是：水不是一種元素，而是由兩種元素組成的化合物。法國化學家安託萬·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）給這些元素起了它們現在的名字——氫和氧，其中氫的意思是“成水元素”，這開創了現代化學時代。可惜的是，科學天才拉瓦錫後來死於法國大革命，堪稱現代科學史上的重大損失。

現在，我們對氫有了更深的瞭解：氫的唯一電子很容易被其他元素俘獲，形成新的物質，比如水。在那些讓卡文迪什興奮不已的燃燒實驗中，氫原子與氧原子結合形成水，同時釋放出大量能量。

德·邁耶爾、卡文迪什和拉瓦錫都被氫的可燃性所吸引，暗示了氫巨大的能量潛力。拉瓦錫和皮埃爾-西蒙·拉普拉斯測量了氫被點燃時釋放的能量，證實了這一點。他們的實驗結果超出了預期。事實證明，燃燒1千克氫氣所釋放的能量足以讓一輛普通汽車行駛90公里，或者為一個普通家庭提供兩天的供暖。

很快，氫與電的密切關係初現端倪，而後者正是今天綠色未來願景的核心。1792年的一個星期天，在科莫湖邊，發明家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）把兩塊不同元素的金屬板用浸有鹽水的紙或布隔開，產生了電流。這個被後世稱為“伏打電堆”的裝置就是第一塊電池一。就在伏特發表相關發現的六週後，兩位英國科學家威廉·尼克爾森（William Nicholson）和安東尼·卡萊爾（Anthony Carlisle）也進行了相關實驗，儘管這個實驗在歷史書上的報道不多，但卻十分重要。1800年，這對夫婦開始改進伏特的設計，將電線連接到伏打電堆的兩側，然後將它們浸入一個盛水的容器中。水下的電線附近出現了氣泡，這表明電流把水分解成了相關氣體。事實上，他們發明了電解槽，使我們通過可再生能源生產氫氣成為可能。

關於電解的第一個真正可靠的解釋來自德國化學家約翰·威廉·裏特（Johann Wilhelm Ritter），作為一個獨立且思維活躍的科學家，他與歌德（Goethe）和亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt）都交流密切。

裏特把前人的實驗進行了簡化：拿一個容器裝滿水，再把兩根不同材質的金屬條浸入水中。把金屬條的乾燥部分連接到電池上，兩個電極就做成了。電池的電壓會促使在每個電極發生化學反應。在正極，水分子分解，產生氧氣（O2），釋放質子和電子（e-）。電子被正極吸入，氧分子形成氧氣。而質子在液體中游離，在負極上得到電子，形成氫氣（H2）。然後，裏特把兩個裝滿水的玻璃容器倒置在每個電極上，觀察氣泡在每個電極上產生，氣體逐漸排出容器中的水並將容器填滿。

許多電解槽都有一個重要元件，那就是隔膜。但裏特認為他不需要，或者是他沒想到。隔膜不會中斷流經水中的電流，但確實可以防止氧氣泡和氫氣泡相遇併產生反應，或者説爆炸。

另外值得注意的是，純水的導電性不好。所以，我們需要加入另一種化學物質，作為電解質來進行電解——鹽或少量硫酸等都可以用來提高電解速度。尼克爾森和卡萊爾發明了電解槽後不久，就有人試圖利用電解槽進行逆反應。當時的想法是，電解槽反過來也應該可以發生反應，即我們現在的燃料電池。氫原子從陽極進入，然後因為化學反應失去電子。帶正電荷的質子穿過薄膜到達陰極，帶負電荷的電子則通過電路與質子相遇。最後，電子與質子以及來自空氣中的氧氣結合，產生燃料電池的副產物：水和熱量。

第一個燃料電池的發明者是德裔瑞士化學家克里斯蒂安·弗里德里希·尚貝（Christian Friedrich Schönbein）和威爾士法官威廉·格羅夫爵士（Sir William Grove），他們做出了同樣的貢獻，兩人都通過類似的實驗得出了相同的發現。格羅夫的第二種電池發明於1839年，是現代燃料電池的先驅。他把兩個鉑電極的一端浸入盛有硫酸溶液的容器中，另一端分別密封在單獨的容器中，一個裝氧氣，另一個裝氫氣。隨後電流便立即在兩個電極之間流動。

電解槽和燃料電池（《氫能革命：清潔能源的未來藍圖》內頁插圖）

有了這項發明之後，氫氣立刻成了很多作家筆下的未來燃料。在1874年的小説《神秘島》（The Mysterious Island）中，儒勒·凡爾納設想：“總有一天水可以被電解為氫和氧，並用作燃料，而構成水的氫和氧……將會成為供暖和照明的無盡能源。”

電影《神秘島》(1961)劇照

不久之後，一個夢想家試圖實現儒勒·凡爾納的設想。保羅·拉·庫爾是19世紀70年代的一位丹麥發明家，從事電報工作，之後將注意力轉向教育行業。儘管當時重工業興起，城市擴張，但他卻特別關注從農村長大的年輕人。拉·庫爾認為，為了生存，應該推動農村實現現代化。為此，農民必須獲得兩樣在城市才能充分享有的權益：教育和充足的能源。拉·庫爾採取措施同時解決了這兩種需求。他通過教育工作和一些積極的政治手段，培養了一批農村本地工程師。他想讓丹麥的農村獨立於城市，實現自給自足。

拉·庫爾首先對風能產生了興趣。隨着工業革命席捲歐洲，如果丹麥想要與鄰國競爭，就需要一個可靠的能源來源。這個國家缺煤，但有充足的風能。荷蘭人很早就相當有遠見地對風能產生了興趣，他們試圖通過風車發電，但都因為以下兩個問題而夭折了。首先，傳統的荷蘭風車發電效率低得令人絕望，而且沒人知道怎麼樣進行改進；其次，電在產生後必須被立刻用掉，風一停，電就沒了。人們需要一些可以儲存電能的方法，但那時，電池貴得不可思議。

拉·庫爾反覆思考了這兩個問題。他對經典風車進行了重新設計，採用新風帆來帶動發電機發電。為了解決第二個問題，也就是如何儲存風車產生的電能，拉·庫爾將丹麥阿斯科烏鎮附近的一箇舊水磨坊改造成了一個風車，並利用產生的電能通過電解水生產氫。在與意大利物理學家蓬佩奧·加魯蒂（Pompeo Garuti）的合作中，拉·庫爾向儲罐中注入了氫和氧，並將氫直接用作燃料。這可不是什麼小進步，由此，氫的產量達到了每小時1000升。

從1895年到1902年，拉·庫爾的“風車”持續為他任教的阿斯科烏民眾高等學校供電，而且由於氫罐中儲存了12立方米的氫，阿斯科烏從來沒有過供電中斷的情況。1902年，阿斯科烏的風車成為發電廠雛形，服務了整個村莊，直到1958年才被電池和汽油發動機取代。

所以一個多世紀前，人們就已經證明了氫所具有的實力。我們那時候就知道一千克的氫竟然可以容納如此巨大的能量。我們已經有了基本的工具，可以根據需要將閒置的電力轉化為氫氣。但是，早在1902年就有一個丹麥村莊已經較好地利用了氫能，為什麼直到現在氫能都還沒能普及呢？

影響氫能普及的原因有兩個。一是氫的密度低，給運輸帶來了很大困難。二是與方便開採、儲量豐富的化石燃料相比，氫很難從地球上其他元素中分離出來。

就重量而言，一立方米氫氣只有89克，就存儲空間而言，含有同等能量的氫氣體積是汽油的3000倍。想要獲取氫氣太難了，以至於在一個多世紀的時間裏，我們選擇忽略它的能源潛力，而是集中精力利用它的“輕”屬性。

1783年夏天，孟格菲（Montgolfier）兄弟乘坐第一個熱氣球升空。那個時候，沒有人知道他們的氣球為什麼能飛上天空。孟格菲兄弟認為，潮濕的乾草燃燒產生的煙霧起到了幫助氣球升空的作用。兄弟倆是天才的發明家，但不是科學家。

拉瓦錫和他那一代的其他人一樣，對氣球非常着迷。他知道氫氣比熱空氣輕得多，於是他在紙上寫下了“氣球是被非常輕的氫氣帶起來”的設想。那時尼克爾森和卡萊爾還沒有發明電解槽，所以拉瓦錫需要找到一個方法來分解水。在1783年到1784年的冬天，他終於找到了一個方法。拉瓦錫與陸軍軍官讓·巴蒂斯特·梅斯尼埃（Jean Baptiste Meusnier）合作，研究出瞭如何將蒸汽通過鐵製加農炮熾熱的炮筒產生氫氣。

讓-弗朗索瓦·皮拉特爾·德羅齊埃（Jean-François Pilâtre de Rozier）是一名物理和化學老師。當他發現氫氣存在的問題時，他已經在和孟格菲兄弟一起飛行了。控制氣球的高度是至關重要的，但當時並沒有被認真地解決。德羅齊埃想出了一個主意，即使用一個組合氣球：外層的氫氣層提供大部分的升力，而熱空氣內層則可以控制飛行的高度。

1785年6月15日，德羅齊埃和他的同伴皮埃爾·羅曼（Pierre Romain）從法國的濱海布洛涅出發，試圖飛越英吉利海峽。他們確信他們的設計將給氣球帶來革命性的變化。大約過了半個小時，氣球被吹回到岸邊。他們兩人的臉上卻露出了“驚恐的表情”，拼命想把吊籃中間火盆上的鐵柵欄關上，但一切都已經太晚了。“外層大球裏面的可燃物質很快就充斥了氣囊內的剩餘空間，沿着氣球頸部管子傾瀉下來，迅速地到達了下面的火盆，熱氣球就這樣爆炸了。”

這一爆炸威力巨大，雙層氣球的設計也被悄然擱置了。直到後來人們發現了一種同樣比空氣輕的惰性氣體——氦氣，才重新開始對熱氣球的探索。儘管發生了爆炸，但當時人們並沒有放棄使用氫氣。是的，氫是可燃的，但那又怎樣呢？依靠柳條吊籃上方火盆裏燃燒着的稻草升起的熱氣球也同樣危險。因此，在150多年的時間裏，發明家和先驅們堅持使用氫氣這種爆炸性氣體作為浮力輔助工具。

德國退休軍官斐迪南·馮·齊柏林（Ferdinand von Zeppelin）於1891年離開軍隊，開始着手製造一種飛行器。它有一個鋼架構，內部灌滿氫氣，被稱為齊柏林飛艇。在斐迪南伯爵的筆記本上，齊柏林飛艇最初的作用是運輸郵件。而在第一次世界大戰期間，飛艇攜帶着2噸炸彈，以137公里/時的速度飛行，造成了西歐民眾的極大恐慌。飛艇可不是那麼容易就能打下來的。氫很輕，消散得非常快。所以，就算一顆普通的子彈可以擊穿齊柏林飛艇的氣囊，也沒有機會點燃氫氣。為了消除空中的威脅，英國不得不研製出特殊的爆炸子彈。

電影《齊柏林飛艇》（1971）海報

齊柏林飛艇在戰後的和平時期被用於極地探險和環球航行。興登堡號（LZ-129）和她的姐妹號齊柏林伯爵II號（LZ-130）開啓了大西洋兩岸定期商業航空旅行的先河。安全是它們最大的賣點：齊柏林飛艇共飛行了160多萬公里，未造成任何人員死亡，這是當時任何飛機都無法匹敵的紀錄。但是對於惡劣天氣，飛艇卻束手無策，與天氣有關的飛艇事故也持續增多。1937年5月6日，當興登堡號正準備在美國新澤西州萊克赫斯特海軍航空站的繫泊桅杆處着陸時，突然起火燃燒並墜毀在地。事故中飛艇上有97人，其中33人因從飛艇上跳下來或掉下來而摔死，2人死於織物和柴油燃燒，還有1名地勤人員被髮動機砸死。

對於爆炸是否由氫氣引起仍然存在爭議，但在某種程度上已經無關緊要了，因為興登堡號確實已經墜毀了。隨後，無數影片對這一恐怖場景進行了重現，當時現場也進行了驚心動魄的廣播直播，飛艇作為載人工具進行洲際飛行的時代就此結束。這一悲劇還讓人們把氫氣和烈火地獄聯繫到了一起，在很大程度上，這是一種毫無根據的危險感知。

將氫氣用於氣球飛行最終被證明是一條不成功的彎路。氫氣的主要賣點是其巨大的能源潛力，而不是輕便的重量。然而，我們花了很長時間才回到這點上來，主要是因為氫氣一直無法與豐富而廉價的化石燃料競爭。

原文作者/[意]馬可·阿爾韋拉

摘編/何安安

編輯/張進

導語校對/柳寶慶