伯克利實驗室助力全球清潔氫能的六種方式

氫，作為宇宙中最小的元素，具有作為清潔能源來源的巨大潛力。將氫氣（H2）用作燃料以及能源儲存的手段，可以減少我們對石油的依賴，並幫助減少空氣污染和溫室氣體排放，以實現更清潔和更美好的氣候目標。然而，大規模採用氫能需要技術的進步和新基礎設施的建立。洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們正在領導當地和全國的項目，旨在優化氫能生命週期的所有階段，從工程技術的開發以實現經濟實惠且環保的氫氣生產，到研發高效的氫燃料電池。

以下是我們目前集中精力的六個核心領域，涵蓋氫的生產、儲存、使用和分析，以實現無碳的未來：

1. 電解水：無碳燃料的來源

傳統上，生產氫氣（H2）最常用的方法是在石油煉油廠通過改造天然氣。但隨著我們從化石燃料轉向可再生能源，電解水的過程——利用電力和催化劑分解水分子以產生氫氣，正逐漸受到重視。由於氫氣在內燃機燃燒或進入燃料電池時不會產生二氧化碳，因此當使用可再生電力為電解槽供電時，所產生的氫燃料幾乎是零碳能源。

雖然電解水的方法已存在數十年，但由於高資本成本和所需電力成本，這一方法未能廣泛應用於商業規模。伯克利實驗室的科學家們正在與多個實驗室合作，發展多種電解技術，這一項目名為水的下一代電解槽氫氣（H2NEW）。該聯盟的目標是在2025年前實現可量產的電解槽，使氫氣的成本降低至每公斤2美元，以便與從天然氣生成的氫氣競爭。

其中一個團隊專注於高效的高溫電解系統，利用水泥和氨生產等工業過程產生的熱量，或來自太陽熱能和核電廠的多餘熱量，作為能源來推動水分解反應。

其他研究人員則在研究低溫質子交換膜（PEM）電解，該技術在低於100攝氏度（212華氏度）的溫度下運行，使其能夠與風能和太陽能等可再生電力來源配合使用。低溫PEM電解技術已經較為成熟，並構成了未來計劃部署的電解槽的一大部分。不幸的是，這些設備在電極催化劑中需要使用鉭（Iridium）——地球上最稀有的元素之一，這一催化劑能夠將氫原子從水（H2O）分離出來，並由新生成的單氧原子形成氧氣（O2）。

“當使用大量鉭時，例如今天的商業電解槽，所有系統運行良好，耐用性很高，”能源技術區（ETA）的高級科學家Rangachary Mukundan表示，他在燃料電池和電解槽的研究上擁有數十年的經驗。但他指出，當試圖減少鉭的使用量以降低成本時，“你開始看到耐用性問題。由於鉭隨時間的溶解並移動到膜層中，系統的性能不再穩定。”

ETA能源轉化組的研究科學家Xiong Peng，則是研究團隊的一員，致力於通過重新設計電解槽的多孔傳輸層（PTL）來解決這一問題。多孔傳輸層是催化劑與流場之間的材料，是水流經電池的地方。最近的研究表明，通過激光雕刻對該層的多孔納米結構進行修改，能改善PTL與電極的接觸，從而提高性能。

“這使我們能夠在每單位生成的氫氣中使用較低的鉭含量，”Mukundan說。“我們目前也在努力更好地理解這些水電解槽中鉭的耐用性，以最終改善在使用更少元素時的壽命，並開發加速應力測試，以更好地評估整個系統的耐用性。”

另一個影響PEM電解槽成本效益的問題是它們在待機模式下的浪費能耗。傳統上，這些系統在不分解水分子時，必須保持溫暖並提供少量電力，以維持電極的正確電荷，避免由於鉭陽極保持在電子接受狀態和鉑陰極保持在電子捐贈狀態而造成的退化。Mukundan和他的同事們正在研究可以在不退化的情況下保持閒置的系統設計。

“如果該系統能夠在沒有任何耐用性問題的情況下動態運行，那麼你可以在電價低的時候運行系統，而在電價高峰時段保持系統閒置，”Mukundan表示。“對於將來以非常低的成本生產氫氣的系統來說，這種動態操作是至關重要的。”

2. 甲烷熱裂解：從溫室氣體製造氫燃料

與電解水不同，另一種技術稱為甲烷熱裂解，它利用熱能和催化劑將甲烷氣體（CH4）分解為氫氣和有用的固體碳產品，如石墨、碳納米管和富勒烯。甲烷是一種由農業和工業過程產生的強效溫室氣體。至今尚未有大規模的甲烷熱裂解系統投入使用，因為現有技術需要高達1,000攝氏度（1,832華氏度）以上的高溫來啟動分子分解，因此由於能量和專門耐高溫設備的成本，該過程變得昂貴。但考慮到這一方法能在去除溫室氣體的同時生產無碳燃料和有價值的材料，許多研究者正在努力使甲烷熱裂解商業化。

由伯克利實驗室能源轉化組的Ji Su領導的多機構團隊正在開發一種新的液態金屬催化劑，該催化劑在450-800攝氏度（842-1472華氏度）下具有高效和高耐用性的甲烷熱裂解潛力。最近，一篇描述該催化劑原理及早期實驗數據的論文發表在《科學》期刊上，並且該團隊獲得了2023年的R&D 100獎。

“低溫活性為甲烷熱裂解過程提供了機會，利用來自其他工業過程的廢熱，而不是其他本身會產生碳的能源來源，”Su表示。“例如，估計歐盟每年產生的廢熱總量約為120太瓦時，這該催化劑能夠利用。此外，較低的操作溫度非常適合利用可再生電力的電加熱，這樣能提高效率並實現零二氧化碳足跡。”

該團隊的原型系統設計簡單而精巧。催化劑是一種鎳、鉬和鉍的合金。幾厘米高的薄層合金被裝入一個小型的彎曲石英管中，管子底部是一片薄薄的多孔石英。管子加熱後，催化劑變成液體。甲烷從底部進入，通過多孔石英進入液態催化劑，合金中金屬原子的混合物協同工作，將CH4分子分開。氫氣從管子的頂部流出，可供收集，而碳副產品（在這些測試中為純石墨）則整齊地積累在催化劑的上方。科學家指出，在這個原型系統中，每克催化劑中的鎳每小時可生產2.4升氫氣。經過在800度下持續運行120小時，系統仍然運行平穩，除了石墨外未檢測到其他化學產品，顯示出良好的耐用性以及甲烷的完全分解，沒有任何意外的副產品，這些副產品可能會損壞系統或成為污染源。

儘管這項技術仍在早期開發階段，團隊對它在商業規模運行良好的前景感到樂觀。“我們的技術超越了其他任何甲烷熱裂解催化劑的整體性能，”Su說。他和其他人計劃建造一個一米長的甲烷反應器，並設想不久的將來，一個由多個管狀反應器平行連接到熱源的系統可同時運行，生產大量清潔的氫燃料。

3. 太陽能發電：自然啟發的可持續燃料

電解水和熱裂解並不是獲取可持續氫氣的唯一途徑。另一種途徑是太陽能發電——一類受光合作用啟發的技術，利用陽光中的能量驅動化學反應，將水和大氣氣體轉化為燃料。與洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）主導的液態陽光聯盟（Liquid Sunlight Alliance, LiSA）相關的科學家們，正在努力完善這些太陽能燃料系統，使其達到工業使用所需的規模，該項目是由美國能源部資助的一個燃料創新中心。

最近，一個LiSA團隊開發了一種用氧化亞銅（Cu2O）製成的新型人工光合作用電池，電池上方有薄銀層，下方則覆蓋了金和氧化鐵。氧化亞銅是一種出色的太陽能燃料催化劑，因為它便宜、易於獲得，並且對光線反應強烈——但是，單獨使用時，它很快會因化學反應中涉及和產生的腐蝕性自由電子和帶電分子而受損。團隊發現，他們的三明治式設計大大減少了腐蝕，並通過將在上表面生成的電荷引導通過銅材質流入金和鐵“匯”中來改善了耐用性。儘管他們的實驗是用來生成乙烯（另一種氣體燃料），但該技術可以輕鬆適應氫氣的生產。

“與Cu2O的研究中獲得的新見解對於製造其他太陽能燃料如氫氣同樣適用，”材料科學家以及該研究的合作者Joel Ager表示。“太陽能生產氫氣是一種更成熟的技術，但仍然缺乏商業使用所需的耐用性。我們對於將我們從Cu2O學到的見解應用到其他系統感到興奮。”

Ager負責HydroGEN的光電化學團隊，HydroGEN是一個由五個能源部國家實驗室組成的聯盟，該聯盟與行業和學術夥伴合作開發先進的水分解材料。通過HydroGEN，伯克利實驗室的科學家們開始與密歇根大學的研究人員合作，分析該小組基於硅和氮化鎵的人工光合作用設備。在過去幾年的實驗中顯示，該設備在生產氫氣方面的效率驚人。而且，與其他所有人工光合作用催化劑相比，氮化鎵具有隨時間增效的特性，而不是降解。利用伯克利實驗室的分子工廠進行的先進電子顯微鏡和X射線光譜技術，合作團隊能夠證明，該設備中使用的納米線側壁的氫氣產量增加是性能提高的原因。隨後，HydroGEN聯盟的另一成員洛倫斯利物浦國家實驗室揭示了導致該效應的原子機理。

“我們已經對這種材料研究了超過10年——我們知道它是穩定而高效的。但這次合作幫助我們識別了其逐漸增強和高效的基本機制，而不是降解的原因，”該材料的發明者、密歇根大學電氣與計算機工程教授Zetian Mi表示。“這項工作的發現將幫助我們以更低的成本建造更高效的人工光合作用設備，”Mi說。

4. 改進氫氣儲存方法

一旦氫氣（H2）生成後，必須將其儲存並運輸到加油站、發電廠、使用氫氣的化學製造工廠及其他用戶。然而，氫氣因其微小的大小而難以儲存。由於H2分子中的每個原子僅由一個質子和一個電子組成，這使得它能夠輕易穿過固體材料中較大原子間的空隙。為了減少從儲存容器的逃逸，氫氣通常以非常低的溫度液態儲存或以高壓壓縮儲存。雖然這些方法都能很好地工作，但它們的能量消耗和成本都非常高。

伯克利實驗室的科學家們正在開發稱為金屬有機框架（MOFs）的特殊材料，這些框架可以像海綿一樣在接近環境條件的壓力和溫度下吸收氫氣。所有MOFs都是由金屬原子簇重複單元組成，這些原子簇被有機連接分子包圍，雖然具體成分根據MOF意圖吸引的分子類型而異。

這些單元形成了一種具有極高表面積的多孔三維結構。氫氣輕易流入孔隙，然後緊緊依附在內部表面的帶電粒子上，直到釋放壓力，隨後氫氣被放出，並可以轉移到最終目的地。

“液態氫需要降至負250攝氏度的大量冷卻，而壓縮氣體則需要350至700倍於大氣壓的高壓，”可持續能源與環境系統部的研究科學家Peng Peng解釋說。“MOFs可以在適度冷卻下，以一半的壓力儲存與高壓氣體相同量的氫氣。”

MOFs的其他優點包括與液態儲存容器相比，對於蒸發氣體的損失更小，以及比高壓罐更低的燃燒危險。

Peng和他的同事們正在為新型MOFs設置目標，並通過基於UC Berkeley的化學家和材料科學家合作者合成樣品的小規模測試的計算模型評估MOF的性質和性能。部分材料已經進入原型階段，並且有幾種已經在商業化的路上。根據Peng的說法，當前MOFs面臨的最大障礙是製造材料的高成本以及快速充裝氫氣的能力。

伯克利實驗室團隊通過HyMARC還在研究其他儲存解決方案，例如能夠結合氫原子的金屬（稱為氫化物），以及存儲氫氣的其他化學鍵稱為化學載體的方式，像是甲苯（C₆H₅CH₃）等分子。伯克利實驗室的科學家們與學術團隊和行業夥伴合作，設計集成儲存技術與供應氫氣的設備的耦合系統。

5. 先進的燃料電池利用氫能

除了生產和儲存氫氣，研究人員還建造和測試燃料電池，這些電池可用於大規模能源生產系統，以支持電網並為零排放車輛提供動力。

其中一個主要項目是百萬英里燃料電池卡車聯盟（Million-Mile Fuel Cell Truck Consortium, M2FCT），這是一個由多個實驗室組成的美國能源部（DOE）倡議，伯克利實驗室共同主導，旨在推進PEM燃料電池的發展，使其足夠耐用，以用於長途運輸的重型卡車。M2FCT的成員還對氫動力卡車進行成本分析和生命周期評估，以預測替代柴油動力卡車的影響。

PEM燃料電池的工作原理與PEM電解槽相似，但這是反向操作。它們不是用電力從水中產生氫氣，而是分解氫分子，產生自由電子的流動——可以為引擎提供動力的電力——以及質子，質子通過膜移動，然後與來自空氣中的氧氣反應，形成水蒸氣。當前，一個燃料電池可以生成約300瓦的電力，足夠為五個標準燈泡供電。能夠為汽車或卡車提供動力的燃料電池引擎由多個電池疊加而成。

“過渡到氫燃料電池重型車輛將對減少溫室氣體排放產生重大影響，”能源轉化組的科學家Ahmet Kusoglu表示，他是M2FCT團隊的成員。他指出，重型卡車僅佔美國總車輛的很小一部分（約5%），但卻佔據了超過25%的交通排放，並消耗了每年燃料的四分之一。

相比之下，輕型車輛（如乘用車）的燃料電池引擎已經相當成熟，這得益於幾十年的研究和開發。但該技術不能簡單地套用到重型車輛上。汽車的燃料電池引擎設計輕便且價格實惠，而卡車則需要堅固的電池，以應對長距離行駛的需求，並且在低運行成本下運行——重量和價格不再是主要考慮因素。

Kusoglu和他的同事們的目標是了解PEM燃料電池為何會降解，從而開發材料和策略，以改善系統耐用性，目標壽命為一百萬英里，這將代表目前燃料電池汽車引擎耐用性的五倍增加。除了顯而易見的減少運輸部門排放的好處，該計劃還將使燃料電池在多種重型應用中的實施變得更加容易，從港口設備到船舶再到列車。

“重型車輛市場可能成為迅速推廣燃料電池技術的途徑，”能源轉化組負責人、M2FCT共同主任及前輕型車輛燃料電池性能與耐用性聯盟副主任Adam Weber表示。“這將促進所需氫氣加注基礎設施的建設。”

6. 建設經濟和環境效益兼具的系統

我們的科學家不僅設計氫技術，並期望它們在現實世界中運行，而是利用技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）來研究不同設備和系統的投入、產出及其環境和經濟影響。TEA和LCA使科學家能夠在技術仍處於早期開發階段時，探討能源技術在工業規模下的運行方式，並理解如何通過改變技術的組件——例如，更換電解槽中使用的材料——來影響成本、性能和供應鏈。

Hanna Breunig是可持續能源和環境系統部的副主任，專注於氫能系統的TEA和LCA。她也是實驗室HyMARC工作的小組共同負責人。Breunig及其同事參與了本文之前提到的許多項目，並領導自己的研究。

該部門目前的一個分析項目專注於利用氫氣來限制在鐵鋼生產中使用化石燃料，這是一個龐大的全球產業，對二氧化碳排放影響重大。根據國際能源署的數據，全球鋼鐵生產每年排放約27.8億公噸二氧化碳，或每生產一噸鋼約生成1.39噸二氧化碳。

這些排放來自於與鐵礦石（鐵氧化物）在高溫爐中混合的天然氣或焦炭（經加熱以去除雜質的濃縮煤），以去除氧氣，從而生產更純化的鐵，然後可以與碳結合製造鋼。天然氣和焦炭與氧氣反應生成二氧化碳。

然而，已經設計出一種替代型爐子，它燃燒氫燃料以提供去除鐵礦石中氧所需的熱量和電子。由於鋼是鐵和碳的合金，因此在生產過程中始終需要一定的碳，但通過切換到這種新設計，可以顯著減少所需的碳的總量以及對石油產品的依賴。Breunig說：“當我們查看鐵和鋼的生產排放時，這來自於提供高溫及提供的還原劑，這些還原劑是將鐵礦石轉化為以後處理的鐵海綿。因此，從使用焦炭產品的高爐轉向使用氫氣及某種碳源（可能是生物炭，也可能是生物甲烷）來進行的直接還原鐵爐，可以減少超過95%的溫室氣體排放。”

Breunig和Berkeley Lab的Fabian Rosner正在與科羅拉多州的國家可再生能源實驗室合作，開發一種供應鏈工具，將氫燃料爐與美國岸上和海上可再生電力電解生成的氫氣聯繫起來。通過TEA和LCA，他們已確定了可以改善的過程，以使來自這一顯著脫碳系統的鋼材對買家更具競爭力，並對氫氣交付價格波動的敏感性降低。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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