氢气--能源转型的动力？

氢是宇宙中最小和最常见的化学元素。它是由英国化学家和物理学家亨利-卡文迪什于1766年发现的。在元素周期表中，氢气排名第一，其符号为H，原子序数为1。在地球上的自然存在中，它主要以分子氢的形式存在于与其他元素的化合物中，并存在于所有生物体以及所有生命的原料：水（H2O）中。

在其纯粹的形式中，氢是一种看不见的、挥发性的和无味的气体，比空气轻得多。它是一种无毒无害的气体，但具有高度可燃性，在发生不受控制的反应时可导致火灾和爆炸。但正是这种 "反应性 "使它作为一种能源载体而具有价值。另一个优势是：由于它的供应充足，它几乎可以在世界任何地方灵活地生产。

当今阻止地球气候变化的两个最大挑战是全球减少二氧化碳排放和成功的能源转型。我们英飞凌坚信，氢气将在不久将来的能源系统中发挥重要作用。在能源工业和汽车工业中，它在减少二氧化碳方面，发挥着巨大潜力作用，也就是说，从排放二氧化碳的能源转变，而逐步淘汰使用化石原料的能源生产。氢气产业在优化和进一步发展氢气技术方面发挥着关键作用。以下是氢气对能源转型如此重要并被认为是未来能源的三个原因。

1.氢气可用于各行业的众多应用：在工业过程中，作为住宅和商业建筑的热能，或作为移动部门的长途和重型车辆的燃料。

2.在那些难以脱碳的领域，从可再生能源中生产的氢气，可以成为一种非常有价值的能源载体。例如，化工和水泥行业，以及能源密集型的钢铁行业，这些行业使用以煤为化石燃料的高炉。

3.氢气可以成为剩余可再生能源的可行储存媒介。从风能和太阳能产生的电力，如果不能立即用于生产，将不会损失，而是可以在生产氢气的过程中加以利用。它可以被储存起来，并在以后需要时收回或运输。另一个潜力在于用可再生能源直接生产氢气。例如，海上风电场可以以“气候中性“的方式生产氢气而不是电力，并使其可直接消费。因此，氢气增加了能源系统的灵活性，并进一步减少了对传统的、基础负荷发电厂的依赖。

通常，氢气总是与其他元素相关联。它作为一种元素存在于水、天然气或原油中等等。为了生产作为能源载体的纯净非结合氢，必须使用能源和特殊工艺将其分离出来。英飞凌的功率半导体已经通过实现高能效的电力供应来支持通过电解生产氢气的气候中立化。以下是用于生产氢气的过程。

1.电解过程
在电解过程中，水在电解器中利用电压被
分割成氢和氧（₂HO=两个氢原子，一个氧原子）。在这个过程中，氢分子聚集在带负电的极点并被捕获。氧气则聚集在带正电的一极。同时，生产过程中使用的电能被转化为化学能并储存在氢气中。

2.甲烷热解
在这个过程中，甲烷作为天然气（CH₄）
的主要成分，在无氧的高温反应器中被分裂成氢气和固体碳。当分裂出来的氢气被运输使用或储存时，剩余的碳粉（C）作为副产品以固体颗粒的形式储存起来，随后作为原料重新使用。因此，排放物不会被释放到环境中，而是被束缚在颗粒中

3.改造工艺
当今最发达和最有效的工艺之一是改造：碳氢化合物，如天然气（CH₄），通过添加蒸汽或沼气进行脱氢--所谓的蒸汽改造。氢气生产过程中产生的CO2可以被储存在地下水库中。这个过程被称为CCS（碳捕获和储存）。它被注入到特别适合的岩层中，长期混合，并随着时间的推移而矿化，导致该过程的去碳化。另一个选择是再利用，这被称为CCU（碳捕获和利用）。由此产生的二氧化碳2被作为化学或工业原料提供，为生产的去碳化做出贡献。在循环经济中，再利用取代了化石资源，从而减少了其使用。

在这个过程中产生或不产生的温室气体排放是特别重要的。根据氢气的环境友好性和生产方法，使用了以下颜色代码：绿色、蓝色、绿松石色和灰色。

例如，绿色氢气是在电解过程中产生的，该过程利用风能和太阳能等可再生能源，以不排放二氧化碳₂的方式生产氢气。由于在这个过程中不产生温室气体，因此被称为绿色氢气。生产绿色氢气的其他方式包括生物质的气化和发酵以及沼气的重整。

在英飞凌的芯片生产过程中，以“气候中性“的方式生产绿色氢气作为载体和工艺气体是一个可持续的目标。自2021年以来，这方面的工作一直在进行，在奥地利的Villach基地建造了第一个现场生产的电解厂。这是推进半导体行业资源节约型生产的一个重要步骤。

关于半导体解决方案中绿色氢气的使用案例表明：英飞凌的突破性创新技术是如何帮助实现气候保护并使社会生活更加的可持续化。

当生产过程中产生的CO₂被储存或再利用时，就会在重整过程中产生蓝氢，从而不会进入环境。储存被称为CCS（碳捕获和储存）。例如，产生的CO₂被捕获并储存在地质储存库中。通过储存，蓝氢在生产过程中被认为是“气候中性”。

绿松石氢气是在甲烷热解过程中产生的。取而代之的CO₂是作为副产品形成的固体碳，它可以作为一种原料被重新使用。正如在重整过程中产生的CO ₂的再利用一样，固体碳可以通过补偿化石原料的使用，为工业部门的生产脱碳做出贡献。而且，如果生产过程中高温反应器的能源是从可再生资源中获得的，那么该过程就被认为是“气候中性 ”的。

灰色的氢气是在电解或重整过程中使用化石原料进行生产时产生的。在生产过程中产生的CO₂被释放到大气中，没有进一步使用。如果生产一吨氢气，就会产生大约10吨的的CO₂。由于这种生产对气候有害，它被称为灰氢。

燃料电池是一种电化学电池或电化学装置，它将化学反应的能量直接转换为电能。产生过程需要持续供应燃料和氧化剂 - 例如，氢气（H₂）和氧气（O₂）。在这种情况下，它被称为氢气燃料电池。此外，其他燃料，如甲醇、乙醇、天然气或丁烷，也适合用于发电。

根据设计，燃料电池由两个电极组成：阳极和阴极，被中间的电解质分开。为了在氢燃料电池中产生电流，氢气和氧气在不受干扰的情况下从外部进入电路。在阳极，氢气被分割成其组成部分。在这个过程中，每个氢原子发射出一个带负电的电子，通过一个电导体到达阴极。在这一步骤中，储存在氢气中的能量以电和热的形式释放出来：这就是产生电流以驱动电动机的方式。剩下的是带正电的氢离子（H+），它们从电解质中释放出来。同时，氧分子在阴极被提供，也被分裂成其组成部分。带正电的氧离子各自吸收两个电子，因此形成带负电的氧离子，并与氢离子一起，随后形成水（HO₂）。这将作为无害的 "废气 "以水蒸气的形式释放。这样一来，氢气就可以在“气候中性”的过程中被用来产生能量。

对于私人机动交通，目前有很大一部分人在使用由化石燃料驱动的车辆。在全球范围内，2018年公路运输的二氧化碳排放量约为18%。作为更绿色的运输部门的一部分，氢气技术的发展是可持续地减少整体排放的关键，同时也是基于电池的电动汽车。作为汽车半导体的市场领导者和电动交通的思想领袖，英飞凌已经在支持汽车行业走向气候友好和无碳的未来。  英飞凌还为在氢燃料电池领域有效利用绿色和蓝色氢气提供功率半导体解决方案。

在欧洲铁路运输中，法国阿尔斯通公司的 "Coradia iLint "客运列车是一个使用燃料电池技术的成功和市场运作的展示项目。

纵观各种车辆领域的潜力，氢气推进将成为重型卡车和商业车辆长距离行驶时化石燃料的首选替代品。在公海上，氢气推进也可以成为货船等的环保替代品。今天，高性能的燃料电池汽车已经存在，可以实现700公里的长距离行驶。但在未来，纯粹的电池-电力驱动将成为首选，特别是对于续航能力不超过400公里的轻型商用车和乘用车，而氢气推进则为续航能力更强的重型车辆提供了可行的选择。在英飞凌，我们相信这两种驱动方式对于实现全球CO₂减排目标都是必要的。

燃料电池汽车使用氢气作为其电力驱动的燃料--该技术也被称为氢气移动。在能源生产过程中不产生任何排放物，只有水蒸气作为废气排放出来。今天，主要汽车公司的氢气汽车的数量仍然是可控的。就氢能汽车的续航能力而言，以现代汽车公司的 "Nexo "SUV为例，一箱燃料可以行驶700多公里。每100公里的氢气消耗量约为0.9公斤。氢能交通的趋势显然在上升，例如，2022年 "欧洲丰田汽车 "将在欧洲建造一个新的燃料电池工厂，推动氢能交通的发展。其他制造商也有积极的开发计划，如宝马、本田、梅赛德斯-奔驰或雷诺。

两种驱动技术的明显区别在于从燃料源到汽车车轮的整体效率。研究了运动的整个效率链，从驱动能量的提取和提供到其转化为动能。在内燃机中，17%（汽油）至19%（柴油）的能量被转化为动能，其余为热能，也就是热量。相比之下，燃料电池驱动的整体效率约为32%。在纯电力驱动的车辆中，用于发电的一次能源与车辆的整体效率之间存在着明显的关联。如果用于给车辆电池充电的电力主要来自水电，例如在挪威，整体效率超过60%。另一方面，如果主要使用化石燃料发电，纯电动汽车的总体效率就会下降到比内燃机好的数值，但几乎不可能高于燃料电池汽车的效率。

为了比较燃料电池和纯电池电力驱动，有必要看看从充电站或氢气罐到车轮的功能链。如前所述，这两种驱动都是电动的--不同的是，在燃料电池驱动的情况下，行动链相对较长，并且在驱动过程中产生额外的电能。同时，在燃料电池中，能量转换发生在更多的中间阶段，导致总体效率约为48%。剩余的大部分能量被转换为热能。相比之下，纯粹的电池-电力驱动的效率约为75%。你可以在我们的文章《电动汽车指南：你需要知道的一切》中了解更多关于电动汽车的信息。

然而，燃料电池驱动的效率较低，其优点是在寒冷的季节有额外的热能可用于加热客舱。而且，与纯粹的电池-电力驱动不同的是，这可以做到在电动范围内没有痛苦的损失。氢气驱动在低温下的冷启动行为方面也有成绩。

除了效率之外，关于安装空间和重量的考虑也在各自的驱动解决方案的决定中发挥了重要作用。例如，"AVL "和 "里卡多 "的研究表明，根据这些标准，车辆总重为44吨、续航里程为800公里的卡车的燃料电池驱动是最佳驱动解决方案。另一方面，纯柴油驱动在较长的范围内表现良好，而纯电池-电力驱动在这些研究中在剩余货物空间和剩余有效载荷方面表现最差。

然而，在进行这些比较时，必须牢记，我们仍然处于氢气推进的新一轮创新的开始。例如，可以通过新的复合材料找到明显更好的氢气罐解决方案。就整体效率而言，将燃料电池的优势作为 "增程器 "与纯电池-电力驱动的优势相结合是有意义的。对于中短距离，必要的驱动能量仅由驱动电池提供，而对于长距离（或超车时），则由燃料电池提供额外能量。

在使用燃料电池的氢气驱动中，氢气和氧气形式的燃料被持续供应给电池组，类似于内燃机中汽油或柴油燃料的供应。另一方面，用于驱动电动马达的电池在使用方式上有所不同。它们将储存在电池组中的化学能转化为电能。你可以在我们的文章《电池管理系统-处理电池》中了解更多关于电池的信息。

燃料电池的一个优点是，它们可以在很长一段时间内连续运行，而不需要中间的电能充电。此外，给氢气加油所需的时间--与今天的内燃机相当--比给电池充电所需的时间要短。

发展广泛的机动性氢气基础设施是广泛使用和建立氢气机动性的最大挑战之一。今天的加气选择仍然是有限的。德国的加气站网络包括大约100个加氢站或H₂型加气站，其中大部分位于大城市附近。在几个工业公司组成的财团的支持下，它们将在2025年前扩大到约400个。目前的基础设施状况清楚地表明，氢能交通仍处于发展阶段。曼和现代等制造商已经在开发氢动力卡车系列，将从这一发展中受益。

在重型商用车领域，如经常长距离行驶的卡车或公共汽车，氢气推进可以成为实现去碳化的重要一步。由于与电池重量相比，氢气的重量很低，在几分钟内就能快速补充燃料，而且与纯电池供电的电动发动机相比，氢气驱动能够实现高效驾驶。

为了使氢气在环境友好型能源组合和未来经济的去碳化中发挥关键作用，必须对供应能力和安全进行大量投资。这包括，迅速扩大基础设施、可再生能源和大规模发展电解能力，以便能够在成本上与化石燃料竞争。目前，工业和交通领域对CO₂-nutral绿色氢气有需求，而德国凭借其 “气候中性”的电力生产还不能满足这一需求。全球联网和扩大绿色氢气的生产能力将是解决方案的一部分。此外，还需要改进氢气的运输和储存，以尽量减少长期的能源损失。

在英飞凌，我们随时准备支持这一转变。在我们的 "英飞凌氢能经济论文 "中了解更多关于机遇和挑战的信息。

免责条款最新版本：2022年8月