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1、氣候變化:科學與解決方案氫和氨 1氣候變化:科學與解決方案|簡報 4氫和氨在應對凈零排放挑戰中的作用 概要氫和氨在使用過程中不會產生碳排放,因此在凈零經濟中潛力十分巨大。這兩種都屬于多功能型燃料,生產及使用方式多種多樣,包括可再生能源生產以及難以進行脫碳的應用領域,例如重型運輸、工業和熱能,以及能源的儲存和運輸。這兩種燃料已廣泛應用于工業和農業,但目前的生產模式所產生的溫室氣體足跡依然很高。無論是現有還是新型應用,均可以通過生產脫碳而實現顯著的溫室氣體減排。然而,這兩種燃料目前都面臨一定的挑戰,有待技術進步才能解決,包括燃料的生產、儲存和使用,特別是實現生命周期凈零排放的成本。對于氫和氨在具體
2、實踐中,可能會對哪些領域產生關鍵影響的確定,仍需進一步的研究、開發、示范和部署。思路 氫和氨有潛力成為具有競爭力的凈零能源來源和多種應用的能源載體。為了更準確地評估這種潛力,需要進行研究、開發、示范和部署。應優先在重工業和重型車輛、鐵路、航運以及能源儲存等具有很大潛力成為領先的低成本低碳替代方案的行業進行氫和氨示范工作。在工業合作伙伴集群進行大規模示范工作,通常是最具成本效益的方式,其中最適合的通常為港口地區,尤其是進行了海上風電集成的港口地區。在基礎設施等方面開展國際合作,有助于在當前試點項目的基礎上發展本文提出的成果,同時應充分結合推動進一步創新的研究成果。2 氣候變化:科學與解決方案 氫
3、和氨1.氫和氨的現狀1.1 背景 氫是宇宙中含量最多的元素,也是公認的能源載體。氫可用于運輸、熱能、電力和能源儲存,而且,使用過程中不會排放溫室氣體,因此在凈零經濟中具有巨大的潛力。氨是氫和氮的化合物,也是一種強大的零碳燃料。1.2 氫和氨的傳統生產與使用 目前最常用的制氫工藝是蒸汽甲烷重整(SMR),產物稱為“灰”氫1。每年用于制造灰氫的天然氣和煤炭量分別約為全球的 6%和 2%2。純氫的全球產量中約有 51%用于煉油廠(例如用于去除燃料中的硫等雜質),而用于氨合成的比例約為 43%3。其他應用則使用氫氣作為一種氣體混合物成分,包括工業應用和化學制造中所用甲醇的生產,以及使用電弧爐工藝對鐵進
4、行還原,從而實現鋼鐵的生產。純氫的需求量每年約達 7000 萬噸(MtH2/yr),相比 20 世紀 70 年代增長了三倍3。氫是最輕的一種元素,體積能量密度較低,難以儲存和運輸,在許多實際應用中均需進行壓縮或液化處理。這些需求均意味著,如今氫氣的生產通常需要就近完成。然而,美國墨西哥灣沿岸地區、德國和比荷盧三國等國家均有專門的氫氣管道網絡4,5。氨是通過哈伯法(Haber-Bosch)工藝,利用氮氣及氫氣在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下產生的氣體6。氨最為常見的用途是生產化肥、用作制冷劑,以及制造塑料及其他產品。氨(NH3)的體積能量密度比氫高,方便儲存和運輸。全球的氨產量約為 175Mt
5、/yr6。如今的 SMR 和哈伯法都依賴于對天然氣和 煤 炭 等 化 石 燃 料 的 使 用。氫 生 產 每 年排放 8.3 億噸 CO2(MtCO2/yr),而氨生產為 420MtCO2/yr,加起來約占年度全球溫室氣體(GHG)排放的 2%7,8,9。1.3 氫和氨的安全性及環境因素 氫和氨都會引發一些需要進行管理的安全問題。氫氣的閃點很低,相比汽油低很多,例如,在-43C 下10。但是其在空氣中需要達到較高濃度(4%,而汽油只需達到 1.6%的濃度)才能燃燒,而且密度低,空氣擴散率高,因此彌散迅速,從而可以降低風險11,3。在設計氫氣系統時,十分必要的一點就是保持空氣流通,同時還要進行泄
6、漏檢測。氨氣具有腐蝕性和毒性,在標準條件下,高蒸氣壓會導致風險增加。不過,氨氣在達到一定濃度后,便很容易通過氣味覺察出來,然而此時的濃度遠未達到產生持久性健康危害的濃度6。雖然氫氣和氨氣已在多種行業安全使用了數十年,但對于新的應用領域而言,仍需重新進行測試。從環境角度出發同樣需要對氨氣的新應用領域進行評估,因為氨基肥料會通過氧化亞氮產生 GHG 排放,而且還會產生過量的氮,從而導致生物多樣性下降,此外,氨氣還會與其他污染物反應形成顆粒物,進而造成空氣污染。研究表明,氫氣對氣候或臭氧層的影響非常小12。對于兩種情況而言,即便有些看法并未反映出真實的風險,公眾接受度都會面臨一定的挑戰。氣候變化:科
7、學與解決方案氫和氨 3“綠”氫是利用可再生電力,通過電解分離出水中的氫,從而實現零碳的一種制氫方式。2.氫和氨的低碳生產與使用 氫和氨為低碳能源的供應創造了機會,能推動 2050 年凈零排放目標的實現。然而,根本任務是實現這兩種物質的脫碳生產,因為目前其生產均為重工業生產,行業層面的碳足跡遠大于幾個單獨 G7 國家的碳足跡,而這還僅限于是目前的應用領域13。2.1 低碳制氫 制氫的方法有多種,每種方法的碳足跡各不相同。圖 1 顯示了制氫的低碳選項。藍氫“藍”氫是采用 CO2 捕集和封存技術(CCS)由化石燃料(通常為天然氣)制成的??梢允褂脗鹘y的 SMR 技術,而目前正在探索新型技術,包括自熱
8、轉化(ATR),即通過引入氧氣燃燒部分原料而非單獨燃燒天然氣來提供能量14。雖然這項技術無法完全實現凈零目標,但據估計,碳排放的捕集率可高達 95%15。當然,具體還要取決于 CCS 的發展與部署。目前,還在探索多種變化形式,包括新型膜、溶劑、吸附劑和催化劑16。甲烷是一種強效溫室氣體,因此必須小心預防,同時要回收任何上游甲烷泄漏。藍氫目前已經大規模運行,例如,在美國德克薩斯州的 Air Products Steam Methane Reformer、加拿大阿爾伯塔的 Shell Quest CCS 設施17,以及法國杰羅姆港的 Air Liquide 設施18。綠氫“綠”氫是利用可再生電力,
9、通過電解分離出水中的氫,從而實現零碳的一種制氫方式。目前最成熟的技術為堿性電解槽,但對于間歇式可再生能源的應用而言效果不佳。聚合物電解質膜(PEM)電解槽屬于較新的技術,對可再生能源的波動反應迅速,處于早期部署階段。固體氧化物電池電解槽(SOEC)的工作溫度相對更高,發展尚不成熟,但效率可能更高。綠氫依賴可再生電力,因此可能會受到可再生能力水平的限制。例如,如果目前全球使用的所有氫均依賴于電解生產,那么每年將需要 3600 太瓦時(TWh)的電量,這個數字比歐盟的總發電量還要多3。其他制氫途徑 其他可能途徑包括通過甲烷熱解制成的“藍綠”氫在無氧環境中進行加熱,這個過程產生的副產物是固體碳而非
10、CO219,以及使用核能進行電解產生的“粉紅”氫。核電也可以提供零碳熱,既可以進行高溫蒸汽電解(熱效率更高),也可以利用 CCS 滿足 SMR 的高溫要求。其他途徑包括生物方法,即基于厭氧分解變化而產生較低操作溫度,以及“太陽能轉化燃料”,即直接利用太陽能將水分解為氫和氧。4 氣候變化:科學與解決方案 氫和氨可再生電力核電力生物精煉氫低碳氫制取方案原理示意圖1。圖例 現行方法 未來方法 原料 其他途徑 電途徑 碳途徑 熱途徑圖 1化石燃料電力網太陽能高溫熱源,如核能、集中式太陽能生物質能生物路線電解路線熱化學路線替代熱化學路線厭氧分解堿性電解槽煤/生物質氣化自熱轉化井下轉換光發酵固體氧化物電解
11、槽蒸汽甲烷重整部分氧化甲烷裂解微波技術生物電化學系統聚合物電解質膜電解槽太陽能轉化燃料碳捕集和封存氣候變化:科學與解決方案氫和氨 52.2 低碳制氨通過采用目前的哈伯法工藝,利用煤炭制取的氨稱為“棕氨”,而使用天然氣制取的氨則稱為“灰氨”。由藍氫和綠氫產生的氨分別稱為藍氨和綠氨。如果要將排放降至最低,則需要可再生電力作為哈伯法工藝制取藍氨和綠氨的能量來源(圖 2)。2.3 低碳氫和氨的應用 對于電力、運輸、熱能和能源儲存凈零目標的實現而言,氫和氨可謂潛力巨大。然而,在實際中,某些應用領域可能在不同時間范圍內都有更適合的替代技術,而且成本也更低,例如輕型車輛的電池和住宅供暖的熱泵。例如,英國氣候
12、變化委員會(Climate Change Committee)發布的第六次碳預算(Sixth Carbon Budget)“平衡路徑”場景設想到 2035 年綠氫或藍氫的總容量將擴大到相當于目前電力領域的近三分之一,并推廣到不太適合電氣化的領域,特別是工業和航運領域20。諸多應用領域均涉及結合氫氧(空氣來源)的燃料電池,無需燃燒即可制取清潔的電能、熱能和水能。2019 年,燃料電池的產量突破了 1 千兆瓦(GW)大關,預計將像鋰離子電池一樣,轉向量產“千兆瓦工廠”,從而繼續大幅降低單位成本21,22。氨的體積能量比氫高,一些特定應用領域已開始考慮使用氨(圖 3)。在必要情況下,可以在運輸后將氨
13、進行“裂解”,分解為氫或者氨氫混合物。同時,也可以直接用于高溫固體氧化物燃料電池發電?;陔娊馑茪浜凸üに囃耆撎嫉木G氨生產原理示意圖6。水空氣電解分離可持續電力哈伯法工藝氨可持續電力氫氮圖 2 對于電力、運輸、熱能和能源儲存凈零目標的實現而言,氫和氨可謂潛力巨大。6 氣候變化:科學與解決方案 氫和氨工業氫在工業中具有廣泛的潛在應用。當前應用領域包括合成氨、甲醇和鋼鐵的提煉和生產,在使用綠氫或藍氫的情況下,便可以減少或消除這些領域的碳足跡。除了當前應用之外,零碳氫還可以用于高溫熱源以及還原和反應過程。一份英國報告指出,到 2040 年,制造業中大約 40%的化石燃料均將被氫取代23。瑞典
14、的一家商用鋼廠首次將氫用于煉鋼生產的高溫加熱24。在工業中,氨還可用于高溫過程燃燒,而且已用于精煉中的硫回收25。重型公路車輛目前,重型車輛的電池能量密度無法提供遠程解決方案,而氫燃料電池或氫源燃料則提供了一種低碳替代方案。豐田(Toyota)、康明斯(Cummins)以及尼古拉(Nikola)等制造商均已提出了一些氫動力行動計劃26,27,28?,F代(Hyundai)汽車公司針對瑞士客戶生產了一系列 400 公里左右的氫動力卡車29。輕型公路車輛 目前,純電動汽車(BEV)相比燃料電池汽車(FCEV)更加經濟實惠,而且技術已經成熟,因此,氫燃料汽車在汽車市場的發展前景并不明朗。據估計,全球道
15、路上大約有 2.5 萬輛 FCEV,而 BEV 的數量則超過了 700 萬30,31。然而,從長遠來看,若 FCEV 的生命周期排放量低于 BEV、行駛里程更長,而且在卡車和公交車中的使用能夠形成大規模的供應鏈,那么 FCEV 在未來也有可能大行其道。截至 2020 年,氫燃料汽車持有量最高的國家為美國,其次為中國、韓國和日本27。多種燃料選擇的體積能量密度6。圖例碳基燃料零碳燃料柴油汽油(辛烷)液化石油氣乙醇液化天然氣甲醇氨氣(液態,-35C)氨氣(液態,25C)氫氣(液態)氫氣(700 巴)氫氣(350 巴)鋰電池(NMC)012345能量密度(kWh/l)678910圖 3氣候變化:科學
16、與解決方案氫和氨 7叉車可謂是氫燃料電池的一大利基市場。目前,氫燃料叉車的數量已超出氫燃料小型汽車,投入使用的約有 3 萬輛。燃料電池叉車續加燃料簡單,無空氣污染,適合倉庫使用32。海運國際海事組織的目標是在 2030 年需要將國際航運碳排放強度至少降低 40%,而低碳氨是實現這一目標強有力的候選燃料,因此對所有海運國家/地區而言均裨益無窮33。目前,為了確保以氨為燃料運行的大型燃料電池能夠安全有效地為艦載系統提供電力,已陸續開展一些項目。具體包括計劃對日本的一艘大型散貨船安裝氨燃料系統,以及在世界上最大的滾裝郵輪挪威彩色幻想號上安裝氨燃料系統試航計劃34,35。鐵路德國已投入運行氫燃料電池驅
17、動列車,荷蘭和英國等國家也在開展試驗。對于未實現電氣化鐵路建設的路線,氫燃料列車可謂是零碳之選3。而在此方面所面臨的挑戰包括儲存問題,因為燃料需求量大約是柴油的 8 倍,而如果使用電解燃料,對可再生能源的需求又很高36。航空 航空工業也在探索氫和氨燃料的使用。例如,空中客車(Airbus)正在計劃開發混合氫飛機,通過改裝的燃氣渦輪發動機燃燒氫提供動力37。與此同時,英國的一個項目正在探索一種新型技術,希望將部分綠氨分解成氫氣,制造出一種混合燃料,通過穩定燃燒模擬航空燃料,從而使現有的引擎和飛機實現零排放燃料的使用38。合成燃料 通過費托合成過程,將捕集的 CO2 與氫氣進行反應而生產出用途廣泛
18、的合成燃料。這種燃料可能會成為航空機隊的一種低碳型普適性替代燃料,以及卡車或船舶的一種可選方案39。儲存與運輸氫氣可以在地下洞室中以氣態形式進行壓縮,也可以進行液化處理,或者(對于無人機之類的小型應用)結合到金屬氫化物等固態材料中。儲存時,氫必須以氣體形式壓縮至大氣壓的 350 至 700 倍左右,或以液體形式低溫冷卻至-253C40。氨的密度相比較大,只需壓縮至大氣壓的 10 倍或冷卻至-33C6。氨作為原料廣泛用于礦物肥料,因此儲存技術的發展已相對成熟。氫和氨都是應對電力需求季節性變化的首選,也可以作為可再生能源間歇性發電的短期后備之選。此外,還可以將氫或氨用于將太陽能和風能充足地區的可再
19、生能源所產生的能源輸送到數千公里外的需求中心。電力氫或氨還可以使用燃料電池或者驅動渦輪機進行發電41,42。目前已開始規劃使用燃料電池的千兆瓦級發電廠工作,而較小規模的發電廠已在數據中心完成試驗43。還可以從天然氣中捕集 CO2,將剩余的氫氣直接在渦輪機中燃燒發電。然而,這一過程需要對設備和工藝進行更改,雖然制造商正在開發可充氫的渦輪機,但這種技術尚未得到大規模應用44,39。陽光和風能充足的國家,包括許多低收入國家,可以將所產生的能源以氫或氨的形式儲存起來,用于多種用途,從工業和交通運輸到用于緊急服務的電力和偏遠地區的能源供應等方方面面45。氫和氨都是應對電力需求季節性變化的首選,也可 以
20、作 為 可 再生能源間歇性發電 的 短 期 后 備之選。8 氣候變化:科學與解決方案 氫和氨住宅供暖同時,氫也是住宅建筑供熱的一種可能途徑,可以完全或部分取代天然氣,盡管就規模而言可能存在相當大的挑戰。每戶的鍋爐和炊具改裝費用估計在 2000 至 4000 英鎊之間46。氫氣還會導致鋼管及鐵管脆化,不過英國等國家正在研究鋼管材質的轉換,從金屬改裝為塑料47。純氫試驗項目包括荷蘭鹿特丹的一座公寓樓,以及德國霍爾茲威克德的住宅48,49。其他項目則是將氫氣和天然氣混合用于住宅供暖,在意大利的薩萊諾(Salerno)達到了 10%,在英國的基爾(Keele)達到了 20%50,51。英國計劃擴大氫供
21、暖與烹調試驗的規模,在 2023 年擴大到一個社區,2025 年擴大到一個村莊,2030 年擴大到一座城鎮52。住宅供熱的主要競爭技術是熱泵。2.4 當前發展自 2015 年巴黎協定簽署以來,公共和私營部門的活動激增。政府策略 截至 2021 年,已有 30 多個國家/地區發布了氫路線圖,各國政府承諾要投放 700 多億美元的公共資金53。例如,歐盟戰略預期在 2050年,氫能滿足大約四分之一的能源需求54。英國和德國政府的計劃均包括在 2030 年之前,將低碳氫產能擴大到 5 GW49。在交通工具方面,中國的目標是在 2030 年之前,生產 100 萬輛氫燃料汽車,建立 1000 個燃料補給
22、站,這也是加州設立的目標3,55。韓國的發展路線是,在 2040 年之前生產 600 萬輛 FCEV,同時建立 1200 個燃料補給站56。私營部門投資同時,氫氣還掀起了一股新的商業熱潮。2017年,為了聚集相關企業,氫氣理事會正式成立,發展至今成員已達到了 100 多家。近年來,私營部門交易量激增。例如,總部位于加拿大的燃料電池領頭企業氫燃料電池公司(Hydrogenics)于 2019 年被康明斯(Cummins)收購57;總部位于英國的電解槽領先制造商 ITM Power 籌集了 1.72 億英鎊投資利用可再生能源開發氫氣58;總部位于英國的 Ceres Power 主營燃料電池堆開發制
23、造工作,目前已吸引到了博世(Bosch)和濰柴動力(Weichai Power)的投資59,60。大型項目 計劃中的藍氫項目包括在公共部門扶持下,公司集團之間開展合作,圍繞的問題主要是擁有產業集群的港口和海底儲存通道。這類項目包括英國提出的凈零提賽德(Net Zero Teesside)、零碳亨伯(Zero Carbon Humber)和 HyNet 項目,而共同的最終計劃是將英國工業排放脫碳率提高到近 50%,并在北海和愛爾蘭海下進行儲存61,62。目前已有幾大千兆瓦級綠氫項目正式宣布,包括荷蘭 8800 萬歐元的 Heavenn 項目,英國的 Gigastack 項目,以及荷蘭-佛蘭德北海
24、港口產業集群的 SeaH2Land 項目63,64,65。其他項目計劃將綠氫轉換為氨進行出口。在澳大利亞西海岸,價值 360 億美元的亞洲可再生能源中心(Asian Renewable Energy Hub)項目將面向澳大利亞和亞洲出口市場生產綠氫和氨氣66,67。該項目位于紅海沿岸的沙特阿拉伯新未來城(Neom),耗資 50 億美元,將利用 2 GW 的堿性電解槽廠生產氫氣,將其轉換為 1.2Mt/yr 的綠氨,出口后再轉化為氫氣68。截至 2021 年,已有 30 多個國家/地區發布了氫路線圖,各國政府承諾要投放 700 多億美元的公共資金。氣候變化:科學與解決方案氫和氨 93.進展空間與
25、部署機會隨著成本的下降、效率的提高以及各個領域不斷推出的最佳解決方案,氫氣和氨氣的潛力將隨之增加。3.1 成本 預測表明,隨著 CCS 和電解槽技術的進步以及工業學習速度的加快,綠氫和藍氫在未來十年競爭力可能會明顯增加69。歐盟估計,目前灰氫的生產成本為$1.80/kg,藍氫的生產成本為$2.40/kg,綠氫的生產成本為$3.006.60/kg。如需提高藍氫相比灰氫的競爭力,需將碳價格控制在 55-90 t/CO2 范圍內65,70。另一組預測估計,到 2030 年,可再生氫的生產成本可能會下降到$1.402.30/kg,部分地區的綠氫和灰氫將在 2028 年左右達到成本平價,而其中的一大關鍵
26、要素就是可再生電力成本50。傳統的“棕”氨生產仍然是最便宜的方式,成本在每公噸$280 以內,不過,若僅捕集工藝排放,藍氨幾乎可以與之競爭。綠氨的成本會受當地可再生能源成本的影響,因此差別很大,在太陽能和風能資源充裕的地區,甚至可以與藍氨相媲美。3.2 示范及部署策略 人們普遍認為,在可能的情況下,最佳的使用方式就是直接使用可再生電力,但在沒有直接出路的情況下,將其轉化為氫氣可能是最行之有效的方法。對于氫而言,生產地最常用的方法就是直接使用,而如果不能立即或現場使用,則可以儲存起來,通過管道運輸、液化處理或者通過船舶或管道拖車運輸用于電力。如果仍不可行,可以將其轉化為氨或其他載體進行運輸,之后
27、再轉化為氫。如果不進行再轉化,氨可以直接用于傳統的化肥和制冷用途。氨氣專家還強調,氨氣的密度和“可燃性”比較特殊,適合直接用作運輸燃料或儲存介質。低碳氫的優點在于可減少目前使用(氨的生產、精煉和化學品)的碳足跡。接下來最有可能的應用包括發電及重型運輸車輛的燃料電池和工業直接燃氫釋放熱能;其次是長期能源儲存、住宅供暖以及合成液體燃料的生產。對于氫或氨被認為是最佳方式的地方,短期投資可側重于開展示范項目和基礎設施試驗來擴大規模,可以通過挑戰資金或經費進行激勵。對于具有增長條件的情況,例如工業港口附近和卡車車隊,可以迅速開展示范項目。藍氫可能在短期內發展迅猛,特別是對于資金由企業集群和公共部門共享的
28、情況。而對于綠氫,則需要擴大生產規模并持續發展電解槽系統。對于具有增長條件的情況,例如工業港口附近和卡車車隊,可以迅速開展示范項目。10 氣候變化:科學與解決方案 氫和氨3.3 研發重點工作 為了充分發揮氫和氨的潛力,推動凈零目標的實現,需要應對諸多研究挑戰,再大規模進行開發以及示范工作。重點工作內容:電解槽是綠氫研究的關鍵組成部分,因此屬于重點研究內容。開發改良電極以及新型催化劑和膜可以降低成本。固體氧化物電解槽需要在高溫環境下工作,潛在效率高,因此也屬于重點研究內容。有一組有趣的技術可以在不需要電力的情況下直接分解水,包括太陽能轉化燃料和利用光子減少 CO2(轉化為 CO)。通過電化學法等
29、將氮直接還原為氨是哈伯法工藝的替代方法,也是基礎研究中的一大重要挑戰。加強燃料電池研發工作,降低成本,發展可回收技術。為了最大限度提高效率和使用壽命,需要對所有能量轉換途徑進行研究。在催化、電催化、膜、電化學和電化學工程等領域均存在基礎進展的空間。目前,部分燃料電池和電解槽技術開始使用鉑和銥氧化物,而這進一步引發了礦物可用性和成本問題。因此需要找到一種綜合方法,兼顧整個生命周期、確定系統不同部分之間的相互作用,同時充分利用協同作用。此外,還需要具備資質的各級技術人員負責這類技術的開發、制造、安裝和安全維護。政策制定者現在可以采取行動,鼓勵這類能力,納入其“STEM”議程內容??偨Y氫和氨是實現凈
30、零能源組合的關鍵要素,特別是在能源密集型地區。但這并非唯一的選擇,如果決策者希望確定氫和氨與替代方案相比的全部可能性,則需要加快研究、開發和示范項目的工作進程。本簡報只是探討科學技術在全球實現凈零排放和適應氣候變化中作用的系列簡報中的一篇。世界各國都在制定各自在 2050 年之前實現凈零的路線圖,該系列簡報旨在就科學所能有助于理解和采取行動的 12 個方面,為各國決策者獻計獻策。要觀看完整系列內容,請訪問 royalsociety.org/climate-science-solutions 要查看簡報編著人,請訪問 royalsociety.org/climate-solutions-cont
31、ributors本文中的文本根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)條款授權使用,該協議允許在注明原作者和出處來源的前提下,進行無限制使用。許可協議訪問網址:creativecommons.org/licenses/by/4.0發布日期:2021 年 6 月 DES7639_4 The Royal Society 氣候變化:科學與解決方案氫和氨 111.The Royal Society.2018 Options for producing low-carbon hydrogen at scale.參見 https:/royalsoc
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