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氢能革命如何拯救地球？

晰数塔互联网快讯
2023-04-23 16:48

本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Davide Castelvecchi，原文标题：《氢能革命如何拯救地球（但也不是万能的）|《自然》长文》，头图来自：unsplash

白热铁水形成河流，日复一日，永不停歇。在这家位于瑞典最北部的钢铁厂里，无论白天还是黑夜，铁水都会从高达90米的高炉底部涌出。与此同时，还有一股二氧化碳无休止地从高炉的顶部喷出。

这些CO2是高炉消耗煤炭产生的废弃物。Martin Pei是这家位于吕勒奥的钢铁厂的母公司——SSAB公司的首席技术官，他表示，这座高炉每生产一吨铁，就会产生1.6吨CO2。世界上有数百座类似的高炉，其中大部分排放量要比吕勒奥的更高。再加上钢铁工业里其他的能源密集型生产环节，这明显揭示了为什么炼钢可以占到全球温室气体排放量的7%。一些研究甚至估计，这个排放量相当于全球所有乘用车的总和。

但在离吕勒奥高炉几百米远的地方，还有一座较小的高炉，它在炼铁时产生的碳污染要少得多。这项试验技术用氢代替了煤，只会排放出水蒸气。Pei 表示，“这是炼钢的新方法，有了它，原则上我们可以消除所有的二氧化碳排放。”

事实上，从氢到钢的工艺路线并非完全没有污染。将氢燃料炼出的铁转化为钢的其他步骤仍会排放一些CO2，而且铁矿石也需要开采。尽管如此，去年，该工厂还是借助瑞典丰富的低碳水力发电、核能发电和风能发电所产生的氢，生产出了世界上第一批“绿钢”。该试点工厂归HYBRIT所有，这是 SSAB于2016年与瑞典公用事业公司 Vattenfall 和国家矿业公司LKAB成立的合资企业。

瑞典吕勒奥的HYBRIT工厂在不使用化石燃料的情况下所生产出的海绵铁，这是炼钢的炉料。图片来源：Steffen Trumpf/dpa/picture alliance

实现钢铁行业的绿色化，只是目前众多利用氢能实现世界经济零碳化的应用之一。尽管有人吹捧氢可用作交通工具的燃料，但它不太可能对该领域产生太大影响，供暖领域也是如此，因为电池和电气化已经为这些领域提供了更高效的低碳解决方案。相反，氢能的最大贡献在于清洁工业过程，包括生产塑料、化肥和精炼石化产品。这些行业通常被认为更难脱碳，并且更少受到媒体、投资者和政策制定者的关注。

氢也可能用于能源生产。有朝一日，由氢制成的液体燃料可能会为航空和航运提供动力。氢甚至可以帮助电网脱碳：多余的太阳能或风能可以转而用于制造氢，然后用于其他工业过程，或单纯用于储存能量。通过这种方式，氢有望连接起许多不同经济部门。

麻省理工学院化学工程师Dharik Mallapragada说，“氢具有某种意义上的独特性，因为它的生产和使用方式都具有很大的多能性。”

许多政策制定者都希望可以尽快实现净零排放的目标，他们已开始大规模推动氢的发展，尤其是在美国和欧盟。相关的政策多种多样，既有补贴低碳氢的价格，也有为氢生产商或使用氢的行业提供税收抵免。

这些努力部分引发了氢能项目的投资热潮。氢能委员会（Hydrogen Council）是一家位于布鲁塞尔的行业组织，他们估计，到2030年，已经披露的数百个大型氢能项目将可能获得高达2400亿美元的投资。尽管到目前为止其中只有十分之一完成了全部交易流程。该委员会认为，到2050年，氢和氢技术的市场价值将达到每年2.5万亿美元。

分析人士现在预测，到本世纪中叶，世界上的氢产量将增加到现有水平的五到七倍（见“氢来源”），这应该有助于减少全世界的碳足迹。但实现这个目标有一个前提：这些氢本身是在不增加二氧化碳排放的情况下获得的，正如吕勒奥试点那样。

数据来源：IEA World Energy Outlook 2022

氢能之前就曾有过一波热潮。但在这一轮中，前所未有的资金体量让许多专家感到风口可能真的来了。分析人士说，向氢能转型不需要新的技术：试验和测试都做过了，当然更多科学进步将有助于加速其发展。

“氢能革命正在发生，这次来真的。”位于科罗拉多州博尔德的可持续发展智库落基山研究所（RMI）的经济学家 Oleksiy Tatarenko 说。

风起何处？

氢生产已经是一个规模庞大且污染严重的行业。国际能源署（IEA）估计，目前每年的氢产量大约为 9400 万吨，几乎全部来自天然气等化石燃料。天然气中的甲烷（CH4）与氧气反应生成氢和 CO2，后者随后被排放到大气中。这部分排放量约为每年 9 亿吨，占世界二氧化碳排放量的 2% 以上，相当于印度尼西亚和英国的总和。分析师将这种生产过程有污染的氢称为“灰氢”。

全球范围内这些已有的氢产量，主要用于满足一些关键行业的化学处理工序的需要。例如，氢与空气中的氮气混合可以制成氨气（NH3），这是制造化肥的重要原料。石化炼油厂使用氢来去除原油中的硫，或将其中一些较大的碳氢化合物分解成较小的碳氢化合物。在化学工业中，氢被用于制造甲醇（CH3OH）等大量商品，而甲醇又可被用于合成无数其他的化学品。

Michael Liebreich是伦敦 Liebreich Associates 的能源顾问兼首席执行官。他在2020年10 月于荷兰鹿特丹举行的世界氢能大会上曾发表主题演讲，其中提出：“在我们将氢定位为气候变化的解决方案之前，我们必须首先将其作为气候变化的问题之一应对。”

用化石燃料制造氢所释放的一些二氧化碳，可以被捕获并储存在地下的深层地质储层中。以这种方式实现脱碳的氢被称为“蓝氢”。但蓝氢的批评者指出，它并不能阻止所有的二氧化碳排放，而且制造蓝氢意味着继续开采天然气，这也有其自身的环境负面影响。

另一种制造氢的方法几乎可以完全零碳排放。这就是有着 200 年历史的水电解技术：电解槽的电流在镀有催化剂的电极之间流动，从 H2O 中提取氢。如果用于驱动这一过程的能源是可再生的，产生的产品就被称为“绿氢”。绿氢的生产是可以实现或至少接近实现零碳排放的。

完成清洁氢能转型何时能完成，很大程度上取决于一个关键的因素：电解槽的成本。IEA、清洁能源分析机构 BloombergNEF 和其他组织预测其成本会快速下降——到2030年将有望下降超过三分之二——因为越来越多电解槽会在日益自动化的装配线而非手工生产线上制造。

电解槽就是一个小型的氢能工厂。图为提供绿氢的Apex能源公司的工厂经理Guido König。图片来源：Jens Büttner / dpa-Zentralbild / Picture Alliance

因此，许多分析师预测，即使没有税收减免等补贴，制造绿氢的成本也将从现在的每公斤 5 美元左右下降到未来的每公斤 1 美元。这将使它与灰氢拥有同等的竞争力，后者的制造成本低于每公斤 1 美元（基于俄乌冲突之前的天然气价格水平）。即便如此，多项研究仍预测，随着需求激增，在未来的几十年里，很大一部分的氢需求还将需要由蓝氢来满足。

这一转变将需要大量的可再生能源。如果电解槽的效率为100%，那么每年会需要 3000 多太瓦时（TWh）的可再生能源电力，才能用绿氢取代目前使用的灰氢产能。而实际上所需的电力，甚至有可能超过 4500 TWh，相当于美国一年的发电量。而如果按照IEA的设想在本世纪中叶实现净零排放，清洁氢的电力需求将进一步上升到14800 TWh/年。

不过，清洁能源正在以惊人的速度增长。例如，BloombergNEF 预计，到 2024 年，世界每年将有能力生产近 1 TW 的光伏电池板，仅此一项就可以满足当今年度电力需求的七分之一。IEA 表示，总体而言，到本世纪中叶，全球低排放电力产能将会增加到现有水平的三倍以上。若为了在 2050 年实现净零排放，全世界还需要更积极地扩大低碳电力的供给（见 go.nature.com/3nxtvhj）。

迎接挑战

钢铁行业是最大的工业碳排放源之一，也是氢可能产生最大影响的行业。Pei说，人们多年来一直试图在钢铁行业使用氢，但无法实现大规模生产。2016 年，大多数国家签署巴黎气候协议，承诺将全球变暖控制在工业化以前2 °C 以内的时候，Pei已率先在SSAB公司开展氢相关的研究。很明显，钢铁行业脱碳对于瑞典履行其巴黎承诺至关重要。SSAB 不是主要的钢铁生产商，但它却占了瑞典二氧化碳排放量的10%。“每个人都知道，如果 SSAB 不能成功地消除这些排放，瑞典这个国家就实现不了其气候目标。”公司发言人 Mia Widell 说。

钢铁生产过程中最大的问题，是需要从铁矿石中提取出铁单质。铁矿石本质上就是铁锈，是一种含有铁的氧化物。在高炉中，氧原子从铁锈中剥离，留下液态的铁。为此，需要将矿石与焦炭（煤的一种衍生物）或木炭一起熔化。这种燃料的主要功能实际上并不是熔化矿石，而是在化学还原的过程中从中获取氧原子，该过程所需要的热量，是将岩石熔化的六倍之多。这个过程导致大量二氧化碳的释放。

SSAB公司考虑了诸如捕获排放的二氧化碳并将其储存在地下的想法，但得出的结论是，这样做成本太高。结果它选择了氢能路径。在称为直接还原铁（direct reduction of iron， DRI）的过程中，氢可以扩散到固体铁矿石粒的内部而去除氧气。而且该过程的发生只需要 600°C的温度环境，而高炉需要1500°C以上（见“更环保的钢材”）。

资料来源：改编自 HYBRIT/Boston Metal

在HYBRIT开始使用氢炼铁之前，DRI早已存在。今天的一些钢材就是使用了天然气以DRI的方式生产的，但这导致的碳排放，使用清洁氢可以避免。

Pei表示，HYBRIT在吕勒奥的试验非常成功，因此SSAB决定将关闭高炉的时间从2045年提前到2030年。他说，HYBRIT正在吕勒奥以北200公里的Gällivare镇建造其第一座商业化规模的工厂。他们还公开了相关的研究结果，希望为整个行业的发展提供助力。在离吕勒奥半小时车程的地方，一家位于斯德哥尔摩、名为H2GreenSteel的初创公司，已经破土动工建造一座更大的工厂，并表示已经提前售出了150万吨产品。

能源分析师表示，由于钢铁厂还将存在至少几十年，如果各国要实现巴黎协议的目标，钢铁行业应立即停止建造新的高炉，并开始用氢直接还原炉取而代之。即使最开始的时候大多数的氢来源还是天然气，在未来三十年内，随着氢供应的增加，这些氢炉还是能够逐渐减少其碳足迹。

Rebecca Dell说：“我们没有足够的碳预算能留给新的高炉”。她是位于旧金山ClimateWorks基金会的行业项目负责人。

同样位于旧金山的非政府组织 Global Energy Monitor 称，许多钢铁制造商都在采用 DRI的路线，不过在中国和印度还有新高炉在规划中。然而，这项任务十分艰巨，包括BloombergNEF在内的一些组织都预测，一些高炉在本世纪中叶仍将处于运行状态，我们将不得不为其部署碳捕集装置来减少排放。

Dell表示，原则上，钢铁生产还可以采用完全电气化的方式，通过电解分解氧化铁，这样就不用考虑氢生产的问题，可以进一步提高效率。马萨诸塞州沃本市的Boston Metal公司等几家初创公司正试图将这项技术用于炼钢。然而，就目前而言，氢仍然领跑。“氢方法的主要优势在于，（它）拥有实现真正清洁炼钢所需最小的新技术增量。”Dell说。

一座氢的桥梁

芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂科技大学的能源系统分析师Christian Breyer说，从长远来看，氢对减缓全球变暖的最大贡献，可能是作为跨越不同生产部门（比如电力、建筑、制造和运输）的桥梁：使所有部门一起完全脱碳的成本比每个部门独自实现脱碳更低。

电力生产是这个相互关联的网络中的关键节点。在这里，氢可以帮助解决可再生能源的一个众所周知的缺点：虽然丰富，但它在时间和季节上的分布不均衡，而且往往不可预测。这使得很多地区很难为可再生能源降为零的时段制订长期的电力供应计划。

从事未来电网供需平衡模拟工作的研究人员，必须制订例如这样的计划：如果在欧洲寒冷、黑暗的冬天有一个星期不刮风，该如何供应电力。科学家们给这种现象起了个名字：Dunkelflaute，一个德语词汇，大致可译为“黑暗无风带”。

电池可以保障一两个小时的电力供需平衡，但一些研究显示，一旦风能和太阳能在电网供电组合中的比例超过80％，电网要想应对Dunkelflauten，就将变得非常昂贵（例如，见J. D. Jenkins et al. Joule 2， 2498–2510; 2018）。电力系统正在考虑的一个解决方案是，建设足够多的额外风电装机，以使电网度过最寂静的冬天，其余一年中的大部分时间利用它们来制造氢。然后，这种氢可以卖给工业客户（例如钢铁厂），或用于生产陆路运输、航运和出口所需的液体燃料。

在一年中特别困难的时候，这些氢可以在类似于使用天然气的燃气轮机中燃烧来再次发电，尽管这将是非常浪费的：电网能得到的回报只相当于最初制造这些氢所耗费电力的三分之一甚至更低。

与建设核电站和进一步开发地热能源相比，目前我们还尚不清楚这种基于氢能的能源系统，是否是使最后20%的电力实现去碳化的最具成本效益的方式。联合国国际可再生能源机构等组织针对具体地区的研究表明，在不同国家可能存在不同的最佳电力供应组合。

神话和误解

尽管氢有无数可能的应用，但这并不意味着它是解决所有问题的最佳方案。对于乘用车来说，电池已经在很大程度上赢得了与氢能的竞赛，因为与携带一缸氢并将其能量转化为电能相比，电池效率更高，成本也更低。

另一个可能用氢没意义的领域是作为家庭供暖的燃料。英国格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的土木工程师Rebecca Lunn说，如果是灰氢（以天然气为原料生产的氢），只会加剧全球变暖。她和合作者在2022年9月发布的一项英国国家工程政策中心（National Engineering Policy Centre，NEPC）研究指出，氢应用于家庭供暖是有问题的（见go.nature.com/3ut5mj5）。

而且，即使是用可再生能源发电生产的绿氢来供暖，用这些电力直接加热家庭的效率会是其六倍之多，例如，使用电力的热泵技术可以通过从外部环境吸热，实现远远高于100%的供热效率。

领导这项NEPC研究的伦敦帝国理工学院过程系统工程研究员 Nilay Shah 说，为了最快地减少排放，相关政策应该优先考虑改善家庭住宅的保温性能，这样一来，不论采用哪种能源供暖，能耗都会下降。

氢能预测

过去几年里对低碳氢的投资一直在飙升。但今年发生的一些事件在其中注入了真实的繁荣。

在美国，除了许多其他政策和天然气资金之外，《降低通货膨胀法》还为每公斤绿氢提供了 3 美元的额外税收减免。在欧洲，俄乌冲突带来了新的紧迫感。去年 3 月，欧盟委员会制定了到 2030 年每年生产 1000 万吨氢并额外进口 1000 万吨的目标。许多其他主要经济体也制定了发展氢能产能的国家战略。

“计算氢成本的整个等式都变了。”RMI的经济学家Patrick Molloy说。特别是美国的税收减免政策，已将那里的绿氢成本降至和灰氢差不多。虽然不同产地的成本有所不同，但总的来说都达到了每公斤约 1 美元甚至更低的水平（参见“清洁氢的成本”）。根据RMI的计算，这已经使氢基钢材、氨和液体燃料具备了与化石燃料相当的竞争力。