今日播报!氢气革命能否拯救地球？

英国《自然》周刊网站近日发表了题为《氢气革命如何能帮助拯救地球，又如何不能》的文章，作者是达维德·卡斯泰尔韦基，文章编译如下：

滚烫的铁水流动着，永不停歇。在这个位于瑞典最北端的钢铁厂，无论白天黑夜，每时每刻铁水都会从90米高的巨型高炉底部冒出。同样无休无止的是，一串串二氧化碳从顶部喷出。

二氧化碳是高炉燃烧煤炭时排出的废弃物。吕勒奥这家工厂属于瑞典联合钢铁公司。瑞典联合钢铁公司首席技术官马丁·裴(音)说，每使用1吨铁炼钢，这座高炉就会排出1.6吨二氧化碳。世界上有成百上千座类似的高炉，其中大多数排放量更大。再加上这一能源密集行业的其他举措，不难看出炼钢的温室气体排放量如何占到全球的7%。部分估算显示，这一数字相当于全世界乘用车尾气的总和。

【资料图】

但在距离吕勒奥的高炉仅几百米处，有一座较小的高炉，其碳污染要少得多。这项先导技术用氢取代煤炭，只排出水蒸气。裴说：“这是炼钢的新方法，有了这种方法，我们原则上可以消除所有的二氧化碳。”

从氢到钢的过程并非完全无污染：将铁转化为钢的其他步骤还会排放二氧化碳，而且铁矿石必须经过开采得来。不过，去年得益于氢的帮助，此处生产出世界上首批“绿钢”。氢是利用瑞典丰富的低碳电力制造的，低碳电力包括水力发电、核能发电和风能发电。该试点工厂属于HYBRIT公司——2016年瑞典联合钢铁公司、瑞典公用事业公司瓦滕法尔集团和瑞典矿业公司LKAB成立的合资企业。

氢有望帮助世界经济脱碳，而绿色炼钢只是其中的途径之一。尽管有人鼓吹将氢用作运输燃料，但它不大可能在运输或供暖领域产生太大影响，因为电池和电力已经提供了更高效的低碳解决方案。氢的最大贡献将是净化工业流程，从塑料和化肥的生产到碳氢化合物的提炼。通常认为这些行业更难脱碳，媒体、投资者和决策者的关注也相对较少。

氢或许还能在能源生产中找到用武之地。有朝一日，由氢制成的液体燃料能为空中旅行和运输提供动力。氢甚至有助于使电网脱碳：过剩的太阳能或风能可以转化为氢气，用于其他工业流程或仅仅是能源储存。这样一来，氢有望成为很多经济部门之间的桥梁。

美国麻省理工学院的化学工程师达里克·马拉布拉加达说：“氢之所以独特，是因为它的制法和用途多种多样。”

决策者急于实现净零排放目标，已经开始大力推广氢，尤其是在美国和欧盟。在某些情况下，是对低碳氢给予价格补贴;在另一些情况下，是对氢生产商或使用氢的行业提供税收抵免。

在一定程度上由于这个原因，对氢项目的投资正在激增。位于布鲁塞尔的行业组织氢能委员会估计，目前已宣布成百上千的大型氢项目，累积起来，截至2030年，投资可能达到2400亿美元——尽管目前为止，这些项目中只有十分之一的协议完全敲定。该委员会认为，到2050年，氢和氢技术市场每年的规模将达到2.5万亿美元。

分析人士目前预计，到本世纪中叶，全球氢产量将增加4到6倍。这应该有助于减少世界的碳足迹——但前提是氢本身是在不增加二氧化碳排放的情况下获得的，就像吕勒奥的试点工厂那样。

此前，氢曾受到大肆宣传。但这次在很多专家看来，投入的资金数额意味着氢产业确实要腾飞了。分析人士说，转向氢并不需要新技术，相关技术已经得到测试，不过科学进步有助于加速这种转型。

位于美国科罗拉多州博尔德的可持续研究智库落基山研究所的经济学家阿列克谢·塔塔连科说：“氢革命正在发生——这次是真的。”

制氢已经成为具有一定规模，而且会造成污染的产业。据国际能源署估算，每年生产的氢气约有9400万吨，几乎全部来自天然气等化石燃料。天然气中的甲烷与氧气发生反应，变成氢分子和二氧化碳。二氧化碳随后排放到大气中，每年约有9亿吨，占全球二氧化碳排放总量的2%以上，相当于印尼和英国年排放量的加和。分析人士将这种造成污染的氢称为“灰”氢。

目前，世界生产的氢大多用于关键行业的化学加工步骤。例如，氢与空气中的氮混合，能制成化肥的原料之一氨。石油化工冶炼厂使用氢去除石油中的硫，或将石油中部分较大的碳氢化合物分解为较小的碳氢化合物。在化学工业中，氢能制成大量产品，如甲醇，而甲醇又用来合成无数其他化学品。

英国利布雷克同仁公司的能源顾问兼首席执行官迈克尔·利布雷克在荷兰鹿特丹举行的世界氢大会上发表主旨演讲说：“我们首先得把氢作为气候变化的问题来应对，然后才能把它当作气候变化的解决方案。”

利用化石燃料制氢而排放的二氧化碳中，有的可能会经捕捉后储存在地下，埋在储层深处。用这种方式脱碳的氢被称为“蓝”氢。但蓝氢的批评者指出，这并不能阻止所有的二氧化碳排放，而且生产蓝氢意味着继续开采天然气，这本身就会对环境造成不利影响。

另一种制氢的方法几乎完全不用碳。这种电解水技术已有200年历史：通过在镀有催化剂的电极间释放电流，电解器能从水中提取氢。如果为这一过程提供动力的是可再生能源，那么由此产生的就叫作绿氢。绿氢可能实现零排放，或者至少接近零排放。

转换成清洁氢的速度能有多快，关键决定因素之一是电解器的成本。国际能源署、清洁能源分析机构彭博新能源财经和其他机构预测，制造电解器的生产线越来越自动化，而不再是手工生产，所以成本可能迅速下降——到2030年会降低超过三分之二。

这就是为什么分析人士预测，生产绿氢的成本会从现在的每千克5美元左右降至未来的每千克1美元——即使没有减税等补贴政策。这会让绿氢足以和灰氢竞争，灰氢的生产成本为每千克不到1美元(前提是没有爆发战争推高天然气价格，就像欧洲经历的那样)。即便如此，多项研究预测，随着需求激增，未来几十年很大一部分氢需求将由蓝氢来满足。

这种转变将需要大量可再生能源。就算电解器的效率达到100%，每年通过可再生能源制备的电量也要超过3000太瓦时，才刚刚能把今天所用的灰氢替换成绿氢。实际上，所需电量很可能超过4500太瓦时，这相当于美国一年的发电量。此外，国际能源署设想，考虑到本世纪中叶前实现净零排放的情形，未来清洁氢每年的电力需求将增加到1.48万太瓦时。

尽管如此，清洁能源正在以惊人的速度增长。例如，彭博新能源财经预计，到2024年全世界的光伏发电能力将接近1太瓦，仅此一项就能满足今天七分之一的年电力需求。国际能源署说，整体上看，到本世纪中叶，全球低排放电力供应将增加两倍以上——尽管要实现2050年净零排放目标仍需更积极的扩张。

芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学能源系统分析师克里斯蒂安·布雷耶说，从长远来看，氢对减缓全球变暖的最大贡献可能是成为电力、建筑、制造和运输等各种活动之间的桥梁，从而使所有活动共同完全脱碳的成本低于每个行业尝试单独脱碳的成本。

这个相互关联网络的关键节点是发电。在这方面，氢可能有助于解决可再生能源一个广为人知的缺点：尽管数量充足，但在时间和季节上分布不均，而且常常不可预测，这使得各地区很难作出长期规划。

研究人员要在模拟工作中试图平衡未来电网的供需关系，比如，他们必须制定计划：如果在欧洲寒冷、黑暗的冬天，一周都没有风时要如何供电。科研人员用德语命名了这一现象，可大致翻译为“黑暗无风期”。

电池将有助于平衡不同时间的供需关系。但有研究显示，一旦风能和太阳能占电网总电量的比例超过80%，要让电网以足够韧性应对“黑暗无风期”就会极其昂贵。正在考虑的解决方案之一是额外建造足够多的风力发电机，使得电网足以挺过风力最平静的冬天，然后利用这些发电机在一年的大部分时间里制氢。制出的氢可以卖给钢铁厂等工业客户，或当作交通、运输和出口的液体燃料。

在一年中特别严峻的时期，可以通过燃烧氢来再次发电，就像依靠天然气运转的发电机那样。但这样做会造成非常大的浪费：与制氢最初投入的电力相比，电网燃烧氢只能产出三分之一或更少的电力。

目前尚不清楚，与建设核电站或扩大使用地热能相比，要为最后20%的电力脱碳，这是否是性价比最高的方式。联合国国际可再生能源组织等机构的分地区研究表明，最佳组合可能因国家而异。

虽然氢有各种各样的可能用途，但并不是所有问题的最佳解决方案。对乘用车来说，电池已经基本赢得了竞争，因为相比四处携带氢气罐、还要将氢能转换成电能，电池是效率更高、成本更低的解决方案。

使用氢并不划算的另一个领域是为家庭供暖提供燃料。位于英国斯特拉思克莱德大学土木工程师丽贝卡·伦恩说，如果是灰氢，也就是用天然气制成的氢，那么只会加剧全球变暖。在英国国家工程政策中心近期发布的一项研究中，包括她在内的多人指出，将氢用于家庭取暖是有问题的。

即使是绿氢，也就是由可再生能源发电制成的氢，用这种电直接为住宅供暖的效率要高出最多5倍。比如，利用热泵将热能从室外吸进室内，其效能远高于100%。

英国帝国理工学院工程研究员妮莱·沙阿牵头了国家工程政策中心的研究。沙阿说，要想以最快速度减排，政策应优先放在改进住宅隔热，这能减少对取暖能源的需求，无论这种能源从何而来。

国际能源署预计，到2030年，全球氢需求可能增长20%至30%。目前尚在酝酿中的低碳氢项目只够满足约四分之一的需求。这表明氢扩张计划还不够有雄心：要想让世界在本世纪中叶达到净零排放，2030年前氢产量需要达到约1.8亿吨，其中半数应为低排放氢。