氢能：近在眼前的绿色革命？

想象一下，有一种能源自由地存储在地球上最常见的元素中，只需片刻时间，我们需要的全部能源（以及更多能源）就唾手可得。想象一下，这种能源可以采集，并可以为许多经济领域和人类活动的多个方面提供动力。想象一下，它可以让我们永远摆脱严重危害气候的化石燃料。

这听起来可能像是科幻小说那样的白日梦，或是过度夸张解决环境问题的灵丹妙药。然而，这样的乌托邦情景并非遥不可及。

下面我们来了解一下氢能。

这个概念已经充分得到了验证，氢能已经在世界各地生产并投入商业使用。

氢能，顾名思义，来自宇宙中最简单和最丰富的元素——氢。当氢气在空气中燃烧时，氧气 (O₂) 与氢气 (H₂) 发生反应释放能量，而这种能量可以用作燃料。那副产物呢？ 水：H₂O。

不过，像往常一样，这里有一个小问题。目前，全球消耗的约 95% 的氢气在生产过程中使用的是化石燃料。[1]最常用的方法是蒸汽甲烷重整 (SMR)，它需要高压高温蒸汽，目前只有化石燃料才能提供这种能源，这严重阻碍了氢气的绿色认证。

然而，未来“氢经济”的创新者不会如此轻易地退却。专家设想，在不久的将来，氢气可以为我们的日常生活提供经济又清洁的动力，即使是那些目前不适合电气化的方面。氢可用于长期储存能量。它可以用于氢动力车辆，正如我们的 Perspectives 文章所述。它可以用于供暖。它甚至可以与捕获的二氧化碳混合，生产清洁的航空燃料。这一切所产生的碳足迹都不会超过一缕水蒸气无害地盘旋进入大气的碳足迹。[2]

这场能源革命只需要一些独创性、一点决心，再加上技术上的一些大胆的想法。

开启一个脱碳的未来

所谓的“绿色”氢能使用的并非化石燃料，而是可再生能源，为水的电解提供动力并产生氢气。

将可再生能源转化为可存储气体克服了目前阻碍可再生能源的两个限制。可再生能源不稳定（太阳能和风能分别依赖太阳照射和刮风），而且发电量并非总能与需求保持一致。

除了充足的电力，生产绿色氢能只需要水和一种被称为电解槽的设备。一旦有了这个重要的最终产品，其多功能性就无可比拟。

绿色氢能可用来直接为汽车或船舶的燃料电池提供动力，或在热电厂或供热厂燃烧，或者只是帮助取代美国每年依靠天然气生产的 1,000 万吨工业氢气的一部分。[3]

难怪有人把它誉为下一件大事，公共和私营部门都投入了大量时间和资金来完善这一工艺。

清洁氢的发展将克服目前制约氢发展的一些挑战。传统上，生产氢并非是一个清洁的过程。天然气是目前氢生产的主要来源，其燃料成本占氢生产总成本的 45%-75%[4]。用化石燃料生产氢也意味着，随着对氢需求量的飙升（自 1975 年以来增长了两倍），传统氢生产中产生的二氧化碳排放量也在增加。目前，每年由生产氢导致的二氧化碳排放量约为 8.3 亿吨，大致相当于英国和印度尼西亚二氧化碳排放总量的总和[5]。

行动起来

为帮助实现《巴黎协定》规定的减排目标，化石燃料公司各项活动面临的限制越来越严格。《巴黎协定》的目标是，使本世纪全球气温升幅控制在远低于工业化前水平 2 摄氏度。要实现这一目标，所有行业都需要大幅减少排放。因此，这些组织常常处于绿色氢能研究的前沿和中心。

2010-2050 年现行政策下与能源有关的二氧化碳排放（参考案例）与加速吸收可再生能源 (REmap) 的比较

例如，BP 的太阳能分公司 Lightsource BP 正在西澳大利亚州建设一座 1.5 GW 风力发电和太阳能发电的绿色氢能发电厂。[6]

与此同时，荷兰壳牌公司正与 Eneco公司合作，竞标荷兰海上风电项目，该项目为鹿特丹港的 200 MW 氢能枢纽供电。[7]

世界各国政府纷纷都在加入绿色氢能的行列。英国、德国、日本和澳大利亚都公布了氢战略，后者用 2 亿多美元作为启动资金。荷兰计划到 2025 年将 500 MW 绿色电解器投入使用，葡萄牙计划到 2023 年建设一座新的太阳能发电厂来生产绿色氢能。[8]

欧洲倍受关注，欧盟委员会将绿色氢能作为实现 2050 年碳中和目标的保障。欧盟委员会的阶段性战略包括：

• 到 2024 年，在欧盟安装至少 6 千兆瓦可再生氢电解槽，可再生氢气产能高达 100 万吨
• 2025 至 2030 年，安装至少 40 千兆瓦电解槽，可再生氢气产能高达 1,000 万吨
• 2030 年至 2050 年，在所有“难以脱碳”的行业大规模部署氢技术[9]

这些似乎不是空洞的承诺。事实上，为了确保实现这些雄心勃勃的目标，欧盟委员会启动了被称为欧洲清洁氢联盟的新合作关系。

该联盟汇集了国家和地区领导人、银行和行业负责人，确保扩大绿色氢能生产的投资渠道，同时引入通用标准、术语和认证。

欧盟希望通过该联盟在这一领域建立全球领导地位，以支持欧盟在 2050 年前实现碳中和的承诺。所有这些都应当促进投资者的确定性，确保绿色氢能所需的必要基础设施和物流网络能够发挥其潜力。

欧盟能源专员 Kadri Simson 表示：“欧盟的能源系统必须更加一体化、更加灵活，并能够适应最清洁、最具成本效益的解决方案，而氢能将在这方面发挥关键作用，随着可再生能源价格下降和持续创新，氢能会成为气候中立经济的可行方案。”[10]

价格会让氢能的希望破灭吗？

跟在大多数行业一样，金钱至上，氢气也不便宜。根据欧洲复兴开发银行 (EBRD) 的数据，目前绿色氢能的成本约为 3-6 美元/千克，而化石燃料制氢的成本约为 1-1.8 美元/千克。[11]

这是一个公认的缺点。但还有另一个缺点。

国际可再生能源署 (IRENA) 预计，到 2050 年，在全球能源结构中，约有 19 艾焦耳的氢能来自可再生电力。然而，生产如此数量的可再生氢（或氢基产品）需要 4-16 万亿瓦的太阳能和风能。[12]

据计算，每年产生 19 兆焦耳的氢至少需要 6,690 TWh 电力，相当于 1,775GW 的海上风电场、2,243GW 的陆上风电、4,240GW 的太阳能光伏或 957GW 的核能。[13]比目前的装机容量提高了不少：23.4GW 的海上风电、540.4GW 的陆上风电、480.4GW 的太阳能光伏发电和 397GW 的核能。

这些数字令人瞠目，也解释了为何一些行业专家正在提倡所谓“蓝氢”的临时措施，即使用天然气和 CCUS（碳捕获、利用和存储）生产的氢能。遗憾的是，在此过程中只能“捕获”大约 80% 的碳排放物，因此，依靠蓝氢的能源生态系统每年仍将造成数百万吨的排放。[14]

虽然净成本比较似乎对绿色氢能不利，但值得一提的是，要牢记供需这个古老的原则。随着使用量的增加，价格将不可避免地下降。

例如，欧洲复兴开发银行（EBRD）预计，随着电解成本下降，再加上可再生能源成本降低，到 2050 年绿色氢价格将降至不超过 1.50 美元/千克，与天然气的价格不相上下，如果对碳排放的处罚进一步束缚化石燃料，这一走势会更加明显。

“眼下的情况可能与一二十年前可再生能源的情况相同，当时的解决方案要比替代品贵的多。如果事情继续下去，如果政策不断推动，这种能源有望很快就具有成本竞争力，”EBRD 的 Christian Carraretto 说。[15]

同样，在最近的《氢之未来》报告中[16]，国际能源署预测，由于可再生能源成本的下降和氢产量的增加，到 2030 年，从可再生能源生产氢的成本可能下降 30%。

IEA 指出：“随着可再生电力成本的下降，尤其是太阳能光伏发电和风能发电成本的下降，人们对电解氢的兴趣越来越大，近年来已开发多个示范项目。随着太阳能光伏发电和风能发电成本的下降，在可再生资源条件良好的地方建造电解池可能成为氢的低成本供应选择。”

政策视角

尽管存在障碍，但 IERNA 仍毫不犹豫地将可再生能源制氢确定为能源转型中“缺失的环节”，为难以通过电气化脱碳的行业提供动力。

但是，它认识到，受欢迎的政策和监管框架对于吸引必要的私人投资至关重要。

因此，IRENA 建议：

• 设计金融支持工具，如资本支出补贴和退税，以抵消新技术的初始成本
• 在业内引入排放限制和对可再生能源含量的强制规定，以鼓励更大的氢能需求
• 确立长期天然气管网注入价格
• 让电解槽操作人员参与辅助服务市场
• 降低投资风险以促进市场吸收，支持基础设施和氢能推广[17]

此外，IRENA 还指出，随着关键技术的成熟，完全有理由预计绿色氢能的需求会增加。

质子交换膜 (PEM) 电解槽和燃料电池正在走向规模经济，日本、美国加州和欧洲等主要市场已经进行了商业部署。[18]

此外，新的电燃料可以频繁地无缝替代化石燃料，无需在使用地调整设备，这对航空等行业来说可能很重要。

目前已经确定了几个行业，绿色氢能在这些行业能对气候目标产生立竿见影的实质性影响。这些行业包含石化和钢铁制造等大型作业，以及公共汽车、卡车、火车和船舶等中重型运输车辆。

移动出行或许是最引人注目的行业之一，该行业已经在充分利用氢能的优势，帮助改变人们的认知。

日本在氢燃料电池汽车领域处于世界领先地位。其目标是到 2025 年路上有 200,000 辆氢燃料汽车，到 2030 年增至 800,000 辆[19]。这些汽车将会得到全国性加氢站网络的支持，该网络旨在让数百万辆氢燃料汽车让日本的道路上驰骋。在更远的未来，它的目标是到 2025 年将 320 座加氢站投入运营，到 2030 年将 900 座加氢站投入运营[20]。

日本汽车巨头、安利捷的合作伙伴丰田公司一直认为，氢燃料电池技术可以为各种车型提供可持续的零排放解决方案，认为未来十年燃料电池电动汽车的全球销量将大幅增长。根据这些预期，它计划在 2021 年底[21]年产超过 30,000 辆燃料电池电动汽车，相比 2018 年每年 3,000 辆有大幅增加。

实际上，丰田 Mirai 氢燃料汽车由安利捷供应，2018 年安利捷被选中在达兰科技谷科技园开设沙特阿拉伯第一个氢燃料电池加氢站[22]。这一迹象表明，氢能正在发展。

氢能预示着一系列突破

如何储存我们希望有朝一日能生产的清洁氢能，又如何利用它来实现工业和交通的电气化呢？ 电池和燃料电池。

这些相互重叠的技术有一个共同的能力，就是能将储存的电力转化为化学能，随时随地在需要时使用。

根据国际能源署 (IEA) 的数据，近年来，全球电池生产能力呈指数级增长，截至 2020 年，年产电动汽车 (EV) 电池 320 GWh。[23]这足以为 2019 年售出的 210 万台电动汽车提供动力，但是如果电动汽车达到销售目标的话，这将达不到 2025 年所需的 1,000 GWh 电量。中国是这方面的领跑者，占全球产能的 70% 左右，其次是美国，占 13%。

相比之下，欧洲在氢能电解槽生产方面领先，年产能为 1.2 GW，足够供应 50 万辆燃料电池汽车。这一势头正盛，2021 年初，ITM Power 在英国谢菲尔德建成世界上最大的电解槽厂（预计年产 1 GW）。[24]

IEA 说：“理想情况下，清洁能源刺激方案将同时包括电池和电解槽制造，以便利用这两种技术之间的溢出优势[25]。”

安利捷坚信，私人投资者可以鼓励政府和大企业加快绿色议程。我们拥有突破性的技术组合，完全有能力扩大氢能领域，这要归功于我们在电池储能方面的开创性研究。

2020 年 11 月，我们通过可再生能源专家 Fotowatio 可再生能源投资公司 (FRV)（隶属于安利捷能源公司），开始着手在英国西萨塞克斯的第二个公用事业规模电池项目。与 Harmony Energy 合作开发的 34 MW Contego 项目采用 28 块特斯拉巨型锂电池。

Contego 项目是在德塞特州 Holes Bayy FRV 早期 7.5 MW 电池厂取得成功的基础上进行的，是其致力于不断推进可再生能源（包括氢能）的一部分。

该承诺促使安利捷副总裁兼副主席 Fady Jameel 让安利下定决心“在英国化石燃料转型中塑造可持续发展的可再生能源模式”。

要为后代留下宜居而又繁荣的星球，我们就必须转型。在这个大胆开创的新能源世界，仍然要充分关注氢能的作用。

但是，绿色氢能为全球大部分地区提供清洁、可持续发展动力的潜力不容忽视。

氢能领域的技术进步迅猛发展。

如果公共政策也能同样迅速地发展，我们就能真正见证，元素周期表上这个不起眼的元素一跃成为全球舞台上耀眼的明星。

[1] https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/2/16/16926950/hydrogen-fuel-technology-economy-hytech-storage

[2] https://webstore.iea.org/download/direct/2803?filename=the_future_of_hydrogen.pdf

[3] https://www.greentechmedia.com/articles/read/green-hydrogen-explained

[4] The Future of Hydrogen, IEA

[5] The Future of Hydrogen, IEA

[6] https://www.reuters.com/article/us-bp-hydrogen-australia-idUSKBN22K0IC

[7] https://www.smart-energy.com/renewable-energy/shell-eneco-announce-dutch-wind-powered-green-hydrogen-hub/

[8] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[9] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[10] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[11] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[12] https://www.irena.org/newsroom/articles/2019/Oct/Unprecedented-momentum-for-green-hydrogen

[13] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[14] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[15] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[16] The Future of Hydrogen, IEA

[17] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[18] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[19] Japan: Taking a Lead in Hydrogen,

[20] Japan Sees Big Future in Hydrogen Cars

[21] Toyota plans to expand production, shrink cost of hydrogen fuel cell vehicles

[22] Saudi Aramco and Air Products to build Saudi Arabia’s first hydrogen fuel cell vehicle fueling station

[23] https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future

[24] https://renewablesnow.com/news/itm-power-moves-in-1-gw-per-year-electrolyser-plant-in-sheffield-726704/

[25] ^{https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future}