它是一项力挽狂澜的救世技术，抑或仅是一场虚张声势？氢能的效用仍然有待挖掘。
关于氢气的观点像天气一样说变就变。上一刻，它被贬为碳排放增加的帮凶——因为氢气仍然依赖基于化石燃料的生产过程。下一刻，它又被誉为净零排放道路上不可或缺的推动者，能帮助我们赖以生存的许多行业实现脱碳。
真相到底是什么？即使环保优势站得住脚，氢能的利用真能延伸到化工炼油行业之外吗？目前，氢能仍在很大程度局限于该行业，难以成为全球能源结构的重要组成部分。
其间的微妙区别可能在于全球氢气的产制方法。
让我们先从危害最大的方法开始看起。
- 蒸汽甲烷重整 (SMR)：需要甲烷（天然气）与蒸汽反应，产生氢气和一氧化碳。目前，SMR 是使用最广泛的氢气生产方法，每制造 1 千克氢气约可产生 8 至 10 千克二氧化碳。[1]
- 煤气化：同样产生氢气和一氧化碳，但不使用天然气，而是通过蒸汽与煤发生反应。煤气化是一种相当消耗能源的方法，对环境造成的伤害更甚，每生产 1 千克氢气约产生 14 至 15 千克二氧化碳。
使用以上方法产生的氢气通常称为“灰氢”。
然而，我们日常生活中就有最佳解决方案，可以用真正清洁的方式生产氢气——那就是水。
- 电解：使用电力将水分解成氧气和氢气的过程，每生产 1 千克氢气仅排放 1 至 2 千克二氧化碳。
- 光解：与电解近似的技术，仅使用太阳能来分解水，完全实现无碳。
通过电解和光解产生的氢气称为“绿色氢能”——正是这种绿色氢能被气候预测者和环保主义者奉为未来环保能源结构的顶梁柱。
如果目前已经有制造氢气的清洁技术，为什么我们还在犹豫不决、踌躇不前，仍在使用灰氢呢？ 原因就在于其高昂的成本。
目前，绿色氢气每生产 1 千克氢气的成本为 4 至 6 美元，是 SMR 或煤炭生产氢气所需成本的两到三倍。[2]随着全球面临能源短缺和经济紧缩，氢气一跃跻身于商业上可行且可扩展的替代选择之列。
利用氢能的力量
随着氢气的需求不断增长以及更清洁的生产方法应运而生，氢气在脱碳经济中逐渐发挥起举足轻重的作用。尤其是在脱碳方面举步维艰的传统行业，例如运输和重工业。
根据 IEA 2021 年至 2050 年净零碳排放情景，氢气在所有预测碳排放缓解措施中贡献了 6%，其他强有力的策略包括可再生能源、电气化和碳捕获等[3]。
目前，氢气的需求受到国际法规执行不一致以及基础设施不完善等因素的限制。但如果以上障碍可以扫除，预计全球对氢气的需求将飙升。到 2030 年，清洁氢能市场规模将会达到 6,420 亿美元，到 2040 年将达 9,800 亿美元，而到 2050 年将达 10,480 亿美元。[4]
目前，重工业和长途运输的氢气使用量占全球使用量的 0.1%，未来可能出现不成比例的需求激增。事实上，到 2050 年，这些在脱碳方面贡献微乎其微的行业预计仍将占全球氢能市场的三分之一。[5]
氢能可以带来三重好处：
- 净化空气：全球每年约有 400 万到 1,000 万人死于环境颗粒物污染。[6]
- 提升能源安全：因为氢气可以在任何地方生产，从而减少对受地理限制的化石燃料的依赖。
- 提高能源灵活性：氢能被证实是应对可再生能源供应波动理想的长期存储介质。
从全球范围来看，立法支持似乎在倡导未来更多地使用氢能。从各国的情况看，我们看到多国政府开始推出一系列政策，其他国家可纷纷效仿，将其作为范例进行推广。
私营/公共电力领域
中国作为引领者，去年奋力建造 750 MW 产能的新电解槽，比 2022 年在线累计 220 MW 的产能高了不少。中国在这方面并非孤军作战：
- 印度于 2023 年开始推行国家绿色氢能计划，向 2030 年实现全球第一大电解槽产能供应，生产 500 万吨可再生氢的目标冲刺。
- 英国在前一年发布了官方低碳氢标准法规后，于 2023 年签下第一批氢电解项目合同。
- 美国出台的《抑制通货膨胀法案》(IRA) 正式确定将其 3,690 亿美元绿色能源预算中的一部分用于清洁氢能生产商的财政激励措施。
- 与此同时，欧盟在 2023 年为欧洲氢银行（European Hydrogen Bank）项目举行了首次碳汇拍卖。西班牙、法国和德国设定了到 2030 年实现 4 至5 GW 的全国氢能生产目标。[7]
全球的私营部门和企业同样在氢能方面崭露头角。[8]
总部位于英国的氢燃料电池和电动混合动力系统制造商 Proton Motor Power Systems 最近推出了一款采用前沿技术的 90 千瓦发电机组，适用于公路、铁路和航运。在其他国家，韩国天然气公司 SK E&S 已与韩国东南电力公司（Korea South-East Power）签署协议，使用绿色氢气和氨气发电。日本东芝能源系统与解决方案公司（Toshiba Energy Systems & Solutions Corp）宣布与瑞典重型船舶创新企业 Echandia 合作，生产海上使用的纯氢燃料电池系统。
以上突破在近期引人注目的举措推行后纷纷涌现。还有此前的一笔重磅跨大西洋交易——法国汽车制造商雷诺（Renault）与美企 Plug Power Inc 达成合资协议，在欧洲所有运输市场领域推广氢能汽车解决方案。
以上领域先驱以及其他公司正在尝试把绿色氢能项目扩大到应有水平。然而，氢能可持续性是否有限？氢能是否真的能为创造更环保的未来社会做出更大的贡献？
受制于成本以及 CCUS 未经证实的氢能
与风能和太阳能不同，氢能尚未“走向主流”，原因有以下几点。[9]
我们了解到，与生产其他形式的氢气相比，生产绿色氢气会产生额外的开支。但是，把氢气生产设施与碳捕获、利用和存储（即CCUS）技术——即所谓的“蓝氢”——结合起来，并把排放物存储在地下以保护环境的技术如何呢？
利用这种技术，每生产 1 千克的成本为 1.8 至 4.7 美元不等，远远超过成本为 0.98 至 2.93 美元的灰氢。[10]
CCUS 不仅成本昂贵，且没有在任何有意义的方面得到证实。
包括 IEA、国际可再生能源署 (IRENA) 以及联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在内的环保组织都制定了长期能源预测，其中至少部分都是基于 CCUS 迅速扩张而得出，力争攻破 1.5℃ 的全球气温目标。这种自信是否脱离实际？
例如，壳牌在加拿大阿尔伯塔省设立的 Quest 碳库被誉为体现 CCUS 潜力的象征。然而，据报道，该工厂捕获的碳排放量不到一半——与 CCUS 狂热拥护者宣称的 90% 碳捕获潜力相去甚远。在把温室气体总排放量计算在内的情况下，有研究表明，该工厂的碳足迹相当于约 120 万辆汽油车的碳排放。[11]
二氧化碳即使在被捕获后也需要压缩成液体形式，并通过公路、铁路或海洋输送到深地质处置库中——这个过程本身也会产生碳排放。
一些人认为，被捕获的碳可以有效用于工业领域，而不是储存在地下。然而，将二氧化碳通过化学流程转化为塑料和建筑材料等可用产品的技术，很大程度上仅停留在理论阶段。
但毫无疑问，CCUS 还是发挥了应有的作用。例如，这是水泥行业减少大量碳排放的已知方法之一，该行业二氧化碳排放量占全球的近 7%。[12]虽然有缺点，CCUS 仍然在气候议程中崭露头角，有 61 个 CCUS 设施新加入 2022 年的项目管道，全球开发中的 CCUS 设施总量因此超过 150 个。
但是，要让“蓝氢”得以顺理成章被奉为解决氢能在经济、环境角度的缺点的灵丹妙药，CCUS 还任重而道远。
随着长时间对其进行深层次观察，从其他方面来讲，广泛采用氢气开始变得不够靠谱。
氢气不可避免地需要大量投资，才能建立足够大的市场占有率。据估计，到 2050 年，氢能的成本将超过 7 万亿美元（主要是开发新管道和氨气终端站），才能勉强满足全球能源需求的 5%。[13]
最终用户的采用成本同样繁重。
对于企业来说，将现有机械换为使用氢气而非甲烷的机械，需要花费高昂的成本。在钢铁生产领域，使用可再生能源生产的氢气与采用传统的碳密集型技术相比，成本会提高 35% 至 70%。[14]
对于公路使用者来说，改造汽车，让其可以燃烧氢气而非汽油获取动力，在经济上是完全行不通的。然而，专用的氢燃料电池汽车 (FCEV) 却继续在价格上做出承诺——至少目前是这样。
氢动力车辆是否处于停滞状态？
我们可以看到，全球范围内，在高速公路上驰骋的氢动力燃料电池电车 (FCEV) 数量正在飙升，2022 年的使用数量比去年增长了 40%，最近则突破了 7 万大关。[15]这意味着 2022 年新售出了 20,500 辆 FCEV，其中约四分之三是小轿车，包括安利捷的长期合作伙伴丰田推出的第二代 Mirai 氢燃料电池车。
以上 FCEV 新增销量中有三分之二是韩国的记录，美国、中国、日本和德国紧随其后。目前，全球有超过千所加氢站，主要分布于以上五个国家。随着公共部门的强大支持，该数字将得到进一步增长。例如，加利福尼亚州正在资助开发 100 个新增加氢站，以助力其到 2025 年实现 160 万辆零排放汽车的战略。
从财政的角度来看，2022 年，这一系列推广活动已将全球 FCEV 市场规模提升至约 10 亿美元。从现在起一直到 2032 年，该行业预计复合年均增长率 (CAGR) 将达到 52.9%，市场价值将达到约 696.1 亿美元。[16]
尽管如此，以上最新的销售数据在非氢电动或混合动力汽车 (EV) 面前仍然相形见绌，2022 年电动汽车销量同比增长 50%，超过 1,000 万辆。
相比于电动汽车，加氢速度经常作为氢气的主要优势为人津津乐道，氢气可以在几分钟内完成充电，而电池充电却需要 30 至 60 分钟，甚至更久。然而，电池更换开始成为电动汽车货运市场的新趋势，目前中国运营了近 2,000 个换电站，2022 年售出了 12,000 辆支持更换电池的卡车。[17]电池更换对氢能可行性的影响，导致其决定性有利条件之一失去优势，在未来几年内只会更明显。
氢能还面临着经济层面和物理层面的根本困境。
通过可再生能源从水中电解氢气会消耗电解过程中 30% 的潜在能源。[18]在运输至燃料储存库的过程中，剩余能源会进一步损失 26%，考虑到这一点，近一半的氢能产量在进入市场之前就被浪费了。相反，电力通过电缆传输至充电站时，电力损失仅为标称的 5%。当场生产氢气几乎不可行，因为电解厂每台设施就要花费数百万美元。
氢能固有的效率低下，似乎是曾经氢动力卡车的主要支持者之一—大众汽车斯堪尼亚卡车部门从 2021 年开始把主要业务重点转移到电动电池的原因所在。[19]
与此同时，特斯拉也在极力证明交通领域并非仅局限于柴油或氢能两种选择。特斯拉电动半挂式卡车（Tesla Semi truck）于 2023 年底推出，续航里程为 500 英里，每英里能耗不到 2kWh。[20]特斯拉正是这种可以有力地戳破氢能之梦的实力雄厚的公司，其目标是从 2024 年起每年生产 50,000 台电动半挂式卡车，由遍布全美价值 1 亿美元的充电网络提供强大后盾。[21]
是希望，还是炒作？为什么氢气应该坦诚接受分析？
尽管现在是时候减少对氢气言过其实的吹捧，但也绝不意味着应该完全摒弃使用氢气这个想法。相反，我们必须接受氢气的成败可能取决于一些不太相关的技术。
例如，CCUS 的表现可能突然出现重大改进，从而对行业带来翻天覆地的改变；或者是可再生能源产量出现大幅提升，大大降低了清洁电解技术的成本。
也许电解槽本身就是另一个熠熠生辉的希望。自 2010 年以来，电解槽成本已下降 60%，据 IRENA 分析，短期内可能进一步下降 40%，长期可能再降 80%。制造产能提升、更高的标准化以及相关规模经济最终可能实现绿色氢能成本低于每千克 2 美元的关键里程碑。[22]
时间在过去、现在甚至未来都是至关重要的因素——2023 年正式成为有史以来气温最高的一年[23]，现在已经不是放弃任何缓解气候变暖的潜在技术的时候了。
但是，现在的当务之急是真诚地讨论氢能重塑未来能源格局的潜力，以及它是否有可能彻底扭转其“大张其词”与“名过其实”的名声。
[1] https://www.hydrogennewsletter.com/gh2-facts/
[2] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf
[3] https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050
[4] https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Documents/gx-green-hydrogen-executive-summary.pdf
[5] https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen#programmes
[6] https://www.bmj.com/content/383/bmj-2023-077784
[7] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold
[8] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market
[9] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold
[10] https://about.bnef.com/blog/green-hydrogen-to-undercut-gray-sibling-by-end-of-decade/
[11] https://www.globalwitness.org/en/blog/problem-hydrogen/
[12] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/
[13] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold
[14] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/
[15] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069
[16] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market
[17] [17] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069
[18] https://www.forbes.com/sites/jamesmorris/2021/02/06/why-are-we-still-talking-about-hydrogen
[19] https://www.rechargenews.com/energy-transition/after-plotting-battery-electric-future-truck-maker-scania-hedges-bets-with-new-hydrogen-vehicles/2-1-1200800
[20] https://www.forbes.com/sites/qai/2022/12/08/how-powerful-is-teslas-new-semi-truck
[21] https://insideevs.com/news/672016/tesla-semi-volume-production-wil-not-start-until-late-2024/
[22] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf
[23] https://www.theguardian.com/us-news/2024/jan/03/2023-hottest-year-on-record-fossil-fuel-climate-crisis
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