英國(guó)《自然》周刊網(wǎng)站近日發(fā)表了題為《氫氣革命如何能幫助拯救地球，又如何不能》的文章，作者是達(dá)維德·卡斯泰爾韋基，文章編譯如下：
滾燙的鐵水流動(dòng)著，永不停歇。在這個(gè)位于瑞典最北端的鋼鐵廠，無(wú)論白天黑夜，每時(shí)每刻鐵水都會(huì)從90米高的巨型高爐底部冒出。同樣無(wú)休無(wú)止的是，一串串二氧化碳從頂部噴出。
二氧化碳是高爐燃燒煤炭時(shí)排出的廢棄物。呂勒奧這家工廠屬于瑞典聯(lián)合鋼鐵公司。瑞典聯(lián)合鋼鐵公司首席技術(shù)官馬丁·裴(音)說(shuō)，每使用1噸鐵煉鋼，這座高爐就會(huì)排出1.6噸二氧化碳。世界上有成百上千座類似的高爐，其中大多數(shù)排放量更大。再加上這一能源密集行業(yè)的其他舉措，不難看出煉鋼的溫室氣體排放量如何占到全球的7%。部分估算顯示，這一數(shù)字相當(dāng)于全世界乘用車尾氣的總和。
但在距離呂勒奧的高爐僅幾百米處，有一座較小的高爐，其碳污染要少得多。這項(xiàng)先導(dǎo)技術(shù)用氫取代煤炭，只排出水蒸氣。裴說(shuō)：“這是煉鋼的新方法，有了這種方法，我們?cè)瓌t上可以消除所有的二氧化碳。”
從氫到鋼的過(guò)程并非完全無(wú)污染：將鐵轉(zhuǎn)化為鋼的其他步驟還會(huì)排放二氧化碳，而且鐵礦石必須經(jīng)過(guò)開(kāi)采得來(lái)。不過(guò)，去年得益于氫的幫助，此處生產(chǎn)出世界上首批“綠鋼”。氫是利用瑞典豐富的低碳電力制造的，低碳電力包括水力發(fā)電、核能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電。該試點(diǎn)工廠屬于HYBRIT公司——2016年瑞典聯(lián)合鋼鐵公司、瑞典公用事業(yè)公司瓦滕法爾集團(tuán)和瑞典礦業(yè)公司LKAB成立的合資企業(yè)。
氫有望幫助世界經(jīng)濟(jì)脫碳，而綠色煉鋼只是其中的途徑之一。盡管有人鼓吹將氫用作運(yùn)輸燃料，但它不大可能在運(yùn)輸或供暖領(lǐng)域產(chǎn)生太大影響，因?yàn)殡姵睾碗娏σ呀?jīng)提供了更高效的低碳解決方案。氫的最大貢獻(xiàn)將是凈化工業(yè)流程，從塑料和化肥的生產(chǎn)到碳?xì)浠衔锏奶釤?。通常認(rèn)為這些行業(yè)更難脫碳，媒體、投資者和決策者的關(guān)注也相對(duì)較少。
氫或許還能在能源生產(chǎn)中找到用武之地。有朝一日，由氫制成的液體燃料能為空中旅行和運(yùn)輸提供動(dòng)力。氫甚至有助于使電網(wǎng)脫碳：過(guò)剩的太陽(yáng)能或風(fēng)能可以轉(zhuǎn)化為氫氣，用于其他工業(yè)流程或僅僅是能源儲(chǔ)存。這樣一來(lái)，氫有望成為很多經(jīng)濟(jì)部門之間的橋梁。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師達(dá)里克·馬拉布拉加達(dá)說(shuō)：“氫之所以獨(dú)特，是因?yàn)樗闹品ê陀猛径喾N多樣。”
決策者急于實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，已經(jīng)開(kāi)始大力推廣氫，尤其是在美國(guó)和歐盟。在某些情況下，是對(duì)低碳?xì)浣o予價(jià)格補(bǔ)貼;在另一些情況下，是對(duì)氫生產(chǎn)商或使用氫的行業(yè)提供稅收抵免。
在一定程度上由于這個(gè)原因，對(duì)氫項(xiàng)目的投資正在激增。位于布魯塞爾的行業(yè)組織氫能委員會(huì)估計(jì)，目前已宣布成百上千的大型氫項(xiàng)目，累積起來(lái)，截至2030年，投資可能達(dá)到2400億美元——盡管目前為止，這些項(xiàng)目中只有十分之一的協(xié)議完全敲定。該委員會(huì)認(rèn)為，到2050年，氫和氫技術(shù)市場(chǎng)每年的規(guī)模將達(dá)到2.5萬(wàn)億美元。
分析人士目前預(yù)計(jì)，到本世紀(jì)中葉，全球氫產(chǎn)量將增加4到6倍。這應(yīng)該有助于減少世界的碳足跡——但前提是氫本身是在不增加二氧化碳排放的情況下獲得的，就像呂勒奧的試點(diǎn)工廠那樣。
此前，氫曾受到大肆宣傳。但這次在很多專家看來(lái)，投入的資金數(shù)額意味著氫產(chǎn)業(yè)確實(shí)要騰飛了。分析人士說(shuō)，轉(zhuǎn)向氫并不需要新技術(shù)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到測(cè)試，不過(guò)科學(xué)進(jìn)步有助于加速這種轉(zhuǎn)型。
位于美國(guó)科羅拉多州博爾德的可持續(xù)研究智庫(kù)落基山研究所的經(jīng)濟(jì)學(xué)家阿列克謝·塔塔連科說(shuō)：“氫革命正在發(fā)生——這次是真的。”
制氫已經(jīng)成為具有一定規(guī)模，而且會(huì)造成污染的產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)際能源署估算，每年生產(chǎn)的氫氣約有9400萬(wàn)噸，幾乎全部來(lái)自天然氣等化石燃料。天然氣中的甲烷與氧氣發(fā)生反應(yīng)，變成氫分子和二氧化碳。二氧化碳隨后排放到大氣中，每年約有9億噸，占全球二氧化碳排放總量的2%以上，相當(dāng)于印尼和英國(guó)年排放量的加和。分析人士將這種造成污染的氫稱為“灰”氫。
目前，世界生產(chǎn)的氫大多用于關(guān)鍵行業(yè)的化學(xué)加工步驟。例如，氫與空氣中的氮混合，能制成化肥的原料之一氨。石油化工冶煉廠使用氫去除石油中的硫，或?qū)⑹椭胁糠州^大的碳?xì)浠衔锓纸鉃檩^小的碳?xì)浠衔铩Ｔ诨瘜W(xué)工業(yè)中，氫能制成大量產(chǎn)品，如甲醇，而甲醇又用來(lái)合成無(wú)數(shù)其他化學(xué)品。
英國(guó)利布雷克同仁公司的能源顧問(wèn)兼首席執(zhí)行官邁克爾·利布雷克在荷蘭鹿特丹舉行的世界氫大會(huì)上發(fā)表主旨演講說(shuō)：“我們首先得把氫作為氣候變化的問(wèn)題來(lái)應(yīng)對(duì)，然后才能把它當(dāng)作氣候變化的解決方案。”
利用化石燃料制氫而排放的二氧化碳中，有的可能會(huì)經(jīng)捕捉后儲(chǔ)存在地下，埋在儲(chǔ)層深處。用這種方式脫碳的氫被稱為“藍(lán)”氫。但藍(lán)氫的批評(píng)者指出，這并不能阻止所有的二氧化碳排放，而且生產(chǎn)藍(lán)氫意味著繼續(xù)開(kāi)采天然氣，這本身就會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。
另一種制氫的方法幾乎完全不用碳。這種電解水技術(shù)已有200年歷史：通過(guò)在鍍有催化劑的電極間釋放電流，電解器能從水中提取氫。如果為這一過(guò)程提供動(dòng)力的是可再生能源，那么由此產(chǎn)生的就叫作綠氫。綠氫可能實(shí)現(xiàn)零排放，或者至少接近零排放。
轉(zhuǎn)換成清潔氫的速度能有多快，關(guān)鍵決定因素之一是電解器的成本。國(guó)際能源署、清潔能源分析機(jī)構(gòu)彭博新能源財(cái)經(jīng)和其他機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，制造電解器的生產(chǎn)線越來(lái)越自動(dòng)化，而不再是手工生產(chǎn)，所以成本可能迅速下降——到2030年會(huì)降低超過(guò)三分之二。
這就是為什么分析人士預(yù)測(cè)，生產(chǎn)綠氫的成本會(huì)從現(xiàn)在的每千克5美元左右降至未來(lái)的每千克1美元——即使沒(méi)有減稅等補(bǔ)貼政策。這會(huì)讓綠氫足以和灰氫競(jìng)爭(zhēng)，灰氫的生產(chǎn)成本為每千克不到1美元(前提是沒(méi)有爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)推高天然氣價(jià)格，就像歐洲經(jīng)歷的那樣)。即便如此，多項(xiàng)研究預(yù)測(cè)，隨著需求激增，未來(lái)幾十年很大一部分氫需求將由藍(lán)氫來(lái)滿足。
這種轉(zhuǎn)變將需要大量可再生能源。就算電解器的效率達(dá)到100%，每年通過(guò)可再生能源制備的電量也要超過(guò)3000太瓦時(shí)，才剛剛能把今天所用的灰氫替換成綠氫。實(shí)際上，所需電量很可能超過(guò)4500太瓦時(shí)，這相當(dāng)于美國(guó)一年的發(fā)電量。此外，國(guó)際能源署設(shè)想，考慮到本世紀(jì)中葉前實(shí)現(xiàn)凈零排放的情形，未來(lái)清潔氫每年的電力需求將增加到1.48萬(wàn)太瓦時(shí)。
盡管如此，清潔能源正在以驚人的速度增長(zhǎng)。例如，彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)計(jì)，到2024年全世界的光伏發(fā)電能力將接近1太瓦，僅此一項(xiàng)就能滿足今天七分之一的年電力需求。國(guó)際能源署說(shuō)，整體上看，到本世紀(jì)中葉，全球低排放電力供應(yīng)將增加兩倍以上——盡管要實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)仍需更積極的擴(kuò)張。
芬蘭拉彭蘭塔-拉赫蒂理工大學(xué)能源系統(tǒng)分析師克里斯蒂安·布雷耶說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氫對(duì)減緩全球變暖的最大貢獻(xiàn)可能是成為電力、建筑、制造和運(yùn)輸?shù)雀鞣N活動(dòng)之間的橋梁，從而使所有活動(dòng)共同完全脫碳的成本低于每個(gè)行業(yè)嘗試單獨(dú)脫碳的成本。
這個(gè)相互關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是發(fā)電。在這方面，氫可能有助于解決可再生能源一個(gè)廣為人知的缺點(diǎn)：盡管數(shù)量充足，但在時(shí)間和季節(jié)上分布不均，而且常常不可預(yù)測(cè)，這使得各地區(qū)很難作出長(zhǎng)期規(guī)劃。
研究人員要在模擬工作中試圖平衡未來(lái)電網(wǎng)的供需關(guān)系，比如，他們必須制定計(jì)劃：如果在歐洲寒冷、黑暗的冬天，一周都沒(méi)有風(fēng)時(shí)要如何供電?？蒲腥藛T用德語(yǔ)命名了這一現(xiàn)象，可大致翻譯為“黑暗無(wú)風(fēng)期”。
電池將有助于平衡不同時(shí)間的供需關(guān)系。但有研究顯示，一旦風(fēng)能和太陽(yáng)能占電網(wǎng)總電量的比例超過(guò)80%，要讓電網(wǎng)以足夠韌性應(yīng)對(duì)“黑暗無(wú)風(fēng)期”就會(huì)極其昂貴。正在考慮的解決方案之一是額外建造足夠多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使得電網(wǎng)足以挺過(guò)風(fēng)力最平靜的冬天，然后利用這些發(fā)電機(jī)在一年的大部分時(shí)間里制氫。制出的氫可以賣給鋼鐵廠等工業(yè)客戶，或當(dāng)作交通、運(yùn)輸和出口的液體燃料。
在一年中特別嚴(yán)峻的時(shí)期，可以通過(guò)燃燒氫來(lái)再次發(fā)電，就像依靠天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)那樣。但這樣做會(huì)造成非常大的浪費(fèi)：與制氫最初投入的電力相比，電網(wǎng)燃燒氫只能產(chǎn)出三分之一或更少的電力。
目前尚不清楚，與建設(shè)核電站或擴(kuò)大使用地?zé)崮芟啾?，要為最?0%的電力脫碳，這是否是性價(jià)比最高的方式。聯(lián)合國(guó)國(guó)際可再生能源組織等機(jī)構(gòu)的分地區(qū)研究表明，最佳組合可能因國(guó)家而異。
雖然氫有各種各樣的可能用途，但并不是所有問(wèn)題的最佳解決方案。對(duì)乘用車來(lái)說(shuō)，電池已經(jīng)基本贏得了競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)橄啾人奶帞y帶氫氣罐、還要將氫能轉(zhuǎn)換成電能，電池是效率更高、成本更低的解決方案。
使用氫并不劃算的另一個(gè)領(lǐng)域是為家庭供暖提供燃料。位于英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)土木工程師麗貝卡·倫恩說(shuō)，如果是灰氫，也就是用天然氣制成的氫，那么只會(huì)加劇全球變暖。在英國(guó)國(guó)家工程政策中心近期發(fā)布的一項(xiàng)研究中，包括她在內(nèi)的多人指出，將氫用于家庭取暖是有問(wèn)題的。
即使是綠氫，也就是由可再生能源發(fā)電制成的氫，用這種電直接為住宅供暖的效率要高出最多5倍。比如，利用熱泵將熱能從室外吸進(jìn)室內(nèi)，其效能遠(yuǎn)高于100%。
英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院工程研究員妮萊·沙阿牽頭了國(guó)家工程政策中心的研究。沙阿說(shuō)，要想以最快速度減排，政策應(yīng)優(yōu)先放在改進(jìn)住宅隔熱，這能減少對(duì)取暖能源的需求，無(wú)論這種能源從何而來(lái)。
國(guó)際能源署預(yù)計(jì)，到2030年，全球氫需求可能增長(zhǎng)20%至30%。目前尚在醞釀中的低碳?xì)漤?xiàng)目只夠滿足約四分之一的需求。這表明氫擴(kuò)張計(jì)劃還不夠有雄心：要想讓世界在本世紀(jì)中葉達(dá)到凈零排放，2030年前氫產(chǎn)量需要達(dá)到約1.8億噸，其中半數(shù)應(yīng)為低排放氫。
