氫能發展並非“氫”而易舉_風聞

◎本刊主筆  劉國偉

今年4月7日，北京市發佈了《北京市氫能產業發展實施方案》，成為繼上海、廣州之後又一個出台氫燃料電池車相關政策體系的核心城市。在邁向碳中和的大背景下，域外多國也把發展氫能源視為可持續發展的新風口。本文將介紹世界各地在氫能產業上的探索，既有令人興奮的成功案例，也有令人頭疼的技術障礙，甚至是以此為噱頭的騙局——

宇宙元素無處不在

但成本高昂利用不易

筆者生於上世紀70年代，本人的成長曆程也可以説是伴隨着國內能源的清潔化。

40多年間，筆者從鄉村到小鎮，再到大城市，曾燒過濃煙繚繞的秸稈、木柴，也燒過更為便捷的煤炭和液化石油氣，現在的生活則每天都離不開汽油和天然氣。

圖｜看看三角星系中的這片巨大的離子態氫區域，你就會理解氫為什麼被稱為宇宙元素。

這些能源利用形式變化的表象是越來越乾淨，內在的機理是各種燃料的氫碳比值在不斷提高：木柴的氫碳比在1:3以上，煤炭是1:1左右，石油產品提高到了大約2:1，天然氣到了4:1。自然而然地，筆者曾不止一次地暢想：何時能用上純粹的氫，在燃燒的明亮和火熱過後只剩下一掬清水？

宇宙學家告訴我們，氫是宇宙中最古老的元素，太陽誕生之前它就已經存在了。雖然氫在地球上不起眼，但放眼整個宇宙，氫原子佔了整個宇宙原子總數的近九成，氫被稱為宇宙元素真是恰如其分。一個半世紀前，法國著名科幻作家儒勒·凡爾納在他的名著《神秘島》裏，讚美了氫的妙處，展望了氫輕鬆取代煤的情景。

嚴肅地探討氫經濟，則是美國化學家約翰·博克里斯教授1970年在通用汽車技術中心的一席談話中提到的。同年，美國密歇根大學的核物理學家勞倫斯·瓊斯在題為《液態氫燃料經濟性》的技術報告裏更進一步地提出，用氫來解決化石燃料使用過程中將碳釋放到大氣中造成的一些負面影響。幾年後，由於中東戰爭造成的石油危機，尋找替代燃料的任務已經被擺上了桌面，瓊斯的報告為當時的業界提供了重要的指引。

圖｜西班牙阿爾梅里亞的太陽能裝置為歐盟HYDROSOL二期制氫項目運行了十多年

從氫經濟一詞被造出來到現在，一晃半個世紀過去了，氫的來源廣泛、清潔無碳、靈活高效和應用場景豐富等優點一再被人們稱道。從交通工具和生產技術等等，雖然不乏以氫為能源的設備原型和示範項目，但坦率地講，氫能源仍然處於“商業化的前夜”這麼一個略顯尷尬的階段。相比之下，化石能源“三巨頭”——石油、煤炭和天然氣的地位暫時仍難以撼動。

英國石油公司（BP）的一份報告顯示，石油、煤炭和天然氣在全球能源供應中的份額從1994年的87%到2019年的84%，變化其實不大。

美國航天工程學專家和火箭科學家羅伯特·祖布林曾在他的著作《能源的勝利》裏稱，“氫只有在最壞的情況下，才可能成為汽車的能源”。他之所以這麼不看好氫能源，主要是因為大規模氫經濟的發展受限於許多技術挑戰，包括長期存儲設備、運輸管線等難以研發，缺乏安全性高的氫發動機技術，氫與空氣中的氧混合後有很大的安全隱患，以及電解制氫生產的成本問題等等。這些現實困難再加上一個“商業回報”的限制選項，直接導致氫經濟幾十年來只能作為低碳經濟的一小部分緩慢發展。

圖｜2021年5月，丹麥著名綠氫供應公司Everfuel啓動了Hysynergy二期工程，擴大綠氫產能。

儘管困難重重，產業風口仍顯得不那麼明朗，但能源清潔化的大勢不可逆轉。由於氫能源的產業鏈較長，其快速發展帶動經濟發展的勢頭不可低估，氫能源仍被許多地區和國家視為交通、工業和人居等領域大規模脱碳的潛在最佳選擇。鑑於業內將制氫視為氫產業的基礎，儲運、加註和各型產品是氫能應用的核心保障，下面就在這幾個環節中選擇部分案例加以介紹。

氫能是未來交通出行的

最佳解決方案

今年3月的一天，法國港口和機場設備製造商戈森公司的廠房裏，一輛巨大的氫能源拖拉機在寬闊的廠房中緩慢移動着，突然加速，然後又停了下來，這讓在場的官員們驚出一身冷汗。拖拉機的司機不是別人，而是法國負責交通運輸事務的部長級代表讓-巴蒂斯特·傑巴里。他坐在駕駛室裏，對自己的操控感到很滿意。就在一小時之前，他還曾駕駛一輛氫能源汽車。他還希望能撥款80萬歐元（1歐元約合7.8元人民幣）給莫布森公司以設計氫能源小型飛機。

圖｜荷蘭鹿特丹港口的氫能源拖車

法國最近在推出一些氫能交通運輸項目，這些項目主要受到2020年9月出台的總額72億歐元的氫能源十年規劃所推動。數據顯示，截至去年秋天，全球主要經濟體都推出了氫能源發展戰略，不斷加大扶持力度，以推動氫燃料電池汽車產業發展；佔世界經濟總量70%的18個經濟體已制定氫能源發展戰略，其中就包括法國。同年，歐洲燃料電池和氫能源事業聯合組織發佈了《歐洲氫能源路線圖》，提出歐洲氫能源未來30年的發展規劃，並得到了歐洲17家氫能源公司和組織的支持。

圖｜某品牌的氫燃料自行車

在法國政府的公告中以及一些企業的聲明中，氫能源被認為是未來交通出行的最佳解決方案。氫能已然成為法國企業家、議員、各階層政客及各界無所不談的“芝麻開門”。儘管氫的生產方式比較多，但業界普遍看重通過電解的方式在任何地方從水中提取氫氣，而且需要風能等綠色能源產生的電力來支撐。這種方式目前並不便宜，但是不會對環境產生負面影響，因此用這種方式製取的氫被稱為“綠氫”。

在綠氫的生產上，歐盟多有嘗試，“HYDROSOL”就是這樣一個項目。HYDROSOL是“在未來太陽能發電廠中通過先進整體式反應器將水電解制取太陽能氫”的英文首字母縮寫，這是歐盟資助的一系列可再生能源項目之一，旨在利用聚光太陽能的熱化學循環來生產氫。2002年，項目在科隆市的德國航空航天中心（DLR）啓動，技術人員設計了一個半工業規模的太陽能設施來生產氫。2005年開始，歐盟在西班牙阿爾梅里亞的太陽能發電場啓動了HYDROSOL二期工程，利用當地完善的太陽能熱化學設備來制氫，功率達到了100千瓦，自2008年以來二期工程一直在運行中。

2017年初，德國航空航天中心在實驗室中創建了“人造太陽”，探索更好地大規模優化太陽能制氫的手段。“人造太陽”利用熱化學循環水解系統，通過鏡子和透鏡來將大範圍的陽光集中聚集到相對較小的區域。這個過程所產生的能量將會為熱化學循環水解系統供能，進而來生產氫氣。研究人員在科隆市附近的尤里希建造的人造太陽，是一個由149個用於電影投影的大功率燈泡組成的系統。當所有燈打開時，人造太陽所能產生的光強度約為地球上自然光強度的一萬倍。當所有的光線被聚集在某個點時，會產生高達3000攝氏度的温度，遠高於目前商業集中式太陽能電站所能達到的温度，這一工程中消耗的電能是極為驚人的。

我們通過HYDROSOL這樣的項目可以看出，綠氫生產的技術和資金投入是不低的。用德國北萊茵-威斯特伐利亞州氣候保護部長評論該項目的話來説：“缺少對創新實驗的投資，能量轉換進程將會受阻。”綠氫價格的昂貴也就可以理解了。

圖｜意大利推出的氫能雪地美容車

國際能源署的報告顯示，綠氫目前的價格為每公斤3.5至5歐元，遠高於通過化石燃料製成的高碳灰氫（1.5歐元/公斤）。未來一段時間，綠氫市場競爭力較弱，需要長期投資扶持。據保守估算，全球氫能行業如要實現有效擴張，到2050年實現氫能供給全球24%的能源需求，針對這一行業的投資需要約11萬億美元。

安全、低成本地儲氫輸氫

仍是技術難題

本刊曾介紹過國內外利用地下洞穴來儲存天然氣或建設蓄能電站的案例。由於氫的液化温度非常低，液化成本和儲存成本居高不下，利用地下洞穴、鹽穴和廢棄油田來儲存氣態氫的做法在國外成為可選項。

在地下儲氫的實踐方面，英國的帝國化學工業公司在地下儲存氫氣有多年曆史了。但近年來純氫氣地下存儲的實例並不多，其中比較著名的是由德國、法國和英國等七個國家的12家單位發起的氫氣地下大型存儲項目“地下氫”（Hyunder）。

德國關於鹽穴中氫存儲的案例較多，如果將德國的剩餘電力（估計到2025年佔可再生能源發電總量的7％，到2050年佔20％的可再生能源發電）轉化為氫並存儲在地下，那麼到2025年將需要約15個50萬立方米的地下洞穴，到2050年就要增加60個左右，大致相當於德國目前用來儲存天然氣的洞穴數量的1/3。

2018年，美國核安全管理局下屬的桑迪亞國家實驗室對利用廢棄油井進行儲氫開展過研究，認為有一定的可行性。考慮到全美國約有270萬口廢棄油井，至少從數量上沒有無處儲氫的顧慮。不過，由於氫的化學特性有別於其他介質，地下儲氫在氣體擴散、化學反應和採出純度等方面仍然面臨很多問題，這就使其遠不如天然氣地下存儲那麼普遍了，未來還需要開展更多的研究。

至於氫氣輸運網絡，基礎設施建設本來就需要巨大的資本投入和較長的建設週期，管道的建設還涉及佔地拆建問題，這些因素都阻礙了氫氣管道的建設。

2020年7月，歐盟能源監管合作署（ACER）發佈報告指出，在當前狀況下，歐盟為氫能另行建造管道並不現實，將氫氣混合在天然氣管道中使用是一種可行選擇，但僅有少數成員國允許將氫氣注入天然氣管道實行混合運輸。德國允許在特定條件下氫氣混合比例達到10%，歐盟能源監管合作署認為各國的能源監管機構都應該考慮將氫氣的混合比例設定在2%以上。可見，如何以安全、低成本的方式輸送氫氣，這一問題未來還要困擾業界很久。

氫能應用場景非常豐富

無碳住宅成“網紅”

截至2019年底，德國在運營的加氫站有78個，但目前氫燃料電池汽車數量僅有600多輛，導致加氫站的利用率較低。德國計劃到2025年，氫燃料電池汽車規模擴大，加氫站達到400座。比起國內逐漸鋪開的基礎設施建設，德國更早之前就在一些氫能源示範項目上取得進展，取得了很好的社會影響。恩耐普特（Enapter）就是在這方面比較令人矚目的一家創業公司，它在業界以設計、製造高效的氫氣發生器聞名，其核心技術是基於獨特的專利陰離子交換膜（AEM）電解技術來製造綠氫，下面是該公司的部分項目——

在法屬留尼汪島的原始風光中，在一片被火山區包圍的叫做馬菲特的地區。該地區位於羣山中，只能步行進入。為了讓這片與世界其他地區隔絕的封閉區實現能源自主供給，恩耐普特與法國電力公司等機構合作建立了一套能提供10天自持力的太陽能制氫系統，為數所房屋、學校、車間和醫療室提供能源。這套基於氫能的微電網系統完全不需要化石燃料的支持，被命名為“SAGES（智能自主綠色能源系統）”，具有每小時生產500升氫的能力，還能存儲1100升氫。

近年來，德國祖馬斯豪森的一所擁有100％零排放系統的房屋頗具網紅效應，其核心功能包括能量存儲，加熱支持和通風等，它就是使用了恩耐普特的水電解技術（氫產量500升/小時）和燃料電池（3000千瓦時），創建出一個自給自足且無碳的住宅能源系統。該系統甚至可以管理空氣質量，被業界稱作完美的住宅多合一解決方案。

圖｜泰國蝴蝶之家建成於2015年，是世界上第一套離開城市電網獨立運作的太陽能-氫網絡多居室系統。

泰國旅遊勝地清邁的“蝴蝶之家”是世界上第一座太陽能-氫複合住宅，自2015年起併網，它向世界展示瞭如何實現可持續的生活。熱帶地區的陽光和雨水滿足了居民對所有能源和水的需求：太陽能通過太陽能電池板轉換為電能。多餘的電力將被轉換並存儲為氫（2000升/小時）；在太陽不露臉的時候，儲存在氫罐中的氫氣通過燃料電池（4.5千瓦）進行發電。

在阿爾卑斯山高處的庇護所，對於寒冷季節尤其是惡劣氣象條件下的登山者意義重大。以前，這裏的一處庇護所是靠太陽能電池板提供能源，但是在大雪封山的季節，就連太陽能電池板也會被冰雪覆蓋，入住者的舒適度因此大打折扣。自2015年起，庇護所的能源系統做了升級，夏季多餘的太陽能以氫的形式存儲在與居住區隔離的其他建築物裏，不但能在冬季提供電能，還能讓海拔2600米高處的47個牀位暖意融融，為登山者提供了更好的居住體驗……

圖｜2017年，為研究大規模優化太陽能制氫的手段，德國航空航天中心研製出當時最大的人造太陽。

類似的氫能項目經驗也給了德國制定實現温室氣體淨零排放長期目標的底氣。2020年6月，德國政府正式通過了國家氫能源戰略，為清潔能源未來的生產、運輸、使用和相關創新、投資制定了行動框架。第一階段為2020至2023年，德國的國內氫能市場先打好基礎；第二階段為2024至2030年，穩固德國的國內市場，加強歐洲市場與國際市場，服務德國經濟。同時，德國政府任命了一個國家氫能源委員會，由多領域產學研專業人士組成，並將在現有基礎上投入70億歐元（約578億元人民幣）用於氫能源市場推廣，20億歐元（約165億元人民幣）用於相關國際合作。

綠色工業革命10點計劃

英國建設成規模的氫能社區

去年底，英國首相鮑里斯·約翰遜公佈了其價值120億英鎊（1英鎊約合人民幣9元）的“綠色工業革命10點計劃”，其中包括提高氫產量的舉措：到2030年，將實現5吉瓦的低碳氫產能，滿足工業、交通、電力和居民用能。這位首相同時宣佈，提供5億英鎊的資金，用於試用氫氣取暖和做飯的住房，並將從2023年開始建造氫社區，目標是在本十年結束前建成一個擁有萬户居民的“氫能小鎮”，其中2.4億英鎊將用於新的制氫設施。

圖｜英國工程機械製造商JCB公司開發的氫能挖掘機

英國説幹就幹，動作很快。英國首批完全由氫氣作為燃料的房屋是在蓋茨黑德建造的，是兩個半獨立式的樣板房，資金來自政府的Hy4Heat創新計劃資助。房屋內將使用100％的氫氣進行家庭取暖和做飯，從鍋爐到灶具等都不會有碳排放。英國政府希望這些房屋能夠展示出氫能的潛力，對到2050年實現英國應對氣候變化的目標起到推動作用。

同在英倫三島，蘇格蘭的動作幅度更大。去年12月，蘇格蘭用綠氫為住宅供暖的項目獲得了批准。比起德國和英格蘭的示範項目，蘇格蘭法夫郡的供暖項目受益者有300户，達到了社區規模。英國天然氣分銷商SGN已獲准向這300户蘇格蘭家庭提供利用可再生能源生產的氫氣，參與的家庭可以從2022年底開始用這種清潔能源取暖和做飯。法夫郡項目使用的氫氣將由一個電解廠生產，當地的海上風力渦輪機提供從水中分離氣體所需的電力，可以説是100%的綠氫。該示範項目被視為英國政府實現到2050年温室氣體淨零排放的重要一步。

由於85％的英國家庭使用燃氣鍋爐，所以集中供熱排放佔英國温室氣體排放量的近1/3。國家電網氫氣項目負責人安東尼·格林説：“如果我們真的想實現淨零脱碳的未來，我們需要用氫氣等綠色替代品代替甲烷……如果我們要向所有消費者可靠、安全地提供低碳能源，那麼像這樣的項目至關重要。”法夫郡的項目考慮周全，現場的氫存儲設施能確保即使在惡劣的天氣條件下也不會出現供應中斷。作為首個利用“清潔電源”生產家庭供暖用氣的項目，參與項目的居民家中使用的氫氣將通過現有的管道送入家中，不需要更換散熱器或水管等設施。天然氣分銷商SGN表示，參與者使用氫氣的費用將與使用天然氣的費用相同。

日本公佈《基本氫能戰略》

要創造一個“氫能社會”

作為一個資源有限的島國，能源安全和環保問題一直是日本能源的核心關切。日本的一次能源供給有9成以上來自海外，為了減輕對外部能源的依賴，日本一直把提高能源效率作為重要的手段，從政策和技術方面支持能源效率的提高。

圖｜2020年日本在福島建成世界上最大的光伏制氫裝置

2017年12月，日本公佈了《基本氫能戰略》，旨在創造一個“氫能社會”。該戰略的主要目的是實現氫燃料與其他燃料的成本平價，建設加氫站，在汽車（包括卡車和叉車）和發電領域實現氫能對傳統能源的替代。眾所周知，普及氫能汽車最重要的先決條件是建設具有足夠多加氫站的公路系統。截至2019年底，日本共有加氫站約130座，在運營的氫燃料電池乘用車超過3500輛，氫燃料電池大巴達22輛。這組數字看起來很有限，但建成如此規模實屬不易。

2011年福島核事故以後，日本為應對未來核能可能減少的前景，開始資助北九州、橫濱、豐田、京阪科學城和福島等地進行氫能社區建設試點項目。由此建成的北九州氫能社區是世界上第一個氫能社區示範項目，其目的是測試從附近一家鋼鐵廠向住宅、商業和公共設施供應副產品氫的情況。該社區的主要特點體現在以下5個方面：（1）使用管道供應氫；（2）燃料電池在多個應用程序中的可操作性測試；（3）燃料電池驅動車輛、小型叉車和自行車等運行；（4）從燃料電池汽車（FCVs）向家庭供電；（5）智能社區電力共享等。北九州氫能社區示範項目於2014年結束，後續項目將繼續進行，主要是進一步降低氫能成本。

圖｜氫儲運的技術難題之一就是儲運材料容易發生名為氫脆的性能退化，這是一條發生了氫脆而斷裂的鋼管。

除了立足本土，在去年完成福島10兆瓦級制氫裝置（全球目前產能最大的光伏制氫裝置）的試運營外，日本還頻繁與其他國家開展氫能供應鏈的合作，內容涵蓋各種制氫方法。這些合作包括2017年川崎重工與挪威公司實施利用水力發電生產氫能的示範合作項目；2018年與澳大利亞進行全球首家褐煤制氫試點項目（測試將褐煤轉化為氫的可行性，將其液化後運往日本）；2017年從文萊到日本的國際氫運輸示範項目，以及與沙特阿拉伯的氫能合作等。這些項目都為日本從海外獲得低價、無污染的氫能源打下了基礎。

“氫”車尚未熟路

美國氫能車企涉嫌欺詐

美國是最早將氫能及燃料電池作為能源戰略的國家。自1990年起，美國從政策評估、商業化前景預測，到方案制定、技術研發，再到示範推廣，不斷推動氫能產業發展，在氫燃料電池汽車市場、加氫站利用率等方面處於全球領先水平。截至2020年6月，美國的氫燃料電池乘用車累計銷量（含租賃）達到8413輛，氫燃料電池叉車超過3萬輛，普拉格能源（Plug Power）基本壟斷了全球氫燃料電池叉車的市場。

圖｜美國加州中央谷的克恩縣的一處油井集中區，這些油井廢棄之後都是潛在的儲氫地。

在美國政府試圖保持在氫能領域的技術優勢地位的同時，一家名叫尼古拉的氫能汽車公司5年來風頭甚健，連續推出多款氫能源概念卡車。就在該公司股價扶搖直上之際，突然又爆出欺詐醜聞，給氫能源重卡的追捧者重重一擊，這是怎麼回事呢？

2014年，特雷弗·米爾頓在美國猶他州鹽湖城成立了尼古拉公司。該公司的名字來自大名鼎鼎的電力學先驅尼古拉·特斯拉。眾所周知，這位天才科學家的姓氏被特斯拉汽車佔用了。特雷弗·米爾頓只好拿“尼古拉”這一名字下手。

2016年，尼古拉公司的發展進入了快車道，先後推出1型、2型、特雷、魯莽、瓦夫和獾等概念卡車，迅速吸引了業界的目光，其明星效應不亞於當年嶄露頭角的特斯拉電動汽車。

2020年6月，尼古拉在收購了一家公司後在美國納斯達克證券交易所成功上市，5天內股價就上漲了1倍多。2020年8月上旬，該公司估值約為130億美元，成立6年就成了名副其實的獨角獸公司。2020年9月8日，尼古拉與傳統汽車大廠通用汽車宣佈建立合作伙伴關係，通用汽車準備收購尼古拉11％的股份（當時價值約20億美元）。作為回報，通用汽車同意尼古拉公司使用其生產設施生產獾式氫能卡車，向全球的尼古拉車型供應燃料電池。消息宣佈後，尼古拉公司的股價應聲上漲了50％。

接下來的事情還要更加刺激。2020年9月21日，做空機構“興登堡研究”發佈了一份報告稱：“我們從未見過一家上市公司如此程度的欺騙行為，尤其是如此規模的公司。我們收集了大量的證據——包括電話錄音、短信、私人郵件和幕後照片——詳細説明了尼古拉創始人特雷弗·米爾頓的數十次虛假陳述。”做空機構指責尼古拉公司操控了“一個錯綜複雜的騙局”，稱其在技術上説謊，該公司從未擁有氫燃料電池，且在半掛式卡車、電池技術、氫氣生產乃至數十億美元的大訂單等諸多方面出具了數十個虛假聲明。

給公眾留下最深印象的是，做空機構“興登堡研究”揭露了尼古拉公司將氫能源概念車拖上一段長長的低坡度山坡，然後讓它“滑”下去，然後用這個視頻忽悠公眾，“我們的卡車能跑了”。尼古拉公司迅速回應，先是將這一指控稱為“謊言”，但隨後又立即承認其概念車尚未能像視頻中展示的那樣工作。

在做空機構發佈報告的同一天，尼古拉公司創始人米爾頓宣佈辭職，股價開始暴跌。兩個月後，被人們稱為“冤大頭”的通用汽車公司宣佈取消擬議中的收購尼古拉股權的交易，也不再為尼古拉公司製造獾式氫能卡車。美國證券交易委員會和司法部隨之開始對尼古拉公司進行調查。尼古拉公司在向媒體發佈的一份聲明中表示：“我們正走上成功之路，不會因為一份充滿誤導性信息、企圖操縱我們股票的報告而動搖。”

圖｜涉嫌欺詐受到調查的美國尼古拉公司的氫能概念重卡

氫能汽車界的明星公司尼古拉今後何去何從，我們不得而知。但尼古拉公司憑藉所謂“概念車”和PPT就能把老牌車企通用汽車玩弄於股掌之間，我們可以看出氫能產業中有機遇也有亂象。正如法國《世界報》經濟專欄作家菲利普·埃斯康德所説，目前氫燃料電池汽車的生產成本要遠高於純電動新能源汽車，即便是法德等歐盟國家也未制定出統一標準，作為一個需要大量投資的領域來説，它對參與企業的風險是不小的。

圖｜今年1月，青島市首條氫能源公交示範運行線在青島西海岸新區開通，首批50輛氫能源公交車投入運營。

在我國，繼去年將氫能寫入《政府工作報告》《2020年國民經濟和社會發展計劃》《2020年能源工作指導意見》後，氫能正式出現在“十四五”規劃第九章中，與類腦智能、量子信息、基因技術、未來網絡、深海空天開發等前沿科技，被共同規劃為“組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃佈局一批未來產業。”我們有理由相信，在政府的強力推動和主導下，國內氫能源產業和技術會取得更健康的發展，迎來氫能源發展的春天。

（本文寫作中參考了英國《衞報》、彭博新能源財經、德國之聲和法國《世界報》等網站的信息，在此一併致謝！）