氫能革命如何拯救地球（但也不是萬能的）|《自然》長文_風聞

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原文作者：Davide Castelvecchi

許多研究人員認為氫將在全球經濟脱碳的過程中發揮巨大的作用。

白熱鐵水形成河流，日復一日，永不停歇。在這家位於瑞典最北部的鋼鐵廠裏，無論白天還是黑夜，鐵水都會從高達90米的高爐底部湧出。與此同時，還有一股二氧化碳無休止地從高爐的頂部噴出。

這些CO2是高爐消耗煤炭產生的廢棄物。Martin Pei是這家位於呂勒奧的鋼鐵廠的母公司——SSAB公司的首席技術官，他表示，這座高爐每生產一噸鐵，就會產生1.6噸CO2。世界上有數百座類似的高爐，其中大部分排放量要比呂勒奧的更高。再加上鋼鐵工業裏其他的能源密集型生產環節，這明顯揭示了為什麼鍊鋼可以佔到排放全球温室氣體排放量的7%。一些研究甚至估計，這個排放量相當於全球所有乘用車的總和。

鐵水從德國蒂森克虜伯歐洲鋼鐵公司（Thyssenkrupp Steel Europe）的高爐中流淌出來。圖片來源：Sean Gallup/Getty

但在離呂勒奧高爐幾百米遠的地方，還有一座較小的高爐，它在鍊鐵時產生的碳污染要少得多。這項試驗技術用氫代替了煤，只會排放出水蒸氣。Pei 表示，“這是鍊鋼的新方法，有了它，原則上我們可以消除所有的二氧化碳排放。”

事實上，從氫到鋼的工藝路線並非完全沒有污染。將氫燃料煉出的鐵轉化為鋼的其他步驟仍會排放一些CO2，而且鐵礦石也需要開採。儘管如此，去年，該工廠還是藉助瑞典豐富的低碳水力發電、核能發電和風能發電所產生的氫，生產出了世界上第一批“綠鋼”。該試點工廠歸HYBRIT所有，這是 SSAB於2016年與瑞典公用事業公司 Vattenfall 和國家礦業公司LKAB成立的合資企業。

瑞典呂勒奧的HYBRIT工廠在不使用化石燃料的情況下所生產出的海綿鐵，這是鍊鋼的爐料。圖片來源：Steffen Trumpf/dpa/picture alliance

實現鋼鐵行業的綠色化，只是目前眾多利用氫能實現世界經濟零碳化的應用之一。儘管有人吹捧氫可用作交通工具的燃料，但它不太可能對該領域產生太大影響，供暖領域也是如此，因為電池和電氣化已經為這些領域提供了更高效的低碳解決方案。相反，**氫能的最大貢獻在於清潔工業過程，包括生產塑料、化肥和精煉石化產品。**這些行業通常被認為更難脱碳，並且更少受到媒體、投資者和政策制定者的關注。

**氫也可能用於能源生產。**有朝一日，由氫製成的液體燃料可能會為航空和航運提供動力。氫甚至可以幫助電網脱碳：多餘的太陽能或風能可以轉而用於製造氫，然後用於其他工業過程，或單純用於儲存能量。通過這種方式，氫有望連接起許多不同經濟部門。

麻省理工學院化學工程師Dharik Mallapragada説，“氫具有某種意義上的獨特性，因為它的生產和使用方式都具有很大的多能性。”

許多政策制定者都希望可以儘快實現淨零排放的目標，他們已開始大規模推動氫的發展，尤其是在美國和歐盟。相關的政策多種多樣，既有補貼低碳氫的價格，也有為氫生產商或使用氫的行業提供税收抵免。

這些努力部分引發了氫能項目的投資熱潮。氫能委員會（Hydrogen Council）是一家位於布魯塞爾的行業組織，他們估計，到2030年，已經披露的數百個大型氫能項目將可能獲得高達2400億美元的投資。儘管到目前為止其中只有十分之一完成了全部交易流程。該委員會認為，到2050年，氫和氫技術的市場價值將達到每年2.5萬億美元。

分析人士現在預測，到本世紀中葉，世界上的氫產量將增加到現有水平的五到七倍（見“氫來源”），這應該有助於減少全世界的碳足跡。但實現這個目標有一個前提：這些氫本身是在不增加二氧化碳排放的情況下獲得的，正如呂勒奧試點那樣。

數據來源：IEA World Energy Outlook 2022

氫能之前就曾有過一波熱潮。但在這一輪中，前所未有的資金體量讓許多專家感到風口可能真的來了。分析人士説，向氫能轉型不需要新的技術：試驗和測試都做過了，當然更多科學進步將有助於加速其發展。

“氫能革命正在發生，這次來真的。”位於科羅拉多州博爾德的可持續發展智庫落基山研究所（RMI）的經濟學家 Oleksiy Tatarenko 説。

風起何處？

氫生產已經是一個規模龐大且污染嚴重的行業。國際能源署（IEA）估計，目前每年的氫產量大約為 9400 萬噸，幾乎全部來自天然氣等化石燃料。天然氣中的甲烷（CH4）與氧氣反應生成氫和 CO2，後者隨後被排放到大氣中。這部分排放量約為每年 9 億噸，佔世界二氧化碳排放量的 2% 以上，相當於印度尼西亞和英國的總和。分析師將這種生產過程有污染的氫稱為“灰氫”。

全球範圍內這些已有的氫產量，主要用於滿足一些關鍵行業的化學處理工序的需要。例如，氫與空氣中的氮氣混合可以製成氨氣（NH3），這是製造化肥的重要原料。石化煉油廠使用氫來去除原油中的硫，或將其中一些較大的碳氫化合物分解成較小的碳氫化合物。在化學工業中，氫被用於製造甲醇（CH3OH）等大量商品，而甲醇又可被用於合成無數其他的化學品。

Michael Liebreich是倫敦 Liebreich Associates 的能源顧問兼首席執行官。他在2020年10 月於荷蘭鹿特丹舉行的世界氫能大會上曾發表主題演講，其中提出：“在我們將氫定位為氣候變化的解決方案之前，我們必須首先將其作為氣候變化的問題之一應對。”

用化石燃料製造氫所釋放的一些二氧化碳，可以被捕獲並儲存在地下的深層地質儲層中。以這種方式實現脱碳的氫被稱為“藍氫”。但藍氫的批評者指出，它並不能阻止所有的二氧化碳排放，而且製造藍氫意味着繼續開採天然氣，這也有其自身的環境負面影響。

另一種製造氫的方法幾乎可以完全零碳排放。這就是有着 200 年曆史的水電解技術：電解槽的電流在鍍有催化劑的電極之間流動，從 H2O 中提取氫。如果用於驅動這一過程的能源是可再生的，產生的產品就被稱為“綠氫”。綠氫的生產是可以實現、或至少接近實現零碳排放的。

完成清潔氫能轉型何時能完成，很大程度上取決於一個關鍵的因素：電解槽的成本。IEA、清潔能源分析機構 BloombergNEF 和其他組織預測其成本會快速下降——到2030年將有望下降超過三分之二——因為越來越多電解槽會在日益自動化的裝配線而非手工生產線上製造。

電解槽就是一個小型的氫能工廠。圖為提供綠氫的Apex能源公司的工廠經理Guido König。圖片來源：Jens Büttner / dpa-Zentralbild / Picture Alliance

因此，許多分析師預測，即使沒有税收減免等補貼，製造綠氫的成本也將從現在的每公斤 5 美元左右下降到未來的每公斤 1 美元。這將使它與灰氫擁有同等的競爭力，後者的製造成本低於每公斤 1 美元（基於俄烏衝突之前的天然氣價格水平）。即便如此，多項研究仍預測，隨着需求激增，在未來的幾十年裏，很大一部分的氫需求還將需要由藍氫來滿足。

這一轉變將需要大量的可再生能源。如果電解槽的效率為100%，那麼每年會需要 3000 多太瓦時（TWh）的可再生能源電力，才能用綠氫取代目前使用的灰氫產能。而實際上所需的電力，甚至有可能超過 4500 TWh，相當於美國一年的發電量。而如果按照IEA的設想在本世紀中葉實現淨零排放，清潔氫的電力需求將進一步上升到14800 TWh/年。

**不過，清潔能源正在以驚人的速度增長。**例如，BloombergNEF 預計，到 2024 年，世界每年將有能力生產近 1 TW 的光伏電池板，僅此一項就可以滿足當今年度電力需求的七分之一。IEA 表示，總體而言，到本世紀中葉，全球低排放電力產能將會增加到現有水平的三倍以上。若為了在 2050 年實現淨零排放，全世界還需要更積極地擴大低碳電力的供給（見 go.nature.com/3nxtvhj） 。

迎接挑戰

鋼鐵行業是最大的工業碳排放源之一，也是氫可能產生最大影響的行業。Pei説，人們多年來一直試圖在鋼鐵行業使用氫，但無法實現大規模生產。2016 年，大多數國家簽署巴黎氣候協議，承諾將全球變暖控制在工業化以前2 °C 以內的時候，Pei已率先在SSAB公司開展氫相關的研究。很明顯，鋼鐵行業脱碳對於瑞典履行其巴黎承諾至關重要。SSAB 不是主要的鋼鐵生產商，但它卻佔了瑞典二氧化碳排放量的10%。“每個人都知道，如果 SSAB 不能成功地消除這些排放，瑞典這個國家就實現不了其氣候目標。”公司發言人 Mia Widell 説。

鋼鐵生產過程中最大的問題，是需要從鐵礦石中提取出鐵單質。鐵礦石本質上就是鐵鏽，是一種含有鐵的氧化物。在高爐中，氧原子從鐵鏽中剝離，留下液態的鐵。為此，需要將礦石與焦炭（煤的一種衍生物）或木炭一起熔化。這種燃料的主要功能實際上並不是熔化礦石，而是在化學還原的過程中從中獲取氧原子，該過程所需要的熱量，是將岩石熔化的六倍之多。這個過程導致大量二氧化碳的釋放。

SSAB公司考慮了諸如捕獲排放的二氧化碳並將其儲存在地下的想法，但得出的結論是，這樣做成本太高。結果它選擇了氫能路徑。在稱為直接還原鐵 （direct reduction of iron, DRI）的過程中，氫可以擴散到固體鐵礦石粒的內部而去除氧氣。而且該過程的發生只需要 600°C的温度環境 ，而高爐需要1500°C以上（見“更環保的鋼材”）。

資料來源：改編自 HYBRIT/Boston Metal

在HYBRIT開始使用氫鍊鐵之前，DRI早已存在。今天的一些鋼材就是使用了天然氣以DRI的方式生產的，但這導致的碳排放，使用清潔氫可以避免。

Pei表示，HYBRIT在呂勒奧的試驗非常成功，因此SSAB決定將關閉高爐的時間從2045年提前到2030年。他説，HYBRIT正在呂勒奧以北200公里的Gällivare鎮建造其第一座商業化規模的工廠。他們還公開了相關的研究結果，希望為整個行業的發展提供助力。在離呂勒奧半小時車程的地方，一家位於斯德哥爾摩、名為H2GreenSteel的初創公司，已經破土動工建造一座更大的工廠，並表示已經提前售出了150萬噸產品。

能源分析師表示，由於鋼鐵廠還將存在至少幾十年，如果各國要實現巴黎協議的目標，鋼鐵行業應立即停止建造新的高爐，並開始用氫直接還原爐取而代之。即使最開始的時候大多數的氫來源還是天然氣，在未來三十年內，隨着氫供應的增加，這些氫爐還是能夠逐漸減少其碳足跡。

Rebecca Dell説：“我們沒有足夠的碳預算能留給新的高爐”。她是位於舊金山ClimateWorks基金會的行業項目負責人。

同樣位於舊金山的非政府組織 Global Energy Monitor 稱，許多鋼鐵製造商都在採用 DRI的路線，不過在中國和印度還有新高爐在規劃中。然而，這項任務十分艱鉅，包括BloombergNEF在內的一些組織都預測，一些高爐在本世紀中葉仍將處於運行狀態，我們將不得不為其部署碳捕集裝置來減少排放。

Dell表示，原則上，鋼鐵生產還可以採用完全電氣化的方式，通過電解分解氧化鐵，這樣就不用考慮氫生產的問題，可以進一步提高效率。馬薩諸塞州沃本市的Boston Metal公司等幾家初創公司正試圖將這項技術用於鍊鋼。然而，就目前而言，氫仍然領跑。“氫方法的主要優勢在於，（它）擁有實現真正清潔鍊鋼所需最小的新技術增量。”Dell説。

一座氫的橋樑

芬蘭拉彭蘭塔-拉赫蒂科技大學的能源系統分析師Christian Breyer説，從長遠來看，氫對減緩全球變暖的最大貢獻，可能是作為跨越不同生產部門（比如電力、建築、製造和運輸）的橋樑：使所有部門一起完全脱碳的成本比每個部門獨自實現脱碳更低。

電力生產是這個相互關聯的網絡中的關鍵節點。在這裏，氫可以幫助解決可再生能源的一個眾所周知的缺點：雖然豐富，但它在時間和季節上的分佈不均衡，而且往往不可預測。這使得很多地區很難為可再生能源降為零的時段制訂長時的電力供應計劃。

從事未來電網供需平衡模擬工作的研究人員，必須制訂例如這樣的計劃：如果在歐洲寒冷、黑暗的冬天有一個星期不颳風，該如何供應電力。科學家們給這種現象起了個名字：Dunkelflaute，一個德語詞彙，大致可譯為“黑暗無風帶”。

電池可以保障一兩個小時的電力供需平衡，但一些研究顯示，一旦風能和太陽能在電網供電組合中的比例超過80％，電網要想應對Dunkelflauten，就將變得非常昂貴（例如，見J. D. Jenkins et al. Joule 2, 2498–2510; 2018）。電力系統正在考慮的一個解決方案是，建設足夠多的額外風電裝機，以使電網度過最寂靜的冬天，其餘一年中的大部分時間利用它們來製造氫。然後，這種氫可以賣給工業客户（例如鋼鐵廠），或用於生產陸路運輸、航運和出口所需的液體燃料。

在一年中特別困難的時候，這些氫可以在類似於使用天然氣的燃氣輪機中燃燒來再次發電，儘管這將是非常浪費的：電網能得到的回報只相當於最初製造這些氫所耗費電力的三分之一甚至更低。

與建設核電站和進一步開發地熱能源相比，目前我們還尚不清楚這種基於氫能的能源系統，是否是使最後20%的電力實現去碳化的最具成本效益的方式。聯合國國際可再生能源機構等組織針對具體地區的研究表明，在不同國家可能存在不同的最佳電力供應組合。

神話和誤解

儘管氫有無數可能的應用，但這並不意味着它是解決所有問題的最佳方案。對於乘用車來説，電池已經在很大程度上贏得了與氫能的競賽，因為與攜帶一缸氫並將其能量轉化為電能相比，電池效率更高，成本也更低。

另一個可能用氫沒意義的領域是作為家庭供暖的燃料。英國格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學的土木工程師Rebecca Lunn説，如果是灰氫（以天然氣為原料生產的氫），只會加劇全球變暖。她和合作者在2022年9月發佈的一項英國國家工程政策中心（National Engineering Policy Centre，NEPC）研究指出，氫應用於家庭供暖是有問題的（見go.nature.com/3ut5mj5）。

而且，即使是用可再生能源發電生產的綠氫來供暖，用這些電力直接加熱家庭的效率會是其六倍之多，例如，使用電力的熱泵技術可以通過從外部環境吸熱，實現遠遠高於100%的供熱效率。

領導這項NEPC研究的倫敦帝國理工學院過程系統工程研究員 Nilay Shah 説，為了最快地減少排放，相關政策應該優先考慮改善家庭住宅的保温性能，這樣一來，不論採用哪種能源供暖，能耗都會下降。

氫能預測

過去幾年裏對低碳氫的投資一直在飆升。但今年發生的一些事件在其中注入了真實的繁榮。

在美國，除了許多其他政策和天然氣資金之外，《降低通貨膨脹法》還為每公斤綠氫提供了 3 美元的額外税收減免。在歐洲，俄烏衝突帶來了新的緊迫感。去年 3 月，歐盟委員會制定了到 2030 年每年生產 1000 萬噸氫並額外進口 1000 萬噸的目標。許多其他主要經濟體也制定了發展氫能產能的國家戰略。

“計算氫成本的整個等式都變了。”RMI的經濟學家Patrick Molloy説。特別是美國的税收減免政策，已將那裏的綠氫成本降至和灰氫差不多。雖然不同產地的成本有所不同，但總的來説都達到了每公斤約 1 美元甚至更低的水平（參見“清潔氫的成本”）。跟據RMI的計算，這已經使氫基鋼材、氨和液體燃料具備了與化石燃料相當的競爭力。

數據來源：IEA Global Hydrogen Review 2022; BloombergNEF analysis

如果沒有補貼，清潔氫生產的產品（例如綠色鋼鐵）仍然可能比其他非環保產品更貴。HYBRIT 和 H2GreenSteel並沒有向外界披露他們的生產成本。各國政府也可能會制訂鼓勵購買綠色鋼鐵的政策，正如美國拜登政府在前年12 月通過的一項行政命令中的“清潔購買”條款所作的承諾。

IEA 預測，到 2030 年，全球氫需求可能會增長 20-30%。到目前為止，計劃建設的低碳氫項目僅能滿足其中的約四分之一。這表明，氫產能的擴張計劃現在的雄心還不夠：為了使全世界在本世紀中葉實現淨零排放，到2030年需要大約1.8億噸的氫產能，其中一半是低排放的。

但Tatarenko 表示，全球綠氫產量在 2030 年達到必要的水平並非不可能，“我們應極為進取。”

也有專家警告稱，推動氫能可能最終也會促進非低碳氫的發展，從而反過來增加二氧化碳的排放。尤其，歐盟委員會正在考慮一項有爭議的措施，將放寬歐盟對綠氫的定義，允許其部分使用化石燃料發電來生產。

為了適應氫的發展，我們將不得不對現有的經濟結構進行重組，這將帶來一些社會影響。即使有補貼和大規模投資，一些地區的重工業仍將在競爭中處於劣勢。Dell説，由於氫比煤炭更昂貴，其運輸更具技術難度，因此鋼鐵等行業可能最終不得不搬去離廉價氫產地更近的地方。“甚至可能要去別的國家。”

她補充説，儘管這個問題和其他政治問題可能會減緩氫能轉型的步伐，但已經沒有什麼解決不了的難題了。“無論是高收入國家還是新興經濟體，實現氫能轉型完全在我們的技術和經濟能力的範圍之內。”Dell表示。

原文以How the hydrogen revolution can help save the planet — and how it can’t為標題發表在2022年11月16日《自然》的新聞特寫版塊上

© nature

doi: 10.1038/d41586-022-03699-0