Why We Need Green Hydrogen - State of the Planet

Why We Need Green Hydrogen - State of the Planet

近来绿色氢气频频成为新闻热点。拜登总统当选后承诺将利用可再生能源生产成本低于天然气的绿色氢气。美国能源部计划在氢气和燃料电池的研发上投资高达1亿美元。欧盟预计将在其绿色协议框架下，投资4300亿欧元用于绿色氢气。而智利、日本、德国、沙特阿拉伯和澳大利亚等国也都在绿色氢气领域进行重大投资。

那么，什么是绿色氢气呢？简单来说，它是通过可再生能源而非化石燃料来生成的氢气。绿色氢气有潜力为制造、运输等多个领域提供清洁的动力，其唯一的副产品就是水。

绿色氢气的来源

氢能具有极高的灵活性，可以以气体或液体形式存在，转换为电力或燃料，生产方式多样。目前全球每年生产约7000万吨氢气，广泛用于石油精炼、氨气生产、钢铁制造、化学和肥料生产、食品加工、冶金等诸多行业。

氢元素在宇宙中含量丰富，估计约有90%的原子是氢。但氢原子不会单独存在，需从水、植物或化石燃料中将其分离。分离的方式决定了氢能的可持续性。

当前大多数氢气是通过蒸汽甲烷重整的方式产生的，利用催化剂在高温蒸汽下与甲烷反应，生成氢气、一氧化碳及少量二氧化碳。在随后的一道工序中，一氧化碳与蒸汽和催化剂反应，产生更多氢气和二氧化碳。最后去除二氧化碳和杂质，得到纯氢气。这种生产方式依赖于化石燃料，因此生成的氢气被称为灰氢，每年产生8.3亿吨的二氧化碳，相当于英国和印度尼西亚的排放总和。

如果蒸汽甲烷重整产生的二氧化碳进行捕获存储，那么所得到的氢气被称为蓝氢。

氢气还可通过水的电解方式产生，仅排放氧气作为副产品。电解法利用电流将水分解为氢气和氧气。如果电力来源于可再生能源（如太阳能或风能），那么生成的氢气便被称为绿色氢气。随着可再生能源成本迅速下降，绿色氢气日益受到关注。

绿色氢气的必要性

大多数专家一致认为，绿色氢气将在实现《巴黎协定》目标中发挥关键作用，因为某些行业的排放难以做到完全消除。在美国，气候变暖的主要排放源来自交通、电力生产和工业。

能源效率、可再生能源及直接电气化能有效降低电力生产及部分交通的排放；然而，约15%的经济部分，包括航空、航运、长途运输及水泥和钢铁生产，因需要高能量密度燃料或极高温度而较难去碳化。绿色氢气可以满足该需求。

绿色氢气的优点

氢气在地球上资源丰富，供应几乎是无穷的。可以在产生地点使用或运输至其他地方。与无法长时间存储大量电力的电池不同，氢气能够从多余的可再生能源中生产并储存大量且持久。此外，氢气的每磅能量几乎是化石燃料的三倍，因此需用的量更少。绿色氢气的特别优势在于它可以在有水和电的地方进行生产，从而产生电力或热量。

氢气用途广泛。绿色氢气可以加入工业，并在现有的天然气管道中存储，用于家庭设备供能。例如，当氢气转化为氨（零碳运输燃料）时，可以有效运输可再生能源。

氢气还可以与燃料电池结合，供电给电动汽车和电子设备。与电池不同，只要供应氢燃料，燃料电池就不需要重新充电，不会耗尽。燃料电池的工作原理与电池类似：氢气经阳极输入，氧气经阴极输入，二者之间通过催化剂和仅允许带正电质子通过的电解膜隔开。催化剂分离出氢的带负电电子，允许带正电的质子通过电解到达阴极。这些电子经外部电路提供电流，当质子在阴极与氧气反应形成水时，推动产生电能。

氢气用于驱动氢燃料电池汽车，因其能量效率，氢燃料电池的效率是燃气内燃机的两到三倍。而燃料电池电动汽车的加氢时间通常少于四分钟。

燃料电池可独立于电网运作，适合在军事或灾区使用作为独立的电力或热源。当驻扎时，可以连接电网以生成持续可靠的电力。

绿色氢气面临的挑战

氢气的易燃性以及轻量性使其和其他燃料一样需要妥善处理。氢气比汽油、天然气和丙烷更加轻易燃燥。然而，与其他燃料相比，氢气在低浓度下通常呈现类似的易燃性。氢气非常轻，相较于汽油蒸汽轻约57倍，能迅速扩散到大气层中，这是其一个积极的安全特点。

由于氢气的密度远低于汽油，运输面临困难。必须在-253°C冻住或将其压缩至700倍的气压才能作为压缩气体进行配送。目前氢气通过专用管道、低温液态油罐车、气体氢气管或铁路和驳船运输。

在美国，目前1600英里的氢气管道将气体氢气传送到主要用于化工厂和炼油厂的区域，但这并不足以支持氢气的广泛使用。

天然气管道有时用于仅运输有限量的氢气，因为氢气可能使钢管和焊接变脆，导致裂缝。当氢气与天然气混合低于5%至10%时，可以通过天然气基础设施安全分配。为了运输纯氢气，天然气管道需要重大改造，以避免潜在的金属管脆化，或者需要建立独立的氢气管道。

燃料电池技术因燃料电池使用的铂金成本高（用作催化剂分解氢气）受到限制。当前正在进行研究以提高燃料电池的性能，也在寻求更高效且成本更低的材料。

燃料电池电动汽车的一大挑战在于如何在车辆中储存足够的氢气——需要五到13公斤的压缩氢气，以达到传统的300英里驾驶范围。

燃料电池电动汽车市场还受到加氢站稀缺的困扰。截至八月份，美国只有46个氢气加注站，其中43个位于加利福尼亚。氢气的价格约为每磅8美元，较之加利福尼亚的每加仑3.18美元汽油要昂贵得多。

费用是关键

绿色氢气面临的各种障碍实际上归结为一个根本问题：成本。哥伦比亚大学全球能源政策中心高级研究员胡里奥·弗里德曼认为，绿色氢气面临的唯一真正的挑战就是价格。每年生产的7000万吨氢气和在美国的管道运输显示，分配和使用氢气的技术问题是“简单的，第三方合理理解的，”他说。

目前在美国，绿色氢气的成本是天然气的三倍。而且生产绿色氢气的费用远高于灰氢或蓝氢，因为电解法相对昂贵，尽管随着制造规模的扩大，电解器的价格正在逐渐下降。目前，灰氢的成本约为1.5欧元（1.84美元）每公斤，蓝氢为2至3欧元每公斤，绿色氢气为3.5至6欧元每公斤。

弗里德曼详细阐述了降低绿色氢气价格的三种关键策略，以促使更多人购买：

1. 支持创新，开发新型氢气生产和使用方法。他指出，国会刚通过的刺激法案将提供此支持，以帮助降低未来几年的燃料电池和绿色氢气生产成本。
2. 为氢气提供价格支持，例如投资税抵免或生产税抵免，类似于那些为风能和太阳能设立的支持，帮助降价。
3. 设定限排标准。例如，当前一半的氨气用于肥料生产。弗里德曼表示：“如果设定‘我们对低碳氨气有排放标准’，那么人们就会开始使用低碳氢气来生产氨气，而他们目前不使用，因为成本更高。但如果有规定要求，实施就容易得多。”另一种监管选择是政府可以决定采购绿色氢气，并要求所有军事燃料中的某一百分比使用绿色氢气。

绿色氢气的未来

麦肯锡研究报告预计到2030年，美国氢气经济可能产生1400亿美元的收益，并创造70万个工作岗位。

弗里德曼认为，未来五到十年，尤其是在欧洲和日本，绿色氢气将得到广泛应用。然而，他表示，现有基础设施的局限会很快显现——无论是管道基础设施还是输电线路，因为绿色氢气的制造将需要比现在多300%的电力产能。“我们将遇到电解器的生产限制、电力基础设施、港口制造及运输能力的限制，以及重塑产业的速度限制。”他说，“我们没有人力资源，也没有足够的基础设施。再过一段时间才能实现那些目标。”

许多专家预测，全面采用绿色氢气将需要十年时间；然而，弗里德曼维持，十年的预测是基于多个假设：“它建立在电解器的大规模制造上，而这在全球都未实现。也建立在一系列尚未做出的政策改变上，这些改变会支持市场。此外还建立在那些市场驱动的基础设施变化上。”

美国及全球的一系列绿色能源项目正在努力解决这些挑战并推动氢气的采用。以下是一些例子：

加利福尼亚州将在2030年之前为氢能项目投资2.3亿美元，世界上最大的绿色氢项目正在加州兰开斯特由SGH2能源公司建设。该创新工厂将利用废气化工艺，每年焚烧4.2万吨回收的纸浆，生产绿色氢气。由于不利用电解和可再生能源，该氢气将具有与灰氢竞争的成本。

西部氢能联盟成立，汇聚重型氢能和燃料电池行业的领导者，旨在开发和部署燃料电池技术及基础设施，覆盖13个西部州。

氢能欧洲工业协会正在开发基于生物质气化的纯氢生产工艺，利用作物和森林剩余物。该协会认为，生物质在生长过程中会从大气中吸收二氧化碳，因此其净碳排放量相对较低。

由比尔·盖茨共同创立的突破能源公司正在投资名为“欧洲绿色氢气加速中心”的新绿色氢气研发项目，旨在缩小当前化石燃料技术与绿色氢气之间的价格差距。突破能源还投资于开发氢燃料航空的ZeroAvia公司。

12月，联合国启动了绿色氢气加速倡议，聚合全球七个最大的绿色氢项目开发商，目标是将绿色氢气生产成本降低至每公斤2美元以下，并在2030年前将生产量提升50倍。

最终，绿色氢气能否实现其承诺与潜力，取决于汽车制造商、加氢站开发商、能源企业和政府在接下来几年内的投入意愿。

然而，既然不采取行动应对全球变暖并非选项，绿色氢气有着巨大的潜力。弗里德曼对此未来持乐观态度，他表示：“绿色氢气非常令人兴奋，因为我们可以在每个行业中使用它。它令人兴奋，因为它解决了最棘手的问题——工业和重型交通。它有趣，因为成本在不断降低，且有很多方式能生产零碳氢气，包括蓝氢和绿氢。我们甚至可以生产负碳氢气从生物氢气。”他补充说：“20年前，我们并没有真正拥有或掌握这些技术，如今我们可以做到。”

如需更多信息，请访问 hydrogen gas tube。