我們常將氫能視為綠色能源革命的先鋒，它熱值極高，燃燒也最為清潔。然而，想要真正將氫能 “氣候友好” 的制造和利用，仍然面臨重重阻隔，其間困頓，亟待全球學(xué)界與業(yè)界的共同探索。

五十多年前，加載著(zhù)液氫/液氧發(fā)動(dòng)機的土星五號將三位宇航員送上月球，邁出了人類(lèi)的一大步。在劉慈欣的《流浪地球》中，12000座行星發(fā)動(dòng)機里燃燒的也是氫，帶著(zhù)地球流浪的美好憧憬，助推人類(lèi)星辰大海的瑰麗夢(mèng)想。

雖然地球帶不走，但氫的火焰從21世紀就沒(méi)有停止過(guò)燃燒。氫能，作為一種高熱值、燃燒時(shí)不產(chǎn)生溫室氣體的能源，對于促進(jìn)全球經(jīng)濟脫碳將發(fā)揮不可或缺的作用。在氫能?chē)L試描繪的清潔能源未來(lái)藍圖中，它可以為鋼鐵、水泥和化肥生產(chǎn)提供動(dòng)力；供能燃料卡車(chē)、火車(chē)、船舶和飛機；平衡風(fēng)光電力……根據6月22日國際能源署（IEA）發(fā)布的最新版《世界能源投資報告》[1]，自2019年底以來(lái)，聚焦氫能的籌資持續增加，領(lǐng)先公司的投資價(jià)值組合翻了兩番。IEA估計，到2030年，全球累計氫領(lǐng)域投資將達到6000億美元。

一場(chǎng)新的能源革命正在走進(jìn)現實(shí)嗎？答案或許不是完全的肯定。

1各國布局藍氫

2021年3月，英國石油公司公布了該國規模最大的氫能計劃，在英格蘭東北部Teesside興建 “藍氫” 工廠(chǎng)H2Teesside，目標在2027年前生產(chǎn)1GW氫 [2]。2021年10月，美國 Air Products 公司斥資45億美元于路易斯安那州設立藍氫能源綜合體工廠(chǎng)，日產(chǎn)藍氫7.5億標準立方英尺，預計于2026年投入運營(yíng) [3]。2022年3月，?？松梨谛?，在得克薩斯州貝敦煉化綜合基地建設一座藍氫廠(chǎng) [4]，每天將生產(chǎn)10億立方英尺的藍氫，以天然氣為原料，并由碳捕獲和儲存項目支持。

這些都是快速興起的氫能籌資項目的一部分，但它們并非完全 “氣候友好”。簡(jiǎn)言之，氫能主要被分為三種，灰氫、藍氫和綠氫?；覛涫峭ㄟ^(guò)化石燃料（例如天然氣和煤）制取的氫。這種類(lèi)型占全球氫產(chǎn)量的絕大部分，其碳排放量最高；藍氫是在灰氫的基礎上，應用碳捕捉與封存技術(shù)，實(shí)現低碳制氫；綠氫則是通過(guò)光伏發(fā)電、風(fēng)電以及太陽(yáng)熱能等可再生能源電解水制氫，制氫過(guò)程中基本上不會(huì )產(chǎn)生溫室氣體。

然而，高昂的成本讓市場(chǎng)對綠氫持觀(guān)望態(tài)度，因此，階段性平替藍氫在各國發(fā)展迅速。

圖1截至2021年11月的清潔氫（藍氫和綠氫）項目和投資|圖源：IRENA

不僅企業(yè)，國家層面也是如此。澳大利亞土地和風(fēng)光資源豐富，最有可能成為全球綠氫的主產(chǎn)國和主要出口國，然而，同樣作為化石能源大國的澳大利亞政府仍在積極推動(dòng)以天然氣為原料的藍氫項目。比如，與日本在澳大利亞維多利亞州拉特羅布河谷開(kāi)設聯(lián)合項目 “氫能供應鏈”，將澳大利亞褐煤轉化為氫氣，液化后運往日本。為此，日本川崎重工研發(fā)了專(zhuān)用的液氫運輸貨輪 “SUISO FRONTIER” [5]；預計該項目每年生產(chǎn)22.5萬(wàn)噸的氫。

俄羅斯、阿聯(lián)酋等一系列傳統能源出口國和石油天然氣巨頭在碳中和進(jìn)程的壓力下，都在推進(jìn)藍氫產(chǎn)業(yè)。藍氫燃燒潔凈，又將過(guò)程中排放的二氧化碳進(jìn)行了捕集和封存，成本相較綠氫要低很多，看起來(lái)是適合工業(yè)界的選擇。

然而，事實(shí)真的那么理想嗎？

2不是所有氫都是氣候友好的

2021年8月，Energy Science & Engineering一篇文章討論了藍氫溫和名字下隱藏的高昂碳排放。研究分析了藍氫全生命周期的溫室氣體排放，結果發(fā)現，藍氫的總二氧化碳排放當量?jì)H比灰氫少9-12%。雖然其二氧化碳排放得到了控制，然而，在利用天然氣的過(guò)程中，因未完全燃燒而逃逸的部分甲烷釋放，使其功過(guò)相抵。在20年的時(shí)間尺度內，甲烷導致的增溫強度是二氧化碳的86倍 [6]。

圖1從左至右分別為1.灰氫，2.藍氫（蒸汽甲烷重整捕獲，不捕獲煙道氣中的二氧化碳），3.藍氫（蒸汽甲烷重整捕獲，捕獲煙道氣中的二氧化碳），4.天然氣，5.柴油，6.煤炭二氧化碳排放當量比較（二氧化碳顯示為橙色，甲烷部分顯示為紅色，其甲烷泄漏率為3.5%）|圖源 [6]

根據美國國家大氣海洋局（NOAA）和夏威夷州 Mauna Loa 天文臺采集的全球大氣樣本， 2021年大氣中溫室氣體甲烷濃度創(chuàng )下了自1983年系統開(kāi)始監測以來(lái)的歷史最大年增幅，達到17ppb（10億分之一）?；剂系纳a(chǎn)和利用大約占甲烷總排放量的30% [7]。

事態(tài)的嚴峻性令人擔憂(yōu)，藍氫制造中的甲烷排放如果得不到妥善處理，不僅與灰氫相比并未減少多少碳排放，其碳足跡比天然氣或煤取暖都高出20%以上。一時(shí)間難以分辨，究竟誰(shuí)才是低碳能源？

研究者認為：“氫是一種清潔燃料，但前提是它必須以清潔的方式生產(chǎn)，并以清潔的方式使用?！?/p>

值得一提的是，在分析藍氫的碳排放時(shí)，研究已按照碳捕集與封存最佳效果設計。它假設被捕獲的二氧化碳可以無(wú)限期儲存到未來(lái)的幾十年甚至幾個(gè)世紀，然而，因為人類(lèi)尚未有如此漫長(cháng)的項目周期實(shí)踐，在商業(yè)規模上的項目能否達到如此之高的封存水平也是一個(gè)未知數 [8]。

國際可持續發(fā)展研究所聯(lián)合董事格雷格·穆蒂特解釋稱(chēng)：“天然氣的開(kāi)采和運輸都存在無(wú)組織排放和基礎設施泄漏，鑒于碳預算有限，我們負擔不起?！?[9] 因此，使用由天然氣生產(chǎn)的藍氫與直接使用天然氣相比，沒(méi)有任何減碳優(yōu)勢。研究者甚至認為：藍氫最好被看作是一種碳中和能源探索中的干擾和噪音，對藍氫的大力支持可能會(huì )拖延那些實(shí)現全球能源經(jīng)濟真正脫碳的必要行動(dòng)，就像頁(yè)巖氣作為一種橋梁燃料，以及一般的碳捕獲和封存作為所謂 “托底” 一樣 [10]。

英國智庫查塔姆研究所高級研究員丹尼爾·奎金說(shuō)，“碳捕集與封存的能源懲罰是一個(gè)巨大的挑戰，可能比許多開(kāi)發(fā)商愿意透露的要高得多?！?他指出，俄烏沖突后目前的高油價(jià)也將推高藍氫生產(chǎn)的價(jià)格，“即使能像沙特阿拉伯那樣直接獲得石油和天然氣，且不受全球價(jià)格波動(dòng)的影響，也仍然更傾向于出售天然氣而不是藍氫，因為這樣收益更大?！?[11]

但俄烏沖突同樣推動(dòng)了歐洲天然氣價(jià)格直線(xiàn)上漲。從2021年的6美元/美元/百萬(wàn)英熱單位（MMBtu），突破30美元/ MMBtu，這一數值完全在歐洲綠氫平準化成本區間之內，如果使用來(lái)自中國的電解槽，成本還能進(jìn)一步下降，提高了歐洲綠氫價(jià)格的競爭力[12]。雖然隨著(zhù)未來(lái)沖突平緩，天然氣依然會(huì )保持價(jià)格優(yōu)勢，這一事實(shí)也給予了綠氫重要的未來(lái)發(fā)展窗口期。

中國在3月印發(fā)的氫能中長(cháng)期規劃 [13] 也明確了綠氫發(fā)展的方向，參與氫能規劃編制的中國國際經(jīng)濟交流中心科研信息部部長(cháng)、能源政策研究所負責人景春梅告訴《知識分子》，和一些國家解決能源保供的訴求不同，我們國家發(fā)展氫能主要是服務(wù) “雙碳” 戰略，解決能源綠不綠的問(wèn)題。加上碳捕集在技術(shù)、商業(yè)模式上都還沒(méi)有完全成熟，市場(chǎng)大規模應用還有困難，不能滿(mǎn)足我們對于氫能的整體構畫(huà)和需求。

3大規模綠氫制備尚在探索

“以綠色低碳為前提，明確鼓勵的是綠氫?！?景春梅說(shuō)。

而最根本的限制條件來(lái)自于制備階段的效率和經(jīng)濟性。

綠氫制備目前僅占全部氫氣制造量的3-4% [14]，主要依賴(lài)于大規模風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電，然后通過(guò)電解水生產(chǎn)氫氣。該方式較為成熟，但也有著(zhù)能源轉換率較低、能耗較大等突出問(wèn)題。因此，針對綠氫制備，學(xué)界也在探索生物制氫、電催化、光催化等多種途徑。

尤其在中國，很多綠氫獨創(chuàng )性成果案例是基于其他反應副產(chǎn)物產(chǎn)氫而獲得研發(fā)靈感的，比如污水處理，在廢棄資源再利用的同時(shí)推動(dòng)綠色制氫研究。

早期氫氣往往是作為很多反應的副產(chǎn)物，最后被燃燒釋放，并沒(méi)有得到妥善的資源化利用。1990年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授任南琪發(fā)現了特定細菌在有機廢水處理中可以產(chǎn)生氫氣的現象。注意到這一細節之后，他將原目標 “處理有機廢水” 轉為 “產(chǎn)氫”，變廢為寶。并進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，建立了世界上第一條發(fā)酵法生物制氫生產(chǎn)線(xiàn) [15]。該方法兼顧低排放、資源利用和廢水處理，且氫氣制備成本壓在了每立方米1.4元以?xún)?，然而，畢竟是以有機廢水為原料，產(chǎn)量不能滿(mǎn)足工業(yè)需求，大范圍推廣仍有困難。

但污水處理工藝依然啟發(fā)了其他領(lǐng)域的制氫反應，例如光催化。以最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一項光催化產(chǎn)氫成果 [16] 為例，其起點(diǎn)仍然是污水處理。實(shí)驗獲得的PTA納米片具有較好的光催化活性，內建電場(chǎng)強度增強10.3倍，制氫效率達到118.9毫摩爾每小時(shí)每克，優(yōu)于30-40毫摩爾每小時(shí)每克的平均水平?！按送?，得益于有機材料的柔性，PTA與無(wú)紡布牢固結合制備成器件，光照下依舊保持優(yōu)異的產(chǎn)氫性能?！?其作者郭燕說(shuō)到。

還有比如微生物電解碳捕獲技術(shù)等，使污水處理變?yōu)樨撎挤磻?，但反應仍然高度依?lài)于有機廢水這一原料，難以實(shí)現大規模制氫應用?！皬U水里的有機物濃度是有限的，能被發(fā)酵細菌處理的部分則更有限”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區教授路璐說(shuō)。

有機廢棄物不僅有水，還有固體，比如塑料。數據顯示，2021年，我國年P(guān)ET塑料瓶消費量可達949萬(wàn)噸 [17]。針對這一豐富的廢棄資源，有研究采用非貴金屬電催化劑實(shí)現了對廢棄PET塑料的處理和利用，電催化反應轉化廢棄PET塑料為高附加值的對苯二甲酸、二甲酸鉀和氫氣 [18]。

該研究作者、清華大學(xué)副教授段昊泓告訴《知識分子》，當我們提到電催化，自然而然想到的就是電解水，但他關(guān)注電解水過(guò)程中陽(yáng)極的析氧反應。電解水分陰陽(yáng)兩極，其實(shí)是兩個(gè)反應在同時(shí)進(jìn)行。然而，這兩個(gè)反應所需要的原料卻不一樣，在這一過(guò)程中，真正的困難來(lái)自于陽(yáng)極緩慢的動(dòng)力學(xué)特征。

他打了個(gè)比方：“陽(yáng)極拖了后腿，想要推它一下加把勁兒，就得給它能源。因此這個(gè)過(guò)程最為耗電，在當下電能依賴(lài)于化石能源的基礎上，就產(chǎn)生了很多碳排放?！?/p>

他不去開(kāi)發(fā)陰極的高效催化劑，而是把陽(yáng)極的析氧反應替代掉，讓它替代成熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)更有利的陽(yáng)極反應，比如說(shuō)塑料降解?！斑@樣一方面，陰極產(chǎn)氫整體能耗降低了；另一方面，陽(yáng)極得到了比氧氣更有價(jià)值的苯二甲酸、二甲酸鉀等，同時(shí)也降解了廢舊塑料”。經(jīng)過(guò)初步的技術(shù)經(jīng)濟核算，處理一噸廢塑料，可以收入350美元，使得該反應有利于塑料的高附加值回收。

“整體而言，中國在堿水制氫技術(shù)上屬于全球優(yōu)勢的領(lǐng)跑狀態(tài)”，景春梅表示，“但是，該技術(shù)不太適應風(fēng)光資源的波動(dòng)性，一會(huì )兒有、一會(huì )兒沒(méi)有，嚴重影響制氫效率。而其他技術(shù)路線(xiàn)，我國普遍落后，涉及到質(zhì)子交換膜、碳脂這些關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料，技術(shù)上尚存瓶頸，還依賴(lài)進(jìn)口，所以導致成本高，項目不具有經(jīng)濟性”。

4遏制氫制備的碳排放，還只是個(gè)開(kāi)始

制氫領(lǐng)域的技術(shù)突破，僅僅是氫能經(jīng)濟性和氣候效益的一環(huán)。從氫能用的全生命周期來(lái)看，不僅是制取過(guò)程，其運輸部分也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

當前，氫運輸主要有如下幾個(gè)方式：高壓（拖車(chē)）運輸，液化運輸，低壓（管道）運輸等。而我國主要依賴(lài)于近距離的長(cháng)管拖車(chē)，其運輸重量在每車(chē)250-460千克不等 [19]，石油和液化天然氣的單車(chē)運輸量遠高于此。以單輛槽車(chē)37立方米的容積為例，液化天然氣密度因其組分不同在430-470千克/立方米不等，據此計算，單個(gè)液化天然氣槽車(chē)最高裝載量為17噸左右，遠高于氫氣長(cháng)管拖車(chē) [20]。

受成本和技術(shù)限制，長(cháng)管拖車(chē)仍然是以燃油車(chē)為主，燃油貨車(chē)滿(mǎn)載與空載之間的單位距離油耗有著(zhù)較大差距，受路況、車(chē)速、駕駛員操作水平等因素影響，以運量350千克的氣氫長(cháng)管拖車(chē)運輸時(shí)，百公里油耗約為2升 [21]，而載重為19.5噸的液化天然氣槽車(chē)百公里油耗為35升。

假設柴油車(chē)單位油耗碳排放相同，那么運輸一噸氣氫的碳排放，比運輸一噸液化天然氣要高出很多。即使算上氫的能量密度較高（約為天然氣的2.5-2.7倍），綜合比較下，排放仍然遠高于液化天然氣。倘若拖車(chē)全部技術(shù)升級換為燃料電池卡車(chē)，其排放問(wèn)題固然迎刃而解。

然而，出于防爆安全考慮，目前我國的法律法規不允許鋰電池車(chē)運輸氫氣，必須使用燃油車(chē)，鋰電池車(chē)的設計尚未達到氣體防爆的標準。以氫運氫是個(gè)好辦法，降低了燃油價(jià)格、做到了運輸零排放，但是目前還沒(méi)有類(lèi)似案例。

因此，若要解決運輸帶來(lái)的高排放問(wèn)題，轉為液氫及管道運輸非常必要。

液化氫氣并運輸需要保持溫度在-253°C以下，在長(cháng)途運輸中會(huì )有一部分不可避免的蒸發(fā)（典型估計為每天1%）[22]。液化過(guò)程本身耗能較多，每運輸1kg氫氣消耗7-10kWh能量。根據歐盟氫液化技術(shù)項目IDEALHY，當今的技術(shù)需要電能消耗為12kWh/kg液態(tài)氫（而液化1千克天然氣的設施和動(dòng)力耗電量則只有0.85kWh），大量的電能被消耗以滿(mǎn)足液氫的低溫條件，而氫氣本身的熱值只有33kWh/kg。

美國能源局2020年數據顯示，一度電的碳排放為0.386千克，因此液化1千克氫需要排放4.632千克的二氧化碳（不同國家有所不同），然而1千克天然氣燃燒的碳排放卻只有3千克 [23]。根據EMBER發(fā)布的2022全球電力評論，全球清潔能源發(fā)電量占據38%，而一度電還有62%來(lái)自于化石能源 [24]。在仍然大量依賴(lài)化石能源發(fā)電的當下，如果只是為了減碳，液化運輸的氫是得不償失的。

若要實(shí)現氫能的低排放運輸，利用管道運輸最為可取。然而，管道運輸成本較高，從單位能源輸送效率分析，小型氫能管道的單位能量的輸送費用是天然氣主干網(wǎng)的40倍，是特高壓電網(wǎng)的25倍，需要前期大量的基礎設施建設。目前而言，建造技術(shù)上也仍有諸多挑戰，能否達到成本與環(huán)境效益的雙贏(yíng)，還取決于未來(lái)的技術(shù)發(fā)展 [25]。

5問(wèn)題很多，信心仍在

當下氫能利用仍然面臨諸多考驗，無(wú)論在技術(shù)儲備、國家政策、市場(chǎng)，還是供應鏈層面，業(yè)內認為可能還需要一段時(shí)間。此言非虛，2000年前后創(chuàng )立的一些氫能技術(shù)企業(yè)，因為居高不下的造價(jià)，被迫將目光轉向氫燃料電池玩具車(chē)，用于家用玩具和學(xué)校教具。這類(lèi)產(chǎn)品在歐美、日本賣(mài)得非常好，利潤反哺其他產(chǎn)品的虧損，讓企業(yè)得以生存下來(lái)。如今支持政策增加，才逐步緩解這一 “曲線(xiàn)救國” 的現象。

但是，面對碳中和與碳達峰的壓力，部分行業(yè)（例如非電行業(yè)）可能沒(méi)有更好的清潔能源替代品?？紤]到生物質(zhì)能源、資源上的限制，以及碳捕捉與封存技術(shù)存在的不確定性，氫能及其產(chǎn)物（例如氨）仍是部分行業(yè)走向碳中和的必要選擇。

圖3承諾目標情景下，中國各項措施實(shí)現的能源體系二氧化碳減排量|圖源IEA：中國能源體系碳中和路線(xiàn)圖

氫航科技董事長(cháng)劉海力告訴《知識分子》，氫能規劃進(jìn)一步提升了產(chǎn)業(yè)界的信心，投資人也在相繼關(guān)注氫能發(fā)展。國家目標是2025年要部署約5萬(wàn)輛氫能車(chē)，地方政策和財政支持都會(huì )調動(dòng)企業(yè)的積極性。

景春梅也說(shuō)，這幾年，大家對于氫能抱有特別高的熱情，全球也逐步形成共識，認為氫能是走向碳中和的技術(shù)。但我國此前一直沒(méi)有表態(tài)對氫能是什么態(tài)度，甚至對其是不是能源都沒(méi)有定性。規劃發(fā)布相當于給國內外釋放一個(gè)信號，中國是支持氫能發(fā)展的，將會(huì )在四大領(lǐng)域推動(dòng)氫能應用?！耙巹澇隽艘院?，很多原來(lái)的項目加速落地了，此前，有時(shí)候更多是資本市場(chǎng)炒作，雷聲大、雨點(diǎn)小，真正真金白銀落地少；氫能規劃之后，這些項目落地速度加快?！?/p>

劉海力說(shuō)，過(guò)去我們提及的氫能主要還是灰氫。我國工業(yè)基礎雄厚，每年工業(yè)副產(chǎn)物產(chǎn)氫就達到一千萬(wàn)噸左右，而這種副產(chǎn)物制造的氫氣來(lái)源非常復雜，純度和碳排放也都差距很大。一些制氫企業(yè)過(guò)去是做焦炭的，并非清潔行業(yè)，但是根據減碳減污需求也在不斷進(jìn)行碳、硫、苯回收，甚至還能將回收的炭黑賣(mài)往國外?！斑@是一個(gè)走向環(huán)保低碳，將過(guò)去零價(jià)值產(chǎn)物再利用的過(guò)程，并非是為了造氫而造氫，用總比不用好。雖然目前還達不到碳中和的要求，但是要給產(chǎn)業(yè)界以時(shí)間?！?/p>

劉海力認為，減少氫能發(fā)展中的碳排放需要提高上下游和各環(huán)節的效率，也仰賴(lài)相關(guān)法規的推動(dòng)。中國在政策上，相較于發(fā)達國家仍有一定的區別。例如，對于氫氣的高壓氣瓶，發(fā)達國際允許70兆帕，而中國限制為35兆帕，可見(jiàn)相關(guān)規劃政策還有進(jìn)一步提升的可能性。無(wú)論是大功率的電解槽，還是加氫站的建造與設計，低碳節能效益仍有很大的提升空間。

另外，我國當前政策主要集中于氫能重卡這一比較細節的領(lǐng)域，對于其他運輸工具，例如氫能二輪車(chē)、氫能無(wú)人機等新產(chǎn)品以及對新產(chǎn)品的檢測與認證服務(wù)，仍缺乏相應的法律法規。簡(jiǎn)而言之，產(chǎn)品有了，能否上路還是個(gè)問(wèn)題，因為沒(méi)有規定，更沒(méi)有檢測和辦法執照的機制。

橫向對比來(lái)看，日本的政策更傾向于將氫作為能源本身，去支持探索氫能的更多利用形式，例如松下就在做基于氫能的家庭熱電聯(lián)控；英國也在給氫動(dòng)力航空較大的補貼。如何滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)界高速發(fā)展的需要，同時(shí)保證氫能利用的安全平穩，減少政府對與公共安全的擔憂(yōu)，需要在政策的支持下，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)一步合作。