能源

氢是新的石油?

在与电动汽车的对垒中,氢能或许已经败北,但它却有可能取代化石燃料,成为卡车、轮船、飞机和重工业的动力来源。
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长期支持核电的日本现在对氢能抱有巨大的野心。东京奥运会将以氢能为动力。图片来源:Alamy
长期支持核电的日本现在对氢能抱有巨大的野心。东京奥运会将以氢能为动力。图片来源:Alamy

东京奥运会若能在本月晚些时候顺利召开,将会以一种雄心勃勃的能源作为燃料——氢。不仅本届奥运圣火燃烧的是氢,奥运村也将以氢为能源。福岛核事故禁区内的6.8万块太阳能电池板为生产这些氢能提供电力。丰田的氢燃料电池轿车“未来”(Mirai)将是奥运会官方用车。

“1964年东京奥运会留下了新干线高速铁路作为其遗产,即将到来的奥运会的遗产将是氢能社会,”时任东京市长舛添要一2016年宣布

日本曾经是热烈的核能拥护者,现在则对氢能雄心勃勃。目前,日本已经建成了全球最大的加氢站网络,并计划用氢能替代炼钢等重工业所使用的化石燃料。它还在组织氢燃料进口方面抢先一步。2019年,川崎重工推出了全球首艘液化氢运输船“水素前线”号(Suiso Frontier),目标是利用澳大利亚颇具前景的氢气生产能力。

邻国韩国也有类似的计划。今年3月,汽车制造商现代以及SK集团等企业宣布了一项380亿美元的项目,计划在未来十年内发展氢能经济。

氢气若真能被广泛使用,那也将是一个漫长的过程。第一台氢燃料发动机早在1807年就被成功设计出来,19世纪60年代就有人提议用电解水制氢来代替煤炭。但长期以来煤炭和石油的价格都更加便宜。1937年兴登堡空难中一艘氢气飞艇爆炸更是给氢气冠上了不安全的恶名。

据称,发展全球“氢能经济”能够减缓碳排放引起的气候变化。氢能可以为卡车、轮船和飞机提供动力,也可以用来生产水泥、钢铁、化肥等产品。现代汽车燃料电池部门负责人金世勋(Saehoon Kim)去年在英国一家贸易协会主办的网络研讨会上称:“过去我们的技术和行业都围绕石油的采集、运输和使用,现在和未来则会围绕着阳光的采集、运输和使用——而让一切成为可能的是氢。”

有些人则对此持怀疑态度。阿伯丁大学化学工程师汤姆·巴克斯特(Tom Baxter)说:“氢能只会成为一种小众能源。”

巴克斯特补充说道,以目前的技术,氢能作为一种燃料,只有在温度需要达到400摄氏度以上的工业生产过程中才能体现它的优势。但在其他方面,绿氢通常会输给电能。“绿氢的成本永远不会低于生产它所需要的绿色电能,”他说。

绿氢、蓝氢,还是灰氢

氢气很少直接作为燃料,而是作为一种能量的载体,在能源价格低廉的地方生产,然后被运往世界各地有需要的地方。氢气通常被用于车辆引擎中的燃料电池,它与氧气混合后释放能量,并排放水蒸气。

过去两年间,电动汽车在与氢能汽车的竞争中抢得先机。大型汽车制造商大多推出了电动车型,其中一些,比如通用汽车,还承诺将在不超过15年后只生产电动汽车。它们还得到了政府支持,后者斥巨资建设充电网络。但对于长途航运、航空等化石燃料消耗巨大且不太容易接入电源的运输系统而言,氢能可能是降低碳排放的关键所在。

氢在驱动下一代小轿车方面或许已经输给了电力。图片来源:Ivan Radic / Flickr, CC BY 2.0

氢气每吨的热值高于所有化石燃料,且不需要电池。但生产氢需要消耗大量电力,因此氢的气候友好程度取决于生产其所使用的能源。因此,技术人员将氢气分成灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢使用天然气或煤炭生产,有着巨大的碳足迹。蓝氢同样使用化石能源生产,但是过程中产生的二氧化碳被捕获或再利用。绿氢则来自用可再生电力将水分解成氢原子和氧原子,因此完全没有碳足迹。

目前灰氢最便宜,主导着工业用途。中国的氢产量约占全球三分之一,主要使用褐煤生产。俄罗斯正计划使用本国储备丰富的天然气来生产灰氢和蓝氢。为了让氢能成为气候友好的化石燃料替代品,制造商必须捕获生产过程中产生的二氧化碳并予以封存,以免造成危害。然而,碳捕获与封存(CCS)技术仍有待完善。

阿伯丁大学的巴克斯特称,化石燃料公司正大力推动在汽车、家庭供暖等各个领域用氢能替代电能。石油巨头BP正计划在英国提赛德(Teesside)建造一座蓝氢工厂。据称,该工厂将采用碳捕获和封存技术,将生产过程中产生的二氧化碳封存在地下

大型石油公司的长期计划是将氢能作为汽油和柴油需求式微后潜在的收入来源。他们的替代燃料转型之路步子迈得极其缓慢。BP要在三年后才最终决定是否投资提赛德工厂,但实际建设预计将在2027年之后——只比英国计划实现新车全部电动化早三年。

如果取消这些(化石燃料)补贴,氢等替代燃料将更有可能被广泛推广。
葛思民, 空气化工首席执行官

“目前化石燃料之所以比氢能更便宜、更易获得,部分原因在于全球高达4000亿美元的化石燃料补贴。如果取消这些补贴,氢等替代燃料将更有可能被广泛推广,”美国工业气体公司空气化工(Air Products)首席执行官葛思民(Seifi Ghasemi)在今年在纽约举行的一场彭博社新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)的会议上说。

如果全球对发展低碳氢能经济是认证的,那么大规模生产绿色氢能才是正道。已经有一些国家打算成为“氢能行业的沙特阿拉伯”。它们利用价格低廉的可再生能源大规模生产氢,其中包括利用自身丰富的水电资源生产氢的加拿大和冰岛,后者还有地热能。摩洛哥正快速开发撒哈拉沙漠的太阳能,并打算利用其生产氢。

沙特阿拉伯也有自己的计划。该国近期宣布与空气化工公司合作,斥资50亿美元在红海沿岸建设一座绿氢工厂,并且还将在一片与比利时面积相当的沙漠上建设太阳能和风能发电设施,为其即将建成的全球最大的氢工厂提供能源。预计这座氢工厂将于2025年投入生产。

该项目将成为沙特阿拉伯王储、该国实际领导人穆罕默德·本·萨勒曼(Mohammed bin Salman)提出的生态城市计划——新未来城(Neom)的一部分。该项目生产的氢除了供应生态城之外,还将出口海外,最终取代国际市场上的沙特石油。

邻国阿曼制定了更宏大的计划,打算斥资300亿美元在阿拉伯海沿岸建设氢工厂。建成后,不仅可以出口绿氢,还将出口 “绿氨”,以取代用化石燃料生产的化肥。

有着类似雄心的澳大利亚计划建设五座巨型“氢能中心”。去年澳大利亚称,将在西澳大利亚一片比两个卢森堡面积还大的沙漠上建设绿氢生产设施,配备1000万块太阳能电池板和1500台风力涡轮机。

今年6月,该项目蓝图被部长们否决,原因是它可能对生物多样性构成威胁。目前,该项目处于搁置状态,但可能最终继续推进。与此同时,澳大利亚还计划在新南威尔士州名为“猎人谷”(Hunter Valley)的产煤区建设另一处绿氢中心,并计划利用维多利亚州拉特罗布谷(Latrobe Valley)出产的褐煤生产灰氢。这些计划的目标都是出口日本和亚洲其他地区。

谁将创造空中特斯拉?

最大的成就可能来自航空业。全球第二大飞机制造商空客公司去年发布了三款不同的零排放氢能源动力“概念”机型,并计划在2035年将其投入使用。与此同时,美国加州初创公司ZeroAvia推出了氢燃料驱动的六座试验机,并在去年秋天从英国克兰菲尔德机场(Cranfield airport)出发完成了首次试飞。今年四月该机坠毁,所幸无人受伤。它有可能成为“空中特斯拉”。“不使用氢,大幅减少二氧化碳排放就几乎不可能,”瑞典的一家工程研究中心保罗·谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的克里斯蒂安·鲍尔(Christian Bauer)说。“我想说的是,未来十年,我们将在这一领域看到可观的发展。

潜在供应商与主要市场之间的其他交易正在激增。丹麦风电公司沃旭能源(Orsted)与全球最大的航运公司马士基以及北欧航空公司签署协议,从2023年起利用北海的离岸风电生产绿色氢能,供哥本哈根地区的公共汽车和卡车使用,船只和飞机后续也将加入进来。

ZEROe Airbus concept aircraft
飞机制造商空客公司已经发布了有望成为全球首款商用零排放飞机的方案。这款飞机将配备两个混合动力氢涡轮扇发动机。图片来源:Alamy

这一切都将成为现实吗?怀疑者认为,搭建一个包括制造、运输和交付等环节的全球氢供应链过于繁琐、低效,尤其是必须从头开始建设基础设施。一些统计显示,这一过程会损耗掉约三分之二的能源。

“不止是供应侧,即氢基燃料的生产过程中会发生能效损耗。在需求侧,内燃机的能量浪费也比电动引擎高得多,”同样来自保罗·谢勒研究所的罗曼·撒切(Romain Sacchi)说。即便如此,氢能仍可作为长途货运的动力,他的同事鲍尔告诉中外对话:“现在一辆大卡车需要配备几吨重的电池才能行驶超过一百公里。”

波茨坦气候影响研究所(Potsdam Institute for Climate Impact Research)的法尔科·尤科尔德(Falko Ueckerdt)认为:氢气的可获得性“充满太多不确定因素,无法在汽车和家庭供暖等场景下广泛替代化石燃料”。因此,他认为全世界应优先考虑氢气作为不可替代的低碳能源的应用场景。随着全球将零排放作为目标,氢应该被用来消除最难消除的那10%左右的碳排放。

“初级钢材和氨的生产是绿氢恰当的切入点,”他说。氢能可以替代二者生产过程中不可或缺化石燃料,并提供能量。

但他提醒道,建筑物供暖等领域氢能需求的不断增长,可能会让廉价的蓝氢占据优势,导致“危及气候目标的化石燃料锁定效应”。

将氢基燃料作为通用的气候解决方案可能将被证明是一个虚假的承诺。“它们虽然用途广泛,但不应指望它们广泛替代化石燃料,”尤科尔德说。

“只有能源意义上行得通,氢能经济才能站得住脚,否则就会有更好的解决方案来征服市场。几乎所有的合成液烃都有现成的基础设施,而氢却需要一个全新的输配网络,”燃料电池顾问乌尔夫·伯塞尔(Ulf Bossel)和瑞士ABB公司研究员巴尔德尔·埃利亚松(Baldur Eliasson)在一份关于氢能经济的白皮书中指出。

至少在未来十年内,氢基燃料可能将供应有限且缺乏竞争力。

翻译:YAN