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氫氣是救星還是幻想?

2022-01-17 來源:經濟學人 瀏覽數:300

氫氣的誘惑力顯而易見。當通過純氧助燃時,它會產生無害的水蒸氣,而不是二氧化碳,其實際的溫室氣體排放量為零。氫的潛在應用范圍也是五花八門。每升或每克氫所提供的能量要遠高于電池,因此成為了向飛機、火車、汽車和輪船發動機提供動力的公認候選能源。氫還可以儲存能量,因此可以在發電方面發揮潛在作用,并可充當太陽能和風能等可再生能源的間歇性供應后備能源。

氫氣的誘惑力顯而易見。當通過純氧助燃時,它會產生無害的水蒸氣,而不是二氧化碳,其實際的溫室氣體排放量為零。氫的潛在應用范圍也是五花八門。每升或每克氫所提供的能量要遠高于電池,因此成為了向飛機、火車、汽車和輪船發動機提供動力的公認候選能源。氫還可以儲存能量,因此可以在發電方面發揮潛在作用,并可充當太陽能和風能等可再生能源的間歇性供應后備能源。

氫氣可以儲存幾個月,而不會損失很多能量(技術概述,以功率和時間計算):

氫氣也在重工業中尋找用武之地。目前,鋼鐵生產排放占全部工業二氧化碳排放量的近四分之一。瑞典目前正在試用一種零排放的替代方案,該方案將改用清潔燃燒的氫氣。正是這種環境可持續性和應用靈活性的結合,促成了對氫氣使用量激增的預測,并推動著實驗性氫能公司的估值飆升。

資料來源: 摩根士丹利 (Morgan Stanley)

氫能面臨的挑戰

問題在于我們從前也探索過氫利用,而且不止一次。通用汽車公司在 20 世紀 60 年代制造了其第一輛氫動力汽車。再往前 10 年,在冷戰開始時,美國空軍部門在邁阿密北部秘密建造了世界上最大的液化氫工廠,作為開發氫燃料飛機計劃的一部分。

每一次,氫氣都遭遇了成本和復雜性問題,導致這種氣體難以作為一種燃料得到商業化。從排放的角度來看,我們首先要考慮到并非所有氫氣都是天然相同的。使用氫氣可能不會產生二氧化碳,但為了生產這種氣體,我們需要將氫分子從其所在的化合物中分離出來。

目前,大多數氫氣是通過在高溫下重整甲烷 (CH4) 生產的,但這會產生二氧化碳這種副產物。電解是一種無排放的方法,電流通過水 (H2O),將氫與氧分離。但是,除非電力來自可再生能源,否則同樣會有環境代價。

斯坦福大學伍茲環境研究所 的 Mark Jacobson 指出: “ 氫是一種清潔燃料,但前提是它必須以清潔的方式生產,并以清潔的方式使用。

關鍵的一點是,由可再生能源發電生產的“綠色”氫氣目前只占全球氫氣供應的 1% 左右。至少就目前而言,這也是迄今為止最昂貴的氫氣來源,但未來如果可再生能源發電的價格下降這一現狀可能得到緩解。

2018 年按生產來源劃分的氫氣生產成本

資料來源: 國際能源署 (International Energy Agency/IEA)

隨著電解器技術的改進和大規模部署,成本可能會下降。但另一個擔憂是,制氫可能僅僅意味著將可再生能源從其他用途中分流出來。電解的效率也并不是特別高,這會導致立即損失 30% 的能量。

除了燃料來源以外,氫氣還面臨著與其他低排放能源相同的挑戰。例如,在運輸方面,氫氣比柴油或汽油占用的空間更多,因此需要更大的儲存罐,影響了經濟性。雖然氫氣可以像天然氣一樣使用管道傳輸,但目前沒有現成的充氣站網絡。

由于缺乏明顯的商業化路徑,一些大公司在氫燃料應用方面的熱情不及政府。法國和德國已承諾為開發氫氣技術合計提供 160 億歐元資助,但對于即使是 10 年內出現氫燃料汽車的想法,大眾汽車公司 (Volkswagen) 首席執行官 Herbert Diess 最近也表示不能認同。

將氫氣變成一種全球性的燃料也將意味著發展船舶運輸。日本和澳大利亞公司正在澳大利亞南部開展合作,在 -253°C 的溫度下將氫氣液化,以便裝船。這需要巨額的資本投資。Ad van Wijk 教授指出,氫氣還可以轉化成氨或存儲在液態有機氫載體中運輸。

這次“氫能熱”是否會有不同?

有一個簡單的理由讓我們相信這次氫能熱真的可能會有所不同,盡管存在挑戰,但氫能源仍可能成為主流。該論點出自一個簡單的前提: 沒有其他選擇。

過去的氫氣商業化工作由對能源獨立的希望驅動,或屬于對油價上漲的反應——換言之,當地緣政治緊張局勢消退時,這些激勵因素就很容易煙消云散。這一次,世界各國政府對于減少二氧化碳排放紛紛作出了長期承諾,鑒于氣候變化帶來的生存威脅,這些承諾不太可能動搖。他們也在為這項技術投入真金白銀,去年有 15 個國家/地區的政府以及歐盟宣布了氫能計劃,通常包括對該行業提供補貼。

代爾夫特理工大學 (Delft University of Technology) 的 Ad van Wijk 教授表示: “2020 年確實是各國/地區制定具體想法和戰略的一年。這包括堅定承諾將氫氣納入能源組合。福島事件后,日本曾表示‘我們將繼續使用核電,但我們也需要另一種能源’。”

換言之,有兩種動力在發揮作用: 政府正在為一個對排放目標至關重要的行業撒錢,而各大公司則對于采用一種目前尚不賺錢的燃料舉棋不定。政府的支持將有望最終刺激研究、降低成本,并使之變得經濟劃算。

越來越多商界和投資界的智庫正是押注于此,其決策的假設根據就是: 沒有氫氣就無法實現排放目標。例如,殼牌 (Shell) 等石油巨頭正開始重金投資于生產綠色氫氣的電解器。一些包含有形技術創新的研究成果也紛紛涌現出來。例如,在德國,研究人員找到了一種以漿糊形式儲存氫氣的方法。這種方法不再需要通過超級冷卻將氣體液化,以便運輸,并提供一種更方便的材料來輸入燃料電池。

將氫氣作為燃料進行部署仍然面臨很大的技術挑戰。但世界各國的動員舉措正在滲透到公司的決策中,并為克服這些挑戰提供了絕佳機會。

閱讀上文 >> 氫能概念不斷升溫 行業駛入快車道
閱讀下文 >> 新能源汽車: 10個最熱點、未來技術路線圖 | 歐陽明高院士

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