氢能革命如何帮助拯救地球——以及它为何不能

炽热的液态铁河永不停息。在瑞典北部这家钢铁厂，每天每夜，金属都从一个巨大的90米高高炉底部的孔洞中倾泻而出。同样无情的是，一股二氧化碳气流从顶部喷涌而出。

二氧化碳是高炉吞噬的煤炭的废弃物。SSAB公司首席技术官马丁·佩表示，每生产一吨用于制造钢铁的铁，这座高炉就会产生1.6吨二氧化碳。SSAB公司拥有位于吕勒奥的这家工厂。世界上有数百座类似的高炉，其中大多数排放量更大。加上该行业其他能源密集型步骤，就清楚地表明，钢铁制造导致了全球7%的温室气体排放，根据一些估计，这与全球所有乘用车尾气的排放量相当。

但在距离吕勒奥高炉几百米远的地方，有一个较小的高炉，它以低得多的碳污染来炼铁。这项试验技术用氢气取代煤炭，只释放水蒸气。“这是炼钢的新方法，有了它，原则上我们可以消除所有的二氧化碳，”佩说。

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氢气制钢路线并非完全无污染；将铁转化为钢的其他步骤仍然会排放一些二氧化碳，而且铁矿石必须开采。尽管如此，去年，该厂借助瑞典丰富的低碳电力（来自水电、核电和风电）生产的氢气，生产出了世界首批“绿色钢铁”。该试验工厂由HYBRIT拥有，HYBRIT是SSAB在2016年与瑞典公用事业公司Vattenfall和国家矿业公司LKAB成立的合资企业。

使钢铁绿色化只是氢气现在有望帮助世界经济脱碳的方式之一。尽管有些人吹捧氢气作为交通运输燃料的用途，但它不太可能在该领域或供暖领域产生太大影响，因为电池和电力已经提供了更高效的低碳解决方案。相反，氢气最大的贡献将是清理工业流程，从生产塑料和肥料到提炼碳氢化合物。这些行业传统上被认为是更难脱碳的，并且受到的媒体、投资者和政策制定者的关注较少。

氢气也可能在能源生产中找到用途。由氢气制成的液体燃料有一天可能会为航空旅行和航运提供动力。氢气甚至可以帮助电力网脱碳：过剩的太阳能或风能可以转移到制氢，然后氢气可以用于其他工业流程，或者仅仅用于储存能量。通过这种方式，氢气有望成为经济许多不同部门之间的桥梁。

“氢气之所以独特，是因为它在生产方式和使用方式上都具有多功能性，”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的化学工程师达里克·马拉普拉加达说。

急于实现净零排放目标的政策制定者已经开始大力推动氢能发展，尤其是在美国和欧盟。在某些情况下，他们正在补贴低碳氢的价格；在其他情况下，他们为氢气生产商或使用氢气的行业提供税收抵免。

部分原因是，对氢能项目的投资正在经历繁荣期。布鲁塞尔的行业组织氢能委员会估计，已经宣布的数百个大型氢能项目可能带来到2030年高达2400亿美元的投资——尽管到目前为止，其中只有十分之一是完全完成的交易。该委员会认为，到2050年，氢气和氢能技术市场每年的价值将达到2.5万亿美元。

分析师现在预测，到本世纪中叶，世界氢气产量将增加五到七倍（见“氢气来源”）。这应该有助于减少世界的碳足迹——但这只有在该氢气本身是在不增加二氧化碳排放的情况下获得的情况下才成立，就像吕勒奥试点项目那样。

炒作之前就围绕着氢气。但这次涉及的资金量让许多专家认为，氢气真的会起飞。分析师表示，转型不需要新技术：它已经过尝试和测试，尽管科学进步将有助于加速转型。

“氢能革命正在发生——这次是真的，”落基山研究所（RMI）的经济学家奥列克西·塔塔连科说，该研究所是科罗拉多州博尔德市的一个可持续发展智库。

从哪里开始？

氢气生产已经是一个规模庞大且污染严重的行业。国际能源署（IEA）估计，每年生产约9400万吨（Mt）氢气。几乎所有的氢气都来自天然气等化石燃料。天然气中的甲烷（CH₄）与氧气反应，转化为氢分子和二氧化碳。后者随后被排放到大气中——每年排放9亿吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放量的2%以上，与印度尼西亚和英国的年度排放总量相当。分析师将这种污染性氢气称为“灰色”氢气。

世界已经生产的氢气主要用于基本行业的化学加工步骤。例如，它与空气中的氮气混合以制造氨（NH₃），氨是肥料的成分。石油化工厂使用氢气去除石油中的硫，或将石油中的一些较大碳氢化合物分解为较小的碳氢化合物。在化学工业中，氢气被用于制造大量产品，例如甲醇（CH₃OH），而甲醇又被用于合成无数其他化学商品。

“在我们把氢气定位为应对气候变化的解决方案之前，我们首先必须把氢气作为气候变化中的一个问题来处理，”伦敦利布雷希联合公司能源顾问兼首席执行官迈克尔·利布雷希在10月份于荷兰鹿特丹举行的世界氢能大会上发表主旨演讲时说。

通过从化石燃料制氢释放的一些二氧化碳可以被捕获并储存在地下深层地质储层中。以这种方式脱碳的氢气被称为“蓝色”氢气。但蓝色氢气的批评者指出，它并不能阻止所有二氧化碳排放，而且制造蓝色氢气意味着继续开采天然气，而天然气开采本身就带来环境方面的负面影响。

另一种制氢方法几乎可以完全不产生碳排放。这是拥有200年历史的水电解技术：电解槽通过在镀催化剂的电极之间运行电流，从H₂O中提取H。如果为该过程供电的能源是可再生能源，则生成的产品称为绿色氢气。绿色氢气有可能实现零排放，或至少接近零排放。

决定清洁氢气转换速度的关键因素将是电解槽的成本。国际能源署、清洁能源分析师彭博新能源财经和其他组织预测，随着电解槽越来越多地在自动化装配线上制造，而不是手工制造，电解槽的成本可能会迅速下降——到2030年下降超过三分之二。

这就是为什么分析师预测，即使没有税收减免等补贴，绿色氢气的制造成本也将从现在的每公斤5美元左右降至未来的每公斤1美元。这将使其与灰色氢气具有竞争力，灰色氢气的制造成本可能低于每公斤1美元（当战争没有像欧洲那样抬高天然气价格时）。即便如此，多项研究预测，随着需求激增，未来几十年，很大一部分氢气需求将需要通过蓝色氢气来满足。

转型将需要大量的可再生能源。如果电解槽的效率为100%，那么仅用可再生能源产生的电力取代今天使用的灰色氢气，每年就需要超过3000太瓦时（TWh）的电力；实际上，所需的电力更可能超过4500太瓦时。这与美国一年的发电量相当。更重要的是，国际能源署设想的未来是，在其到本世纪中叶实现净零排放的世界情景中，清洁氢气的年度电力需求将上升到14800太瓦时。

尽管如此，清洁能源正在以惊人的速度增长。例如，彭博新能源财经预测，到2024年，世界预计将有能力每年生产近1太瓦的光伏板：仅此一项就可以满足当今年度电力需求的七分之一。国际能源署表示，总体而言，世界低排放电力供应量已注定到本世纪中叶增加两倍以上——尽管对于2050年实现净零排放的世界而言，甚至需要更积极的扩张（参见go.nature.com/3nxtvhj）。

钢铁升级

在所有工业碳排放大户中，钢铁是最大的排放者之一——氢气可能在钢铁行业产生最大的影响。佩说，人们多年来一直试图在生产过程中使用氢气，但无法扩大规模。但在2016年左右，就在大多数国家签署《巴黎气候协定》，承诺将全球变暖控制在前工业化水平以上2°C以内的时候，佩开始在SSAB牵头进行氢气研究。很明显，钢铁脱碳对于瑞典履行其巴黎承诺至关重要。SSAB不是主要的钢铁生产商，但仅SSAB就占瑞典二氧化碳排放量的10%。“每个人都知道，如果SSAB不能成功消除这些排放，瑞典就不会成功，”公司发言人米娅·维德尔说。

炼钢最困难的问题是它涉及到从铁矿石中提取铁——铁矿石本质上是铁锈，含有氧化形式的铁。在高炉中，氧原子从铁锈中剥离出来，留下液态铁。为了做到这一点，矿石与焦炭（煤炭的衍生物）或木炭一起熔化。这种燃料的主要功能实际上不是熔化矿石，而是从矿石中夺取氧原子，这是一个化学还原过程，其热力学成本是熔化岩石成本的六倍以上。这个过程导致大量二氧化碳的释放。

SSAB考虑过诸如捕获排放的二氧化碳并将其储存在地下等想法，但得出的结论是这太昂贵了。相反，它选择了氢气路线。氢气可以扩散到固体铁矿石球团内部并去除氧气，这个过程称为直接还原铁（DRI），它在600°C下进行，而不是高炉的1500°C以上（参见“更绿色的钢铁”）。

DRI在HYBRIT开始使用氢气进行此过程之前很久就已存在：今天的一些钢铁就是通过这种方式使用天然气制造的，但这会导致碳排放，而使用清洁氢气则可以避免碳排放。

HYBRIT在吕勒奥的试验非常成功，以至于SSAB决定将关闭高炉的日期从2045年提前到2030年，佩说。HYBRIT正在吕勒奥以北200公里的加利瓦雷镇建设其第一家全尺寸工厂，并已公开其研究成果，希望为整个行业创造动力，他说。从吕勒奥驱车半小时路程的地方，一家总部位于斯德哥尔摩的初创公司H2GreenSteel已为一个更大的工厂破土动工，并表示已提前售出150万吨产品。

由于冶炼厂可以使用几十年，能源分析师表示，如果各国要实现《巴黎协定》的目标，钢铁行业应立即停止建造新的高炉，而是开始用可用于氢气的直接还原炉取而代之。即使最初大多数使用天然气，它们也能够在未来三十年内随着氢气供应量的增加而逐步减少碳足迹。

“碳预算中没有新建高炉的空间，”气候工作基金会行业项目负责人丽贝卡·戴尔说，该基金会是加利福尼亚州旧金山的一个资助机构。

许多钢铁制造商正在采取DRI路线，尽管根据同样位于旧金山的非政府组织全球能源监测组织的数据，中国和印度正在计划建造新的高炉。然而，任务是如此艰巨，以至于包括彭博新能源财经在内的一些组织预测，到本世纪中叶，一些高炉仍将处于活跃状态，并且必须部署碳捕获技术来帮助减少其排放。

戴尔说，原则上，钢铁生产甚至可以完全电气化，避免制造氢气的需要，这可以进一步提高效率。电解可以分解氧化铁，几家初创公司，例如马萨诸塞州沃本的波士顿金属公司，正试图将其用于炼钢。然而，就目前而言，氢气是领跑者。“氢气方法的主要优势在于[它]获得真正清洁的炼钢所需的增量新技术最小，”戴尔说。

氢桥

芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学的能源系统分析师克里斯蒂安·布雷耶表示，从长远来看，氢气对减缓全球变暖的最大贡献可能是作为跨越不同活动——电力、建筑、制造和运输——的桥梁，使所有这些活动一起完全脱碳比每个部门试图单独脱碳更便宜。

这个互联网络中的关键节点将是发电。在这里，氢气可以帮助解决可再生能源的一个众所周知的缺点：尽管可再生能源丰富，但它们在时间和季节上的分布不均，并且常常是不可预测的。这使得各地区难以规划没有可再生能源的长期时期。

例如，从事未来电网供需平衡模拟研究的研究人员必须计划，如果欧洲寒冷、黑暗的冬天一周没有风，如何供电。科学家们为这种现象起了一个名字：Dunkelflaute，这是一个德语词，大致翻译为“黑暗萧条”。

电池将有助于平衡从一个小时到下一个小时的供需，但根据一些研究（例如，J. D. Jenkins等，Joule 2, 2498–2510; 2018），一旦风能和太阳能的份额超过电网电力结构的80%，使电网能够抵抗Dunkelflauten的成本就会变得极其昂贵。正在考虑的一种解决方案是建造足够多的额外风力涡轮机，以使电网度过即使是最平静的冬天，然后在一年中的大部分时间里使用它们来制氢。然后，这些氢气可以出售给工业客户——钢铁厂，或用于运输、航运和出口的液体燃料。

在一年中特别糟糕的时期，氢气可以再次用于发电，方法是在类似于天然气涡轮机的涡轮机中燃烧氢气，尽管这将非常浪费：电网只能获得最初用于制氢的电力的三分之一或更少。

与建造核电站或可能扩大地热能相比，这是否是为最后20%的电力脱碳最具成本效益的方式尚不清楚。联合国国际可再生能源机构等组织进行的区域特定研究表明，最佳组合可能因国家而异。

误解和谬论

尽管氢气有无数可能的应用，但这并不意味着它是解决所有问题的最佳方案。对于乘用车而言，电池已经在很大程度上赢得了这场竞赛，因为与携带氢气罐并将氢气的能量转换回电能相比，电池是一种更有效率且成本更低的解决方案。

另一个可能没有意义使用氢气的领域是作为家庭供暖的燃料。英国格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的土木工程师丽贝卡·伦恩说，如果氢气是灰色的——由天然气制成——那么它只会加剧全球变暖。她和其他人在英国国家工程政策中心（NEPC）于9月发布的一项研究中，将家庭供暖标记为氢气的一个有问题的用途（参见go.nature.com/3ut5mj5）。

但即使氢气是绿色的——由可再生能源产生的电力制成——直接使用电力通过例如热泵为家庭供暖，其效率也高达六倍，热泵通过从外部吸热，效率远高于100%。

伦敦帝国学院过程系统工程研究员尼莱·沙阿说，为了最快地减少排放，政策应优先考虑改善房屋隔热，这将减少对供暖能源的需求，无论其来源如何。沙阿领导了NEPC的研究。

氢气预测

过去几年，对低碳氢气的投资一直在飙升，但今年的事件引发了一场看似真正的繁荣。

在美国，《通货膨胀削减法案》为每公斤绿色氢气引入了3美元的税收减免，此外还有许多其他政策和氢气资金池。在欧洲，俄罗斯对乌克兰的侵略带来了一种新的紧迫感。今年3月，欧盟委员会设定了到2030年每年生产1000万吨氢气并进口额外1000万吨氢气的目标。许多其他主要经济体也制定了国家战略来发展氢气产能。

“一切都变了——整个等式，”RMI经济学家帕特里克·莫洛伊说。特别是美国的税收减免，已将那里的绿色氢气成本降至灰色氢气每公斤约1美元或更低，具体取决于地点（参见“清洁氢气的成本”）。RMI计算得出，这已经使氢基钢铁、氨和液体燃料与化石燃料的同类产品具有竞争力。

如果没有补贴，清洁氢气产品——如绿色钢铁——可能仍然比其污染严重的同类产品更昂贵。HYBRIT和H2GreenSteel没有透露他们预计其产品的制造成本是多少。政府也可能采取政策购买绿色钢铁，正如美国总统乔·拜登的政府已承诺根据去年12月通过的一项行政命令中的“购买清洁产品”条款那样做。

国际能源署预测，到2030年，全球氢气需求可能会增长20-30%。到目前为止，正在筹备中的低碳氢气项目将仅足以满足约四分之一的需求。这表明氢气扩张计划还不够雄心勃勃：为了使世界走上到本世纪中叶实现净零排放的轨道，到2030年需要约1.8亿吨的氢气产量，其中一半是低排放的。

但塔塔连科表示，全球绿色氢气产量有可能在2030年达到必要的水平。“我们应该非常有雄心。”

其他人警告说，推动氢能发展最终可能会促进非绿色氢能的发展，从而适得其反地增加二氧化碳排放量。特别是，欧盟委员会正在考虑的一项有争议的措施将淡化欧盟对绿色氢气的定义，允许部分使用化石燃料产生的电力来生产绿色氢气。

重组经济以适应氢气将带来社会影响。即使有补贴和巨额投资，一些地区的重工业在竞争中仍将处于不利地位。戴尔说，由于氢气比煤炭更昂贵且运输技术难度更大，钢铁制造等行业最终可能不得不搬迁到氢气可以廉价生产的地点。“它们甚至可能在不同的国家。”

她补充说，尽管这个问题和其他政治问题可能会减缓转型步伐，但不再存在任何无法解决的挑战。“在高收入国家和新兴经济体中，实现这种转型完全在我们的技术和经济能力范围之内，”戴尔说。

本文经许可转载，并于2022年11月16日首次发表。