太阳能和风能或将引爆氢能源的复兴

在法国北部村庄卡佩勒拉格朗德，氢气在街道下的管道中流动，帮助为这里的 100 户家庭提供能源。在城镇中心附近的一条小路旁，一个小型金属棚屋内的新型电解槽机器利用风能和太阳能发电厂的电力分解水，产生“可再生”氢气，并将其注入已在管道中流动的天然气流中。通过取代部分化石燃料，氢气将社区的熔炉、热水器和炉灶的碳排放量减少了高达 7%。

卡佩勒拉格朗德的系统是巴黎能源公司 Engie 创建的活体实验室。该公司预见，随着电解槽以及可再生电力成本的持续下降，氢能源将大规模扩大。如果 Engie 的预测是正确的，将氢气混合到当地的燃气管网中可能会加速从化石能源向清洁能源的转型。

该公司并非孤军奋战。可再生氢是欧盟委员会到 2050 年实现净零碳排放愿景的核心。它也日益成为欧洲工业巨头的关注焦点。从明年开始，欧盟制造的所有新建电厂的涡轮机都应准备好燃烧氢气-天然气混合物，欧盟制造商声称，到 2030 年，这些涡轮机将获得 100% 氢气认证。与此同时，欧洲钢铁制造商正在试验使用可再生氢气作为其熔炉中煤炭的替代燃料。

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如果用可再生氢气为经济提供动力听起来很熟悉，那确实如此。大约一个世纪前，著名的英国遗传学家和数学家 J.B.S. Haldane 预测了一个由“大型发电站”输出氢气驱动的后化石燃料时代。这个愿景在本世纪初成为一种迷恋。2002 年，未来学家杰里米·里夫金 (Jeremy Rifkin) 的著作《氢经济》预言，氢气将催化一场新的工业革命。太阳能和风能将分解无限的资源——水——以产生氢气，用于电力、供暖和工业动力，良性氧气作为副产品。

乔治·W·布什总统在其 2003 年国情咨文中启动了一项耗资 12 亿美元的研究计划，旨在使使用氢气燃料电池的汽车在一代人的时间内普及。车库中的燃料电池也可以用作家庭备用电源。几个月后，《连线》杂志发表了一篇题为“氢气如何拯救美国”的文章，内容是通过摆脱对肮脏的进口石油的依赖。

即时进展未能达到宣传的高度。更便宜且快速改进的电池动力汽车抢走了“绿色汽车”的风头。2009 年，奥巴马政府将氢能工作搁置一边。奥巴马的第一任能源部长、物理学家和诺贝尔奖获得者朱棣文解释说，氢能技术根本没有准备好，燃料电池和电解槽可能永远不具备成本效益。

然而，研究并未停止，甚至朱棣文现在也承认，一些障碍正在逐步清除。卡佩勒拉格朗德的示范项目只是一个小项目，但全球范围内，尤其是在欧洲，数十个规模越来越大、雄心勃勃的装置正在启动。正如国际能源署最近的一份报告指出的那样，“氢能目前正享受着前所未有的政治和商业势头，世界各地的政策和项目数量正在迅速扩大。”

这一次，推动电网和重工业脱碳——而不是交通运输——正在推动人们对氢能的兴趣。“能源建模界的每个人都在非常认真地考虑深度脱碳，”德国卡尔斯鲁厄理工学院的能源系统建模小组负责人汤姆·布朗说。城市、州和国家正在规划到 2050 年或更早实现近净零碳排放的道路，这在很大程度上是通过采用低碳风能和太阳能电力来实现的。

但这种战略存在两个通常不为人知的问题。首先，现有的电网没有足够的容量来处理淘汰化石燃料发电厂所需的大量可再生能源。其次，在漫长的黑暗或无风天气中，仍然需要备用发电厂。如今，这种备用电力来自天然气、煤炭和核电厂，电网运营商可以轻松地调高和调低这些电厂的功率，以平衡可再生能源供应的下降和激增。

氢能可以发挥相同的作用，其倡导者表示。当风能和太阳能充足时，电解槽可以使用部分能源来产生氢气，氢气被储存起来以备不时之需。然后，燃料电池或涡轮机将储存的氢气转换回电力，以支撑电网。

深度减排还意味着为无法简单地插入大型电源插座的经济领域（例如重型运输）寻找替代燃料，以及为目前以石油、煤炭和天然气为基础的化学品和材料寻找替代原料。“太多人被误导，认为电气化是所需的全部[碳]解决方案，”加州大学欧文分校的能源专家杰克·布劳威尔说，他二十多年来一直在为他所在地区的污浊空气设计解决方案。“我们的许多州机构和立法者已经买账了，”他说，但没有考虑如何解决能源存储或为工业提供燃料的问题。

可再生氢能能否使清洁能源电网切实可行？它能否成为工业的可行选择？即使不知道氢能能否快速且经济实惠地扩大规模，一些有趣的赌注也正在下注。

黑暗低迷期

少数几个押注用太阳能和风能取代煤炭和天然气的国家已经显示出压力的迹象。2018 年，可再生能源提供了德国约 40% 的电力，尽管波动巨大。在某些日子里，风能和太阳能发电量超过了该国电力总量的 75%；而在其他日子里，这一比例降至 15%。电网运营商通过调整化石燃料和核电厂、水电站水库和大型电池的输出量来管理这种峰值和低谷。风能和太阳能也日益超出德国拥挤的输电线路的承受能力，迫使电网运营商关闭一些可再生能源发电机，仅在 2017 年就损失了 14 亿欧元（15 亿美元）的能源。

未来更大的问题是，各国在计划逐步淘汰化石燃料发电厂（以及德国的核电厂）后将如何应对。在黑暗和无风时期，电网运营商如何保持照明？德国的能源建模师发明了一个术语来形容这种可再生能源干旱：dunkelflauten，或“黑暗低迷期”。天气研究表明，美国和德国的电网必须补偿长达两周的 dunkelflauten。

更强大的输电网可以通过在大型区域甚至大陆之间输送电力来帮助应对 dunkelflauten，从而在特定日子里将风力强劲或阳光充足地区的电力输送到遥远的平静或多云地区。但电网扩建是一个缓慢的过程。在整个德国，电力线路的增加落后于计划数年，并受到社区抗议的困扰。在美国，类似的反对意见阻止了新线路获得批准。

因此，在一些专家看来，dunkelflauten 使风能和太阳能看起来风险很高。例如，麻省理工学院的能源建模师在 2018 年进行的电网模拟预测，随着电网向 100% 可再生能源转型，成本将呈指数级增长。这是因为他们假设必须安装大型、昂贵的电池并始终保持充电状态，即使这些电池每年可能只在少数几天甚至几个小时内使用。

加州的一个学术团队在 2018 年得出了类似的结论，他们发现，即使有大型输电线路和电池，太阳能和风能也只能满足美国约 80% 的电力需求。该团队成员、卡内基科学研究所的气候科学家 Ken Caldeira 在该研究发布时表示，肯定需要其他电力来源。

某些欧洲专家表示，麻省理工学院和加州的研究过于短视。几十年来，欧洲研究人员一直在从电网扩展到更广阔的视野，考虑现代社会使用的全部能源。以罗斯基勒大学物理学家 Bent Sørensen 和几位丹麦门生为先驱，此类“综合能源系统”研究结合了电网、天然气和氢气分配网络、交通运输系统、重工业和中央供暖供应的模拟。

模型显示，耦合这些部门可以提供运营灵活性，而氢气是实现这一目标的有力途径。从这个角度来看，如果使用氢气来存储能源以应对 dunkelflauten，并且没有麻省理工学院预测的价格跳跃，那么 100% 可再生能源电网可能会成功。

一些美国电网研究排除了氢能存储，因为它在今天成本很高。但其他建模师表示，这种想法是错误的。例如，大约十年前发布的许多电网研究都低估了太阳能，因为它当时价格昂贵——这是一个错误的假设，因为此后太阳能的成本大幅下降。布朗等欧洲模拟考虑了预期的成本降低，当他们计算消除碳排放的最便宜方法时。结果是电解槽的扩建降低了可再生氢的成本。

在模型中，电解槽首先扩大规模，以取代化学工厂和炼油厂在各种加工步骤中使用的天然气制氢。能源专家称之为“灰色”氢气的制造每年在全球范围内释放超过 8 亿吨二氧化碳，这相当于英国和印度尼西亚排放总量之和，据国际能源署称。用可再生氢取代灰色氢可以缩小工业用氢的碳足迹。一些氢气还可以取代重型卡车、公共汽车和火车消耗的天然气和柴油。尽管燃料电池在汽车方面难以与电池竞争，但对于重型车辆来说，燃料电池可能更实用；卡车开发商 Nikola Motor Company 表示，其商业化的半挂牵引车在充满燃料电池的情况下可行驶约 800 至 1,200 公里（500 至 750 英里），具体取决于各种设备和牵引因素。

如果工业和重型运输采用可再生氢，则可能会出现区域氢网络来分配氢气，并且它们还可以向为电网提供备用电力的发电厂供应无碳气体。这就是综合能源模拟中发生的情况：随着更多可再生氢的产生和消耗，大规模分配网络发展起来，这些网络将数月量的气体存储在大型储罐或地下洞穴中，就像今天存储天然气一样，成本低于电池储电。“一旦你承认氢能对其他行业很重要，你就会得到电力行业的长期存储，作为一种副产品，”布朗说。

芬兰 LUT 大学的 Christian Breyer 的模拟生动地体现了这一观点。在他的团队最新的 100% 可再生能源情景中，该情景于 2019 年与国际科学家和议员组织能源观察组织共同发布，燃烧储存氢气的发电厂启动以填补最深 dunkelflauten 期间的电网空白。“它们是最后的手段，”布雷耶说。“如果没有这些大型涡轮机，我们在一年中的某些时段将无法拥有稳定的能源系统。”

在布雷耶的模型中，制造和储存氢气所需的风能和太阳能中，只有不到一半被转换回电力，损失很大，氢气涡轮发电机组每年大部分时间都处于闲置状态，只有在每年几周内才会使用。但氢气到电力转换的效率低下并不会造成经济上的崩溃，因为这种途径很少使用。布雷耶说，该方案是整个能源系统最经济的解决方案，并且与许多电网今天使用天然气发电厂的方式没有太大不同。“几十年来，一直存在一些发电厂，这些发电厂每隔几年才启动一次，”他说。

改造后的管道

即使今天的可再生氢气发电量微乎其微，欧洲也指望氢气来实现其能源系统的脱碳。欧盟委员会预计，到 2050 年，可再生能源在欧洲电力供应中的比例将上升到 80% 以上，并得到超过 50 吉瓦电解槽的支持——相当于约 50 座核电站的容量。成员国也在设定自己的目标。法国呼吁其氢气消费行业到 2022 年改用 10% 的可再生氢气，到 2027 年改用 20% 至 40% 的可再生氢气。

如果没有鼓励企业启动电解槽大规模生产的政策，这些目标将难以实现。将氢气混合到天然气管道中是一个起点，因为它使用了现有的基础设施。工程师们长期以来一直认为，分子氢——最小的分子且高度活泼——会降解或逸出现有的天然气管道。但最近的研究表明，混合高达 20% 至 25% 的氢气不会从这些管道中渗出或损坏这些管道。欧洲国家允许混合，意大利、德国、英国和其他地方的公司正在数十个地点注入氢气，以帮助为客户的加热器、炉灶和其他电器提供燃料，只要氢气含量保持在 25% 左右，这些电器就不需要进行改造。

Engie 的项目经理 Hélène Pierre 表示，Engie 在卡佩勒拉格朗德进行混合已有一年多，没有发生任何事故或遭到反对。她说，公众的接受度得益于广泛的监测，监测表明，使用混合燃料的家庭空气更清洁；她指出，添加氢气可以改善电器中的燃气燃烧，从而减少不完全燃烧天然气时产生的污染物（如一氧化碳）的含量。

欧洲下一波可再生氢气项目可能会将产量推向更大的规模。法国和德国的工业联盟正在寻求为 100 兆瓦的电解槽提供融资和授权，这比目前运行的最大电解槽大 10 倍。两个大型电解槽项目正在争夺政府支持，以促进德国西北部城市林根周边的区域氢经济发展，林根是两家炼油厂的所在地。一个涉及大型公用事业公司 Enertrag 以及几家德国最大的能源和工程公司的项目可能会为全国氢气网络提供蓝图。该项目利用了现有的天然气基础设施，但不是通过混合的方式。相反，其想法是改造备用燃气管道，将可再生氢气输送到当地的炼油厂以及发电厂，甚至是一个计划中的燃料电池汽车加气站。“我们的想法是建立一个 100% 的氢气管网，”该项目合作伙伴之一、该地区燃气管网运营商 Nowega 的总经理 Frank Heunemann 说。

Nowega 可以重复使用一些空管道，因为该地区有两个天然气网络。一个网络输送几乎全是甲烷的标准天然气。另一个网络最初是为了输送当地高硫化氢天然气而建造的，氢气会使某些钢管变脆。Nowega 正在逐步淘汰当地的天然气，留下空的钢管，Heunemann 说这些钢管应该能够承受与纯氢气的任何反应。欧洲能源供应商 RWE 将建造该联盟的主要电解槽，并计划在其林根发电站燃烧部分氢气输出。工程巨头西门子计划优化该电站的四台燃气轮机之一，使其能够处理纯氢气。

该联盟也在考虑扩张。林根距地下盐穴约 48 公里，这些盐穴是为储存天然气而创建的。Heunemann 说，将林根的部分氢气储存在其中一个深度超过 1,000 米的洞穴中，可能是合乎逻辑的下一步。（氢气已经以大规模方式储存在德克萨斯州和英国的洞穴中。）

Nowega 还设想了一个 3,200 公里的管道网络，该网络可以覆盖德国大部分钢铁厂、炼油厂和化学品生产商。该计划的中心是改造最初为输送富氢“城市燃气”（由煤炭生产）而建造的天然气管道，这种燃气在 20 世纪 60 年代之前在欧洲很常见。Heunemann 说，历史上能够应对 50% 氢气的管道也应该可以“用于 100% 氢气”。

未来尚不确定

欧洲对可再生氢气日益增长的兴趣并非独一无二。自 2014 年以来，日本一直在规划一项长达数十年的向“氢能社会”转变的计划，该计划已纳入官方能源政策。日本的首批目标之一——展示高效进口氢气的技术——定于 2020 年开始，从文莱（一个位于婆罗洲的富含天然气的小国）运送灰色氢气。澳大利亚的竞争政党正在制定相互竞争的计划，向日本出口氢气。2019 年 12 月，澳大利亚各州和地区的能源部长通过了一项国家氢能战略，国家政府宣布了一项 3.7 亿澳元（3.7 亿澳元；2.52 亿美元）的氢能刺激计划。

即使在美国，也有复苏迹象。联邦政府再次为氢能技术设定目标，一些能源公司正在投资，一些州也在提供支持。洛杉矶可能是一个领导者。洛杉矶市长埃里克·加希提 (Eric Garcetti) 于 2019 年 4 月公布的“洛杉矶绿色新政”承诺该市到 2030 年实现 80% 的可再生电力，到 2050 年实现 100% 的可再生电力。市长正在推进建设太阳能发电场的计划，并且还在建设一座新的天然气发电厂，以确保该市拥有备用电源。该发电厂可以改造成燃烧可再生氢气；大约 125 公里的管道已经将灰色氢气输送到该地区的炼油厂。在为该地区港口大约 16,000 辆货运卡车重新供能的计划中，燃料电池正在与电池竞争。用氢气而不是柴油为这些卡车提供燃料可以显着改善洛杉矶雾蒙蒙的天空。

布劳威尔说，当加州寻求消除碳排放时，整个州都需要更深入地思考能源问题。根据劳伦斯伯克利国家实验室的预测，到 2025 年，该州每年可能会浪费超过 8 太瓦时的可再生能源潜力——布劳威尔说，加州应该将这些能源储存为氢气，以净化其炼油厂并满足夏季热浪期间飙升的电力需求。

其他专家也同意氢能可以将这些点连接起来。能源未来倡议组织最近的一项研究呼吁加州利用可再生氢气和其他低碳燃料提供的“巨大价值”，该智库由前麻省理工学院核物理学家欧内斯特·莫尼兹领导，莫尼兹曾担任奥巴马的第二任能源部长。该研究得出结论，如果没有这些燃料，加州的减碳目标可能无法实现。

许多潜在问题仍然可能阻碍或阻止氢能基础设施在加州、欧洲和其他地方的扩大规模。一个长期存在的问题是公众焦虑。氢气极易燃，而且事故时有发生。去年夏天，一个有故障的阀门导致挪威一个燃料电池汽车加气站发生氢气爆炸。混凝土防爆墙最大限度地减少了人员伤亡，但媒体报道立即质疑氢能能否在事故中幸存下来。2019 年 11 月，加州州长加文·纽森要求该州公用事业委员会加快关闭一个地下储气设施，该设施四年前发生为期四个月的天然气泄漏事件，导致数千个家庭撤离。

所有能源选择都存在风险，社区的反对意见使许多通往无碳能源的道路变得复杂。在许多地方，公众并不热衷于核能、输电线路或风力涡轮机。然而，电解槽的成本可能是可再生氢能未来面临的最大挑战。为了开始取代工业中的灰色氢气，可再生氢气的生产成本需要从今天的每公斤 4 美元或更多降至 2 美元或更少。多项研究表明，如果电解槽成本继续像过去几年那样下降，这种情况可能会在 2030 年之前发生。

研究还表明，如果没有政府激励措施，这种模式可能不会出现。国际能源署在最近的一份报告中指出，氢能需要与促进太阳能和风能早期部署相同的政府支持——这些行业现在每年吸引超过 1000 亿美元的全球投资。该机构写道，这些例子表明，“政策和技术创新有能力建立全球清洁能源产业。”

改进的技术可能正在到来。一类新型电解槽正在进入市场——固体氧化物电解槽，它比行业领先的质子交换膜电解槽多生产近 30% 的氢气，Engie 正在使用这种电解槽。前能源部长和怀疑论者朱棣文现在是斯坦福大学的教授，他正在研究一种新型电解槽，该电解槽依靠更紧密的组件间距和其他技巧来更快地生产氢气，同时减少能源消耗。朱棣文表示，这些变化可能会“在运营成本方面产生巨大差异”。朱棣文说，这只是他逐渐接受氢能的又一个原因。