氢在清洁能源系统中的作用

如果世界要避免气候灾难，全球必须迅速减少化石燃料的使用。世界上目前大多数能源可以用可再生电力来完成，比如制造钢铁和为飞机加油，一个潜在的替代方案是使用氢气。

国际能源署（IEA）表示，要到2050年实现净零排放，到2030年，全球能源系统每年将需要1.5亿吨“低碳”氢，到2050年将需要5.2亿吨。

目前，低碳或零碳氢的生产可以忽略不计。即使世界上宣布的所有工业计划都实现了，IEA 表示，到 2030 年，每年将仅生产约 1700 万吨低碳氢。

这位气候之家新闻解说员将回答以下问题：什么是氢以及它是如何制造的？氢是用来做什么的，氢可以用来做什么，应该用来做什么？氢气将如何改变我们的世界？

什么是氢气，氢气是如何产生的？

氢是一种无色无味的气体，化学符号为“H”，是宇宙中最丰富的化学物质。

氢是自然发生的，可以通过多种方式产生，对环境产生不同的影响。

绝大多数特制氢气是使用化石燃料制成的。大约四分之三来自甲烷气体，四分之一来自煤炭。氢也可以作为工业过程的副产品被提取。

煤炭是最脏的原料。将煤加热以产生含有氢气、一氧化碳和二氧化碳的气体，然后收集氢气进行销售。

根据 IEA 的数据，以这种方式生产氢气的碳足迹约为每公斤氢气 20 公斤二氧化碳 (Co2)。通过用蒸汽处理甲烷气体来制造氢气，大约有一半的碳足迹。

这两种方法都会释放二氧化碳。其中一些可以被提取和存储，这样就不会破坏大气。

实际可以提取多少氢气是有争议的。Equinor 和 Engie 等公司声称获得了其中的 95%，但斯坦福大学工程学教授 Mark Jacobson告诉气候之家，这个数字最多为79%。

生产氢气的唯一零碳方式是使用以无碳方式生产的电力，例如使用可再生能源或核能。

氢气是通过称为电解的过程产生的。电流通过水，将 H2O 分解为氢气 (H2) 和氧气 (O2)。氢气被捕获，氧气被释放到大气中。

虽然这样提取氢气是零碳的，但仍然会对环境产生影响，因为这种方法需要淡水。IEA的氢研究人员 Jose Miguel Bermudez-Menendez 警告说，最有可能产生剩余可再生能源的地区通常淡水最少。

他说，需要制定法规，以便绿色氢气生产商不使用淡水，而是将当地的水淡化。这不会显着增加生产商的成本，所以只要规则到位，“不应该是一个挑战”。

目前，更脏的氢的生产成本更低。根据IEA 的 2021 年氢气审查，绿色氢气的成本为每公斤3-8美元。从气体中制造氢气并捕获和储存一些二氧化碳排放物的成本为每公斤 1-2 美元。从气体中制造氢气而不捕获二氧化碳排放的成本为 0.5-1.7 美元。

预计这种差距会缩小。在 2050 年净零排放情景中，IEA 模型认为，到2030年，在拥有良好可再生能源资源的地方，绿色氢成本将降至每公斤1.2-3.5美元。高碳价格将有助于使绿色氢能与肮脏的替代品竞争。

IEA 的 Bermudez-Menendez 告诉气候之家，“低碳氢”的生产可能会“非常快速地”增加。

他补充说：“现在，这一速度是否与 [到 2050 年] [全球] 净零排放情景相一致，这是一个不同的问题”。

根据 IEA 到 2050 年全球净零排放的情景，到 2050 年，大约 60% 的氢气来自电解（主要来自可再生能源），40% 的氢气来自碳捕获气体。

氢气可以用来做什么？

氢气可以在交通、工业和供暖建筑中替代化石燃料。这三个部门占世界排放量的41% 左右。

仅仅因为它可以用于所有这些领域，并不意味着它应该如此。E3G 氢能分析师 Eleonora Moro 说：“它只能用于没有替代品的最终用途，尤其是没有更节能的脱碳选择”。

能源分析师 Michael Liebriech 将氢气的潜在用途从最理想到最不理想进行了分类。在最理想的情况下，他拥有很难以其他方式制造的产品——比如肥料和化学品。最不理想的是，他拥有可以轻松实现电气化的领域——比如汽车、供暖和火车。

这种区别在运输中最为明显。车辆越大，行驶得越远越快，电池就必须越大越强大，氢燃料电池就越适合作为替代品。

在陆地上，氢气比乘用车更适合公共汽车和卡车。

在海上，短途渡轮可以在目的地为电池充电，但电池不会将长途货船带到目的地。他们未来更有可能使用氢或氢衍生燃料，如氨。

在空中，将飞机保持在空中所需的电力将需要一个太重而无法飞行的电池。航空业主要关注由树木、植物和藻类等生物材料制成的“可持续航空燃料”。由提炼氢气制成的电子煤油是一种不会导致森林砍伐或与食物来源竞争的替代品。

运输和环境部的航空主管安德鲁·墨菲告诉气候之家电子煤油比生物燃料更可持续。但是，目前要贵得多。

在美国和欧盟，除非征收碳税（斜条纹），否则氢衍生燃料（橙色、蓝色、绿色）预计仍将比今天的喷气燃料（黑色）更昂贵。

与汽车一样，取暖和烹饪是氢可以替代天然气等化石燃料的领域，但通常不是最佳选择。英国能源研究中心主席彼得泰勒表示，这是氢的早期关注点，但“故事已经发生了变化”，他们很可能会用热泵代替电气化。

氢也可以取代工业中的化石燃料。唾手可得的成果是将已经使用氢的行业（如炼油和化学生产）从灰氢转变为绿氢。

炼油厂将原油转化为各种以石油为基础的产品，如汽油，并使用氢气来改善石油并去除杂质。他们使用的氢气中约有三分之一是其他工艺的副产品，其余的则是专门制造的。

制造塑料和化肥等化学品也涉及氨形式的氢。预计塑料对氢的需求将会增长，而绿色氢可以满足这一需求——尽管目前这样做的成本更高。

钢铁、水泥和玻璃制造等重工业更难转向绿色氢。所有这些产品都需要产生高温才能将某种东西变成其他东西——铁变成钢，沙子变成玻璃，熟料变成水泥。化石燃料是这种热量的主要来源，大约 65% 来自煤炭，20% 来自天然气，10% 来自石油。

大多数钢铁是在高炉中使用煤和焦炭制造的，它们会排放二氧化碳。该行业的排放量占全球排放量的11%，超过欧盟。

正在努力寻找经济上可行的方法来用氢制造无碳钢，但国际能源署表示，如果能够克服“技术挑战”，这是一个“长期”的雄心壮志。

“从长远来看，在技术上应该可以生产所有含氢的初级钢，”IEA 表示。但这样做需要大量的氢气，如果要成为绿色氢气，则需要大量的可再生电力。需要非常低的可再生电力价格才能使其与传统的炼钢方法竞争。

另一个远景是水泥。它是混凝土的关键成分，占全球排放量的4-8%。为了制造水泥，通常通过燃烧煤来加热称为熟料的材料混合物。

泰勒说：“虽然氢有可能取代至少部分用于水泥制造的煤炭，但仍有重大的技术和经济挑战需要克服，因此在未来 10 年内不太可能做出重大贡献”。

氢也可以用来发电。台湾最近预测，到 2050 年，其 9-12% 的电力来自氢。Bermudez-Menendez 表示，电力并不是氢的当务之急。

“更像是对脱碳过程的最新阶段的补充，对于很难脱碳的电力系统的最新部分。在短期内，可再生能源和电池是电力和工业迫切需要做的事情，氢的长途运输，”他说。

氢将如何影响地缘政治？

化石燃料，特别是石油和天然气，在世界各地分布不均。一些国家——如沙特阿拉伯、俄罗斯、挪威和委内瑞拉——有很多。其他国家，如欧洲和日本，则相对较少。

根据石油输出国组织 (OPEC)的数据，全球约 80%的已探明石油储量位于 14 个国家。这些国家将在替代石油和天然气的绿色氢能中失去优势，尽管一些国家（如沙特阿拉伯）也在试图接受它。

化石燃料储量的不平衡造成紧张局势，有时会升级为冲突。拥有化石燃料的国家可以将其用作政治杠杆，正如俄罗斯最近被指控对欧洲所做的那样，以及沙特阿拉伯在 1973 年对西方所做的那样。没有大量化石燃料的国家可能会在供应中断时诉诸暴力。

可再生资源，因此绿色氢的潜力，在世界各地分布更均匀。国际可再生​​能源机构 (Irena)预计，“氢业务将比石油和天然气更具竞争力，但利润更低”，“清洁氢不会产生与当今石油和天然气相媲美的回报”。

共同资助 Irena 报告的德国外交部制定了一项刺激全球市场的氢外交战略。特别顾问 Hinrich Thoelken 在柏林的一次会议上表示，他们正试图创造“一个能源不易被武器化的世界”。

虽然某些地区确实比其他地区拥有更大的可再生能源容量，但大多数国家都有太阳能或风能。可以廉价生产绿色氢的地区包括智利、澳大利亚、中东和北非以及南亚和中亚。绿色氢气生产成本更高的地区包括远北地区和热带雨林。

今天，氢气主要在使用点附近生产，全球贸易很少。没有氢气出口终端。到 2030 年，IEA 预计到 2050 年的净零值将低于 60。到 2050 年，它预测全球将有 150 个。

创建全球市场将取决于运输成本和标准制定。

国际可再生​​能源署 (Irena) 预见到氢的“双重市场”。氢气通过管道进行交易的区域市场和液化氢或氨气的全球市场，可以作为液体运输并在目的地再气化。

现有的天然气管道可以重新用于输送氢气。但这在技术上既困难又昂贵，涉及对压缩机和阀门的改造。氢气生产者和消费者的地理分布并没有映射到甲烷气体网络上。

俄罗斯北部和加拿大等产气区分别通过管道与欧洲和北美相连。但这些地区是最没有希望生产绿色氢气的地区。另一方面，具有高绿色氢潜力的地区——如撒哈拉以南非洲——的天然气管道很少。

在没有管道的地方，氢气可以从气体变成液体并装载到船上。第一艘运载煤制氢的此类船舶于 1 月份运送了第一批货物。许多化石气体的运输方式与液化天然气相同。

氢也可以转化为氨，一种液体，并被运输。这种氨既可以转化为氢气，也可以用于某些行业，例如制造化学品或用作运输燃料。

除了运输之外，缺乏标准可能会成为全球贸易的障碍，因为氢的购买者需要知道它是以零碳方式生产的。

尽管存在贸易壁垒，欧洲、北美和东亚的富裕国家仍在寻找氢源。例如，德国在 2022 年上半年与印度和阿联酋等国家签署了支持绿色氢能发展的协议。

对于印度来说，它符合到 2030 年每年生产 500 万吨绿色氢的使命，阿达尼和信实工业公司也参与其中。对于阿联酋来说，这是使经济远离石油和天然气的战略的一部分，尽管氢永远不会带来同样的超级大国地位。 

应对气候变化的唯一出路就是使用清洁能源，目前已知的最有可能的替代能源就是氢气，排除障碍，还能看到彩虹。