氢能源现在炒作非常厉害，中国在这方面尤其明显，氢能源论坛几乎每个月都有召开。但是大家谈论的问题本质往往在于投资，科普效果不错，学术效果含糊。许是本人鲁笨或不认真，至少我参加了许多次氢能源会议，但长进并不大。真正把接近核心问题讲清楚讲明白的都去参加其他会议了。氢能源涉及三大问题，氢气的制备，氢气的存储，氢气的使用，这都知道。氢气制备有三种情况，灰色是产碳的，蓝色是消减碳的，绿色是不产碳的。氢气的存储有三种情况，固体存储，液体存储，高压气体存储，各有优缺点。氢气的使用有三种情况，能源转化，工业原料和氢燃料电池。能源转化主要是作为电能物理存储载体，解决电能存储困难，就是把暂时多余以氢气方式存储起来，使用的时候再变成电，这是非常好的应用领域。工业原料有两个方面，许多共同过程都需要氢气材料，但用量并不大，最巨的是超高碳排放的大厂，本文提到的炼钢厂就是典型，其实氢气是代替碳做氧化铁的还原剂，好处是不需要排放二氧化碳，是最重要的氢气能源应用场景。主要是规模效应高，能在碳中和方面发挥真正的作用。争议最大的是氢燃料电池在乘用车方面的应用。这种燃料电池车本质是一种电池，是用氢气作为化学能载体的分体式电池。因此和其他材料电池如锂电池是最直接的竞争对手。所以最大声音的批评就来自传统电池技术追随者和利益者。

孙学军读后感，2022，11，17

位于瑞典最北部的钢铁厂，日夜每时每刻，金属都从一个90米高的巨大高炉底部的洞中涌出。同样无情的是，一股二氧化碳从顶部喷出。 二氧化碳是高炉吞噬的煤的废物。SSAB公司拥有这家工厂。SSAB公司的首席技术官Martin Pei说，每生产一吨铁用来炼钢，这个熔炉就会产生1.6吨二氧化碳。世界上有数百座类似的鼓风炉，其中大多数的排放量更大。再加上钢铁行业的其他能源密集型环节，我们就可以清楚地知道，钢铁制造造成了全球7%的温室气体排放，据一些人估计，这相当于全球所有乘用车的尾气排放总和。 

但在离Luleå熔炉几百米远的地方，有一个较小的炼铁炉，碳污染少得多。这项试点技术用氢气代替煤炭，只释放水蒸气。“这是炼钢的新方法，有了它，我们原则上可以消除所有的二氧化碳，”裴说。

氢制钢的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，且开采铁矿石也需要消耗能量。尽管如此，去年，这个地方在瑞典大量的低碳电力的帮助下生产出了世界上第一个“绿色钢铁”，这些电力来自水力发电、核能和风能。该试点工厂属于HYBRIT，这是SSAB于2016年与瑞典公用事业公司Vattenfall和国家矿业公司LKAB组建的合资企业。

How the hydrogen revolution can help save the planet — and how it can’t (nature.com)

让钢铁生产变得绿色低碳，只是氢现在有望帮助世界经济脱碳的方式之一。虽然有些人吹捧氢可以用作交通燃料，但它不太可能对交通或供暖产生太大影响，因为电池和电力已经为这些领域提供了更有效的低碳解决方案。相反，氢的最大贡献将是清洁工业过程，从生产塑料和化肥到精炼碳氢化合物。传统上，这些行业被认为是更难脱碳的行业，较少受到媒体、投资者和政策制定者的关注。 

氢也可能被用于能源生产。有朝一日，由氢制成的液体燃料可能为航空和航运提供动力。氢甚至可以帮助电网脱碳:多余的太阳能或风能可以被转移到制造气体中，然后用于其他工业过程或仅仅用于储存能量。通过这种方式，氢气有望成为许多不同经济部门之间的桥梁。

位于剑桥的麻省理工学院的化学工程师Dharik Mallapragada说:“氢在某种程度上是独一无二的，因为它在生产和使用方式上具有多样性。”

急于实现净零排放目标的政策制定者已经开始大规模推广氢燃料，尤其是在美国和欧盟。在某些情况下，他们补贴低碳氢燃料的价格。在另一些国家，为氢生产商或使用氢的行业提供税收抵免。

部分原因是，对氢项目的投资正在经历热潮。布鲁塞尔的一个工业组织氢理事会估计，到2030年，已经宣布的数百个大型氢项目可能达到2400亿美元的投资——尽管到目前为止，这些项目中只有十分之一是完全完成的。该委员会认为，到2050年，氢和氢技术的市场价值将达到每年2.5万亿美元。

分析人士现在预测，到本世纪中叶，全球氢气产量将增长5到7倍。这应该有助于减少世界的碳足迹——但前提是氢气本身是在不增加二氧化碳排放的情况下获得的，就像在Luleå试点项目中所做的那样。

之前就有关于氢的炒作。但这一次涉及的资金数量在许多专家看来表明，它真的会成功。分析人士表示，这一转变不需要新的技术:它已经被尝试和测试过，尽管科学进步将有助于加快这一转变。

“氢革命正在发生——这次是真的，”洛基山研究所(RMI)的经济学家Oleksiy Tatarenko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。

从哪里开始呢?

制氢已经是一个规模庞大、污染严重的产业。国际能源署(IEA)估计，每年约有9400万吨(Mt)的天然气被生产出来。几乎所有的能源都来自天然气等化石燃料。天然气中的甲烷(CH4)与氧气反应生成氢分子和二氧化碳。后者被排放到大气中——每年9亿吨，或超过世界二氧化碳排放量的2%，相当于印度尼西亚和英国的年排放量总和。分析人士将这种污染氢称为“灰色”。 

世界上已经生产的氢气主要用于基本工业的化学处理步骤。它与空气中的氮混合，产生氨(NH3)，例如，化肥的一种成分。石化炼油厂使用氢从石油中去除硫，或将石油中较大的碳氢化合物分解为较小的碳氢化合物。在化学工业中，氢被用于制造大量的产品，比如甲醇(CH3OH)，而甲醇又被用于合成无数其他化学产品。

“在我们把氢定位为气候变化的解决方案之前，我们首先必须把氢作为气候变化的一个问题来处理，”能源顾问、伦敦Liebreich Associates的首席执行官迈克尔·里布瑞奇(Michael Liebreich)在10月于荷兰鹿特丹举行的世界氢大会(World hydrogen Congress)上发表主题演讲时说。

化石燃料制氢过程中释放出的部分二氧化碳可以被捕获并储存在地下的深层地质水库中。以这种方式脱碳的氢被称为“蓝色”。但批评蓝色氢气的人士指出，它并不能阻止所有的二氧化碳排放，而且制造蓝色氢气意味着继续提取天然气，这对环境也有不利影响。

另一种制造氢的方法几乎是完全无碳的。这是一种有200年历史的电解水技术:电解器通过在镀催化剂的电极之间通电从水中提取氢气。如果用于驱动这一过程的能源是可再生的，产生的产品被称为绿色氢气。绿色氢气有可能实现零排放，或者至少接近零排放。

决定清洁氢转换速度的一个关键因素将是电解槽的成本。国际能源署、彭博清洁能源分析机构和其他组织预测，因为电解液的生产线越来越自动化，而不是手工制造，电解槽成本可能会迅速下降，到2030年下降超过三分之二。

这就是为什么分析家预测制造绿色氢气的成本将从现在的每公斤5美元下降到未来的每公斤1美元，即使没有税收减免补贴。这将使其与灰色氢气相竞争，后者的生产成本每公斤不到1美元。即便如此，多项研究预测，随着需求的激增，未来几十年，很大一部分氢需求将需要蓝色氢来满足。

这种转变需要大量的可再生能源。如果电解效率达到100%，仅用绿色氢气取代今天使用的灰色氢气，每年就需要3000太瓦时(TWh)以上的可再生能源电力。在现实中，所需的电力更有可能超过4500太瓦时。这相当于美国一年的产量。更重要的是，国际能源署设想，在本世纪中叶实现净零排放的情况下，清洁氢的年电力需求将上升到14800太瓦时。

尽管如此，清洁能源仍在以惊人的速度增长。例如，BloombergNEF预测，到2024年，全球预计将拥有每年生产近1太瓦光伏电池板的能力。仅这一能力就可以满足目前每年电力需求的1 / 7。总体而言，到本世纪中叶，全球低排放电力供应将增加两倍多

在所有的碳排放行业中，钢铁行业是最大的碳排放行业之一，而这也是氢气可能产生最大影响的行业。裴说，人们多年来一直试图在这个过程中使用氢气，但一直无法扩大规模。但在2016年，就在大多数国家签署了巴黎气候协定，承诺将全球变暖控制在比工业化前水平高不到2摄氏度的时候，贝聿铭开始在SSAB带头进行氢研究。显然，钢铁脱碳对瑞典实现其在巴黎的承诺至关重要。SSAB并不是瑞典主要的钢铁生产商，但它的二氧化碳排放量却占了瑞典的10%。“所有人都知道，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·威德尔(Mia Widell)说。

炼钢最难的问题是要从铁矿石中提取铁——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(煤的衍生物)或木炭熔合在一起。这种燃料的主要功能实际上不是熔化矿石，而是从矿石中获取氧原子，这是一种化学还原过程，其热力学成本是熔化岩石的六倍多。这一过程导致了大量二氧化碳的释放。 

SSAB考虑过捕获排放的二氧化碳并将其储存在地下等想法，但认为这将太昂贵。相反，它选择了氢路径。氢可以在固体铁矿球团内部扩散并去除氧气，这一过程被称为铁的直接还原(DRI)，该过程发生在600°C，而不是高炉的1500°C以上(见“绿色钢铁”)。 

DRI早在HYBRIT开始在这一过程中使用氢气之前就已经存在了:现在的一些钢铁是用天然气以这种方式生产的，但这会导致使用清洁氢气可以避免的碳排放。

裴说，HYBRIT的Luleå试验非常成功，SSAB决定将关闭高炉的日期从2045年提前到2030年。他表示，HYBRIT正在Luleå以北200公里的Gällivare镇建设其第一家全规模的工厂，并已将其研究结果公开，希望为整个行业创造动力。在距离Luleå半小时车程的地方，一家名为H2GreenSteel的斯德哥尔摩初创公司已经破土动工，建造了一座更大的工厂，并表示已经提前销售了150万吨产品。

由于冶炼厂可以使用几十年，能源分析人士说，如果各国要实现巴黎协定的目标，钢铁行业就应该立即停止建造新的高炉，转而开始用准备氢的直接还原剂取代它们。即使大多数公司最初使用天然气，在未来30年氢气供应增加的同时，它们也能逐渐减少碳足迹。

“碳预算中没有给新高炉的空间了，”丽贝卡•戴尔(Rebecca Dell)说，她是气候工程基金会(ClimateWorks foundation)的行业项目负责人，该基金会位于加州旧金山，是一家资助机构。

据同样位于旧金山的非政府组织全球能源监测(Global Energy Monitor)称，许多钢铁制造商正在走DRI路线，不过在中国和印度，新的高炉正在计划中。然而，这项任务是如此艰巨，以至于包括BloombergNEF在内的一些组织预测，到本世纪中叶，一些鼓风炉仍将活跃，必须部署碳捕获来帮助减少它们的排放。

戴尔说，原则上，钢铁生产甚至可能完全电气化，从而避免制造氢气的需要，这将进一步提高效率。电解可以分解氧化铁，一些初创公司，如马萨诸塞州沃本市的波士顿金属公司，正试图将其应用于炼钢。然而，就目前而言，氢气是领先者。戴尔表示:“氢技术的主要优势在于，(它)获得真正清洁炼钢所需的新技术增量最小。”  

从长远来看，氢对减缓全球变暖的最大贡献可能是作为连接不同活动——电力、建筑、制造和运输——的桥梁，使它们一起完全脱碳比每个部门单独脱碳要便宜，芬兰拉佩兰塔-拉赫蒂理工大学的能源系统分析师Christian Breyer说。

这个互联网络的关键节点将是发电。在这方面，氢可以帮助解决可再生能源的一个众所周知的缺点:尽管储量丰富，但它在时间和季节的分布并不均匀，而且常常是不可预测的。这使得区域在没有它的情况下进行长期规划变得很棘手。

电动汽车和电池:世界将如何生产足够的产品?

从事模拟工作的研究人员试图平衡未来电网的供需，他们必须计划，例如，在欧洲寒冷黑暗的冬天，如果一周没有风，该如何供电。科学家们为这种现象取了一个名字:Dunkelflaute，一个德语单词，大致翻译为“黑暗的无风带”。

根据一些研究，电池将有助于平衡供需，从一小时到下一小时，但一旦风能和太阳能的份额超过电网电力组合的80%，使电网对邓克尔弗劳顿的弹性变得非常昂贵。一种正在考虑的解决方案是建造足够多的风力涡轮机，使电网即使在最安静的冬天也能运行，然后在一年的大部分时间里使用它们来制造氢气。然后，这些氢可以出售给工业客户——钢铁厂，或作为运输、航运和出口的液体燃料。

在一年中特别糟糕的时候，它可以通过在类似于用天然气运行的涡轮机中燃烧来再次发电，尽管这将是非常浪费的:电网只能回收最初用于制造氢气的电力的三分之一或更少。

目前还不清楚，与建造核电站或扩展地热能相比，这是否是去除最后20%电力碳的最经济有效的方法。联合国国际可再生能源署(United Nations International Renewable Energy Agency)等组织针对特定地区进行的研究表明，最佳组合可能会因国而异。

神话和误解

尽管氢有无数可能的应用，但这并不能使它成为解决所有问题的最佳方案。对于乘用车来说，电池已经在很大程度上赢得了这场竞赛，因为与携带一罐氢气并将其能量转换为电能相比，电池是一种更高效、更便宜的解决方案。

另一个使用氢气可能没有意义的领域是作为家庭取暖的燃料。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) 9月份发布的一项研究(见go.nature.com/3ut5mj5)中指出，家庭供暖是氢的一个有问题的使用。

但是，即使氢气是绿色的——由可再生能源发电产生——直接使用这些电能为家庭供暖的效率也要高出六倍，例如，通过从外部吸收热量，热泵的效率要远远高于100%。

伦敦帝国理工学院(Imperial College London)过程系统工程研究员尼莱·沙阿(Nilay Shah)说，为了最快地减少排放，政策应该优先考虑改善住宅隔热，这将减少对供暖能源的需求，无论其来源是什么。沙阿是NEPC研究的负责人。

在过去几年里，对低碳氢的投资一直在飙升，但今年发生的事件似乎引发了一场真正的热潮。在美国，《通货膨胀削减法案》为每公斤绿色氢气提供了3美元的税收减免，此外还有许多其他政策和针对这种气体的资金。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(European Commission)制定了到2030年每年生产1,000万吨H2并增加进口1,000万吨的目标。许多其他主要经济体已经制定了发展氢能的国家战略。  “一切都变了——整个等式，”RMI经济学家帕特里克•莫洛伊表示。尤其是美国的税收优惠政策，使得绿色氢气的成本降到了灰色氢气的价格，大约每公斤1美元，或者更低，取决于不同的地区(见“清洁氢气的成本”)。据RMI计算，这已经使氢基钢、氨和液体燃料与化石燃料竞争。  清洁氢的成本。图表显示低排放氢气的成本预计将下降。 资料来源:国际能源署《2022年全球氢气评论》;BloombergNEF分析  在没有补贴的情况下，清洁氢产品——比如绿色钢铁——仍可能比污染严重的同类产品更贵。HYBRIT和H2GreenSteel没有透露他们预计产品的生产成本。各国政府也可能采取购买绿色钢铁的政策，正如美国总统乔•拜登(Joe Biden)在去年12月通过的一项行政命令中承诺的那样，根据“购买清洁”(buy Clean)条款。  国际能源署预计，到2030年，全球氢需求可能会增长20-30%。目前正在进行的低碳氢项目只能满足其中的四分之一。这表明氢气扩张计划还不够雄心勃勃:要使世界在本世纪中叶达到净零排放，到2030年需要生产约1.8亿吨氢气，其中一半是低排放的。  但Tatarenko表示，到2030年，全球绿色氢气产量达到必要水平并非不可能。“我们应该雄心勃勃。”  另一些人则警告说，对氢燃料的推动可能最终也会促进非绿色燃料的使用，因此反而会增加二氧化碳的排放。特别是，欧盟委员会(European Commission)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发电来生产氢。  调整经济结构以适应氢能源将带来社会反响。即使有补贴和大规模投资，一些地区的重工业仍将处于竞争劣势。戴尔说，由于氢气的运输比煤炭更昂贵，技术上也更具挑战性，钢铁等行业可能最终不得不搬到更靠近氢气生产成本低廉的地方。他们甚至可能在不同的国家。”  她补充说，尽管这一问题和其他政治问题可能会减缓过渡的步伐，但不再存在任何无法解决的挑战。戴尔表示:“实现这种转变完全在我们的技术和经济能力范围内，无论是在高收入国家还是在新兴经济体。”