氢能大规模应用为时不远
文 | 彭宁科
今年夏天南方暴热，但是重庆山火还是让我吃惊不已，重庆的朋友说这是从未有过的事。以前只知道加州有山火，澳洲有山火。尽管每一次山火的具体原因可能不同，但是气候在发生重大变化已经不再是科学家电脑里的数据分析，而是怒目圆睁横亘在人类面前的超级怪兽。
BP最新年度能源统计报告显示，2021年，全世界直接使用化石燃料而排放的二氧化碳达到340亿吨，如果算上泄露的甲烷和其它温室效应气体，总排放相当于390亿吨二氧化碳。按照现在的节奏，别说实现控温1.5°C的目标，2°C的目标都可能落空，借用BP首席经济学家Spencer Dale先生的话说就是，世界依然走在不可持续的道路上。
如何改弦易辙才能够走向可持续发展呢？尽快减排，尽最大量减排是唯一的选择。温室气体越早减越好，因为其累积效应巨大。笔者认为，绿色能源大规模代替化石能源的时代已经到来。减排不仅是可行的，更是经济的。在这个巨大的潮流和商机面前，任何怀疑和犹豫都会成为历史性的遗憾。
毫无疑问，绿色电力，也就是可再生的光伏太阳能和风能将是减排的主力军，但在光伏和风能装机飞速增长的情况下，如何能保证不再有弃光弃风的事情？如何解决由于光伏和风能资源分布与负荷中心错位的问题，是长距离高压输电还是用天然气管网来输氢，哪个更合算？
另外，在终端能源消费电气化率受限的情况下（假设最高达到80%），如何在剩余的能源消费领域实现减排？还有，储能在能源转型中有着难以替代的作用，但是如果在规模上要提高几个量级，锂电池怕是难当大任，这还没有考量在生产过程中对环境影响的评估。此外，那些重要但是目前难以减排的领域比如钢铁航运等等怎么办？解决这些问题，氢能几乎成了独一无二的选择。
但是氢能真的靠谱吗？
绿氢生产成本稳步下降
氢能可以简单分为灰氢（化石能源制氢）、蓝氢（化石能源制氢+碳捕捉与封存技术）、绿氢（可再生能源零碳排制氢）三种，可持续发展需要的是绿氢，绿氢的成本主要取决于绿电和电解槽。
意大利天然气管网公司（SNAM）原CEO马可·阿尔维拉先生在《氢能革命》一书中，对于绿电成本，电解槽成本和绿氢的成本有一个很好的总结，我借用如下：
可以看出，在过去10年间，绿电成本下降到了原来的十分之一。而在未来10年中，电解槽装置规模将增加十几倍到上百倍，而电解槽的资本支出（也就是一次性购买成本）将下降到今天的1/4，这样绿氢的生产成本将下降到2021年的1/3左右，达到$2/KG, 按标准热值天然气测算，美元人民币汇率按1:6.8计算，2025年绿氢成本相当于每立方天然气人民币3.7元，2030年相当于每立方天然气2.80元人民币。与当下天然气的市场销售价格相当。
我认为，对于电解槽装置的资本支出测算有些保守，在中国制造的实力基础上，如果既有订单再有补贴，电解槽装置成本下降会比较快。
另外，很多人担心，绿氢生产耗水太多，这其实不用太担心。每吨绿氢生产需要耗费淡水大概9吨左右。这样，中国十四五氢能规划中2025年产10万吨绿氢（相当于3.6亿方天然气）生产将耗水90万吨，折合每方天然气耗水2.5公斤。欧盟在RePower EU计划里提出到2030年实现1500万吨的氢能年产量， 总共年耗水1.35亿吨水，这可是相当于550亿方天然气的巨量能源。另外，绿氢使用完毕生成物也是水，也基本实现了循环经济。
氢能可借力天然气管网
说完制造我们再来看看运输。如果是掺混到天然气管道，那么简单说运输成本和今天槽罐车相比就变得非常有竞争力。能否掺混到天然气管道？一般来说，因为氢分子很小，它可能穿透管道的钢质材料，从而引起所谓氢脆的问题。这其实是和管道的材质有很多关系，如果是软钢，而且管壁较厚，那么发生氢脆的可能性很低而且会很慢。
SNAM公司在意大利已经完成的试验表明，意大利95% 以上的天然气管道都可以掺混氢气，70%以上的天然气管道甚至可以运输100%的纯氢。如果管道因为材质的原因不能掺混，那就要看具体情况进行升级。这无疑会产生较大的成本，但是管道本身也是有寿命的，也需要不断更新。事实上，如果是新建管道，现在的材质更多都是PVC塑料材质，不仅耐用结实，输氢完全没有问题。
在管道更新方面，英国领跑全球，正在更新其大部分天然气管道。欧盟也有由23家能源运输公司发起的氢能骨架计划，预计到2040年，欧洲将有4万公里的输氢管道。
氢能的主要神奇之处还在于它能够通过天然气管网设施（运输存储甲烷分子），通过氢能燃料电池与电网（电子流动）耦合互补，实现跨区域，跨季节的调节作用。这时候，就会面临到底是通过高压电网长距离输电，还是通过天然气管网输送氢能？我认为看电网或者管网哪个更有效即可。如果是已有电网且容量有余，就可以考虑输电；如果没有富余电网，但是有天然气管网，那就考虑管网输氢。如果都没有，必须新建基础设施，需要从距离、已有配套设施、负荷中心具体需求等方面做完备详细的分析，没有唯一的答案。
无论如何，绿电和氢能，通过电网和天然气管网，将成为真正的能源双雄。
运输问题解决后，就是储氢的问题了。其实天然气管道本身就是体积巨大的储氢场所，因为加压就可以增加管道里的存量。而更让人欣喜的是，可以将氢储藏于地下盐穴储气库。盐穴壁致密结实，能够承受20兆帕以上的压力，体积在几万到上百万立方米，是储氢的理想场所。雪佛龙公司在美国德克萨斯利用盐穴储氢有几十年的历史，英国有三处盐穴储气库都用来储氢。
盐穴之外，废弃天然气田虽然在一定的条件下可以储存天然气，但是否也能用来储存氢气，需要认真研究做可行性分析。比较棘手的问题是，氢分子十分活跃，有可能和其中的微生物，硫或者岩石中的矿物质发生化学反应。但是总体来说， 地下储气库的储藏成本在$10/MWH, 和制造运输成本相比还是很小的。
解决了制造运输储藏的问题，许多人仍然担心氢是否能够替代其他能源， 我对此非常乐观。在许多工业领域尤其是难减排行业，还真是非氢能莫属。
氢进万家早已有之
在天然气发电领域，大型燃气轮机发电，据西门子能源最近的报告，可以掺混75%的氢。国内也已经有类似的试验，2022年6月，国家电投下属的北京重燃已经启动了燃气轮机掺氢30%的试验。燃气小锅炉改为烧氢气或者氢气天然气的混合气体也都是能做到的。
在家居端，其实我们使用氢也早有历史。在天然气还没有大规模进入城市之前，我们家里用的都是人工煤气，其主要成分是氢气和一氧化碳。现在如果改成氢能和天然气，那是没有大问题的。
在和大众生活密切相关的交通领域，氢能燃料电池驱动的车辆是否有竞争力？我们必须仔细分析综合能效。内燃机车辆总能效平均只有20%，而电动车（乘用车）平均能效能够达到80%，燃料电池驱动的车辆平均能效大概是36%，难以与电动车竞争。这也正是现在特斯拉和众多电动车能够辉煌的原因。
但是，如果是大马力的卡车，特别是重卡车，或者物流车，这时电池的自重就成了重大问题，因为很大一部分电能要用来承担车的自重，里程必然受到限制。氢燃料电池，具有一个显著特点，就是单位质量的能量（注意不是单位体积）是最大的 —— 每公斤氢相当于40度电，是同样质量汽油的3倍，是同样质量锂电池的100多倍，缺点是体积较大。那么在兼顾电池体积和质量（也就是总能量）的前提下，在体积相对较大的车辆上——卡车， 特别是重卡，物流车上，氢燃料电池就会显示较强的竞争力。市场已经开始证明这一点，中国的路面上已经跑着将近1万辆氢燃料电池物流车。
越是难减排的行业，氢能越有用
一些现有的行业是人类文明存在的基础，但又是难以减排的，对此氢能有可能发挥独特作用。比如钢铁工业，高炉目前主要是用焦炭作为主要燃料，铁粉Fe2O3和一氧化碳CO发生氧化反应来生产生铁，温度高达2000度，要排放巨量的二氧化碳。但是如果是用氢做燃料，氢是还原剂，铁粉Fe2O3 和氢H2发生还原反应，温度只需到800-1200度，就可以生产出铁（DRI技术）。另外，废钢可以在电弧炉中重新锻造而得到循环使用，这其中的减碳效应也是非常可观的。
在航运上，绿氢既可以通过转化为绿氨直接使用，而且氢燃料电池还可以作为岸电系统给船舶充电。这能大大缓解目前航运使用重燃料油而带来的严重污染。
飞行是当代文明的重要标志。由于氢能燃料电池体积较大的原因，它可以为短途飞行提供动力，但是长途飞行目前还没有看到可靠的方案。但是生物航油也许可以另辟蹊径解决这个问题。
航天就更清楚了，液氢一直是火箭升空的动力之一。如果2050年到火星旅行不再是探险科考，而是人类看宇宙的一个选项，氢能一定是少不了的。
在塑料，水泥领域，虽然还没有成熟的技术立刻大规模减排，但使用氢作为燃料和原料的技术有很多已经在实验室里。水泥的制造方法也许会发生革命性的变化，变成用二氧化碳作为原料的负碳行业。
氢能将是地缘政治新的稳定器
氢能不光是人类解决气候变化危机的重要手段，也是许多国家的发展经济的重要动力。沙特今天出口石油天然气，明天就可以出口绿氢；北非今天通过穿越地中海的管道向欧洲输送天然气，明天则可以输送绿氢；澳大利亚今天出口天然气，明天也可以出口绿氢。氢能还将是全球地缘政治新平衡的重要媒介。
在欧盟激进的能源转型方案中，氢能扮演重大角色，RePower EU计划里设定的目标是：到2030年自产500万吨，进口1000万吨氢能。美国对氢能的政策支持力度更是前所未有。在2021年11月通过的两党基础设施法案（Bipartisan Infrastructure Law）给予氢能示范项目95亿美元预算的基础上，2022年8月出台的通胀消减法案（Inflation Reduction Act）大幅提高了支出力度：按全生命周期计算，如果每公斤氢的CO2 排放低于0.45公斤，并且符合劳工条款，那么每公斤氢可以享受3美元的税收补贴，这会极大促进绿氢的生产和应用。绿氢的规模生产，会刺激电解槽装置容量提升成本降低，也会产生对光伏板的新需求。
光伏板不用说，主要要靠中国生产，我认为GW级别的电解槽也会出自中国，氢能，将写出全球合作的新篇章，成为全球化的新标志。当然这会是艰难的过程，充满颠簸和挑战。
有意思的是，在中国，地方政府和企业发展氢能的力度比中央政府更大。全国十四五能源规划是到2025年绿氢产量10万吨到20万吨，2030年没有具体的产量目标。但把各省市的规划目标加总，已经远远超过了中央政府的规划。