氫能革命如何幫助拯救地球——以及它為何不能

熾熱的液態鐵河永不停息。在瑞典北部這家鋼鐵廠，每天每夜，金屬都從一個巨大的90米高高爐底部的孔洞中傾瀉而出。同樣無情的是，一股二氧化碳氣流從頂部噴湧而出。

二氧化碳是高爐吞噬的煤炭的廢棄物。SSAB公司首席技術官馬丁·佩表示，每生產一噸用於製造鋼鐵的鐵，這座高爐就會產生1.6噸二氧化碳。SSAB公司擁有位於呂勒奧的這家工廠。世界上有數百座類似的高爐，其中大多數排放量更大。加上該行業其他能源密集型步驟，就清楚地表明，鋼鐵製造導致了全球7%的溫室氣體排放，根據一些估計，這與全球所有乘用車尾氣的排放量相當。

但在距離呂勒奧高爐幾百米遠的地方，有一個較小的高爐，它以低得多的碳汙染來鍊鐵。這項試驗技術用氫氣取代煤炭，只釋放水蒸氣。“這是鍊鋼的新方法，有了它，原則上我們可以消除所有的二氧化碳，”佩說。

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氫氣制鋼路線並非完全無汙染；將鐵轉化為鋼的其他步驟仍然會排放一些二氧化碳，而且鐵礦石必須開採。儘管如此，去年，該廠藉助瑞典豐富的低碳電力（來自水電、核電和風電）生產的氫氣，生產出了世界首批“綠色鋼鐵”。該試驗工廠由HYBRIT擁有，HYBRIT是SSAB在2016年與瑞典公用事業公司Vattenfall和國家礦業公司LKAB成立的合資企業。

使鋼鐵綠色化只是氫氣現在有望幫助世界經濟脫碳的方式之一。儘管有些人吹捧氫氣作為交通運輸燃料的用途，但它不太可能在該領域或供暖領域產生太大影響，因為電池和電力已經提供了更高效的低碳解決方案。相反，氫氣最大的貢獻將是清理工業流程，從生產塑膠和肥料到提煉碳氫化合物。這些行業傳統上被認為是更難脫碳的，並且受到的媒體、投資者和政策制定者的關注較少。

氫氣也可能在能源生產中找到用途。由氫氣製成的液體燃料有一天可能會為航空旅行和航運提供動力。氫氣甚至可以幫助電力網脫碳：過剩的太陽能或風能可以轉移到制氫，然後氫氣可以用於其他工業流程，或者僅僅用於儲存能量。透過這種方式，氫氣有望成為經濟許多不同部門之間的橋樑。

“氫氣之所以獨特，是因為它在生產方式和使用方式上都具有多功能性，”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的化學工程師達裡克·馬拉普拉加達說。

急於實現淨零排放目標的政策制定者已經開始大力推動氫能發展，尤其是在美國和歐盟。在某些情況下，他們正在補貼低碳氫的價格；在其他情況下，他們為氫氣生產商或使用氫氣的行業提供稅收抵免。

部分原因是，對氫能專案的投資正在經歷繁榮期。布魯塞爾的行業組織氫能委員會估計，已經宣佈的數百個大型氫能專案可能帶來到2030年高達2400億美元的投資——儘管到目前為止，其中只有十分之一是完全完成的交易。該委員會認為，到2050年，氫氣和氫能技術市場每年的價值將達到2.5萬億美元。

分析師現在預測，到本世紀中葉，世界氫氣產量將增加五到七倍（見“氫氣來源”）。這應該有助於減少世界的碳足跡——但這隻有在該氫氣本身是在不增加二氧化碳排放的情況下獲得的情況下才成立，就像呂勒奧試點專案那樣。

炒作之前就圍繞著氫氣。但這次涉及的資金量讓許多專家認為，氫氣真的會起飛。分析師表示，轉型不需要新技術：它已經過嘗試和測試，儘管科學進步將有助於加速轉型。

“氫能革命正在發生——這次是真的，”落基山研究所（RMI）的經濟學家奧列克西·塔塔連科說，該研究所是科羅拉多州博爾德市的一個可持續發展智庫。

從哪裡開始？

氫氣生產已經是一個規模龐大且汙染嚴重的行業。國際能源署（IEA）估計，每年生產約9400萬噸（Mt）氫氣。幾乎所有的氫氣都來自天然氣等化石燃料。天然氣中的甲烷（CH₄）與氧氣反應，轉化為氫分子和二氧化碳。後者隨後被排放到大氣中——每年排放9億噸二氧化碳，佔全球二氧化碳排放量的2%以上，與印度尼西亞和英國的年度排放總量相當。分析師將這種汙染性氫氣稱為“灰色”氫氣。

世界已經生產的氫氣主要用於基本行業的化學加工步驟。例如，它與空氣中的氮氣混合以製造氨（NH₃），氨是肥料的成分。石油化工廠使用氫氣去除石油中的硫，或將石油中的一些較大碳氫化合物分解為較小的碳氫化合物。在化學工業中，氫氣被用於製造大量產品，例如甲醇（CH₃OH），而甲醇又被用於合成無數其他化學商品。

“在我們把氫氣定位為應對氣候變化的解決方案之前，我們首先必須把氫氣作為氣候變化中的一個問題來處理，”倫敦利佈雷希聯合公司能源顧問兼執行長邁克爾·利佈雷希在10月份於荷蘭鹿特丹舉行的世界氫能大會上發表主旨演講時說。

透過從化石燃料制氫釋放的一些二氧化碳可以被捕獲並儲存在地下深層地質儲層中。以這種方式脫碳的氫氣被稱為“藍色”氫氣。但藍色氫氣的批評者指出，它並不能阻止所有二氧化碳排放，而且製造藍色氫氣意味著繼續開採天然氣，而天然氣開採本身就帶來環境方面的負面影響。

另一種制氫方法幾乎可以完全不產生碳排放。這是擁有200年曆史的水電解技術：電解槽透過在鍍催化劑的電極之間執行電流，從H₂O中提取H。如果為該過程供電的能源是可再生能源，則生成的產品稱為綠色氫氣。綠色氫氣有可能實現零排放，或至少接近零排放。

決定清潔氫氣轉換速度的關鍵因素將是電解槽的成本。國際能源署、清潔能源分析師彭博新能源財經和其他組織預測，隨著電解槽越來越多地在自動化裝配線上製造，而不是手工製造，電解槽的成本可能會迅速下降——到2030年下降超過三分之二。

這就是為什麼分析師預測，即使沒有稅收減免等補貼，綠色氫氣的製造成本也將從現在的每公斤5美元左右降至未來的每公斤1美元。這將使其與灰色氫氣具有競爭力，灰色氫氣的製造成本可能低於每公斤1美元（當戰爭沒有像歐洲那樣抬高天然氣價格時）。即便如此，多項研究預測，隨著需求激增，未來幾十年，很大一部分氫氣需求將需要透過藍色氫氣來滿足。

轉型將需要大量的可再生能源。如果電解槽的效率為100%，那麼僅用可再生能源產生的電力取代今天使用的灰色氫氣，每年就需要超過3000太瓦時（TWh）的電力；實際上，所需的電力更可能超過4500太瓦時。這與美國一年的發電量相當。更重要的是，國際能源署設想的未來是，在其到本世紀中葉實現淨零排放的世界情景中，清潔氫氣的年度電力需求將上升到14800太瓦時。

儘管如此，清潔能源正在以驚人的速度增長。例如，彭博新能源財經預測，到2024年，世界預計將有能力每年生產近1太瓦的光伏板：僅此一項就可以滿足當今年度電力需求的七分之一。國際能源署表示，總體而言，世界低排放電力供應量已註定到本世紀中葉增加兩倍以上——儘管對於2050年實現淨零排放的世界而言，甚至需要更積極的擴張（參見go.nature.com/3nxtvhj）。

鋼鐵升級

在所有工業碳排放大戶中，鋼鐵是最大的排放者之一——氫氣可能在鋼鐵行業產生最大的影響。佩說，人們多年來一直試圖在生產過程中使用氫氣，但無法擴大規模。但在2016年左右，就在大多數國家簽署《巴黎氣候協定》，承諾將全球變暖控制在前工業化水平以上2°C以內的時候，佩開始在SSAB牽頭進行氫氣研究。很明顯，鋼鐵脫碳對於瑞典履行其巴黎承諾至關重要。SSAB不是主要的鋼鐵生產商，但僅SSAB就佔瑞典二氧化碳排放量的10%。“每個人都知道，如果SSAB不能成功消除這些排放，瑞典就不會成功，”公司發言人米婭·維德爾說。

鍊鋼最困難的問題是它涉及到從鐵礦石中提取鐵——鐵礦石本質上是鐵鏽，含有氧化形式的鐵。在高爐中，氧原子從鐵鏽中剝離出來，留下液態鐵。為了做到這一點，礦石與焦炭（煤炭的衍生物）或木炭一起熔化。這種燃料的主要功能實際上不是熔化礦石，而是從礦石中奪取氧原子，這是一個化學還原過程，其熱力學成本是熔化岩石成本的六倍以上。這個過程導致大量二氧化碳的釋放。

SSAB考慮過諸如捕獲排放的二氧化碳並將其儲存在地下等想法，但得出的結論是這太昂貴了。相反，它選擇了氫氣路線。氫氣可以擴散到固體鐵礦石球團內部並去除氧氣，這個過程稱為直接還原鐵（DRI），它在600°C下進行，而不是高爐的1500°C以上（參見“更綠色的鋼鐵”）。

DRI在HYBRIT開始使用氫氣進行此過程之前很久就已存在：今天的一些鋼鐵就是透過這種方式使用天然氣製造的，但這會導致碳排放，而使用清潔氫氣則可以避免碳排放。

HYBRIT在呂勒奧的試驗非常成功，以至於SSAB決定將關閉高爐的日期從2045年提前到2030年，佩說。HYBRIT正在呂勒奧以北200公里的加利瓦雷鎮建設其第一家全尺寸工廠，並已公開其研究成果，希望為整個行業創造動力，他說。從呂勒奧驅車半小時路程的地方，一家總部位於斯德哥爾摩的初創公司H2GreenSteel已為一個更大的工廠破土動工，並表示已提前售出150萬噸產品。

由於冶煉廠可以使用幾十年，能源分析師表示，如果各國要實現《巴黎協定》的目標，鋼鐵行業應立即停止建造新的高爐，而是開始用可用於氫氣的直接還原爐取而代之。即使最初大多數使用天然氣，它們也能夠在未來三十年內隨著氫氣供應量的增加而逐步減少碳足跡。

“碳預算中沒有新建高爐的空間，”氣候工作基金會行業專案負責人麗貝卡·戴爾說，該基金會是加利福尼亞州舊金山的一個資助機構。

許多鋼鐵製造商正在採取DRI路線，儘管根據同樣位於舊金山的非政府組織全球能源監測組織的資料，中國和印度正在計劃建造新的高爐。然而，任務是如此艱鉅，以至於包括彭博新能源財經在內的一些組織預測，到本世紀中葉，一些高爐仍將處於活躍狀態，並且必須部署碳捕獲技術來幫助減少其排放。

戴爾說，原則上，鋼鐵生產甚至可以完全電氣化，避免製造氫氣的需要，這可以進一步提高效率。電解可以分解氧化鐵，幾家初創公司，例如馬薩諸塞州沃本的波士頓金屬公司，正試圖將其用於鍊鋼。然而，就目前而言，氫氣是領跑者。“氫氣方法的主要優勢在於[它]獲得真正清潔的鍊鋼所需的增量新技術最小，”戴爾說。

氫橋

芬蘭拉彭蘭塔-拉赫蒂理工大學的能源系統分析師克里斯蒂安·佈雷耶表示，從長遠來看，氫氣對減緩全球變暖的最大貢獻可能是作為跨越不同活動——電力、建築、製造和運輸——的橋樑，使所有這些活動一起完全脫碳比每個部門試圖單獨脫碳更便宜。

這個網際網路絡中的關鍵節點將是發電。在這裡，氫氣可以幫助解決可再生能源的一個眾所周知的缺點：儘管可再生能源豐富，但它們在時間和季節上的分佈不均，並且常常是不可預測的。這使得各地區難以規劃沒有可再生能源的長期時期。

例如，從事未來電網供需平衡模擬研究的研究人員必須計劃，如果歐洲寒冷、黑暗的冬天一週沒有風，如何供電。科學家們為這種現象起了一個名字：Dunkelflaute，這是一個德語詞，大致翻譯為“黑暗蕭條”。

電池將有助於平衡從一個小時到下一個小時的供需，但根據一些研究（例如，J. D. Jenkins等，Joule 2, 2498–2510; 2018），一旦風能和太陽能的份額超過電網電力結構的80%，使電網能夠抵抗Dunkelflauten的成本就會變得極其昂貴。正在考慮的一種解決方案是建造足夠多的額外風力渦輪機，以使電網度過即使是最平靜的冬天，然後在一年中的大部分時間裡使用它們來制氫。然後，這些氫氣可以出售給工業客戶——鋼鐵廠，或用於運輸、航運和出口的液體燃料。

在一年中特別糟糕的時期，氫氣可以再次用於發電，方法是在類似於天然氣渦輪機的渦輪機中燃燒氫氣，儘管這將非常浪費：電網只能獲得最初用於制氫的電力的三分之一或更少。

與建造核電站或可能擴大地熱能相比，這是否是為最後20%的電力脫碳最具成本效益的方式尚不清楚。聯合國國際可再生能源機構等組織進行的區域特定研究表明，最佳組合可能因國家而異。

誤解和謬論

儘管氫氣有無數可能的應用，但這並不意味著它是解決所有問題的最佳方案。對於乘用車而言，電池已經在很大程度上贏得了這場競賽，因為與攜帶氫氣罐並將氫氣的能量轉換回電能相比，電池是一種更有效率且成本更低的解決方案。

另一個可能沒有意義使用氫氣的領域是作為家庭供暖的燃料。英國格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學的土木工程師麗貝卡·倫恩說，如果氫氣是灰色的——由天然氣製成——那麼它只會加劇全球變暖。她和其他人在英國國家工程政策中心（NEPC）於9月釋出的一項研究中，將家庭供暖標記為氫氣的一個有問題的用途（參見go.nature.com/3ut5mj5）。

但即使氫氣是綠色的——由可再生能源產生的電力製成——直接使用電力透過例如熱泵為家庭供暖，其效率也高達六倍，熱泵透過從外部吸熱，效率遠高於100%。

倫敦帝國學院過程系統工程研究員尼萊·沙阿說，為了最快地減少排放，政策應優先考慮改善房屋隔熱，這將減少對供暖能源的需求，無論其來源如何。沙阿領導了NEPC的研究。

氫氣預測

過去幾年，對低碳氫氣的投資一直在飆升，但今年的事件引發了一場看似真正的繁榮。

在美國，《通貨膨脹削減法案》為每公斤綠色氫氣引入了3美元的稅收減免，此外還有許多其他政策和氫氣資金池。在歐洲，俄羅斯對烏克蘭的侵略帶來了一種新的緊迫感。今年3月，歐盟委員會設定了到2030年每年生產1000萬噸氫氣並進口額外1000萬噸氫氣的目標。許多其他主要經濟體也制定了國家戰略來發展氫氣產能。

“一切都變了——整個等式，”RMI經濟學家帕特里克·莫洛伊說。特別是美國的稅收減免，已將那裡的綠色氫氣成本降至灰色氫氣每公斤約1美元或更低，具體取決於地點（參見“清潔氫氣的成本”）。RMI計算得出，這已經使氫基鋼鐵、氨和液體燃料與化石燃料的同類產品具有競爭力。

如果沒有補貼，清潔氫氣產品——如綠色鋼鐵——可能仍然比其汙染嚴重的同類產品更昂貴。HYBRIT和H2GreenSteel沒有透露他們預計其產品的製造成本是多少。政府也可能採取政策購買綠色鋼鐵，正如美國總統喬·拜登的政府已承諾根據去年12月透過的一項行政命令中的“購買清潔產品”條款那樣做。

國際能源署預測，到2030年，全球氫氣需求可能會增長20-30%。到目前為止，正在籌備中的低碳氫氣專案將僅足以滿足約四分之一的需求。這表明氫氣擴張計劃還不夠雄心勃勃：為了使世界走上到本世紀中葉實現淨零排放的軌道，到2030年需要約1.8億噸的氫氣產量，其中一半是低排放的。

但塔塔連科表示，全球綠色氫氣產量有可能在2030年達到必要的水平。“我們應該非常有雄心。”

其他人警告說，推動氫能發展最終可能會促進非綠色氫能的發展，從而適得其反地增加二氧化碳排放量。特別是，歐盟委員會正在考慮的一項有爭議的措施將淡化歐盟對綠色氫氣的定義，允許部分使用化石燃料產生的電力來生產綠色氫氣。

重組經濟以適應氫氣將帶來社會影響。即使有補貼和鉅額投資，一些地區的重工業在競爭中仍將處於不利地位。戴爾說，由於氫氣比煤炭更昂貴且運輸技術難度更大，鋼鐵製造等行業最終可能不得不搬遷到氫氣可以廉價生產的地點。“它們甚至可能在不同的國家。”

她補充說，儘管這個問題和其他政治問題可能會減緩轉型步伐，但不再存在任何無法解決的挑戰。“在高收入國家和新興經濟體中，實現這種轉型完全在我們的技術和經濟能力範圍之內，”戴爾說。

本文經許可轉載，並於2022年11月16日首次發表。