在法國北部村莊卡佩勒拉格朗德，氫氣在街道下的管道中流動，幫助為這裡的 100 戶家庭提供能源。在城鎮中心附近的一條小路旁，一個小型金屬棚屋內的新型電解槽機器利用風能和太陽能發電廠的電力分解水，產生“可再生”氫氣，並將其注入已在管道中流動的天然氣流中。透過取代部分化石燃料，氫氣將社群的熔爐、熱水器和爐灶的碳排放量減少了高達 7%。
卡佩勒拉格朗德的系統是巴黎能源公司 Engie 建立的活體實驗室。該公司預見，隨著電解槽以及可再生電力成本的持續下降，氫能源將大規模擴大。如果 Engie 的預測是正確的，將氫氣混合到當地的燃氣管網中可能會加速從化石能源向清潔能源的轉型。
該公司並非孤軍奮戰。可再生氫是歐盟委員會到 2050 年實現淨零碳排放願景的核心。它也日益成為歐洲工業巨頭的關注焦點。從明年開始，歐盟製造的所有新建電廠的渦輪機都應準備好燃燒氫氣-天然氣混合物，歐盟製造商聲稱，到 2030 年，這些渦輪機將獲得 100% 氫氣認證。與此同時，歐洲鋼鐵製造商正在試驗使用可再生氫氣作為其熔爐中煤炭的替代燃料。
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如果用可再生氫氣為經濟提供動力聽起來很熟悉，那確實如此。大約一個世紀前，著名的英國遺傳學家和數學家 J.B.S. Haldane 預測了一個由“大型發電站”輸出氫氣驅動的後化石燃料時代。這個願景在本世紀初成為一種迷戀。2002 年，未來學家傑里米·裡夫金 (Jeremy Rifkin) 的著作《氫經濟》預言，氫氣將催化一場新的工業革命。太陽能和風能將分解無限的資源——水——以產生氫氣，用於電力、供暖和工業動力，良性氧氣作為副產品。
喬治·W·布什總統在其 2003 年國情諮文中啟動了一項耗資 12 億美元的研究計劃，旨在使使用氫氣燃料電池的汽車在一代人的時間內普及。車庫中的燃料電池也可以用作家庭備用電源。幾個月後，《連線》雜誌發表了一篇題為“氫氣如何拯救美國”的文章，內容是透過擺脫對骯髒的進口石油的依賴。
即時進展未能達到宣傳的高度。更便宜且快速改進的電池動力汽車搶走了“綠色汽車”的風頭。2009 年，奧巴馬政府將氫能工作擱置一邊。奧巴馬的第一任能源部長、物理學家和諾貝爾獎獲得者朱棣文解釋說，氫能技術根本沒有準備好，燃料電池和電解槽可能永遠不具備成本效益。
然而，研究並未停止，甚至朱棣文現在也承認，一些障礙正在逐步清除。卡佩勒拉格朗德的示範專案只是一個小專案，但全球範圍內，尤其是在歐洲，數十個規模越來越大、雄心勃勃的裝置正在啟動。正如國際能源署最近的一份報告指出的那樣，“氫能目前正享受著前所未有的政治和商業勢頭，世界各地的政策和專案數量正在迅速擴大。”
這一次，推動電網和重工業脫碳——而不是交通運輸——正在推動人們對氫能的興趣。“能源建模界的每個人都在非常認真地考慮深度脫碳，”德國卡爾斯魯厄理工學院的能源系統建模小組負責人湯姆·布朗說。城市、州和國家正在規劃到 2050 年或更早實現近淨零碳排放的道路，這在很大程度上是透過採用低碳風能和太陽能電力來實現的。
但這種戰略存在兩個通常不為人知的問題。首先，現有的電網沒有足夠的容量來處理淘汰化石燃料發電廠所需的大量可再生能源。其次，在漫長的黑暗或無風天氣中，仍然需要備用發電廠。如今，這種備用電力來自天然氣、煤炭和核電廠，電網運營商可以輕鬆地調高和調低這些電廠的功率，以平衡可再生能源供應的下降和激增。
氫能可以發揮相同的作用，其倡導者表示。當風能和太陽能充足時，電解槽可以使用部分能源來產生氫氣，氫氣被儲存起來以備不時之需。然後，燃料電池或渦輪機將儲存的氫氣轉換回電力，以支撐電網。
深度減排還意味著為無法簡單地插入大型電源插座的經濟領域（例如重型運輸）尋找替代燃料，以及為目前以石油、煤炭和天然氣為基礎的化學品和材料尋找替代原料。“太多人被誤導，認為電氣化是所需的全部[碳]解決方案，”加州大學歐文分校的能源專家傑克·布勞威爾說，他二十多年來一直在為他所在地區的汙濁空氣設計解決方案。“我們的許多州機構和立法者已經買賬了，”他說，但沒有考慮如何解決能源儲存或為工業提供燃料的問題。
可再生氫能能否使清潔能源電網切實可行？它能否成為工業的可行選擇？即使不知道氫能能否快速且經濟實惠地擴大規模，一些有趣的賭注也正在下注。
電解槽內部的電極將水分子分解為氧氣（左）和氫氣（右）。電極高一釐米。圖片來源：Durk Gardenier Alamy
黑暗低迷期
少數幾個押注用太陽能和風能取代煤炭和天然氣的國家已經顯示出壓力的跡象。2018 年，可再生能源提供了德國約 40% 的電力，儘管波動巨大。在某些日子裡，風能和太陽能發電量超過了該國電力總量的 75%；而在其他日子裡，這一比例降至 15%。電網運營商透過調整化石燃料和核電廠、水電站水庫和大型電池的輸出量來管理這種峰值和低谷。風能和太陽能也日益超出德國擁擠的輸電線路的承受能力，迫使電網運營商關閉一些可再生能源發電機，僅在 2017 年就損失了 14 億歐元（15 億美元）的能源。
未來更大的問題是，各國在計劃逐步淘汰化石燃料發電廠（以及德國的核電廠）後將如何應對。在黑暗和無風時期，電網運營商如何保持照明？德國的能源建模師發明了一個術語來形容這種可再生能源乾旱：dunkelflauten，或“黑暗低迷期”。天氣研究表明，美國和德國的電網必須補償長達兩週的 dunkelflauten。
更強大的輸電網可以透過在大型區域甚至大陸之間輸送電力來幫助應對 dunkelflauten，從而在特定日子裡將風力強勁或陽光充足地區的電力輸送到遙遠的平靜或多雲地區。但電網擴建是一個緩慢的過程。在整個德國，電力線路的增加落後於計劃數年，並受到社群抗議的困擾。在美國，類似的反對意見阻止了新線路獲得批准。
因此，在一些專家看來，dunkelflauten 使風能和太陽能看起來風險很高。例如，麻省理工學院的能源建模師在 2018 年進行的電網模擬預測，隨著電網向 100% 可再生能源轉型，成本將呈指數級增長。這是因為他們假設必須安裝大型、昂貴的電池並始終保持充電狀態，即使這些電池每年可能只在少數幾天甚至幾個小時內使用。
加州的一個學術團隊在 2018 年得出了類似的結論，他們發現，即使有大型輸電線路和電池，太陽能和風能也只能滿足美國約 80% 的電力需求。該團隊成員、卡內基科學研究所的氣候科學家 Ken Caldeira 在該研究釋出時表示，肯定需要其他電力來源。
某些歐洲專家表示，麻省理工學院和加州的研究過於短視。幾十年來，歐洲研究人員一直在從電網擴充套件到更廣闊的視野，考慮現代社會使用的全部能源。以羅斯基勒大學物理學家 Bent Sørensen 和幾位丹麥門生為先驅，此類“綜合能源系統”研究結合了電網、天然氣和氫氣分配網路、交通運輸系統、重工業和中央供暖供應的模擬。
模型顯示，耦合這些部門可以提供運營靈活性，而氫氣是實現這一目標的有力途徑。從這個角度來看，如果使用氫氣來儲存能源以應對 dunkelflauten，並且沒有麻省理工學院預測的價格跳躍，那麼 100% 可再生能源電網可能會成功。
一些美國電網研究排除了氫能儲存，因為它在今天成本很高。但其他建模師表示，這種想法是錯誤的。例如，大約十年前釋出的許多電網研究都低估了太陽能，因為它當時價格昂貴——這是一個錯誤的假設，因為此後太陽能的成本大幅下降。布朗等歐洲模擬考慮了預期的成本降低，當他們計算消除碳排放的最便宜方法時。結果是電解槽的擴建降低了可再生氫的成本。
在模型中，電解槽首先擴大規模，以取代化學工廠和煉油廠在各種加工步驟中使用的天然氣制氫。能源專家稱之為“灰色”氫氣的製造每年在全球範圍內釋放超過 8 億噸二氧化碳，這相當於英國和印度尼西亞排放總量之和，據國際能源署稱。用可再生氫取代灰色氫可以縮小工業用氫的碳足跡。一些氫氣還可以取代重型卡車、公共汽車和火車消耗的天然氣和柴油。儘管燃料電池在汽車方面難以與電池競爭，但對於重型車輛來說，燃料電池可能更實用；卡車開發商 Nikola Motor Company 表示，其商業化的半掛牽引車在充滿燃料電池的情況下可行駛約 800 至 1,200 公里（500 至 750 英里），具體取決於各種裝置和牽引因素。
圖片來源：5W 資訊圖表
如果工業和重型運輸採用可再生氫，則可能會出現區域氫網路來分配氫氣，並且它們還可以向為電網提供備用電力的發電廠供應無碳氣體。這就是綜合能源模擬中發生的情況：隨著更多可再生氫的產生和消耗，大規模分配網路發展起來，這些網路將數月量的氣體儲存在大型儲罐或地下洞穴中，就像今天儲存天然氣一樣，成本低於電池儲電。“一旦你承認氫能對其他行業很重要，你就會得到電力行業的長期儲存，作為一種副產品，”布朗說。
芬蘭 LUT 大學的 Christian Breyer 的模擬生動地體現了這一觀點。在他的團隊最新的 100% 可再生能源情景中，該情景於 2019 年與國際科學家和議員組織能源觀察組織共同釋出，燃燒儲存氫氣的發電廠啟動以填補最深 dunkelflauten 期間的電網空白。“它們是最後的手段，”佈雷耶說。“如果沒有這些大型渦輪機，我們在一年中的某些時段將無法擁有穩定的能源系統。”
在佈雷耶的模型中，製造和儲存氫氣所需的風能和太陽能中，只有不到一半被轉換回電力，損失很大，氫氣渦輪發電機組每年大部分時間都處於閒置狀態，只有在每年幾周內才會使用。但氫氣到電力轉換的效率低下並不會造成經濟上的崩潰，因為這種途徑很少使用。佈雷耶說，該方案是整個能源系統最經濟的解決方案，並且與許多電網今天使用天然氣發電廠的方式沒有太大不同。“幾十年來，一直存在一些發電廠，這些發電廠每隔幾年才啟動一次，”他說。
工程師在德國漢堡檢查分配可再生能源制氫的管道。圖片來源：Joerg Boethling Alamy
改造後的管道
即使今天的可再生氫氣發電量微乎其微，歐洲也指望氫氣來實現其能源系統的脫碳。歐盟委員會預計，到 2050 年，可再生能源在歐洲電力供應中的比例將上升到 80% 以上，並得到超過 50 吉瓦電解槽的支援——相當於約 50 座核電站的容量。成員國也在設定自己的目標。法國呼籲其氫氣消費行業到 2022 年改用 10% 的可再生氫氣，到 2027 年改用 20% 至 40% 的可再生氫氣。
如果沒有鼓勵企業啟動電解槽大規模生產的政策，這些目標將難以實現。將氫氣混合到天然氣管道中是一個起點，因為它使用了現有的基礎設施。工程師們長期以來一直認為，分子氫——最小的分子且高度活潑——會降解或逸出現有的天然氣管道。但最近的研究表明，混合高達 20% 至 25% 的氫氣不會從這些管道中滲出或損壞這些管道。歐洲國家允許混合，義大利、德國、英國和其他地方的公司正在數十個地點注入氫氣，以幫助為客戶的加熱器、爐灶和其他電器提供燃料，只要氫氣含量保持在 25% 左右，這些電器就不需要進行改造。
Engie 的專案經理 Hélène Pierre 表示，Engie 在卡佩勒拉格朗德進行混合已有一年多，沒有發生任何事故或遭到反對。她說，公眾的接受度得益於廣泛的監測，監測表明，使用混合燃料的家庭空氣更清潔；她指出，新增氫氣可以改善電器中的燃氣燃燒，從而減少不完全燃燒天然氣時產生的汙染物（如一氧化碳）的含量。
歐洲下一波可再生氫氣專案可能會將產量推向更大的規模。法國和德國的工業聯盟正在尋求為 100 兆瓦的電解槽提供融資和授權，這比目前執行的最大電解槽大 10 倍。兩個大型電解槽專案正在爭奪政府支援，以促進德國西北部城市林根周邊的區域氫經濟發展，林根是兩家煉油廠的所在地。一個涉及大型公用事業公司 Enertrag 以及幾家德國最大的能源和工程公司的專案可能會為全國氫氣網路提供藍圖。該專案利用了現有的天然氣基礎設施，但不是透過混合的方式。相反，其想法是改造備用燃氣管道，將可再生氫氣輸送到當地的煉油廠以及發電廠，甚至是一個計劃中的燃料電池汽車加氣站。“我們的想法是建立一個 100% 的氫氣管網，”該專案合作伙伴之一、該地區燃氣管網運營商 Nowega 的總經理 Frank Heunemann 說。
Nowega 可以重複使用一些空管道，因為該地區有兩個天然氣網路。一個網路輸送幾乎全是甲烷的標準天然氣。另一個網路最初是為了輸送當地高硫化氫天然氣而建造的，氫氣會使某些鋼管變脆。Nowega 正在逐步淘汰當地的天然氣，留下空的鋼管，Heunemann 說這些鋼管應該能夠承受與純氫氣的任何反應。歐洲能源供應商 RWE 將建造該聯盟的主要電解槽，並計劃在其林根發電站燃燒部分氫氣輸出。工程巨頭西門子計劃最佳化該電站的四臺燃氣輪機之一，使其能夠處理純氫氣。
該聯盟也在考慮擴張。林根距地下鹽穴約 48 公里，這些鹽穴是為儲存天然氣而建立的。Heunemann 說，將林根的部分氫氣儲存在其中一個深度超過 1,000 米的洞穴中，可能是合乎邏輯的下一步。（氫氣已經以大規模方式儲存在德克薩斯州和英國的洞穴中。）
Nowega 還設想了一個 3,200 公里的管道網路，該網路可以覆蓋德國大部分鋼鐵廠、煉油廠和化學品生產商。該計劃的中心是改造最初為輸送富氫“城市燃氣”（由煤炭生產）而建造的天然氣管道，這種燃氣在 20 世紀 60 年代之前在歐洲很常見。Heunemann 說，歷史上能夠應對 50% 氫氣的管道也應該可以“用於 100% 氫氣”。
未來尚不確定
歐洲對可再生氫氣日益增長的興趣並非獨一無二。自 2014 年以來，日本一直在規劃一項長達數十年的向“氫能社會”轉變的計劃，該計劃已納入官方能源政策。日本的首批目標之一——展示高效進口氫氣的技術——定於 2020 年開始，從汶萊（一個位於婆羅洲的富含天然氣的小國）運送灰色氫氣。澳大利亞的競爭政黨正在制定相互競爭的計劃，向日本出口氫氣。2019 年 12 月，澳大利亞各州和地區的能源部長通過了一項國家氫能戰略，國家政府宣佈了一項 3.7 億澳元（3.7 億澳元；2.52 億美元）的氫能刺激計劃。
即使在美國，也有復甦跡象。聯邦政府再次為氫能技術設定目標，一些能源公司正在投資，一些州也在提供支援。洛杉磯可能是一個領導者。洛杉磯市長埃裡克·加希提 (Eric Garcetti) 於 2019 年 4 月公佈的“洛杉磯綠色新政”承諾該市到 2030 年實現 80% 的可再生電力，到 2050 年實現 100% 的可再生電力。市長正在推進建設太陽能發電場的計劃，並且還在建設一座新的天然氣發電廠，以確保該市擁有備用電源。該發電廠可以改造成燃燒可再生氫氣；大約 125 公里的管道已經將灰色氫氣輸送到該地區的煉油廠。在為該地區港口大約 16,000 輛貨運卡車重新供能的計劃中，燃料電池正在與電池競爭。用氫氣而不是柴油為這些卡車提供燃料可以顯著改善洛杉磯霧濛濛的天空。
布勞威爾說，當加州尋求消除碳排放時，整個州都需要更深入地思考能源問題。根據勞倫斯伯克利國家實驗室的預測，到 2025 年，該州每年可能會浪費超過 8 太瓦時的可再生能源潛力——布勞威爾說，加州應該將這些能源儲存為氫氣，以淨化其煉油廠並滿足夏季熱浪期間飆升的電力需求。
其他專家也同意氫能可以將這些點連線起來。能源未來倡議組織最近的一項研究呼籲加州利用可再生氫氣和其他低碳燃料提供的“巨大價值”，該智庫由前麻省理工學院核物理學家歐內斯特·莫尼茲領導，莫尼茲曾擔任奧巴馬的第二任能源部長。該研究得出結論，如果沒有這些燃料，加州的減碳目標可能無法實現。
許多潛在問題仍然可能阻礙或阻止氫能基礎設施在加州、歐洲和其他地方的擴大規模。一個長期存在的問題是公眾焦慮。氫氣極易燃，而且事故時有發生。去年夏天，一個有故障的閥門導致挪威一個燃料電池汽車加氣站發生氫氣爆炸。混凝土防爆牆最大限度地減少了人員傷亡，但媒體報道立即質疑氫能能否在事故中倖存下來。2019 年 11 月，加州州長加文·紐森要求該州公用事業委員會加快關閉一個地下儲氣設施，該設施四年前發生為期四個月的天然氣洩漏事件，導致數千個家庭撤離。
所有能源選擇都存在風險，社群的反對意見使許多通往無碳能源的道路變得複雜。在許多地方，公眾並不熱衷於核能、輸電線路或風力渦輪機。然而，電解槽的成本可能是可再生氫能未來面臨的最大挑戰。為了開始取代工業中的灰色氫氣，可再生氫氣的生產成本需要從今天的每公斤 4 美元或更多降至 2 美元或更少。多項研究表明，如果電解槽成本繼續像過去幾年那樣下降，這種情況可能會在 2030 年之前發生。
研究還表明，如果沒有政府激勵措施，這種模式可能不會出現。國際能源署在最近的一份報告中指出，氫能需要與促進太陽能和風能早期部署相同的政府支援——這些行業現在每年吸引超過 1000 億美元的全球投資。該機構寫道，這些例子表明，“政策和技術創新有能力建立全球清潔能源產業。”
改進的技術可能正在到來。一類新型電解槽正在進入市場——固體氧化物電解槽，它比行業領先的質子交換膜電解槽多生產近 30% 的氫氣，Engie 正在使用這種電解槽。前能源部長和懷疑論者朱棣文現在是斯坦福大學的教授，他正在研究一種新型電解槽，該電解槽依靠更緊密的元件間距和其他技巧來更快地生產氫氣，同時減少能源消耗。朱棣文表示，這些變化可能會“在運營成本方面產生巨大差異”。朱棣文說，這只是他逐漸接受氫能的又一個原因。