如果世界要避免氣候災(zāi)難，全球必須迅速減少化石燃料的使用。世界上目前大多數(shù)能源可以用可再生電力來(lái)完成，比如制造鋼鐵和為飛機(jī)加油，一個(gè)潛在的替代方案是使用氫氣。

國(guó)際能源署（IEA）表示，要到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放，到2030年，全球能源系統(tǒng)每年將需要1.5億噸“低碳”氫，到2050年將需要5.2億噸。

目前，低碳或零碳?xì)涞纳a(chǎn)可以忽略不計(jì)。即使世界上宣布的所有工業(yè)計(jì)劃都實(shí)現(xiàn)了，IEA 表示，到 2030 年，每年將僅生產(chǎn)約 1700 萬(wàn)噸低碳?xì)洹?/p>

這位氣候之家新聞解說(shuō)員將回答以下問(wèn)題：什么是氫以及它是如何制造的？氫是用來(lái)做什么的，氫可以用來(lái)做什么，應(yīng)該用來(lái)做什么？氫氣將如何改變我們的世界？

什么是氫氣，氫氣是如何產(chǎn)生的？

氫是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，化學(xué)符號(hào)為“H”，是宇宙中最豐富的化學(xué)物質(zhì)。

氫是自然發(fā)生的，可以通過(guò)多種方式產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。

絕大多數(shù)特制氫氣是使用化石燃料制成的。大約四分之三來(lái)自甲烷氣體，四分之一來(lái)自煤炭。氫也可以作為工業(yè)過(guò)程的副產(chǎn)品被提取。

煤炭是最臟的原料。將煤加熱以產(chǎn)生含有氫氣、一氧化碳和二氧化碳的氣體，然后收集氫氣進(jìn)行銷售。

根據(jù) IEA 的數(shù)據(jù)，以這種方式生產(chǎn)氫氣的碳足跡約為每公斤氫氣 20 公斤二氧化碳 (Co2)。通過(guò)用蒸汽處理甲烷氣體來(lái)制造氫氣，大約有一半的碳足跡。

這兩種方法都會(huì)釋放二氧化碳。其中一些可以被提取和存儲(chǔ)，這樣就不會(huì)破壞大氣。

實(shí)際可以提取多少氫氣是有爭(zhēng)議的。Equinor 和 Engie 等公司聲稱獲得了其中的 95%，但斯坦福大學(xué)工程學(xué)教授 Mark Jacobson告訴氣候之家，這個(gè)數(shù)字最多為79%。

生產(chǎn)氫氣的唯一零碳方式是使用以無(wú)碳方式生產(chǎn)的電力，例如使用可再生能源或核能。

氫氣是通過(guò)稱為電解的過(guò)程產(chǎn)生的。電流通過(guò)水，將 H2O 分解為氫氣 (H2) 和氧氣 (O2)。氫氣被捕獲，氧氣被釋放到大氣中。

雖然這樣提取氫氣是零碳的，但仍然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，因?yàn)檫@種方法需要淡水。IEA的氫研究人員 Jose Miguel Bermudez-Menendez 警告說(shuō)，最有可能產(chǎn)生剩余可再生能源的地區(qū)通常淡水最少。

他說(shuō)，需要制定法規(guī)，以便綠色氫氣生產(chǎn)商不使用淡水，而是將當(dāng)?shù)氐乃?。這不會(huì)顯著增加生產(chǎn)商的成本，所以只要規(guī)則到位，“不應(yīng)該是一個(gè)挑戰(zhàn)”。

目前，更臟的氫的生產(chǎn)成本更低。根據(jù)IEA 的 2021 年氫氣審查，綠色氫氣的成本為每公斤3-8美元。從氣體中制造氫氣并捕獲和儲(chǔ)存一些二氧化碳排放物的成本為每公斤 1-2 美元。從氣體中制造氫氣而不捕獲二氧化碳排放的成本為 0.5-1.7 美元。

預(yù)計(jì)這種差距會(huì)縮小。在 2050 年凈零排放情景中，IEA 模型認(rèn)為，到2030年，在擁有良好可再生能源資源的地方，綠色氫成本將降至每公斤1.2-3.5美元。高碳價(jià)格將有助于使綠色氫能與骯臟的替代品競(jìng)爭(zhēng)。

IEA 的 Bermudez-Menendez 告訴氣候之家，“低碳?xì)?rdquo;的生產(chǎn)可能會(huì)“非?？焖俚?rdquo;增加。

他補(bǔ)充說(shuō)：“現(xiàn)在，這一速度是否與 [到 2050 年] [全球] 凈零排放情景相一致，這是一個(gè)不同的問(wèn)題”。

根據(jù) IEA 到 2050 年全球凈零排放的情景，到 2050 年，大約 60% 的氫氣來(lái)自電解（主要來(lái)自可再生能源），40% 的氫氣來(lái)自碳捕獲氣體。

氫氣可以用來(lái)做什么？

氫氣可以在交通、工業(yè)和供暖建筑中替代化石燃料。這三個(gè)部門(mén)占世界排放量的41% 左右。

僅僅因?yàn)樗梢杂糜谒羞@些領(lǐng)域，并不意味著它應(yīng)該如此。E3G 氫能分析師 Eleonora Moro 說(shuō)：“它只能用于沒(méi)有替代品的最終用途，尤其是沒(méi)有更節(jié)能的脫碳選擇”。

能源分析師 Michael Liebriech 將氫氣的潛在用途從最理想到最不理想進(jìn)行了分類。在最理想的情況下，他擁有很難以其他方式制造的產(chǎn)品——比如肥料和化學(xué)品。最不理想的是，他擁有可以輕松實(shí)現(xiàn)電氣化的領(lǐng)域——比如汽車、供暖和火車。

這種區(qū)別在運(yùn)輸中最為明顯。車輛越大，行駛得越遠(yuǎn)越快，電池就必須越大越強(qiáng)大，氫燃料電池就越適合作為替代品。

在陸地上，氫氣比乘用車更適合公共汽車和卡車。

在海上，短途渡輪可以在目的地為電池充電，但電池不會(huì)將長(zhǎng)途貨船帶到目的地。他們未來(lái)更有可能使用氫或氫衍生燃料，如氨。

在空中，將飛機(jī)保持在空中所需的電力將需要一個(gè)太重而無(wú)法飛行的電池。航空業(yè)主要關(guān)注由樹(shù)木、植物和藻類等生物材料制成的“可持續(xù)航空燃料”。由提煉氫氣制成的電子煤油是一種不會(huì)導(dǎo)致森林砍伐或與食物來(lái)源競(jìng)爭(zhēng)的替代品。

運(yùn)輸和環(huán)境部的航空主管安德魯·墨菲告訴氣候之家電子煤油比生物燃料更可持續(xù)。但是，目前要貴得多。

在美國(guó)和歐盟，除非征收碳稅（斜條紋），否則氫衍生燃料（橙色、藍(lán)色、綠色）預(yù)計(jì)仍將比今天的噴氣燃料（黑色）更昂貴。

與汽車一樣，取暖和烹飪是氫可以替代天然氣等化石燃料的領(lǐng)域，但通常不是最佳選擇。英國(guó)能源研究中心主席彼得泰勒表示，這是氫的早期關(guān)注點(diǎn)，但“故事已經(jīng)發(fā)生了變化”，他們很可能會(huì)用熱泵代替電氣化。

氫也可以取代工業(yè)中的化石燃料。唾手可得的成果是將已經(jīng)使用氫的行業(yè)（如煉油和化學(xué)生產(chǎn)）從灰氫轉(zhuǎn)變?yōu)榫G氫。

煉油廠將原油轉(zhuǎn)化為各種以石油為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，如汽油，并使用氫氣來(lái)改善石油并去除雜質(zhì)。他們使用的氫氣中約有三分之一是其他工藝的副產(chǎn)品，其余的則是專門(mén)制造的。

制造塑料和化肥等化學(xué)品也涉及氨形式的氫。預(yù)計(jì)塑料對(duì)氫的需求將會(huì)增長(zhǎng)，而綠色氫可以滿足這一需求——盡管目前這樣做的成本更高。

鋼鐵、水泥和玻璃制造等重工業(yè)更難轉(zhuǎn)向綠色氫。所有這些產(chǎn)品都需要產(chǎn)生高溫才能將某種東西變成其他東西——鐵變成鋼，沙子變成玻璃，熟料變成水泥。化石燃料是這種熱量的主要來(lái)源，大約 65% 來(lái)自煤炭，20% 來(lái)自天然氣，10% 來(lái)自石油。

大多數(shù)鋼鐵是在高爐中使用煤和焦炭制造的，它們會(huì)排放二氧化碳。該行業(yè)的排放量占全球排放量的11%，超過(guò)歐盟。

正在努力尋找經(jīng)濟(jì)上可行的方法來(lái)用氫制造無(wú)碳鋼，但國(guó)際能源署表示，如果能夠克服“技術(shù)挑戰(zhàn)”，這是一個(gè)“長(zhǎng)期”的雄心壯志。

“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在技術(shù)上應(yīng)該可以生產(chǎn)所有含氫的初級(jí)鋼，”IEA 表示。但這樣做需要大量的氫氣，如果要成為綠色氫氣，則需要大量的可再生電力。需要非常低的可再生電力價(jià)格才能使其與傳統(tǒng)的煉鋼方法競(jìng)爭(zhēng)。

另一個(gè)遠(yuǎn)景是水泥。它是混凝土的關(guān)鍵成分，占全球排放量的4-8%。為了制造水泥，通常通過(guò)燃燒煤來(lái)加熱稱為熟料的材料混合物。

泰勒說(shuō)：“雖然氫有可能取代至少部分用于水泥制造的煤炭，但仍有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)需要克服，因此在未來(lái) 10 年內(nèi)不太可能做出重大貢獻(xiàn)”。

氫也可以用來(lái)發(fā)電。臺(tái)灣最近預(yù)測(cè)，到 2050 年，其 9-12% 的電力來(lái)自氫。Bermudez-Menendez 表示，電力并不是氫的當(dāng)務(wù)之急。

“更像是對(duì)脫碳過(guò)程的最新階段的補(bǔ)充，對(duì)于很難脫碳的電力系統(tǒng)的最新部分。在短期內(nèi)，可再生能源和電池是電力和工業(yè)迫切需要做的事情，氫的長(zhǎng)途運(yùn)輸，”他說(shuō)。

氫將如何影響地緣政治？

化石燃料，特別是石油和天然氣，在世界各地分布不均。一些國(guó)家——如沙特阿拉伯、俄羅斯、挪威和委內(nèi)瑞拉——有很多。其他國(guó)家，如歐洲和日本，則相對(duì)較少。

根據(jù)石油輸出國(guó)組織 (OPEC)的數(shù)據(jù)，全球約 80%的已探明石油儲(chǔ)量位于 14 個(gè)國(guó)家。這些國(guó)家將在替代石油和天然氣的綠色氫能中失去優(yōu)勢(shì)，盡管一些國(guó)家（如沙特阿拉伯）也在試圖接受它。

化石燃料儲(chǔ)量的不平衡造成緊張局勢(shì)，有時(shí)會(huì)升級(jí)為沖突。擁有化石燃料的國(guó)家可以將其用作政治杠桿，正如俄羅斯最近被指控對(duì)歐洲所做的那樣，以及沙特阿拉伯在 1973 年對(duì)西方所做的那樣。沒(méi)有大量化石燃料的國(guó)家可能會(huì)在供應(yīng)中斷時(shí)訴諸暴力。

可再生資源，因此綠色氫的潛力，在世界各地分布更均勻。國(guó)際可再生??能源機(jī)構(gòu) (Irena)預(yù)計(jì)，“氫業(yè)務(wù)將比石油和天然氣更具競(jìng)爭(zhēng)力，但利潤(rùn)更低”，“清潔氫不會(huì)產(chǎn)生與當(dāng)今石油和天然氣相媲美的回報(bào)”。

共同資助 Irena 報(bào)告的德國(guó)外交部制定了一項(xiàng)刺激全球市場(chǎng)的氫外交戰(zhàn)略。特別顧問(wèn) Hinrich Thoelken 在柏林的一次會(huì)議上表示，他們正試圖創(chuàng)造“一個(gè)能源不易被武器化的世界”。

雖然某些地區(qū)確實(shí)比其他地區(qū)擁有更大的可再生能源容量，但大多數(shù)國(guó)家都有太陽(yáng)能或風(fēng)能。可以廉價(jià)生產(chǎn)綠色氫的地區(qū)包括智利、澳大利亞、中東和北非以及南亞和中亞。綠色氫氣生產(chǎn)成本更高的地區(qū)包括遠(yuǎn)北地區(qū)和熱帶雨林。

今天，氫氣主要在使用點(diǎn)附近生產(chǎn)，全球貿(mào)易很少。沒(méi)有氫氣出口終端。到 2030 年，IEA 預(yù)計(jì)到 2050 年的凈零值將低于 60。到 2050 年，它預(yù)測(cè)全球?qū)⒂?150 個(gè)。

創(chuàng)建全球市場(chǎng)將取決于運(yùn)輸成本和標(biāo)準(zhǔn)制定。

國(guó)際可再生??能源署 (Irena) 預(yù)見(jiàn)到氫的“雙重市場(chǎng)”。氫氣通過(guò)管道進(jìn)行交易的區(qū)域市場(chǎng)和液化氫或氨氣的全球市場(chǎng)，可以作為液體運(yùn)輸并在目的地再氣化。

現(xiàn)有的天然氣管道可以重新用于輸送氫氣。但這在技術(shù)上既困難又昂貴，涉及對(duì)壓縮機(jī)和閥門(mén)的改造。氫氣生產(chǎn)者和消費(fèi)者的地理分布并沒(méi)有映射到甲烷氣體網(wǎng)絡(luò)上。

俄羅斯北部和加拿大等產(chǎn)氣區(qū)分別通過(guò)管道與歐洲和北美相連。但這些地區(qū)是最沒(méi)有希望生產(chǎn)綠色氫氣的地區(qū)。另一方面，具有高綠色氫潛力的地區(qū)——如撒哈拉以南非洲——的天然氣管道很少。

在沒(méi)有管道的地方，氫氣可以從氣體變成液體并裝載到船上。第一艘運(yùn)載煤制氫的此類船舶于 1 月份運(yùn)送了第一批貨物。許多化石氣體的運(yùn)輸方式與液化天然氣相同。

氫也可以轉(zhuǎn)化為氨，一種液體，并被運(yùn)輸。這種氨既可以轉(zhuǎn)化為氫氣，也可以用于某些行業(yè)，例如制造化學(xué)品或用作運(yùn)輸燃料。

除了運(yùn)輸之外，缺乏標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)成為全球貿(mào)易的障礙，因?yàn)闅涞馁?gòu)買(mǎi)者需要知道它是以零碳方式生產(chǎn)的。

盡管存在貿(mào)易壁壘，歐洲、北美和東亞的富裕國(guó)家仍在尋找氫源。例如，德國(guó)在 2022 年上半年與印度和阿聯(lián)酋等國(guó)家簽署了支持綠色氫能發(fā)展的協(xié)議。

對(duì)于印度來(lái)說(shuō)，它符合到 2030 年每年生產(chǎn) 500 萬(wàn)噸綠色氫的使命，阿達(dá)尼和信實(shí)工業(yè)公司也參與其中。對(duì)于阿聯(lián)酋來(lái)說(shuō)，這是使經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)離石油和天然氣的戰(zhàn)略的一部分，盡管氫永遠(yuǎn)不會(huì)帶來(lái)同樣的超級(jí)大國(guó)地位。 

應(yīng)對(duì)氣候變化的唯一出路就是使用清潔能源，目前已知的最有可能的替代能源就是氫氣，排除障礙，還能看到彩虹。