氢能真的是绿色能源吗
2022氢能真的是绿色能源吗?
中国“双碳目标”的背后，是一场新旧能源结构的变革。解开“变革密码”的钥匙只有一把：碳→氢。那么今天小编在这里给大家整理一下氢能的相关知识，我们一起看看吧!
各国布局蓝氢
2021年3月，英国石油公司公布了该国规模最大的氢能计划，在英格兰东北部Teesside兴建 “蓝氢” 工厂H2Teesside，目标在2027年前生产1GW氢。2021年10月，美国 Air Products 公司斥资45亿美元于路易斯安那州设立蓝氢能源综合体工厂，日产蓝氢7.5亿标准立方英尺，预计于2026年投入运营。2022年3月，埃克森美孚宣布，在得克萨斯州贝敦炼化综合基地建设一座蓝氢厂，每天将生产10亿立方英尺的蓝氢，以天然气为原料，并由碳捕获和储存项目支持。
这些都是快速兴起的氢能筹资项目的一部分，但它们并非完全 “气候友好”。简言之，氢能主要被分为三种，灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢是通过化石燃料(例如天然气和煤)制取的氢。这种类型占全球氢产量的绝大部分，其碳排放量最高;蓝氢是在灰氢的基础上，应用碳捕捉与封存技术，实现低碳制氢;绿氢则是通过光伏发电、风电以及太阳热能等可再生能源电解水制氢，制氢过程中基本上不会产生温室气体。
然而，高昂的成本让市场对绿氢持观望态度，因此，阶段性平替蓝氢在各国发展迅速。
不仅企业，国家层面也是如此。澳大利亚土地和风光资源丰富，最有可能成为全球绿氢的主产国和主要出口国，然而，同样作为化石能源大国的澳大利亚政府仍在积极推动以天然气为原料的蓝氢项目。比如，与日本在澳大利亚维多利亚州拉特罗布河谷开设联合项目 “氢能供应链”，将澳大利亚褐煤转化为氢气，液化后运往日本。为此，日本川崎重工研发了专用的液氢运输货轮 “SUISO FRONTIER” ;预计该项目每年生产22.5万吨的氢。
俄罗斯、阿联酋等一系列传统能源出口国和石油天然气巨头在碳中和进程的压力下，都在推进蓝氢产业。蓝氢燃烧洁净，又将过程中排放的二氧化碳进行了捕集和封存，成本相较绿氢要低很多，看起来是适合工业界的选择。
然而，事实真的那么理想吗?
不是所有氢都是气候友好的
2021年8月，Energy Science & Engineering 一篇文章讨论了蓝氢温和名字下隐藏的高昂碳排放。研究分析了蓝氢全生命周期的温室气体排放，结果发现，蓝氢的总二氧化碳排放当量仅比灰氢少9-12%。虽然其二氧化碳排放得到了控制，然而，在利用天然气的过程中，因未完全燃烧而逃逸的部分甲烷释放，使其功过相抵。在20年的时间尺度内，甲烷导致的增温强度是二氧化碳的86倍。
根据美国国家大气海洋局(NOAA)和夏威夷州 Mauna Loa 天文台采集的全球大气样本， 2021年大气中温室气体甲烷浓度创下了自1983年系统开始监测以来的历史最大年增幅，达到17ppb(10亿分之一)。化石燃料的生产和利用大约占甲烷总排放量的30% 。
事态的严峻性令人担忧，蓝氢制造中的甲烷排放如果得不到妥善处理，不仅与灰氢相比并未减少多少碳排放，其碳足迹比天然气或煤取暖都高出20%以上。一时间难以分辨，究竟谁才是低碳能源?
研究者认为：“氢是一种清洁燃料，但前提是它必须以清洁的方式生产，并以清洁的方式使用。”
值得一提的是，在分析蓝氢的碳排放时，研究已按照碳捕集与封存最佳效果设计。它假设被捕获的二氧化碳可以无限期储存到未来的几十年甚至几个世纪，然而，因为人类尚未有如此漫长的项目周期实践，在商业规模上的项目能否达到如此之高的封存水平也是一个未知数。
国际可持续发展研究所联合董事格雷格·穆蒂特解释称：“天然气的开采和运输都存在无组织排放和基础设施泄漏，鉴于碳预算有限，我们负担不起。” 因此，使用由天然气生产的蓝氢与直接使用天然气相比，没有任何减碳优势。研究者甚至认为：蓝氢最好被看作是一种碳中和能源探索中的干扰和噪音，对蓝氢的大力支持可能会拖延那些实现全球能源经济真正脱碳的必要行动，就像页岩气作为一种桥梁燃料，以及一般的碳捕获和封存作为所谓 “托底” 一样 。
英国智库查塔姆研究所高级研究员丹尼尔·奎金说，“碳捕集与封存的能源惩罚是一个巨大的挑战，可能比许多开发商愿意透露的要高得多。” 他指出，俄乌冲突后目前的高油价也将推高蓝氢生产的价格，“即使能像沙特阿拉伯那样直接获得石油和天然气，且不受全球价格波动的影响，也仍然更倾向于出售天然气而不是蓝氢，因为这样收益更大。”
但俄乌冲突同样推动了欧洲天然气价格直线上涨。从2021年的6美元/美元/百万英热单位(MMBtu)，突破30美元/ MMBtu，这一数值完全在欧洲绿氢平准化成本区间之内，如果使用来自中国的电解槽，成本还能进一步下降，提高了欧洲绿氢价格的竞争力。虽然随着未来冲突平缓，天然气依然会保持价格优势，这一事实也给予了绿氢重要的未来发展窗口期。
中国在3月印发的氢能中长期规划也明确了绿氢发展的方向，参与氢能规划编制的中国国际经济交流中心科研信息部部长、能源政策研究所负责人景春梅告诉《知识分子》，和一些国家解决能源保供的诉求不同，我们国家发展氢能主要是服务 “双碳” 战略，解决能源绿不绿的问题。加上碳捕集在技术、商业模式上都还没有完全成熟，市场大规模应用还有困难，不能满足我们对于氢能的整体构画和需求。
大规模绿氢制备尚在探索
“以绿色低碳为前提，明确鼓励的是绿氢。” 景春梅说。
而最根本的限制条件来自于制备阶段的效率和经济性。
绿氢制备目前仅占全部氢气制造量的3-4% ，主要依赖于大规模风能和太阳能发电，然后通过电解水生产氢气。该方式较为成熟，但也有着能源转换率较低、能耗较大等突出问题。因此，针对绿氢制备，学界也在探索生物制氢、电催化、光催化等多种途径。
尤其在中国，很多绿氢独创性成果案例是基于其他反应副产物产氢而获得研发灵感的，比如污水处理，在废弃资源再利用的同时推动绿色制氢研究。
早期氢气往往是作为很多反应的副产物，最后被燃烧释放，并没有得到妥善的资源化利用。1990年，哈尔滨工业大学教授任南琪发现了特定细菌在有机废水处理中可以产生氢气的现象。注意到这一细节之后，他将原目标 “处理有机废水” 转为 “产氢”，变废为宝。并进行了工业化生产，建立了世界上第一条发酵法生物制氢生产线。该方法兼顾低排放、资源利用和废水处理，且氢气制备成本压在了每立方米1.4元以内，然而，毕竟是以有机废水为原料，产量不能满足工业需求，大范围推广仍有困难。
但污水处理工艺依然启发了其他领域的制氢反应，例如光催化。以最近哈尔滨工业大学的一项光催化产氢成果为例，其起点仍然是污水处理。实验获得的PTA纳米片具有较好的光催化活性，内建电场强度增强10.3倍，制氢效率达到118.9毫摩尔每小时每克，优于30-40毫摩尔每小时每克的平均水平。“此外，得益于有机材料的柔性，PTA与无纺布牢固结合制备成器件，光照下依旧保持优异的产氢性能。” 其作者郭燕说到。
还有比如微生物电解碳捕获技术等，使污水处理变为负碳反应，但反应仍然高度依赖于有机废水这一原料，难以实现大规模制氢应用。“废水里的有机物浓度是有限的，能被发酵细菌处理的部分则更有限”，哈尔滨工业大学深圳校区教授路璐说。
有机废弃物不仅有水，还有固体，比如塑料。数据显示，2021年，我国年PET塑料瓶消费量可达949万吨。针对这一丰富的废弃资源，有研究采用非贵金属电催化剂实现了对废弃PET塑料的处理和利用，电催化反应转化废弃PET塑料为高附加值的对苯二甲酸、二甲酸钾和氢气。
该研究作者、清华大学副教授段昊泓告诉《知识分子》，当我们提到电催化，自然而然想到的就是电解水，但他关注电解水过程中阳极的析氧反应。电解水分阴阳两极，其实是两个反应在同时进行。然而，这两个反应所需要的原料却不一样，在这一过程中，真正的困难来自于阳极缓慢的动力学特征。
他打了个比方：“阳极拖了后腿，想要推它一下加把劲儿，就得给它能源。因此这个过程最为耗电，在当下电能依赖于化石能源的基础上，就产生了很多碳排放。”
他不去开发阴极的高效催化剂，而是把阳极的析氧反应替代掉，让它替代成热力学和动力学更有利的阳极反应，比如说塑料降解。“这样一方面，阴极产氢整体能耗降低了;另一方面，阳极得到了比氧气更有价值的苯二甲酸、二甲酸钾等，同时也降解了废旧塑料”。经过初步的技术经济核算，处理一吨废塑料，可以收入350美元，使得该反应有利于塑料的高附加值回收。
“整体而言，中国在碱水制氢技术上属于全球优势的领跑状态”，景春梅表示，“但是，该技术不太适应风光资源的波动性，一会儿有、一会儿没有，严重影响制氢效率。而其他技术路线，我国普遍落后，涉及到质子交换膜、碳脂这些关键技术、关键材料，技术上尚存瓶颈，还依赖进口，所以导致成本高，项目不具有经济性”。
问题很多，信心仍在
当下氢能利用仍然面临诸多考验，无论在技术储备、国家政策、市场，还是供应链层面，业内认为可能还需要一段时间。此言非虚，2000年前后创立的一些氢能技术企业，因为居高不下的造价，被迫将目光转向氢燃料电池玩具车，用于家用玩具和学校教具。这类产品在欧美、日本卖得非常好，利润反哺其他产品的亏损，让企业得以生存下来。如今支持政策增加，才逐步缓解这一 “曲线救国” 的现象。
但是，面对碳中和与碳达峰的压力，部分行业(例如非电行业)可能没有更好的清洁能源替代品。考虑到生物质能源、资源上的限制，以及碳捕捉与封存技术存在的不确定性，氢能及其产物(例如氨)仍是部分行业走向碳中和的必要选择。
另外，我国当前政策主要集中于氢能重卡这一比较细节的领域，对于其他运输工具，例如氢能二轮车、氢能无人机等新产品以及对新产品的检测与认证服务，仍缺乏相应的法律法规。简而言之，产品有了，能否上路还是个问题，因为没有规定，更没有检测和办法执照的机制。
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