绿氢热潮下的技术难题及社会和生态影响


氢，是一种无色、无味，可洁净燃烧的气体，近来却引起了很多人的注意。连全球最大的电动车生产商特斯拉(Tesla)创办人马斯克(Elon Musk)都有提及[1]。其实，氢作为一种能源载体，并不是现在才有人使用。1671年，爱尔兰化学家罗拔·波义耳(Robert Boyle)首先发现铁屑和稀释酸之间发生化学反应，产生氢气[2]。而历史上最著名的氢气应用，莫过于1936年3月4日，氢气推动的飞船兴登堡号[3]载著乘客及工作人员共87人于德国腓特烈港开始了它的首次航行。可是飞船在翌年5月6日尝试降落时爆炸坠毁。

“ 氢是什么？

氢是一种化学元素，在元素周期表上用符号H表示，原子序数为1。氢通常以分子形式(H2)存在，在室温和压力下无毒，但在非常低的温度(-423°F或-253°C)下可以凝结为液体。元素氢存在于水(H2O)、氨(NH3)等化合物以及天然气、煤和石油等碳氢化合物中。 ”

近年，氢已被视为一种低碳的能源载体。在应对气候变化和低碳经济转型的过程中，世界各地政府和能源企业[4]开始留意到氢的潜力，纷纷承诺氢燃料开发并推出发展策略，引起了行业游说者、投资者和政府的注意，有望成为化石燃料的代替品。此外，氢燃料可以在化工、钢铁，以及重型卡车和航运等长途运输等多个行业减少碳排放方面发挥作用。基于上述可行性，许多地方都将氢燃料作为其能源战略的核心部分。国际可再生能源机构(IRENA)估计，到2050年，氢燃料可能提供高达全球总能源需求的12%，而氢燃料理事会(Hydrogen Council)估计，氢可满足高达18%的全球能源需求，并创造一个每年2.5万亿美元的产业。

各地政府正在通过国家策略规划的程序，扩大氢燃料的开发，减少化石燃料消耗。氢燃料理事会报告称，已有30多个国家公布了氢燃料路线图，包括中国内地[5]，他们亦已承诺为氢燃料开发提供合共超过700亿美元的公共财政开支。氢燃料理事会还估计，到2030年，氢燃料项目的计划总投资可能超过3,000亿美元。有投资者甚至形容绿氢*为应对气候变化的灵丹妙药，他们要求政府提供巨额补贴和鼓励措施，还宣称绿氢与可再生能源一起将成为『世界上最大的产业』。

基于能源分类的氢燃料 制氢的燃料 基于碳强度的分类
黑氢 烟煤 高碳氢燃料
灰氢 天然气或甲烷
棕氢 褐煤
蓝氢 天然气或甲烷与碳捕获及储存 低碳氢燃料
绿氢* 可再生能源推动的电解法
粉红氢 核能推动的电解法

表1：基于能源和碳强度的氢燃料分类。来源︰NREL & USAID

本文将会就氢燃料的生产方法、转换效率、储存和运输，以及生产项目的环境影响，作一个综合的分析和前瞻。

“ 燃料电池的工作原理

燃料电池由两个电极组成--一个负电极(或阳极)和一个正电极(或阴极)--夹在电解液周围。燃料，如氢，被送到阳极，空气被送到阴极。在氢燃料电池中，阳极的催化剂将氢分子分离为质子和电子，这两个分子通过不同的路径到达阴极。电子通过外部电路，产生电流。质子通过电解液迁移到阴极，在那里它们与氧和电子结合产生水和热。 ”

绿氢主导氢燃料市场是全球共识

氢燃料取代化石燃料这项雄心勃勃的计划正面临一个重大挑战，就是今天使用的氢燃料，其中96%是采用依赖化石燃料(如煤炭和天然气)的热燃烧过程生产，并产生大量碳排放，甚至比燃烧煤炭还要多。

因此，人们以颜色来区分不同氢燃料产生过程，不同的颜色用来描述氢燃料生产过程的温室气体排放强度（见表1）。例如，蓝氢代表了使用天然气来生产，并采用碳捕获和储存(CCUS)技术，最大限度减少二氧化碳的直接排放。但是，蓝氢生产会在天然气的生产和运输中产生甲烷排放（一种强力的温室气体）。因此，我们并不赞成采用化石燃料生产氢燃料作为减缓气候变化的方法。

“ 氢燃料是如何生产？

氢可以从各种化合物中分离出来而产生。目前大约80%的氢燃料供应来自专用的氢燃料生产工厂。剩余的20%是作为其他技术的副产品生产。四种最普遍的制氢方法是：

  1. 蒸汽-甲烷重整：这是一种以天然气为主要燃料，受广泛使用且成熟的制氢方法。全球约四分之三的年产量，及美国约95%的专用氢燃料生产都采用这一技术。它包括三个阶段：第一阶段，高温蒸汽(700°C-1000°C)首先在催化作用下与甲烷产生化学反应而生成氢、一氧化碳和少量二氧化碳。然后，一氧化碳和水蒸气在催化剂的作用下发生化学反应(水-气变换反应)，生成二氧化碳和氢燃料。然后，通过去除二氧化碳和其他杂质来提取纯氢燃料(通常使用变压吸附)。这一过程也可以用乙醇、丙烷或汽油等其他燃料来完成。
  2. 气化：煤中的碳基物质包括碳、氢、氧、氮和硫。为了生产氢燃料，煤炭在催化作用下部分燃烧，以产生二氧化碳所需的热量和化学反应，二氧化碳与煤炭反应生成一氧化碳。这种一氧化碳与水蒸气反应产生氢燃料(水-气转换)，随后进行类似于蒸汽-甲烷重整的净化过程。此法约占全球专用氢燃料产量的23%。
  3. 电解：这是一种从水分子中分离出氢和氧的过程，过程被称为电解槽，它是由电力操作(某些技术是用热能)。目前，只有不到0.1%的专用氢燃料生产是通过电解。电解槽由水中的阳极和阴极组成，某些技术还包括电解液。电流施加到阴极上并流过水，导致水分子分裂为氢和氧。目前，电解技术主要有三种：碱性电解法、质子交换膜电解法和固体氧化物电解槽。
  4. 甲烷热解：这是一种将甲烷热分解为氢和固碳的新技术。由于生成的大部分碳是固体，二氧化碳排放量可以低于蒸汽甲烷重整过程。改良工作仍在进行，以克服需要较高温度、氢燃料纯度以及从气态氢中分离固体碳等问题。
其他方法，如生物质气化、可再生液体燃料的重整、生物过程和直接太阳能水分解过程也可用于制氢。 ”

世界各地的政府和投资者目前都以绿氢燃料，即是采用可再生能源生产氢燃料，作为能源转型的重要工具。有能源巨企负责人甚至指出，太阳能和风能并不能一天到晚都生产电力是一个问题，需要一些大型储存容器来平滑风能和太阳能的输出，而氢就可以是那个非常大的容器。氢燃料是一种一年四季都可以储存能量的技术，不受气候条件限制。当你在夏季和冬季可再生资源匮乏的时候，在春季和秋季拥有过剩的能源都可以使用。如果可再生能源要成为发电组合中的最大份额，对长期储存的需求将变得更加迫切，而常用的锂离子电池在几个小时内就会耗尽。所以，在能源转型过程中，氢燃料将是不可或缺[6]。

“ 氢作为一种能源载体意味著什么？

由于氢必须从其他能源中生产，所以它被认为是一种能源载体，而不是一种能源。一旦生产出来，氢就可以被储存、运输，然后用于氢燃料电池、氨生产、生物燃料、工业金属加工和焊接以及其他应用上。 ”

“ 今天的氢有什么用途？

氢主要用于工业过程。这包括炼制(33%)、氨生产(27%)、甲醇生产(27%)和钢铁生产(3%)。在美国，几乎所有产生的氢燃料都用于炼油、氨生产(作为化肥生产的前体)和甲醇生产；约10%用于处理金属、加工食品和其他应用。氢还可用作发电、运输和建筑物供暖的燃料。这种使用现在是有限，但有可能长远降低全球碳排放。 ”

燃料转换过程效率低 储存和防泄漏都具挑战性

尽管绿氢具有上述优点，而人们对绿氢的期望很高，但要大规模采用它，还是遇到很多技术上的挑战，我们必须尽早克服，否则，如果对绿氢的期望落空，会非常影响全球的减碳进程。目前，绿氢技术还处于初级阶段，还没有在工业规模上进行测试。我们利用电解过程来生产氢燃料。在电解过程中，电子与水产生化学反应，只留下氧气的副产品。然而，目前只有4%的氢燃料生产使用电解法，很大程度上是因为生产绿氢过程的能源效益较低，甚至比热燃烧生产的氢燃料还要贵。换言之，绿氢生产仍然比使用煤炭或天然气生产氢燃料的成本高得多。

不管采用何种可再生能源，其产生的氢燃料的效率仍远远低于直接使用可再生能源本身。通过热燃烧或电解过程生产的氢燃料，储存它，然后用它来发电，这个被称为『电力到气体到电力』的转换过程效率低下，成本也很高。不论是打破水中氢和氧之间的分子键，还是在涡轮机中燃烧产生的氢的过程，以及在转换、压缩和运输过程中，往返效率(Round Trip Efficiency)最高只有约四成，换言之有六成或以上能量在转换过程中损失了[7]。

又例如，将氢燃料储存在燃料电池中，然后用它来为家庭供暖，耗能是直接使用可再生能源的五到六倍。同样，在汽车中使用氢燃料电池的效率估计，是使用电力为电动汽车充电的三倍。之前的研究还表明，装置绿氢产能所需的能源，可能是使用直接电气化替代能源的2到14倍。尽管绿氢的储存能力将使电网获得更稳定的可再生能源供应，但将可再生能源转化为电能生产氢燃料的效率要低得多，因此比起直接从能源中消费电力，成本更高。它也将是大多数电网中可用的最昂贵的能源储存选择之一，而氢燃料的储存和运输是出了名的困难和昂贵。

“ 氢燃料是如何储存？

氢燃料可以直接储存，也可以转化为氢基燃料。储存介质的选择将取决于是否易于到达地质储存点，以及储存和运输需求的持续时间和规模。对于规模较小的过程，储存罐是非常有用。地质储存点，如盐穴，有望储存大量氢。由于氢的体积能量密度较低，与其他燃料相比，相同能量含量的氢需要更多的储存容量。为了克服障碍，氢还可以转化为以氢为基础的燃料和原料，如氨、液态有机氢载体、合成烃或合成液体燃料，这些燃料可以储存在储存罐中，并可长距离运输。如果最终用途需要纯氢，这种方法需要额外的氢提取步骤，从而影响氢作为能源载体的效率和最终成本。 ”

而至于氢燃料交通运输[8]，氢储存仍存在技术挑战，就是如何在车辆重量、体积、效率、安全性和成本的限制下，储存传统行驶里程(>300英里)所需的氢气量。还必须验证这些系统在整个使用寿命内的耐用性，并且达到可接受的加油时间。非机载大容量储存的要求通常比机载要求限制较少，例如，可能没有或限制较少的重量要求，但可能有体积或占地面积要求。

此外，氢气本身亦是一种温室气体，平均全球变暖潜能值约为11，即是比二氧化碳高11倍[9]。科学家已关注到应用氢燃料的泄漏率。有研究指出，在最好的情况下，假设整条氢燃料生产泄漏率为1%，与传统化石燃料相比，采用天然气生产氢燃料，即是在装置了碳捕获技术的天然气供应链中泄漏1%的甲烷，仍可以在20年内将全球变暖影响减少70%。而使用零排放电力生产绿氢则可以将气候影响减少95%以上。然而，如果氢气泄漏率上升至10%，蓝氢燃料实际上可能会使20年内的变暖影响增加25%。而与化石燃料相比，绿氢仍将把20年内的变暖影响减少三分之二，却使我们无法达成碳中和的目标[10]。


上图比较了直接使用可再生能源与使用可再生能源产生氢燃料两个不同过程的能源损耗比率。显然，直接使用可再生能源的能源损耗比使用可再生能源产生氢燃料低一半，但由于可再生能源难于储存，我们不应抹煞绿氢，补充『储存』可再生能源的不足。
来源︰energycentral.com

我们乐见扩大绿氢的生产和使用，而且当局需要重大的鼓励措施和投资，尤其是在主力出口绿氢的地区，以进一步降低可再生能源的成本，建设氢燃料生产、运输、储存和使用所需的基础设施。这些鼓励措施和投资应该包括加强科学研究提升转换过程的能源效率，及解决氢储存在交通工具应用上的技术难题，此外，也需要开发足够的电解能力，改造港口基础设施，改变现有天然气管道的用途或建设专用的新管道，建造新的铁路和货柜船，以及创造安全的储存能力。必须重视绿氢生产系统的维护工作，大力减低氢气泄漏率至1%或以下。而氢贸易长远可以带来更低成本的能源供应，因为可以采用更便宜的方法进口能源，及带来更多的替代方案来提升未来取代化石燃料的能力[11]。

“ 氢燃料是如何运输？

目前，大多数氢的生产和消费都在同一地点或很近的地方。然而，上面讨论的各种形式的氢也经常以气体或液体的形式通过气态管道、液体罐车或专用管道运输。最可行的氢燃料运送方法往往取决于区域氢燃料需求的大小和稳定性。气体管道拖车通常可以储存多达1吨氢燃料，液体罐车通常可以储存4-5吨氢燃料，当区域输送需求为每天数百吨时，通常使用气体管道，预计将保持稳定数十年。今天，通过航运运输氢燃料并不常见，但各地正进行早期部署，以支援全球氢贸易。 ”

绿氢生产要尊重社区和生态权利

除了技术和成本问题外，能源项目带来的社会和生态影响也必须受到关注。即使是可再生能源项目，受影响的居民往往没有机会充分了解这些计划，无法维护自身权益。此外，他们从这些项目中获得的好处很少，甚至没有。而项目亦导致居民土地丧失，而未能获得补偿，例如肯尼亚图尔卡纳湖(Lake Turkana)风力发电场和摩洛哥瓦尔扎扎特(Noor Ouarzazate)太阳能发电站周边的牧民，其牲畜迁徙路线受到干扰，破坏了畜牧文化，降低了牧场土地系统的复原力。而生活在哥伦比亚北部拉瓜希拉省(La Guajira Department)的瓦尤人原住民(Wayuu)，也因为当地兴建风力发电场及发展氢燃料生产基地而征收土地，衍生了土地权益的问题。为生产可再生能源而掠夺土地，加剧了不少地方牧民被边缘化的状况。如果不强调人权保障和承认公共土地权利的法律制度，越来越多牧民将失去土地，转向大规模的可再生能源项目，只会变得更加贫穷，助长更多的冲突和难民流离失所[12]。

此外，一直备受争议的大型水电项目正希望利用绿氢热潮回归。水力发电不但排放温室气体甲烷，而且全球已经有八千万人因修建大坝而失去了家园、生计和文化，有4.72亿人在大坝下游受到不利影响，包括最具生物多样性的河流生态系统遭到破坏，渔业和土壤损失等影响，近年水电行业的新增产能有所放缓。不过，行业团体如国际水电协会(IHA)试图将水电定位为绿氢生产的关键燃料，以此来重塑水电品牌，并在世界各地催生对新水电站的需求。水电的建设成本比太阳能和风能高出两到三倍，但有投资者正在推动新的大型氢燃料发电机组的开发，以合理化水力发电建设。

各地政府和项目投资者需要通过民间社会，特别是与项目地区受影响民众进行公开讨论，保障当地社区对土地和自然资源的权利，谨慎管理好能源转型的过程。事实上，联合国人权理事会早于2011年通过了《工商企业与人权：实施联合国『保护、尊重和补救』框架指导原则》，并发布了《联合国工商企业与人权指导原则》，列出了31项原则，指导各地政府和企业如何实施保护、尊重和补救框架，承诺所有投资活动必须有尊重人权的政策，并通过人权尽职调查，以确定、预防和减轻企业投资行为妨害人权的影响。只有通过这些做法，才能避免损害当地民众的权利和生计，公平地过渡到可再生能源，使民众能够从过渡中受益。

发展绿氢也可以让当地社区获益，我们引用加拿大、肯尼亚和墨西哥的例子[13]，当地都通过分享可再生能源项目中产生的收入而获益。有研究表明，可再生能源发电可以与肯尼亚和摩洛哥牧民放牧活动共存，甚至可以改善动物福利。能源项目可以兼容多种功能的土地利用，并采取共融的方法，参与设计改善农业、畜牧业、生物多样性、农村社会和经济活动以及能源的总体土地利用效率。因此，牧民和可再生能源存在双赢的可能，但需要找到方法来加强牧民社区的发言权和行政能力，以便他们能够为其成员谈判有利的条件。

香港应积极探索绿氢热潮下可发挥的作用

绿氢与任何新技术一样，其生产和采用是否可持续，不能光靠依赖技术本身。投资者推动的水电产氢计划既忽视了负面的气候影响，也忽视了大型水电对社会和环境的破坏性影响。在各地政府将公共资源用于促进和发展绿氢技术之前，必须对各种社会和环境影响进行审查。

至于香港，特区政府于2021年先后公布《香港电动车普及化路线图》和《香港气候行动蓝图2050》，都提出要积极探索氢燃料汽车在香港使用的可行性。而中华电力和中华煤气各自在最新出版的《可持续发展报告2021》和《环境、社会及管治报告2021》也承诺探索使用氢燃料的可行性，并会投资基建准备好绿氢的供应。最近，香港的专营巴士营办商及能源公司也组成了『零排放交通联盟』，共同承诺为零碳排放道路交通运输制定有明确时间表的路线图[14]。氢燃料已被视为香港新能源的明日之星。

展望香港将来成为氢燃料消费的城市，可以积极参与在科研项目上，改善转换效率、储存和运输的技术和成本。除了公共交通已开始研究引入氢燃料巴士，两家电力公司也应该继续研究绿氢作为燃料，政府也要考虑引入加氢站和氢储存的配套设施。此外，可以探索在金融和贸易的领域，如何促进氢贸易及绿氢项目融资，如何符合商业与人权的国际原则和合规程序，并长远减低制氢的成本。

（鸣谢曾卓斌（实习生）协助本文部分资料搜集工作。）

参考:


  1. Frangoul A., ‘The most dumb thing’: Elon Musk dismisses hydrogen as tool for energy storage, CNBC, 12 May 2022. https://www.cnbc.com/2022/05/12/tesla-ceo-elon-musk-dismisses-hydrogen-as-tool-for-energy-storage.html
  2. Winter, M. Hydrogen: historical information. WebElements Ltd., 2007. https://education.jlab.org/itselemental/ele001.html
  3. Hindenburg Statistics, airships.net, 2009. https://www.airships.net/hindenburg/size-speed/
  4. 例子包括欧盟、美国、澳洲、日本和一些跨国能源企业等。
  5. 中华人民共和国国家发展和改革委员会，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》 ，2022年3月23日。 https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202203/t20220323_1320038.html?code=&state=123
  6. Collins, L., Why hydrogen-fired power plants 'will play a major role in the energy transition', Recharge, 29 July 2021. .
  7. Mayer G., Thomas N., Hydrogen: the future of electricity storage? Financial Times, 5 April 2021. ; Collins, L., Why hydrogen-fired power plants 'will play a major role in the energy transition', Recharge, 29 July 2021. https://www.rechargenews.com/energy-transition/why-hydrogen-fired-power-plants-will-play-a-major-role-in-the-energy-transition/2-1-1045768.
  8. US Department of Energy, Hydrogen Storage Challenges. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage-challenges
  9. Collins L., Hydrogen ‘twice as powerful a greenhouse gas as previously thought’: UK government study, Recharge, 8 April 2022. https://www.rechargenews.com/energy-transition/hydrogen-twice-as-powerful-a-greenhouse-gas-as-previously-thought-uk-government-study/2-1-1200115
  10. Environmental Defense Fund, STUDY: Emissions of Hydrogen Could Undermine Its Climate Benefits; Warming Effects Are Two to Six Times Higher Than Previously Thought, Environmental Defense Fund, 19 July 2022. https://www.edf.org/media/study-emissions-hydrogen-could-undermine-its-climate-benefits-warming-effects-are-two-six
  11. International Renewable Energy Agency (IRENA), Global hydrogen trade to meet the 1.5°C climate goal: Part I – Trade outlook for 2050 and way forward, International Renewable Energy Agency, 2022. https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Global-Hydrogen-Trade-Outlook
  12. Waters-Bayer, A. et al., Pastoralism and large-scale REnewable energy and green hydrogen projects, Heinrich-Böll-Stiftung, Brot für die Welt, May 2022. https://www.boell.de/en/2022/05/18/pastoralism-and-large-scale-renewable-energy-and-green-hydrogen-projects
  13. Ibid
  14. 零排放交通联盟，零排放交通联盟冀与政府合作 齐为香港公共道路运输减碳， 2022 年7月26日 https://civic-exchange.org/wp-content/uploads/2022/07/Press-Release_ZEMC-White-Paper_Chi_Final.pdf

其他参考资料：


  1. International Energy Agency (IEA), The Future of Hydrogen – Analysis. IEA, June 2019. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen.
  2. IEA, Global Hydrogen Review 2021. IEA, 2021. https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf.
  3. International Rivers, Seeing Green: Hydropower to "Green" Hydrogen is the latest false climate solution,2022. https://3waryu2g9363hdvii1ci666p-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/sites/86/2022/07/Green-Hydrogen-Factsheet.pdf
  4. Mohit J. et al., National Renewable Energy Laboratory, Hydrogen 101: Frequently Asked Questions About Hydrogen for Decarbonization, USAID and National Renewable Energy Laboratory (NREL), July 2022. http://pdf.usaid.gov/pdf_docs/PA00ZH27.pdf.
  5. US Department of Energy, Fuel Cells. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells.
  6. Vickers, J. et al., Cost of Electrolytic Hydrogen Production with Existing Technology, US Department of Energy, 2020. https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/20004-cost-electrolytic-hydrogen-production.pdf.

作者︰
低碳想创坊研究员李育成先生

2022年9月