東奧悉心打造氫能社會 氫將成為新的石油嗎? | 環境資訊中心

東奧悉心打造氫能社會 氫將成為新的石油嗎?

2021年07月22日
文:弗雷德·皮爾斯(英國自由記者、自由撰稿人,同時也是耶魯360的常駐作者)
在與電動汽車的對峙中,氫能或許已經敗北,但它卻有可能取代化石燃料,成為卡車、輪船、飛機和重工業的動力來源。

長期支持核電的日本現在對氫能抱有巨大的野心。東京奧運會將以氫能為動力。圖片來源:Alamy

東京奧運會若能在本月晚些時候順利召開,將會以一種雄心勃勃的能源作為燃料——氫。不僅本屆奧運聖火燃燒的是氫,奧運村也將以氫為能源。福島核災禁區內的6.8萬塊太陽能板為生產這些氫能提供電力。豐田的氫燃料電池車「未來」(Mirai)將是奧運會官方用車。

「1964年東京奧運會留下了新幹線高速鐵路作為其遺產,即將到來的奧運會的遺產將是氫能社會,」時任東京市長舛添要一2016年宣布

日本曾經是熱烈的核能擁護者,現在則對氫能雄心勃勃。目前,日本已經建成了全球最大的加氫站網絡,並計劃用氫能替代煉鋼等重工業所使用的化石燃料。它還在組織氫燃料進口方面搶先一步。2019年,川崎重工推出了全球首艘液化氫運輸船「Suiso Frontier」號(或稱「氫前沿」號),目標是利用澳洲頗具前景的氫氣生產能力。

 

鄰國韓國也有類似的計畫。今年3月,汽車製造商現代以及SK集團等企業宣布了一項380億美元的項目,計劃在未來十年內發展氫能經濟。

氫氣若真能被廣泛使用,那也將是一個漫長的過程。第一台氫燃料發動機早在1807年就被成功設計出來,19世紀60年代就有人提議用電解水製氫來代替煤炭。但長期以來煤炭和石油的價格都更加便宜。1937年興登堡空難中一艘氫氣飛艇爆炸更是給氫氣冠上了不安全的惡名。

據稱,發展全球「氫能經濟」能夠減緩碳排放引起的氣候變化。氫能可以為卡車、輪船和飛機提供動力,也可以用來生產水泥、鋼鐵、化肥等產品。現代汽車燃料電池部門負責人金世勳(Saehoon Kim)去年在英國一家貿易協會主辦的網路研討會上稱:「過去我們的技術和行業都圍繞石油的採集、運輸和使用,現在和未來則會圍繞著陽光的採集、運輸和使用——而讓一切成為可能的是氫。」

有些人則對此持懷疑態度。阿伯丁大學化學工程師湯姆·巴克斯特(Tom Baxter)說:「氫能只會成為一種小眾能源。」

巴克斯特補充說道,以目前的技術,氫能作為一種燃料,只有在溫度需要達到400攝氏度以上的工業生產過程中才能體現它的優勢。但在其他方面,綠氫通常會輸給電能。「綠氫的成本永遠不會低於生產它所需要的綠電。」他說。

綠氫、藍氫,還是灰氫

氫氣很少直接作為燃料,而是作為一種能量的載體,在能源價格低廉的地方生產,然後被運往世界各地有需要的地方。氫氣通常被用於車輛引擎中的燃料電池,它與氧氣混合後釋放能量,並排放水蒸氣。

過去兩年間,電動汽車在與氫能汽車的競爭中搶得先機。大型汽車製造商大多推出了電動車型,其中一些,比如通用汽車,還承諾將在不超過15年後只生產電動汽車。它們還得到了政府支持,後者斥巨資建設充電網絡。但對於長途航運、航空等化石燃料消耗巨大且不太容易接入電源的運輸系統而言,氫能可能是降低碳排放的關鍵所在。


氫在驅動下一代小轎車方面或許已經輸給了電力。圖片來源:Ivan Radic_Flickr, CC BY 2.0

氫氣每噸的熱值高於所有化石燃料,且不需要電池。但生產氫需要消耗大量電力,因此氫的氣候友好程度取決於生產其所使用的能源。因此,技術人員將氫氣分成灰氫、藍氫和綠氫。灰氫使用天然氣或煤炭生產,有著巨大的碳足跡。藍氫同樣使用化石能源生產,但是過程中產生的二氧化碳被捕獲或再利用。綠氫則來自用可再生電力將水分解成氫原子和氧原子,因此完全沒有碳足跡。

目前灰氫最便宜,主導著工業用途。中國的氫產量約佔全球1/3,主要使用褐煤生產。俄羅斯正計劃使用本國儲備豐富的天然氣來生產灰氫和藍氫。為了讓氫能成為氣候友好的化石燃料替代品,製造商必須捕獲生產過程中產生的二氧化碳並予以封存,以免造成危害。然而,碳捕獲與封存(CCS)技術仍有待完善。

阿伯丁大學的巴克斯特稱,化石燃料公司正大力推動在汽車、家庭供暖等各個領域用氫能替代電能。石油巨頭BP正計劃在英國提賽德(Teesside)建造一座藍氫工廠。據稱,該工廠將採用碳捕獲和封存技術,將生產過程中產生的二氧化碳封存在地下

大型石油公司的長期計畫是將氫能作為汽油和柴油需求式微後潛在的收入來源。他們的替代燃料轉型之路步子邁得極其緩慢。BP要在三年後才最終決定是否投資提賽德工廠,但實際建設預計將在2027年之後——只比英國計劃實現新車全部電動化早三年。

如果取消這些(化石燃料)補貼,氫等替代燃料將更有可能被廣泛推廣。──葛思民,空氣化工首席執行官

「目前化石燃料之所以比氫能更便宜、更易獲得,部分原因在於全球高達4000億美元的化石燃料補貼。如果取消這些補貼,氫等替代燃料將更有可能被廣泛推廣,」美國工業氣體公司空氣化工(Air Products)首席執行官葛思民(Seifi Ghasemi)在今年在紐約舉行的一場彭博社新能源財經(Bloomberg New Energy Finance)的會議上說。

如果全球對發展低碳氫能經濟是認證的,那麼大規模生產綠色氫能才是正道。已經有一些國家打算成為「氫能行業的沙烏地阿拉伯」。它們利用價格低廉的可再生能源大規模生產氫,其中包括利用自身豐富的水電資源生產氫的加拿大和冰島,後者還有地熱能。摩洛哥正快速開發撒哈拉沙漠的太陽能,並打算利用其生產氫。

沙烏地阿拉伯也有自己的計畫。該國近期宣布與空氣化工公司合作,斥資50億美元在紅海沿岸建設一座綠氫工廠,並且還將在一片與比利時面積相當的沙漠上建設太陽能和風能發電設施,為其即將建成的全球最大的氫工廠提供能源。預計這座氫工廠將於2025年投入生產。

該項目將成為沙烏地阿拉伯王儲、該國實際領導人穆罕默德·本·薩勒曼(Mohammed bin Salman)提出的生態城市計畫——新未來城(Neom)的一部分。該項目生產的氫除了供應生態城之外,還將出口海外,最終取代國際市場上的沙特石油。

鄰國阿曼制定了更宏大的計劃,打算斥資300億美元在阿拉伯海沿岸建設氫工廠。建成後,不僅可以出口綠氫,還將出口「綠氨」,以取代用化石燃料生產的化肥。

有著類似雄心的澳洲計劃建設五座巨型「氫能中心」。去年澳洲稱,將在西澳洲一片比兩個盧森堡面積還大的沙漠上建設綠氫生產設施,配備1000萬塊太陽能電池板和1500台風力渦輪機。

今年6月,該項目藍圖被部長們否決,原因是它可能對生物多樣性構成威脅。目前,該項目處於擱置狀態,但可能最終繼續推進。與此同時,澳洲還計劃在新南威爾士州名為「獵人谷」(Hunter Valley)的產煤區建設另一處綠氫中心,並計劃利用維多利亞州拉特羅布穀(Latrobe Valley)出產的褐煤生產灰氫。這些計畫的目標都是出口日本和亞洲其他地區。

誰將創造空中特斯拉?

最大的成就可能來自航空業。全球第二大飛機製造商空客公司去年發布了三款不同的零排放氫能源動力「概念」機型,並計劃在2035年將其投入使用。與此同時,美國加州初創公司ZeroAvia推出了氫燃料驅動的六座試驗機,並在去年秋天從英國克蘭菲爾德機場(Cranfield airport)出發完成了首次試飛。今年四月該機墜毀,所幸無人受傷。它有可能成為「空中特斯拉」。「不使用氫,大幅減少二氧化碳排放就幾乎不可能,」瑞典的一家工程研究中心保羅·謝勒研究所(Paul Scherrer Institute)的克里斯蒂安·鮑爾(Christian Bauer)說。「我想說的是,未來十年,我們將在這一領域看到可觀的發展。

潛在供應商與主要市場之間的其他交易正在激增。丹麥風電公司沃旭能源(Orsted)與全球最大的航運公司馬士基以及北歐航空公司簽署協議,從2023年起利用北海的離岸風電生產綠色氫能,供哥本哈根地區的公共汽車和卡車使用,船隻和飛機後續也將加入進來。


飛機製造商空中巴士公司已經發布了有望成為全球首款商用零排放飛機的方案。這款飛機將配備兩個混合動力氫渦輪扇發動機。圖片來源:Alamy

這一切都將成為現實嗎?懷疑者認為,搭建一個包括製造、運輸和交付等環節的全球氫供應鏈過於繁瑣、低效,尤其是必須從頭開始建設基礎設施。一些統計顯示,這一過程會損耗掉約2/3的能源。

「不止是供應端,即氫基燃料的生產過程中會發生能效損耗。在需求端,內燃機的能量浪費也比電動引擎高得多,」同樣來自保羅·謝勒研究所的羅曼·撒切( Romain Sacchi)說。即便如此,氫能仍可作為長途貨運的動力,他的同事鮑爾告訴中外對話:「現在一輛大卡車需要配備幾噸重的電池才能行駛超過100公里。」

德國波茨坦氣候變遷衝擊研究所(Potsdam Institute for Climate Impact Research)的法爾科·尤科爾德(Falko Ueckerdt)認為:氫氣的可獲得性「充滿太多不確定因素,無法在汽車和家庭供暖等場景下廣泛替代化石燃料」。因此,他認為全世界應優先考慮氫氣作為不可替代的低碳能源的應用場景。隨著全球將零排放作為目標,氫應該被用來消除最難消除的那10%左右的碳排放。

「初級鋼材和氨的生產是綠氫恰當的切入點,」他說。氫能可以替代二者生產過程中不可或缺化石燃料,並提供能量。

但他提醒道,建築物供暖等領域氫能需求的不斷增長,可能會讓廉價的藍氫佔據優勢,導致「危及氣候目標的化石燃料鎖定效應。」

將氫基燃料作為通用的氣候解決方案可能將被證明是一個虛假的承諾。「它們雖然用途廣泛,但不應指望它們廣泛替代化石燃料。」尤科爾德說。

「只有能源意義上行得通,氫能經濟才能站得住腳,否則就會有更好的解決方案來征服市場。幾乎所有的合成液烴都有現成的基礎設施,而氫卻需要一個全新的輸配網絡,」燃料電池顧問烏爾夫·伯塞爾(Ulf Bossel)和瑞士ABB公司研究員巴爾德爾·埃利亞松(Baldur Eliasson)在一份關於氫能經濟的白皮書中指出。

至少在未來十年內,氫基燃料可能將供應有限且缺乏競爭力。

※ 本文轉載自中外對話〈氫是新的石油?