氫經濟漫談

 

氫經濟漫談

 

南伊，2022年8月18日，周四

 

氫是一種非常神奇的元素，它在化學元素周期表中排第一位。氫的突出特點包括：第一，氫最輕，它的原子質量隻有 1.00794u；第二，氫最多，在浩瀚宇宙中無所不在，氫原子的數目比其它所有元素原子的總和還多一百倍。就拿我們熟知的太陽來說，氫元素就占 70% 以上。人們常說，地球表麵的水最多，這就是常言說的“三山六水一分田”，而水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的，從質量上說，氫在水中也要占到 11%。第三，氫最活，除了稀有元素之外，氫能和幾乎所有的元素生成化合物。

氫是一種清潔能源，它燃燒後產生的熱量是汽油的三倍，而且不產生汙染氣體，隻排放水作為副產品。科學家們相信，導致地球氣候變暖的主要原因是環境汙染導致的溫室效應，而環境汙染的罪魁禍首是“碳”的排放。傳統能源導致高碳排放，比如煤炭、石油、天然氣等，它們都是高碳經濟的動力源泉，同時又是溫室氣體的主要製造者。

如何發展低碳經濟，減少汙染，保護地球，同時保持經濟的可持續發展？人們早就想到了用氫作為替代能源，比如用氫氣代替汽油驅動汽車、火車、飛機、輪船等交通工具，用氫氣替代天然氣為千家萬戶供暖、燒飯、驅動居家、商場和辦公大樓的空調設備。這就需要大量的氫氣產品，需要大量的存儲設備，輸送管道，和終端加氫設備。從氫氣產品的製造、傳輸到最終用戶的使用，需要完整的供應鏈和基礎設施，由此產生的供給和消費市場總體就被統稱為“氫經濟”。

氫經濟的實現絕非輕而易舉一蹴而就的，這裏的主要困難是用目前的技術製氫代價太高。最常見的製氫方法是電解水，目前的技術水平是每產生一公斤氫需要花費五美元。最便宜的製氫方法是加熱天然氣並從中提取氫，這種方法隻需要 1.5 美元產生一公斤氫，但是它產生高汙染，有大量的二氧化碳排出，抹殺了氫經濟的初衷。由此可見，氫經濟有一個內在的困難：氫雖然是清潔能源，但製造氫的過程卻是有汙染的。按目前的科研結果，有兩種方法來解決這個內在的矛盾。

第一，用太陽能、風能等可再生能源提供電力，電解水獲得氫氣。再把氫氣液化後進行傳輸，用戶根據需要使用液化氫氣或者汽化氫氣。第二，使用傳統能源作為原材料，用高熱高壓產生氫氣，並在製氫過程中捕獲碳，不讓這些碳排放到大氣中。

這兩種方法都需要進一步完善，因而需要大量資金和政策方麵的支持。前天（2022 年 8 月 16 日），美國總統拜登簽署了《降低通貨膨脹法案》，它規定在 10 年內投資 4370 億美元，其中 3700 億美元用於發展可再生能源、電動汽車和其它溫室氣體減排。這個法案為發展氫經濟提供了動力，為保護環境，防止氣候加速變化提供了支撐。比如，如果廠家能夠保證最低排碳率，即每生產一公斤氫氣排放 0.45 公斤的二氧化碳，生產商就有資格獲得每公斤氫三美元的政府補貼。這就大大降低了製氫的成本，為氫經濟起飛奠定了基礎。

美國和中國是目前世界經濟的領頭羊，也是氫經濟的排頭兵。美國去年生產 1000 萬噸氫，中國去年的氫產量是 2500 萬噸。但是，使用可再生能源通過電解水產生的清潔氫氣的產量不到總產量的 1%，所以無論美國還是中國，在氫經濟的發展上都有很長的路要走。美國能源部已經製定目標，要在 2026 年將低碳氫的成本降至每公斤 2 美元，到 2031 年降至每公斤 1 美元。美國的《降低通貨膨脹法案》使得氫氣生產商家異常興奮，因為他們現在生產一公斤氫要 5 美元，根據這個法案政府補貼 3 美元，這些商家現在就已經達到了能源部 2026 年每公斤氫隻花費 2 美元的目標！

在《降低通貨膨脹法案》之前，美國還有個《基礎設施投資和就業法案》承諾投資 80 億美元，在美國建立至少八個“區域氫能樞紐”（Regional Hydrogen Hubs），建立完整的氫經濟價值鏈。目前，全美國已經有 22 個潛在的區域氫能樞紐提案，可見競爭何等激烈。本人所在的亞利桑那州，地處兩個氫能大戶之間，左邊是加利福尼亞，右邊是德克薩斯，一個是清潔能源的大用戶，一個是石油天然氣的生產基地，兩者都對自己成為區域氫能樞紐信心滿滿，誌在必得。我們亞利桑那州也有自己的獨特優勢，天廣地袤，陽光充裕，可以提供大量的太陽能、風能發電，為綠色氫能提供支撐。我們還有全美最大的核電廠，用核發電產生的餘熱製氫，也能另辟蹊徑，降低成本。除此之外，本州的沙漠鹽丘還能為地下儲藏氫能、地下埋碳提供天然場地。

上個月，歐盟批準了他們自己的氫經濟計劃，撥出 54 億歐元資助 41 個氫能源項目。當然，這不僅是因為氫經濟前途無量，還因為俄羅斯對歐洲關閘停氣，歐盟必須想辦法減低對俄羅斯天然氣的嚴重依賴。

目前，大約有 50 個國家製定了相關政策刺激氫經濟在本國的發展，其中大部分集中在運輸領域。隨著可再生電力成本的下降，特別是太陽能光伏和風能的發展，人們對電解水製氫的興趣越來越大，方法越來越先進。目前大部分的電動汽車使用鋰電池，而氫燃料電池將會成為電動車的主要能源，尤其是對重型車輛甚至是飛機輪船等大型運輸工具，氫燃料電池有獨到優勢。少量的氫氣可以直接注入現有的天然氣管道中，為居民供暖燒飯。而對建築物供能的長期前景將包括純氫管道、氫氣鍋爐、以及直接使用氫氣的燃料電池。氫的能量密度很高，直接燃燒氫氣的內燃機效率比汽油內燃機高 8%，有著極為廣闊的應用前途。

總之，氫氣的用途非常廣泛，氫經濟可以幫助人類應對清潔能源的諸多挑戰，為人類造福。氫經濟也需要大量的科研和開發，年輕聰慧的人在這個領域將大有作為。

南伊，2022年8月18日，周四。