綠色氫最近經(jīng)常出現(xiàn)在新聞中。當(dāng)選總統(tǒng)拜登承諾將利用可再生能源生產(chǎn)比天然氣成本更低的綠色氫氣。美國能源部（DepartmentofEnergy）正投入高達(dá)1億美元用于氫電池和燃料電池的研發(fā)。到2030年，歐盟將在綠色氫方面投資4300億美元，以幫助實(shí)現(xiàn)其綠色協(xié)議的目標(biāo)。智利、日本、德國、沙特阿拉伯和澳大利亞都在對(duì)綠色氫氣進(jìn)行重大投資。

那么，什么是綠色氫？簡(jiǎn)單地說，氫燃料是用可再生能源而不是化石燃料制造的。它有潛力為制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等提供清潔能源，唯一的副產(chǎn)品是水。

綠色氫從何而來？

氫能用途非常廣泛，因?yàn)樗梢砸詺怏w或液體的形式使用，可以轉(zhuǎn)換成電能或燃料，而且有許多生產(chǎn)氫能的方法。全球每年大約生產(chǎn)7000萬公噸氫氣，用于煉油、氨生產(chǎn)、鋼鐵制造、化學(xué)和化肥生產(chǎn)、食品加工、冶金等。

宇宙中的氫比任何其他元素都多據(jù)估計(jì)，大約90%的原子是氫。但是氫原子本身并不存在于自然界中。為了產(chǎn)生氫，它的原子需要與其他元素分離，這些元素與氫一起存在于水、植物或化石燃料中。這種脫鉤的方式?jīng)Q定了氫能的可持續(xù)性。

目前使用的大部分氫氣是通過一種叫做蒸汽甲烷重整的工藝生產(chǎn)的，這種工藝?yán)么呋瘎┦辜淄楹透邷卣羝l(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣、一氧化碳和少量二氧化碳。在隨后的過程中，一氧化碳、蒸汽和催化劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多的氫氣和二氧化碳。最后二氧化碳和雜質(zhì)被去除，留下純氫。其他化石燃料，如乙醇、丙烷、汽油和煤也可用于蒸汽重整制氫。這種以化石燃料為動(dòng)力的生產(chǎn)方法每年產(chǎn)生灰色氫氣和8.3億噸二氧化碳排放量，相當(dāng)于英國和印度尼西亞的排放量之和。

當(dāng)蒸汽甲烷重整過程中產(chǎn)生的二氧化碳被捕獲并儲(chǔ)存在其他地方時(shí)，產(chǎn)生的氫氣被稱為藍(lán)色氫氣。

氫也可以通過電解水產(chǎn)生，只留下氧氣作為副產(chǎn)品。電解利用電流在電解槽中將水分解成氫和氧。如果電力是由可再生能源產(chǎn)生的，比如太陽能或風(fēng)能，那么產(chǎn)生的無污染氫就被稱為綠色氫。可再生能源成本的迅速下降是人們對(duì)綠色氫氣越來越感興趣的原因之一。

為什么需要綠色氫氣？

大多數(shù)專家都認(rèn)為，綠色氫對(duì)于實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)至關(guān)重要，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)中有某些部分的排放很難消除。在美國，氣候變暖排放的前三大來源來自交通、發(fā)電和工業(yè)。

能源效率、可再生能源和直接電氣化可以減少電力生產(chǎn)和一部分運(yùn)輸?shù)呐欧牛坏?jīng)濟(jì)的最后15%左右，包括、航運(yùn)、長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸以及混凝土和鋼鐵制造，很難脫碳，因?yàn)檫@些部門需要高能量密度燃料或高熱量。綠色氫氣可以滿足這些需求。

綠色氫氣的優(yōu)點(diǎn)

氫是豐富的，它的供應(yīng)幾乎是無限的。它可以在生產(chǎn)或運(yùn)輸?shù)狡渌胤降牡胤绞褂谩Ｅc無法長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存大量電能的電池不同，氫可以從多余的可再生能源中產(chǎn)生，并大量?jī)?chǔ)存很長(zhǎng)時(shí)間。一磅一磅，氫所含的能量幾乎是化石燃料的三倍，所以做功所需的能量更少。綠色氫的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是它可以在任何有水和電的地方產(chǎn)生，從而產(chǎn)生更多的電或熱。

氫有許多用途。綠色氫氣可以用于工業(yè)，可以儲(chǔ)存在現(xiàn)有的燃?xì)夤艿乐?，為家用電器提供?dòng)力。它可以運(yùn)輸可再生能源時(shí)，轉(zhuǎn)化為載體，如氨，一個(gè)零碳燃料航運(yùn)，例如。

氫還可以與燃料電池一起使用，為任何用電的東西提供動(dòng)力，如電動(dòng)汽車和電子設(shè)備。與電池不同的是，氫燃料電池不需要充電，只要有氫燃料就不會(huì)耗盡。

燃料電池的工作原理和電池一樣：氫氣被送入陽極，氧氣被送入陰極；它們被催化劑和電解質(zhì)膜分開，電解質(zhì)膜只允許帶正電荷的質(zhì)子進(jìn)入陰極。催化劑將氫的帶負(fù)電電子分離，使帶正電的質(zhì)子通過電解液到達(dá)陰極。同時(shí)，電子通過外部電路傳輸，產(chǎn)生電能，電能在陰極與質(zhì)子相遇，質(zhì)子在陰極與氧氣反應(yīng)形成水。

氫被用來為氫燃料電池汽車提供動(dòng)力。由于它的能源效率，氫燃料電池的效率是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的兩到三倍。而燃料電池電動(dòng)車的加油時(shí)間平均不到4分鐘。

由于燃料電池可以獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，因此可以在領(lǐng)域或?yàn)?zāi)區(qū)使用，并作為獨(dú)立的發(fā)電機(jī)發(fā)電或供熱。當(dāng)它們固定在適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，就可以連接到電網(wǎng)以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電力。

綠色氫的挑戰(zhàn)

它的易燃性和輕便性意味著氫和其他燃料一樣，需要妥善處理。許多燃料是易燃的。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣在空氣中更易燃。然而，低濃度的氫與其他燃料具有相似的可燃性。由于氫的重量是汽油的57倍，它能迅速擴(kuò)散到大氣中，這是一個(gè)積極的安全特征。

因?yàn)闅涞拿芏缺绕偷偷枚?，所以很難運(yùn)輸。它要么需要冷卻到-253?C才能液化，要么需要壓縮到700倍大氣壓才能作為壓縮氣體輸送。目前，氫氣通過專用管道、低溫液體罐車、運(yùn)輸氣態(tài)氫的管拖車或鐵路或駁船運(yùn)輸。

如今，1600英里長(zhǎng)的氫氣管道在美國各地輸送氣態(tài)氫，主要分布在化工廠和煉油廠使用氫氣的地區(qū)，但這還不足以滿足廣泛使用氫氣的需要。

天然氣管道有時(shí)僅用于輸送有限的氫氣，因?yàn)闅錃鈺?huì)使鋼管和焊縫變脆，導(dǎo)致裂紋。當(dāng)不到5%到10%的氫氣與天然氣混合時(shí)，氫氣可以通過天然氣基礎(chǔ)設(shè)施安全地分配。為了分配純氫，需要對(duì)天然氣管道進(jìn)行重大改造，以避免金屬管道的潛在脆化，或者需要建造完全分離的氫氣管道。

燃料電池技術(shù)一直受到燃料電池高成本的制約，因?yàn)榘嘿F的鉑用于陽極和陰極，作為分解氫的催化劑。研究正在進(jìn)行，以提高燃料電池的性能，并找到更有效和更便宜的材料。

燃料電池電動(dòng)汽車面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在車內(nèi)儲(chǔ)存足夠的氫氣，即5至13公斤的壓縮氫氣，以達(dá)到300英里的常規(guī)行駛里程。

燃料電池電動(dòng)車市場(chǎng)也受到加油站稀缺的阻礙。截至8月，美國只有46個(gè)加氫站，其中43個(gè)在加州；加氫成本約為每磅8美元，而加州的每加侖汽油價(jià)格為3.18美元。

一切都?xì)w結(jié)為成本

綠色氫面臨的各種障礙實(shí)際上可以減少到一個(gè)：成本。哥倫比亞大學(xué)全球能源政策中心高級(jí)研究學(xué)者胡里奧·弗里德曼認(rèn)為，綠色氫唯一真正的挑戰(zhàn)是它的價(jià)格。他說，每年生產(chǎn)7000萬噸氫氣，并通過管道運(yùn)送到美國各地，這一事實(shí)表明，分配和使用氫氣的技術(shù)問題“簡(jiǎn)單明了，而且相當(dāng)清楚”。

問題是，目前綠色氫氣的成本是美國天然氣的三倍，生產(chǎn)綠色氫氣的成本比生產(chǎn)灰色或藍(lán)色氫氣的成本要高得多，因?yàn)殡娊夂苜F，盡管隨著制造規(guī)模的擴(kuò)大，電解槽的價(jià)格正在下降。最近的一項(xiàng)研究顯示，目前，灰色氫氣每公斤價(jià)格約為1.50歐元（約合1.84美元），藍(lán)色每公斤價(jià)格為2至3歐元，綠色每公斤價(jià)格為3.50至6歐元。

Friedmann詳細(xì)介紹了降低綠色氫價(jià)格的三個(gè)關(guān)鍵策略，以便更多人購買：

1、支持新的氫氣生產(chǎn)和使用的創(chuàng)新。他指出，國會(huì)剛剛通過的刺激法案提供這種支持，將有助于在未來幾年削減燃料電池和綠色制氫的成本。

2、對(duì)氫的價(jià)格支持，如投資稅收抵免或生產(chǎn)稅收抵免，類似于為風(fēng)能和太陽能建立的稅收抵免，有助于推動(dòng)其價(jià)格下跌。

3、限制排放的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。例如，現(xiàn)在使用的氨有一半用于化肥生產(chǎn)。”弗里德曼說：“如果我們說‘我們有一個(gè)低碳氨的排放標(biāo)準(zhǔn)’，那么人們就會(huì)開始使用低碳?xì)鋪碇圃彀保F(xiàn)在他們沒有，因?yàn)樗某杀靖摺！钡绻阌幸粋€(gè)規(guī)定，說你必須這樣做，那么它就更容易做到。”另一個(gè)監(jiān)管選擇是，政府可以決定采購綠色氫，并要求所有燃料都必須使用一定比例的綠色氫。

綠色氫的未來

麥肯錫的一項(xiàng)研究估計(jì)，到2030年，美國氫經(jīng)濟(jì)可能創(chuàng)造1400億美元，并支持70萬個(gè)就業(yè)崗位。

弗里德曼認(rèn)為，在未來五到十年內(nèi)，尤其是在歐洲和日本，將大量使用綠色氫氣。然而，他認(rèn)為，無論是管道基礎(chǔ)設(shè)施還是輸電線路，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的限制都將很快達(dá)到，因?yàn)橹圃炀G色氫氣需要的電力容量將比我們現(xiàn)在的電力容量高出大約300%。他說：“我們將在電解槽制造、電力基礎(chǔ)設(shè)施、港口制造和運(yùn)輸能力、工業(yè)改造速度等方面達(dá)到極限。我們沒有人力資本，也沒有基礎(chǔ)設(shè)施。做這些事情需要一段時(shí)間。”

許多專家預(yù)測(cè)，我們還需要10年才能看到綠色氫氣的廣泛應(yīng)用；然而，弗里德曼堅(jiān)持認(rèn)為，這10年的預(yù)測(cè)是基于一些假設(shè)他說：“這是以大規(guī)模生產(chǎn)電解槽為前提的，這在世界上任何地方都沒有發(fā)生過。它的前提是一系列尚未做出的政策調(diào)整，以支持市場(chǎng)。這是以這些市場(chǎng)推動(dòng)的一系列基礎(chǔ)設(shè)施變革為前提的。”

在美國和世界各地有許多綠色能源項(xiàng)目試圖應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并促進(jìn)氫的采用。這里有幾個(gè)例子。

加州將在2023年前投資2.3億美元用于氫氣項(xiàng)目；全球最大的綠色氫氣項(xiàng)目正在加州蘭開斯特由能源公司SGH2建造。這個(gè)創(chuàng)新的工廠將利用廢物氣化，每年燃燒4.2萬噸再生廢紙來生產(chǎn)綠色氫氣。因?yàn)樗皇褂秒娊夂涂稍偕茉?，它的氫氣將與灰色氫氣具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

一個(gè)新的西方國家氫能聯(lián)盟，由重型氫和燃料電池行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者組成，正在推動(dòng)在13個(gè)西方國家開發(fā)和部署燃料電池技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施。

歐洲氫工業(yè)，一個(gè)促進(jìn)氫的領(lǐng)先協(xié)會(huì)，正在開發(fā)一種從農(nóng)作物和森林殘?jiān)纳镔|(zhì)氣化生產(chǎn)純氫的工藝。由于生物質(zhì)在生長(zhǎng)過程中吸收大氣中的二氧化碳，該協(xié)會(huì)堅(jiān)持認(rèn)為，生物質(zhì)產(chǎn)生的凈碳排放量相對(duì)較少。

由比爾·蓋茨（BillGates）共同創(chuàng)立的突破能源公司（BreakthroughEnergy）正在投資一家新的綠色氫研發(fā)企業(yè)，名為歐洲綠色氫加速中心（EuropeangreenhydrogenAccelerationCenter）。它的目的是縮小目前化石燃料技術(shù)和綠色氫氣之間的價(jià)格差距。突破能源公司還投資了ZeroAvia，一家開發(fā)氫燃料的公司。

去年12月，聯(lián)合國發(fā)起了綠色氫彈射器倡議，召集了全球最大的7家綠色氫項(xiàng)目開發(fā)商，目標(biāo)是到2027年將綠色氫的成本降至每公斤2美元以下，并將綠色氫的產(chǎn)量提高50倍。

歸根結(jié)底，綠色氫能否實(shí)現(xiàn)其承諾和潛力，取決于汽車制造商、加油站開發(fā)商、能源公司和政府在未來幾年愿意對(duì)其進(jìn)行多少投資。

但由于對(duì)全球變暖置之不理不是一種選擇，綠色氫有很大的潛力，弗里德曼對(duì)其未來持樂觀態(tài)度。綠色氫是令人興奮的，他說這是令人興奮的，因?yàn)槲覀兛梢栽诿總€(gè)領(lǐng)域使用它。這是令人興奮的，因?yàn)樗鉀Q了問題工業(yè)和重型運(yùn)輸中最困難的部分。很有趣，因?yàn)槌杀菊谙陆怠Ｓ泻芏喾椒梢灾圃炝闾細(xì)洌{(lán)色和綠色。我們甚至可以用生物氫制造負(fù)碳?xì)洹６昵?，我們還沒有足夠的技術(shù)和財(cái)力去做這件事?，F(xiàn)在我們做到了。