 本文3072字，阅读约需8分钟 摘 要：氢气是一种清洁能源，燃烧时只产生水，将在未来能源中占据重要的位置，而且随着多个国家宣布到2050年实现温室气体净零排放，越来越多的国家意识到氢气将成为实现这一目标的关键，本文中将介绍当前不同国家所采用的一些制氢方法以及不同制氢方法的制氢成本。 关键字：氢气、电解水制氢、温室气体净零排放、制氢成本、氢社会、绿氢、零碳氢气 美国著名思想家和环保主义者莱斯特·布朗（Lester Brown）曾表示，可以在美国亚利桑那州的沙漠地区安装风力和太阳能发电设施，并将电力传输到需求地区；当电力需求下降时，利用剩余电力电解水制造氢气并储存。遗憾的是，目前受成本限制，这一想法很难实现。即便是由于风量大且日照时间长，可再生能源的发电成本有所降低，但使用剩余电力运行机器时，电解设备的利用率也较低。换句话说，当使用来源不稳定的可再生能源时，昂贵的电解设备的单位折旧成本会变高，从而导致制氢成本升高。 美国在世界上第一个将氢气用作火箭燃料，然而目前的美国政府逐渐失去了对氢的兴趣，最近美国能源部接连削减与氢技术有关的预算。但是，新任美国总统拜登表示，将在未来四年中花费2万亿美元（约13万亿元）投入基础设施和能源领域等，以应对气候变化。氢燃烧可产生电能，且不会排放二氧化碳，因此地位重要。降低昂贵的电解设备的价格是降低制氢成本的措施之一。如果电解设备的投资得以大幅减少的话，莱斯特·布朗的想法将有望实现。 当前，日本、欧洲和中国等世界主要国家坚信，使用氢能将成为2050年实现温室气体净零排放的关键。同时各国均已经开始研究如何降低制氢成本，并扩大其使用范围。
（图片来自网络） 氢气是一种清洁能源，燃烧时只产生水，但直到几年前，仅有位于东亚的日本、中国和韩国关注氢气并将其视作能源，而拥有大量褐煤的澳大利亚为氢气的主要供给国。褐煤由于发热量低，水份大，加上运输成本高且易自燃，所以不能直接出口。煤炭的水分含量越高，就越容易自燃。之前，有一家日本公司从澳大利亚进口大量褐煤样品时，在运输过程中发生过自燃现象。如果将褐煤气化并在当地转化为氢气，并通过液化减少体积的话，则可以将其运输并转化为出口产品。 如今，各国对于氢气的看法大有转变，主要是基于以下原因：包括日本在内，多个国家宣布到2050年实现温室气体净零排放，主要国家普遍认为使用氢气将成为实现这一目标的关键。从全球二氧化碳排放量来看，电力行业占40％以上。通过引入低碳电源，电力部门有望将CO2排放量减少到几乎为零。 运输部门的二氧化碳排放量约占25％，有望通过引入电动汽车将乘用车的排放量减少至零。但是考虑到电池的重量，卡车、内燃机火车、轮船和飞机的电动化将很难实现。工业领域的二氧化碳排放量约占20％，使用煤作为原料和还原剂（例如使用高炉炼铁）的工艺很难实现电动化。 其结果就是，许多部门可以通过推进电动化，在某种程度上减少二氧化碳的排放，但是仅凭电动化不可能实现零排放。作为针对无法电动化领域的政策，氢气吸引了西方各国的广泛关注，特别是欧洲主要国家急于利用氢气。当然，要想使用氢气，需要对设备进行大幅改良，包括存储和运输设备。例如在汽车中，需要用燃料电池来代替内燃机。如何更新和安装新设备也是一个大问题。更重要是氢气的制造方法，其不仅会影响二氧化碳排放量，还关乎能源成本，并且对工业以及对我们的生活都会产生重大的影响。 制氢有多种方法。如利用澳大利亚褐煤制氢那样，目前主流的生产方式是利用煤、褐煤和天然气等化石燃料制造氢气。氢气用于化工厂等，全世界每年氢气产量达7,000万吨。国际能源署的数据显示，四分之三是用天然气制成的，占世界天然气消费量的6％。此外，以中国为主，利用煤炭制氢，制氢过程中使用的煤炭占世界煤炭消费量的2％。当前，超过90％的氢气来自化石燃料，生产时排放的二氧化碳达8.3亿吨，这一数值超过了世界第六大二氧化碳排放国——德国的排放量（日本排第五）。 由天然气产生的氢气被称为灰氢，由煤产生的氢气被称为黑氢，而由褐煤产生的氢气被称为褐氢，可以通过此类带颜色的称呼推断制氢的原料。利用化石燃料生产氢时很难减少二氧化碳的排放。例如，当利用天然气制造1千克氢气时，将排放10千克二氧化碳；而利用煤炭时，二氧化碳排放量更是几乎达到两倍。 利用天然气制造氢气，1千克氢气可供燃料电池汽车（FCV）行驶125公里，虽然在行驶过程中不会排放任何二氧化碳，但考虑到制氢过程中的排放量的话，相当于每行驶1公里排放80克的二氧化碳，略低于混合动力汽车，这不会对应对全球变暖起到明显作用。因此，主要国家已经开始关注不排放二氧化碳的制氢方法。其中之一便是安装名为CCS的设备，该设施可以捕获和储存化石燃料制氢时排放的二氧化碳。这种氢气被称为蓝氢。 美国、欧盟等致力于使用不排放二氧化碳的电力，并通过电解水生产氢的方法。使用可再生能源制造的氢气被称为绿氢；使用核能制造的氢气则被称为紫氢（紫氢也可以指由生物质能生产的氢）。关于将核能用于制造氢气的做法褒贬不一——法国、芬兰、荷兰等国家表示赞成；奥地利和丹麦等国家则表示反对。 在考虑氢的成本时，除了生产之外还必须考虑运输、存储等成本，本文主要讨论不同制氢方法的制氢成本。氢在未来的能源中将占据重要位置，制氢成本将影响未来氢气的成本竞争力。 日本加氢站出售的氢气价格为每千克1100日元（约70元）（含税）。假设每千克氢气可供FCV行驶125公里，则每公里的燃料成本为8.8日元（约0.5元）。如果汽油价格为每升130日元（约10元），则对于燃油效率为15km/L的内燃机车辆，每公里的燃料成本为8.7日元（约0.5元）。尽管汽油价格会有所波动，但相比燃料效率的混合动力汽车，FCV的燃料成本可能更高，再加上FCV的价格高，因此从经济效率的观点出发，必须降低氢气价格。 当前，由于各地化石燃料的价格不同，化石燃料制氢的成本不一。根据国际能源署的数据，截至2018年，天然气的生产成本为每千克0.9-3.2美元（约5.8-20元）；煤炭的使用成本为每千克1.2-2.2美元（约7.8-14.2元）；而绿氢的成本相对较高，为每千克3.0-7.5美元（约19-48.6元）。 根据丰田汽车公司等国际公司参加的氢理事会去年1月发布的报告，2020年使用欧洲海上风力发电的绿氢价格为6美元（约38元）/千克，随着设备投资以及发电成本的减少，到2030年这一价格将降至2.6美元（约17元）/千克，与化石燃料制氢的成本持平。然而，由于电解水制氢每千克需要消耗55kWh的电能，因此电价必须控制在每kWh 2-3美分（约0.13-0.2元）。 川崎重工和J-Power等日本公司在日澳政府合作下，正在进行利用褐煤生产氢气并储存和回收所排放的二氧化碳的项目。计划将这种蓝氢液化或转化为氨，然后出口到日本。根据日本经济产业省的数据，2022年的目标成本约为每千克1.3美元（约8.4元），这一目标能够实现的话将具备十足的竞争力（图）。
除了与日本、韩国和新加坡合作外，澳大利亚政府还于2020年9月与德国签署了一项谅解备忘录，关于氢供应进行联合商业化调查，旨在成为全球氢供应基地。毫无疑问，澳大利亚是一个政治上稳定可靠的伙伴（对日本而言，译者注），但是如果氢的使用范围扩大，日本也需要氢气来源多样化。 而对于日本国内，最可能的来源是通过电解生产氢。日本政府的目标产量是2030年达到30万吨，但在2019年底将这一数值提高到最大300万吨，其中包含超过42万吨的绿氢（根据日本经济产业省的定义，绿氢指可再生能源和化石燃料+CCS制造的氢气）。如果日本每年通过电解生产一百万吨氢气，那么在当前的技术条件下，耗电量将为550亿千瓦时，相当于800万KW级供电站的供电量，或是日本目前安装的太阳能设备产生的所有电能。但是可再生能源是取决于天气的波动电源，所以电解设备的运转效率会降低，导致制氢成本升高。只有与稳定的低碳电源结合使用，才能以具有竞争力的价格制造零碳氢气。 为实现氢社会，除了可再生能源之外，还需要大规模且稳定的低碳电力的供应能力。即使给火电厂附加CCS设备，依然需要核能作为主要电力来源。不考虑未来的能源来源的构成，将很难实现氢社会。 翻译：李 庄 审校：李涵、贾陆叶 统稿：李淑珊  ●低温固体氧化物燃料电池用高性能核壳结构Ni-GDC纳米立方体阳极的原位制备 |
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