“狼”真的來了

人們普遍認為傳統金屬蓄電池驅動是汽車的未來。韓國大型汽車制造商現代汽車卻不以為然。在過去的幾個月里,它一直在全球范圍內開展公關活動,宣揚另一種電力來源——燃料電池的優勢。

燃料電池不像傳統電池那樣儲存和釋放從電源中收集的電力,而是通過氫和氧的化學反應產生電流。氧氣來自于空氣,氫氣經過適度壓縮后,儲存在汽車的油箱中,可以在加氫站補給。與傳統金屬電池不同,燃料電池會產生廢氣,但這種廢氣只是氫和氧的反應產物——水。


韓國的偶像組合“防彈少年團”作為現代汽車全球品牌宣傳大使,于今年6月發布了“全球氫能源活動”視頻廣告,在這一段廣告中,少年團成員們在自然美景的襯托下,夢幻般地凝視著遠方。為了提醒人們燃料電池的環保優勢,水無處不在。它是飄落的雪、是奔涌的海洋、是輕輕穿過森林的薄霧。


廣告可能太過娛樂化,但現代汽車是認真的。雖然該公司已經在銷售電動車,但它也在通過開發氫能汽車來對沖其低碳賭注。這一段廣告也旨在宣傳同樣在視頻中亮相的該公司去年推出的第二款燃料電池車Nexo。

而現代并不是唯一一家以這種方式為自己“留一手”的公司。6月5日,全球最暢銷的電池混合動力車普銳斯的制造商豐田宣布與幾家中國汽車制造商成立合資公司,開發燃料電池技術。豐田的另一款氫動力汽車Mirai的升級版將于今年年底推出。

氫能正享受著一段“陽光燦爛”的日子。它不僅受汽車制造商青睞,也被追捧為公共汽車、卡車,甚至船舶和飛機的可用能源之一。有人說它可以取代天然氣作為熱源,可以用來儲存太陽能和風力發電站的過剩產出,可以用作化工原料,甚至可以取代焦炭作為從礦石中提取金屬鐵的手段。如果這一切都能實現,那么氫就會像目前碳氫化合物一樣,成為人類生活的主導因素。換句話說,我們將迎來氫經濟。

這一次,是真的

有一定閱歷的人看到這可以翻翻白眼了。在過去50年里,至少有兩次——一次是在石油危機之后的1970年代,另一次是在氣候變化開始成為政治焦點的1990年代——人們興奮地談論用氫取代碳氫化合物,但每次都貌似只是虛張聲勢。“狼來了”的故事聽多了,當它真的來了的時候,人們都自動免疫了。


這里面有以下幾個原因。首先,拆除和替換世界上的化石燃料基礎設施是一項浩大工程。哪怕這一點可以克服,氫本身也有缺點。雖然氫在一定體積內的儲能量大于金屬電池,卻低于化石燃料。更重要的是,它不是主燃料,只能從其他物質中提取。

一般情況下,可以通過“蒸汽重整”的化學反應來提取氫,但除了蒸汽之外,這個反應過程中還需要一種碳氫化合物的參與,這與氫能“減少碳足跡”的目標嚴重相背離。其次,氫提取可以通過電解水來實現。只要電解水中的電力來自可再生資源或核電站,就符合綠色能源的資質。

但根據熱力學定律,電解水這個過程中產生的氫能肯定會低于用于電解的電能。這個過程中的內部能耗不得不讓人們產生疑問:"為什么不直接用這一部分電能為最終用途供電,非要用氫作為中介?"

為了回應這些直以,堅持“狼”真的來了的人可以指出兩點。幾項相關技術,尤其是電解設備,可能很快就會進入足夠便宜的階段。而為了遏制氣候變化,各經濟體需要全面實現低碳化的想法正在加速形成。

例如,在2019年之前,英國曾計劃在2050年之前將碳排放量從1990年的水平減少80%。然而,它卻提高了賭注,成為第一個承諾100%減排的經濟大國。這對氫能有一定的影響。

氣候變化委員會(CCC)的成員大衛·約菲(David Joffe)認為,利用風能和太陽能等可再生資源進行電氣化,可能會幫助英國實現80%的目標。該委員會是一個就如何實現轉型向英國政府提供建議的組織。但他說,完全脫碳是一項更艱巨的任務,而且在這個過程中,氫可能是必要的。

市場的填充劑

盡管現代和豐田熱情正盛,很少有分析師認為汽車會完全卷入氫能的進化過程中。據CCC計算,一輛從風力渦輪發電的電源中充電的電池動力汽車,可以將渦輪機輸出的86%轉化為道路上的前進動力,而燃料電池汽車僅有是40-45%。

氫能汽車還存在一個“先有雞還是先有蛋”的問題。與電池供電的品種不同,它們不能在家里充電。然而,現有加氫站的數量是如此稀缺,而且很可能在氫能汽車本身仍然稀缺的情況下繼續存在。

與此同時,金屬電池汽車正在建立強大的領先優勢。為各國政府提供建議的國際能源署(IEA)估計,2018年只有11200輛氫動力汽車上路,大部分在美國和日本。

相比之下,金屬電池動力汽車的數量為510萬輛。而且這個數字還在快速增長。2019年,在全球最大的汽車市場中國,新的電池動力汽車的銷量達到120萬。在挪威,它們占到了新車銷量的一半以上。根據IEA的數據,2018年(有可靠數據的最近一年)全球氫能汽車的銷量僅為4000輛。

而且,這一部分銷量中,公共交通多于私家車。金屬電池的一個大問題是它們的能量密度很低。換句話說,如果它們會占用大量空間。對于私家車來說,因為它們大多是短途旅行,這一點是可以控制的。伯恩斯坦銀行的技術分析師馬克·紐曼說,對于長距離的旅行,例如貨車,氫的能量密度更大,這就更有吸引力。

氫氣壓縮到700個大氣壓時,每升氫氣的可用能量是鋰離子電池的2至5倍。如果將氫氣液化(這需要更復雜的技術),其能量密度會進一步增加。而且由于貨車大部分時間都在繁忙的主干道上行駛,因此需要的新加氫站也會減少。

盈虧平衡點到底在哪里,目前仍有爭議。特斯拉作為電動車制造商的先驅,認為即使是卡車也可以有用電池驅動,并計劃推出可行駛800公里的車型。現代汽車已經生產了一款氫動力卡車,但其續航里程只有400公里。

其他幾家公司也在研究卡車的燃料電池。例如,4月份,德國的戴姆勒公司和瑞典的沃爾沃公司向一家合資企業投資12億歐元,以實現這一想法。

占全球工業溫室氣體排放量約2.5%的航運業也在關注。國際海事組織是聯合國的一個附屬機構,負責管理該行業,該組織希望到2050年將船舶的集體溫室氣體排放量減少到2008年的一半。

如何實現這一目標尚不清楚。金屬電池的能量太少,無法為大型遠洋船舶提供動力。工程師們已經試過了從核動力到高科技船帆等各種方法。

但美國非營利機構國際清潔運輸委員會3月發表的一份研究報告對中美之間的一條現有航線進行了研究,得出的結論是,幾乎所有航行在這條航線上的船只都可以使用類似現代汽車所使用的燃料電池作為動力,盡管需要去掉一些貨艙空間,為氫本身騰出空間。

能源顧問邁克爾·利布瑞查(Michael Liebreich)說,即使是這樣,也可以通過先讓氫氣與氮氣反應產生氨氣來改善,氨氣是一種比元素氫占用空間更小的化學品,也可以用于燃料電池。

熱源

氫氣也可能取代天然氣供暖。它的一大優勢是,可以利用現有的基礎設施,即現在用來運輸天然氣的管道。包括澳大利亞、英國和德國在內的一些國家正在試驗這一想法。

"我們已經有了一個至少應該再持續75年的天然氣網絡,"運營英國電力和天然氣網絡的國家電網公司的工程師安東尼·格林說。"如果可以的話,為什么不加以利用呢?"

國家電網公司估計,為大多數英國家庭供暖的燃氣鍋爐可以應付20%的氫氣混合,無需改造。而且,格林博士說,鍋爐制造商開始提供"氫氣就緒"的型號,能夠燃燒天然氣或純氫。由于鍋爐每10到15年更換一次,他認為天然氣網有可能在幾十年內準備好改用氫氣。

5月,德國一批管道運營商公布了一項計劃,即在2030年之前,以天然氣管道改造為基礎,建設一個1200公里的氫氣網,成本為6.6億歐元。

這到底能起到多大的環保作用尚有爭議。氫氣設備制造商ITM Power的老板格雷厄姆·厄爾(Graham Cooley)從可再生能源發電是唯一的綠色取暖替代方案這一立場出發,指出英國的天然氣電網每年為家庭、工廠和辦公室提供約880TWh(太瓦時)的能源,其中大部分用于取暖。這相當于該國電網所承載能源的兩倍多。

因此,如果要改用可再生動力的電采暖,就必須大幅加強電力網的建設,而且成本很高。然而,大衛·約菲博士反駁說,首先需要提取氫氣,而這又帶來了額外的內部能耗,這意味著與直接用電取暖的家庭或工廠相比,氫氣網需要建設更多的新發電站。

氫氣的另一個建議作用是大規模儲能。隨著風能和太陽能的普及,供需匹配變得更加困難。一個現成的解決方案是在過剩的時候儲存多余的能源,以便在日后短缺的時候使用。其中一個方法是制造氫氣并將其保存在地下洞穴中,就像目前的天然氣一樣。這可以極大地提高產能,這也許不僅足以應對日常的波動,還能應對季節間的波動。

邁克爾·利布瑞查博士說,除了這些想法之外,重工業還可以為氫氣提供其他利基。在許多涉及鋼鐵、陶瓷和玻璃的工業過程中,電加熱可能難以取代天然氣,因為它可能無法達到所需溫度。而最大的工業二氧化碳來源之一與能源完全不直接相關。

這就是將鐵礦石(通常是鐵的氧化物)與焦炭制成的一氧化碳反應,將其還原成金屬本身。這樣就會產生鐵和二氧化碳。用氫氣代替礦石進行反應,產生的廢物就是水。有幾家公司,包括安賽樂米塔爾公司(一家跨國鋼鐵制造商)、芬蘭-瑞典鋼鐵制造商SSAB公司、瑞典鐵礦石生產商IKAB公司和瑞典能源公司Vattenfall公司,正在研究這種可能性。

灰氫、藍氫和綠氫

然而,所有這一切都取決于是否有能力以不向大氣中釋放二氧化碳的方式大規模制造氫氣,這是很棘手的。

目前,每年生產的大約7000萬噸氫氣幾乎都是蒸汽重整的結果。每生產一噸氫氣就會排放7噸二氧化碳。因此,蒸汽轉化的氫氣被環保人士稱為“灰氫”。它的成本因當地情況而異,但根據國際能源機構的數據,平均每公斤約為1.5美元。

"藍色"氫氣,雖然仍然是蒸汽重整的結果,但比灰色氫氣更清潔一些。二氧化碳沒有被排放到空氣中,而是被捕獲并埋在地下,即所謂的碳捕獲和儲存。

這種情況已屢見不鮮。例如,7月1日,挪威能源公司Equinor表示將在英格蘭北部的一個地方建造世界上最大的藍氫工廠之一。

還有野心更大的,日本希望藍氫能為其未來提供動力。它設想從澳大利亞的褐煤礦床中提取氣體,將二氧化碳埋在當地,然后用類似于現在運輸液化天然氣的油輪將氫氣運過太平洋。


捕捉重整產生的二氧化碳所需的額外設備必然推高藍氫的價格。據清潔能源分析公司彭博新能源財經(BNEF)估計,其目前的成本在每公斤1.5美元到3.5美元之間,這取決于使用哪種化石燃料來生產。

此外,捕捉二氧化碳的過程并不完美,因此有部分氣體會逸出。因此,真正的需求是"綠色"的電解氫。然而,目前綠色氫氣的價格為每公斤2.5美元到5美元或更多,甚至比藍色氫氣更貴。

不過,隨著制造藍氫和綠氫的相關技術規模化,這一切都可能發生改變。BNEF的分析師估計,到2050年,綠色氫氣的成本可能在每公斤70美分到1.6美元之間。換句話說,就是目前灰氫的價格。

正如該公司特殊項目負責人巴德(Kobad Bhavnagri)所解釋的那樣,"在過去的五年里,西方國家的電解設備成本已經下降了40%左右。"巴德博士估計,現在在西方國家可以以每千瓦容量1200美元左右的價格買到這套設備,而且這個價格可能還有進一步下降的空間。

他說:"中國市場的成本大大降低,大約每千瓦200美元,"這大概會使各地的價格很快下降。"UBS,一家銀行,引用了美國公司尼古拉(Nikola)最近達成的一項協議,該公司表示計劃制造氫能卡車,這意味著電解器成本僅為每千瓦350美元。


同時,運營成本可以依靠能源行業最顯著和最可靠的趨勢之一——太陽能和風能價格的持續下降。特別是太陽能的成本在過去十年中下降了85%。在世界某些地區,可再生能源現在比化石燃料能源更便宜,而且這一過程沒有任何放緩的跡象。

氣體永遠繞不開的坑

那么,經濟效益似乎指向了正確的方向,使氫氣即使不能成為主導,也至少成為混合能源的重要組成部分。總部設在布魯塞爾的游說團體氫氣委員會認為,到2050年,氫氣可以滿足全球18%的能源需求。生產燃料電池、電解設備等企業的股價也因此一路高歌猛進。

然而,各種預測中的許多假設都依賴于政府為開發該技術提供的巨額補貼。實際上,IEA估計,2018年政府在氫氣方面的總支出僅為7.24億美元。

不過官方的興趣肯定在回升。6月10日,德國宣布了一項70億歐元的補貼計劃,旨在使其成為該技術的"世界領導者"。一份泄露的歐盟后補貼計劃草案包含了到2030年安裝40Gw(400億瓦特)綠色氫能的雄心。

中國政府希望在同一年看到100萬輛燃料電池動力汽車上路。日本長期以來對氫氣情有獨鐘,希望到2050年氫氣價格下降90%。據巴德博士計算,用氫氣取代天然氣意味著全球天然氣儲存基礎設施要增加三倍或四倍,成本可能高達6000億美元。

最后,氫氣的影響將受到基本事實的限制,即它最終只是一種變相的電力。它仍然是一個不可避免的額外能耗過程。不過,對于某些應用來說,盡管存在這一缺點,但它的優勢——能量密度、燃燒能力以及與現有基礎設施的兼容性,會使它成為一個有吸引力的選項。套用另一則著名廣告的說法,人們希望氫能成為清潔能源中的喜力:能夠使電氣化無法達到的經濟領域煥然一新。


网上分分彩是不是真的