2020 年 7 月欧盟发表《欧洲氢路线图》(Hydrogen Roadmap Europe),认为氢将成为能源转型的重要元素,预计 2050 年时将占能源需求的 24%,对照其实目前氢只占欧盟能源需求不到 1%。欧盟对氢有如此瑰丽的梦想,其中也有认为锂电池电动车已经被美国占了先机,想另起炉灶的战略思想成分在。但欧盟的氢能源战略大计的起步,先得面临“蓝绿之争”。
氢气本身是没有颜色的透明气体,不过随着制造来源的不同,在减碳的环保大旗下,被分为许多不同颜色。“绿氢”指采用可再生能源发电,之后电解水产制的氢,由于减碳主张者认为这样制造的氢没有碳足迹,所以是“绿”的氢。
相对的,目前主流的制氢方式,是天然气水蒸气转化法(Steam methane reforming,SMR),由于采用身为化石燃料的天然气,制程中也会产生二氧化碳,因此被视为“不绿”的氢,减碳主张者称之为“灰氢”;另一个方式则是由煤气化法制氢,由于使用了对于减碳人士来说罪大恶极的煤,也会产生更多二氧化碳,被称之为“褐氢”。
目前氢的最大宗制造方式是“灰氢”的天然气水蒸气转化法,也是成本最低的制造方式,想要推动氢能源生态系,不考虑天然气水蒸气转化法根本不切实际,但是这样就要用到欧洲环保主义者深恶痛绝的化石燃料,怎么办呢?一个折衷的方式,就是虽然采用天然气水蒸气转化法,但是搭配碳捕捉技术,把产生的二氧化碳捕捉、储存起来,不排放到大气中,这样一来就不会加剧温室效应啦!
但是,这样还是使用了化石燃料,也还是产生了二氧化碳,在最激进的环保主义者看来,说是储存起来,但是要是发生什么意外或是疏失,泄漏回大气,岂不是白搭,更何况碳捕捉技术说来好听,其实现行技术只能捕捉六成到七成二氧化碳,还是有碳排放,只是掩耳盗铃,因此天然气水蒸气转化法搭配碳捕捉技术,虽然也被英国、德国承认为减碳方式,但是不被视为“绿”,也就只好以“蓝”称之,这就是“蓝氢”。
绿氢再怎么降,都不可能会有价格竞争力
蓝绿各有死忠支持者,最根本的,欧洲支持氢能源策略的本质,就是要和美国日本已经成熟的锂电池电动车系统互别苗头,而欧盟认为氢能够竞争的理论是,主张许多产业既有的油气管线系统,不是一朝一夕能替换,输气管经过更新加强后能改造成输送氢的管线,不像全电动化要大改电力输配系统,所以欧盟一厢情愿的认定大量用油的航空、航运等运输产业,氢会比电动化占优势。
欧盟这个想法的基础,是根植于既有的油气产业。事实上氢能源战略的主要推手,也是国际油气产业,它们当然希望使用灰氢,延长天然气的未来,但碳排放上说不过去,只好使用蓝氢。由此观之,很容易理解油气产业势力庞大的英国,会投向蓝营。
另一方面,若是放任“蓝绿恶斗”,非得用绿氢不可,那对于整个氢能源策略大计,会有致命的影响,因为短时间内不大可能建设大量超大型电解厂,只用绿氢,氢本身供应有限,整体产业环节都会因为最上游的氢成为瓶颈而产能规模受限,导致成本不易下降,最后还是被锂电池电动车系统整碗捧去。这个担忧,是即使有大量过剩风能可以制造绿氢的德国,也一样支持蓝营的原因。
蓝营也对绿营的“正义”立场发起挑战,因为绿氢也不是真的全绿,建设可再生能源的过程中,各种活动以及人员的生活,都会产生碳排放,这些反应在可再生能源的成本(建设材料费用、工程费用、人员薪资)之上,只要建设可再生能源不是零成本,就还是有碳排放,发出来的电,当然也要摊提这些碳排放,不能说就是无碳。
这样的挑战也揭露出绿氢在战略上的隐藏矛盾:绿氢的发展面临一个根本的问题,那就是,必须可再生能源便宜到几乎免费,绿氢才会降低价格,但既然可再生能源便宜到这个程度,直接用电的全电动车的燃料费用也一样会降低到几乎免费,结果是绿氢再怎么降,都不可能会有价格竞争力,这根本逻辑上就不通。
目前只有因为政策错误导致资源错置,产生风电过剩的北德与周边地区,才有绿氢的发展空间,但是若输配电力网络更新,过剩电力能导向南德用电区,这个怪异的扭曲现象也会消失。就算电力间歇性过剩的情况能够持续,兴建大规模电解厂,结果却大部分时间停工,只待风电过剩时才生产,如此岂能降低生产成本?
氢陷蓝绿大战,暗示著商业价值并不确立
据国际能源总署(IEA)报告,2018 年绿氢只占全球氢产能不到 0.1%,这有很明显的原因:灰氢生产成本为每公斤 0.9~3.2 美元,绿氢的生产成本却是每公斤 3~7.5 美元。国际能源总署认为随着可再生能源成本下降,绿氢的生产成本在长远的未来会下降,在可再生资源最佳地理位置,可以降至每公斤 1.6 美元以下,但是所标示的地区,却是在青康藏高原以及南美洲安地斯山脉顶端这些根本不可能设置制氢电解厂的地区。
若绿氢要与灰氢竞争,由于灰氢 45%~75% 成本来自天然气成本,所以天然气最贵的地区,绿氢较可能胜出,以天然气成本最高的日本而言,依国际能源总署预测,未来在可再生能源成本下降后,绿氢的制造成本仍然在每公斤 3.8 元,以至于 4 美元以上,也就是仍然不可能比灰氢便宜。
欧洲推动氢能源战略的产业专家,心知氢若要与全电动一拼胜负,本质上只有灰氢才有可能,绿氢只是口号很响亮,却根本不切实际,但灰氢又违逆减碳口号,折衷的结果,只能推动蓝氢。
蓝绿大战中间一定会产生第三势力,于是一种新颜色又诞生了,介于蓝绿之间,就被称为“蓝绿氢”(turquoise hydrogen),蓝绿氢一样采用天然气,但不用水蒸气转化法,而是采用热裂解技术,把甲烷直接裂解为氢与碳,固态的碳不会排放到大气中,可以直接储存起来,或是拿去炼钢等用途,取代煤碳的碳排放,这乍听之下很完美,很不幸的是,热裂解的过程需要耗用大量燃料,结果是总碳排放并没有减少。
本来无颜色的氢,却搞出褐灰蓝绿,甚至陷入蓝绿大战,还跑出第三势力不蓝不绿的蓝绿氢,其实正暗示著商业价值并不确立,绿氢的基本问题是,到底为何要用电来电解水制氢,只为了用氢来在氢燃料电池中发电,而不直接用电呢?绿氢若非拿来做为工业原料用途使用,本质上只是当成能源储存的媒介,那么,就得和所有能源储存技术一同竞争成本与能源转换效率。
相对于纯粹为了能源储存而存在的技术,绿氢的问题在于,若要规模量产降低成本,合理的生产方式是电解厂一天二十四小时全天候产能全开,如此才能降低摊提成本,但若是如此,就不可能是绿氢主张者所认为的“弥补可再生能源的间歇性”。
在能源转换效率上,电解水产氢的能源效率仅 50%~80%,氢燃料电池发电的能源转换率则在 40%~60%,整个循环下来至少要损失过半数电力,相对于铅蓄电池转换效率约为 40%~60%,镍氢电池约为 70%,磷酸锂铁电池最高可达 95%,氢循环做为能源储存方式来说损耗率实在太高。
更根本的一个问题是,绿氢支持者假定人类会有相当大的能源储存需求,预设用车人都要在尖峰的时候使用能源,但在全电动化的未来,尽管用车时间是白天,但电动车会在价格趋力或是智慧电网调控下,尽量安排于电力供过于求的离峰时间充电,电动车的大容量电池本身就能调控电力需求,而非绿氢支持者所想像的,电动车车主会笨到选择电力昂贵的高峰时间拼命充电。
蓝氢从天然气来制氢,回避了绿氢实际上只是能源储存技术的比较,蓝氢表面上面临的问题是碳捕捉技术尚未成熟,成本高、捕捉能力不够彻底,以及储存方式尚未受过考验。但是,假设有朝一日碳捕捉技术成熟且便宜了,蓝氢就能跟全电竞争吗?
有个根本的问题,可再生能源随着人类技术发展会不断降价,但天然气在长期来说,却会面临容易开采的油气田逐渐开采殆尽,需往开采难度越来越高的来源发展,导致终究成本必定会上升,其结果是,最终即使是灰氢,拿来用氢燃料电池发电,都不可能与可再生能源直接发电竞争,更不用说蓝氢了。
用氢来取代传统燃料,结果无用武之地?
欧盟正做着氢能源战略的春秋大梦,但一开始就陷入蓝绿之争,最后的结果,恐怕是两败俱伤。在与能源储存技术的比较上,转换效率太低;在航空、航运业的运用上,氢在物理化学本质上能量密度不够高,用氢来取代传统燃料,其结果会是占据太大体积而根本无用武之地,这个根本问题导致产生用氢制造其他可能燃料,例如“绿氨”的想法,但绿氢成本都已经过高,还拿来再转换一次制成氨,只会更加不划算。
氢的储存与运输难度也远高于传统燃料,目前较成熟的方式是液化或高压储存运送,结果还要再耗费能源来液化或压缩氢气。灰氢制造成本可能每公斤 1 美元,但每公斤运费就要 2~4 美元,远比输配电网输电更贵得太多,绿氢主张者认为,若全面电动化,现有电力系统不堪负荷,需全面更新,但氢也并非现有油气管路就能输送,同样需要全面更新。
从各方面看来,氢能源策略不论是蓝绿灰褐,恐怕都没有与全电竞争的可能性,但为何欧盟还是立下远大目标,全力推动?油气产业的游说可说是背后相当重要的因素,当欧洲热衷于绿氢,全电动化的脚步就会减缓,油气产业在最致力推动减碳的欧洲就能更延长残存的立足时间。
这个很容易识破的阳谋,碰上为了减碳不计一切代价,也就不计算成本的减碳环保基本教义派,加上想要“抵抗美国经济侵略”的民族主义政客,竟然一拍即合,成为值得考虑的选项,在各大能源论坛与能源组织中煞有介事的研究,认为会成为减碳支柱,或是认为在减碳风潮下会成为一大产业。
若要真的制造无碳排放或低碳排放的氢,应是扩大工业废氢的回收,例如美国氯碱法制氢氧化纳产业,每年产出 38.9 万公吨的氢副产品,全球则产出 143 .8 万公吨;另一方面,若是制氢的甲烷来自废弃物处理,那么自然也是无碳排放的氢。只不过,这样一来,氢的想像空间,就只能与回收和垃圾为伍,比起建造超大电解厂,每天浪费数不清的电力大举电解水,那自然是逊色得太多了。
- HYDROGEN ROADMAP EUROPE: A SUSTAINABLE PATHWAY FOR THE EUROPEAN ENERGY TRANSITION
- Europe Unveils Plan to Boost Hydrogen Market in Green Recovery
- Europe’s Green Hydrogen Revolution Is Turning Blue
- So, What Exactly Is Green Hydrogen?
(首图来源:Flickr/JOHN LLOYD CC BY 2.0)
延伸阅读:
- 氢能为“天然电池”可储绿能,韩媒:有望改写能源版图
- 用硅与钙钛矿制成的低成本“光电极”,光电解水制氢效率达 17.6%
- 声称成本媲美天然气制氢,废弃物生质制氢 2023 年加州全面运转
- 绿能氢销哪去?远洋航行减碳欧洲大厂打起阿摩尼亚主意