氢能发展并非“氢”而易举

◎本刊主笔  刘国伟

今年4月7日，北京市发布了《北京市氢能产业发展实施方案》，成为继上海、广州之后又一个出台氢燃料电池车相关政策体系的核心城市。在迈向碳中和的大背景下，域外多国也把发展氢能源视为可持续发展的新风口。本文将介绍世界各地在氢能产业上的探索，既有令人兴奋的成功案例，也有令人头疼的技术障碍，甚至是以此为噱头的骗局——

宇宙元素无处不在

但成本高昂利用不易

笔者生于上世纪70年代，本人的成长历程也可以说是伴随着国内能源的清洁化。

40多年间，笔者从乡村到小镇，再到大城市，曾烧过浓烟缭绕的秸秆、木柴，也烧过更为便捷的煤炭和液化石油气，现在的生活则每天都离不开汽油和天然气。

图｜看看三角星系中的这片巨大的离子态氢区域，你就会理解氢为什么被称为宇宙元素。

这些能源利用形式变化的表象是越来越干净，内在的机理是各种燃料的氢碳比值在不断提高：木柴的氢碳比在1:3以上，煤炭是1:1左右，石油产品提高到了大约2:1，天然气到了4:1。自然而然地，笔者曾不止一次地畅想：何时能用上纯粹的氢，在燃烧的明亮和火热过后只剩下一掬清水？

宇宙学家告诉我们，氢是宇宙中最古老的元素，太阳诞生之前它就已经存在了。虽然氢在地球上不起眼，但放眼整个宇宙，氢原子占了整个宇宙原子总数的近九成，氢被称为宇宙元素真是恰如其分。一个半世纪前，法国著名科幻作家儒勒·凡尔纳在他的名著《神秘岛》里，赞美了氢的妙处，展望了氢轻松取代煤的情景。

严肃地探讨氢经济，则是美国化学家约翰·博克里斯教授1970年在通用汽车技术中心的一席谈话中提到的。同年，美国密歇根大学的核物理学家劳伦斯·琼斯在题为《液态氢燃料经济性》的技术报告里更进一步地提出，用氢来解决化石燃料使用过程中将碳释放到大气中造成的一些负面影响。几年后，由于中东战争造成的石油危机，寻找替代燃料的任务已经被摆上了桌面，琼斯的报告为当时的业界提供了重要的指引。

图｜西班牙阿尔梅里亚的太阳能装置为欧盟HYDROSOL二期制氢项目运行了十多年

从氢经济一词被造出来到现在，一晃半个世纪过去了，氢的来源广泛、清洁无碳、灵活高效和应用场景丰富等优点一再被人们称道。从交通工具和生产技术等等，虽然不乏以氢为能源的设备原型和示范项目，但坦率地讲，氢能源仍然处于“商业化的前夜”这么一个略显尴尬的阶段。相比之下，化石能源“三巨头”——石油、煤炭和天然气的地位暂时仍难以撼动。

英国石油公司（BP）的一份报告显示，石油、煤炭和天然气在全球能源供应中的份额从1994年的87%到2019年的84%，变化其实不大。

美国航天工程学专家和火箭科学家罗伯特·祖布林曾在他的著作《能源的胜利》里称，“氢只有在最坏的情况下，才可能成为汽车的能源”。他之所以这么不看好氢能源，主要是因为大规模氢经济的发展受限于许多技术挑战，包括长期存储设备、运输管线等难以研发，缺乏安全性高的氢发动机技术，氢与空气中的氧混合后有很大的安全隐患，以及电解制氢生产的成本问题等等。这些现实困难再加上一个“商业回报”的限制选项，直接导致氢经济几十年来只能作为低碳经济的一小部分缓慢发展。

图｜2021年5月，丹麦著名绿氢供应公司Everfuel启动了Hysynergy二期工程，扩大绿氢产能。

尽管困难重重，产业风口仍显得不那么明朗，但能源清洁化的大势不可逆转。由于氢能源的产业链较长，其快速发展带动经济发展的势头不可低估，氢能源仍被许多地区和国家视为交通、工业和人居等领域大规模脱碳的潜在最佳选择。鉴于业内将制氢视为氢产业的基础，储运、加注和各型产品是氢能应用的核心保障，下面就在这几个环节中选择部分案例加以介绍。

氢能是未来交通出行的

最佳解决方案

今年3月的一天，法国港口和机场设备制造商戈森公司的厂房里，一辆巨大的氢能源拖拉机在宽阔的厂房中缓慢移动着，突然加速，然后又停了下来，这让在场的官员们惊出一身冷汗。拖拉机的司机不是别人，而是法国负责交通运输事务的部长级代表让-巴蒂斯特·杰巴里。他坐在驾驶室里，对自己的操控感到很满意。就在一小时之前，他还曾驾驶一辆氢能源汽车。他还希望能拨款80万欧元（1欧元约合7.8元人民币）给莫布森公司以设计氢能源小型飞机。

图｜荷兰鹿特丹港口的氢能源拖车

法国最近在推出一些氢能交通运输项目，这些项目主要受到2020年9月出台的总额72亿欧元的氢能源十年规划所推动。数据显示，截至去年秋天，全球主要经济体都推出了氢能源发展战略，不断加大扶持力度，以推动氢燃料电池汽车产业发展；占世界经济总量70%的18个经济体已制定氢能源发展战略，其中就包括法国。同年，欧洲燃料电池和氢能源事业联合组织发布了《欧洲氢能源路线图》，提出欧洲氢能源未来30年的发展规划，并得到了欧洲17家氢能源公司和组织的支持。

图｜某品牌的氢燃料自行车

在法国政府的公告中以及一些企业的声明中，氢能源被认为是未来交通出行的最佳解决方案。氢能已然成为法国企业家、议员、各阶层政客及各界无所不谈的“芝麻开门”。尽管氢的生产方式比较多，但业界普遍看重通过电解的方式在任何地方从水中提取氢气，而且需要风能等绿色能源产生的电力来支撑。这种方式目前并不便宜，但是不会对环境产生负面影响，因此用这种方式制取的氢被称为“绿氢”。

在绿氢的生产上，欧盟多有尝试，“HYDROSOL”就是这样一个项目。HYDROSOL是“在未来太阳能发电厂中通过先进整体式反应器将水电解制取太阳能氢”的英文首字母缩写，这是欧盟资助的一系列可再生能源项目之一，旨在利用聚光太阳能的热化学循环来生产氢。2002年，项目在科隆市的德国航空航天中心（DLR）启动，技术人员设计了一个半工业规模的太阳能设施来生产氢。2005年开始，欧盟在西班牙阿尔梅里亚的太阳能发电场启动了HYDROSOL二期工程，利用当地完善的太阳能热化学设备来制氢，功率达到了100千瓦，自2008年以来二期工程一直在运行中。

2017年初，德国航空航天中心在实验室中创建了“人造太阳”，探索更好地大规模优化太阳能制氢的手段。“人造太阳”利用热化学循环水解系统，通过镜子和透镜来将大范围的阳光集中聚集到相对较小的区域。这个过程所产生的能量将会为热化学循环水解系统供能，进而来生产氢气。研究人员在科隆市附近的尤里希建造的人造太阳，是一个由149个用于电影投影的大功率灯泡组成的系统。当所有灯打开时，人造太阳所能产生的光强度约为地球上自然光强度的一万倍。当所有的光线被聚集在某个点时，会产生高达3000摄氏度的温度，远高于目前商业集中式太阳能电站所能达到的温度，这一工程中消耗的电能是极为惊人的。

我们通过HYDROSOL这样的项目可以看出，绿氢生产的技术和资金投入是不低的。用德国北莱茵-威斯特伐利亚州气候保护部长评论该项目的话来说：“缺少对创新实验的投资，能量转换进程将会受阻。”绿氢价格的昂贵也就可以理解了。

图｜意大利推出的氢能雪地美容车

国际能源署的报告显示，绿氢目前的价格为每公斤3.5至5欧元，远高于通过化石燃料制成的高碳灰氢（1.5欧元/公斤）。未来一段时间，绿氢市场竞争力较弱，需要长期投资扶持。据保守估算，全球氢能行业如要实现有效扩张，到2050年实现氢能供给全球24%的能源需求，针对这一行业的投资需要约11万亿美元。

安全、低成本地储氢输氢

仍是技术难题

本刊曾介绍过国内外利用地下洞穴来储存天然气或建设蓄能电站的案例。由于氢的液化温度非常低，液化成本和储存成本居高不下，利用地下洞穴、盐穴和废弃油田来储存气态氢的做法在国外成为可选项。

在地下储氢的实践方面，英国的帝国化学工业公司在地下储存氢气有多年历史了。但近年来纯氢气地下存储的实例并不多，其中比较著名的是由德国、法国和英国等七个国家的12家单位发起的氢气地下大型存储项目“地下氢”（Hyunder）。

德国关于盐穴中氢存储的案例较多，如果将德国的剩余电力（估计到2025年占可再生能源发电总量的7％，到2050年占20％的可再生能源发电）转化为氢并存储在地下，那么到2025年将需要约15个50万立方米的地下洞穴，到2050年就要增加60个左右，大致相当于德国目前用来储存天然气的洞穴数量的1/3。

2018年，美国核安全管理局下属的桑迪亚国家实验室对利用废弃油井进行储氢开展过研究，认为有一定的可行性。考虑到全美国约有270万口废弃油井，至少从数量上没有无处储氢的顾虑。不过，由于氢的化学特性有别于其他介质，地下储氢在气体扩散、化学反应和采出纯度等方面仍然面临很多问题，这就使其远不如天然气地下存储那么普遍了，未来还需要开展更多的研究。

至于氢气输运网络，基础设施建设本来就需要巨大的资本投入和较长的建设周期，管道的建设还涉及占地拆建问题，这些因素都阻碍了氢气管道的建设。

2020年7月，欧盟能源监管合作署（ACER）发布报告指出，在当前状况下，欧盟为氢能另行建造管道并不现实，将氢气混合在天然气管道中使用是一种可行选择，但仅有少数成员国允许将氢气注入天然气管道实行混合运输。德国允许在特定条件下氢气混合比例达到10%，欧盟能源监管合作署认为各国的能源监管机构都应该考虑将氢气的混合比例设定在2%以上。可见，如何以安全、低成本的方式输送氢气，这一问题未来还要困扰业界很久。

氢能应用场景非常丰富

无碳住宅成“网红”

截至2019年底，德国在运营的加氢站有78个，但目前氢燃料电池汽车数量仅有600多辆，导致加氢站的利用率较低。德国计划到2025年，氢燃料电池汽车规模扩大，加氢站达到400座。比起国内逐渐铺开的基础设施建设，德国更早之前就在一些氢能源示范项目上取得进展，取得了很好的社会影响。恩耐普特（Enapter）就是在这方面比较令人瞩目的一家创业公司，它在业界以设计、制造高效的氢气发生器闻名，其核心技术是基于独特的专利阴离子交换膜（AEM）电解技术来制造绿氢，下面是该公司的部分项目——

在法属留尼汪岛的原始风光中，在一片被火山区包围的叫做马菲特的地区。该地区位于群山中，只能步行进入。为了让这片与世界其他地区隔绝的封闭区实现能源自主供给，恩耐普特与法国电力公司等机构合作建立了一套能提供10天自持力的太阳能制氢系统，为数所房屋、学校、车间和医疗室提供能源。这套基于氢能的微电网系统完全不需要化石燃料的支持，被命名为“SAGES（智能自主绿色能源系统）”，具有每小时生产500升氢的能力，还能存储1100升氢。

近年来，德国祖马斯豪森的一所拥有100％零排放系统的房屋颇具网红效应，其核心功能包括能量存储，加热支持和通风等，它就是使用了恩耐普特的水电解技术（氢产量500升/小时）和燃料电池（3000千瓦时），创建出一个自给自足且无碳的住宅能源系统。该系统甚至可以管理空气质量，被业界称作完美的住宅多合一解决方案。

图｜泰国蝴蝶之家建成于2015年，是世界上第一套离开城市电网独立运作的太阳能-氢网络多居室系统。

泰国旅游胜地清迈的“蝴蝶之家”是世界上第一座太阳能-氢复合住宅，自2015年起并网，它向世界展示了如何实现可持续的生活。热带地区的阳光和雨水满足了居民对所有能源和水的需求：太阳能通过太阳能电池板转换为电能。多余的电力将被转换并存储为氢（2000升/小时）；在太阳不露脸的时候，储存在氢罐中的氢气通过燃料电池（4.5千瓦）进行发电。

在阿尔卑斯山高处的庇护所，对于寒冷季节尤其是恶劣气象条件下的登山者意义重大。以前，这里的一处庇护所是靠太阳能电池板提供能源，但是在大雪封山的季节，就连太阳能电池板也会被冰雪覆盖，入住者的舒适度因此大打折扣。自2015年起，庇护所的能源系统做了升级，夏季多余的太阳能以氢的形式存储在与居住区隔离的其他建筑物里，不但能在冬季提供电能，还能让海拔2600米高处的47个床位暖意融融，为登山者提供了更好的居住体验……

图｜2017年，为研究大规模优化太阳能制氢的手段，德国航空航天中心研制出当时最大的人造太阳。

类似的氢能项目经验也给了德国制定实现温室气体净零排放长期目标的底气。2020年6月，德国政府正式通过了国家氢能源战略，为清洁能源未来的生产、运输、使用和相关创新、投资制定了行动框架。第一阶段为2020至2023年，德国的国内氢能市场先打好基础；第二阶段为2024至2030年，稳固德国的国内市场，加强欧洲市场与国际市场，服务德国经济。同时，德国政府任命了一个国家氢能源委员会，由多领域产学研专业人士组成，并将在现有基础上投入70亿欧元（约578亿元人民币）用于氢能源市场推广，20亿欧元（约165亿元人民币）用于相关国际合作。

绿色工业革命10点计划

英国建设成规模的氢能社区

去年底，英国首相鲍里斯·约翰逊公布了其价值120亿英镑（1英镑约合人民币9元）的“绿色工业革命10点计划”，其中包括提高氢产量的举措：到2030年，将实现5吉瓦的低碳氢产能，满足工业、交通、电力和居民用能。这位首相同时宣布，提供5亿英镑的资金，用于试用氢气取暖和做饭的住房，并将从2023年开始建造氢社区，目标是在本十年结束前建成一个拥有万户居民的“氢能小镇”，其中2.4亿英镑将用于新的制氢设施。

图｜英国工程机械制造商JCB公司开发的氢能挖掘机

英国说干就干，动作很快。英国首批完全由氢气作为燃料的房屋是在盖茨黑德建造的，是两个半独立式的样板房，资金来自政府的Hy4Heat创新计划资助。房屋内将使用100％的氢气进行家庭取暖和做饭，从锅炉到灶具等都不会有碳排放。英国政府希望这些房屋能够展示出氢能的潜力，对到2050年实现英国应对气候变化的目标起到推动作用。

同在英伦三岛，苏格兰的动作幅度更大。去年12月，苏格兰用绿氢为住宅供暖的项目获得了批准。比起德国和英格兰的示范项目，苏格兰法夫郡的供暖项目受益者有300户，达到了社区规模。英国天然气分销商SGN已获准向这300户苏格兰家庭提供利用可再生能源生产的氢气，参与的家庭可以从2022年底开始用这种清洁能源取暖和做饭。法夫郡项目使用的氢气将由一个电解厂生产，当地的海上风力涡轮机提供从水中分离气体所需的电力，可以说是100%的绿氢。该示范项目被视为英国政府实现到2050年温室气体净零排放的重要一步。

由于85％的英国家庭使用燃气锅炉，所以集中供热排放占英国温室气体排放量的近1/3。国家电网氢气项目负责人安东尼·格林说：“如果我们真的想实现净零脱碳的未来，我们需要用氢气等绿色替代品代替甲烷……如果我们要向所有消费者可靠、安全地提供低碳能源，那么像这样的项目至关重要。”法夫郡的项目考虑周全，现场的氢存储设施能确保即使在恶劣的天气条件下也不会出现供应中断。作为首个利用“清洁电源”生产家庭供暖用气的项目，参与项目的居民家中使用的氢气将通过现有的管道送入家中，不需要更换散热器或水管等设施。天然气分销商SGN表示，参与者使用氢气的费用将与使用天然气的费用相同。

日本公布《基本氢能战略》

要创造一个“氢能社会”

作为一个资源有限的岛国，能源安全和环保问题一直是日本能源的核心关切。日本的一次能源供给有9成以上来自海外，为了减轻对外部能源的依赖，日本一直把提高能源效率作为重要的手段，从政策和技术方面支持能源效率的提高。

图｜2020年日本在福岛建成世界上最大的光伏制氢装置

2017年12月，日本公布了《基本氢能战略》，旨在创造一个“氢能社会”。该战略的主要目的是实现氢燃料与其他燃料的成本平价，建设加氢站，在汽车（包括卡车和叉车）和发电领域实现氢能对传统能源的替代。众所周知，普及氢能汽车最重要的先决条件是建设具有足够多加氢站的公路系统。截至2019年底，日本共有加氢站约130座，在运营的氢燃料电池乘用车超过3500辆，氢燃料电池大巴达22辆。这组数字看起来很有限，但建成如此规模实属不易。

2011年福岛核事故以后，日本为应对未来核能可能减少的前景，开始资助北九州、横滨、丰田、京阪科学城和福岛等地进行氢能社区建设试点项目。由此建成的北九州氢能社区是世界上第一个氢能社区示范项目，其目的是测试从附近一家钢铁厂向住宅、商业和公共设施供应副产品氢的情况。该社区的主要特点体现在以下5个方面：（1）使用管道供应氢；（2）燃料电池在多个应用程序中的可操作性测试；（3）燃料电池驱动车辆、小型叉车和自行车等运行；（4）从燃料电池汽车（FCVs）向家庭供电；（5）智能社区电力共享等。北九州氢能社区示范项目于2014年结束，后续项目将继续进行，主要是进一步降低氢能成本。

图｜氢储运的技术难题之一就是储运材料容易发生名为氢脆的性能退化，这是一条发生了氢脆而断裂的钢管。

除了立足本土，在去年完成福岛10兆瓦级制氢装置（全球目前产能最大的光伏制氢装置）的试运营外，日本还频繁与其他国家开展氢能供应链的合作，内容涵盖各种制氢方法。这些合作包括2017年川崎重工与挪威公司实施利用水力发电生产氢能的示范合作项目；2018年与澳大利亚进行全球首家褐煤制氢试点项目（测试将褐煤转化为氢的可行性，将其液化后运往日本）；2017年从文莱到日本的国际氢运输示范项目，以及与沙特阿拉伯的氢能合作等。这些项目都为日本从海外获得低价、无污染的氢能源打下了基础。

“氢”车尚未熟路

美国氢能车企涉嫌欺诈

美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家。自1990年起，美国从政策评估、商业化前景预测，到方案制定、技术研发，再到示范推广，不断推动氢能产业发展，在氢燃料电池汽车市场、加氢站利用率等方面处于全球领先水平。截至2020年6月，美国的氢燃料电池乘用车累计销量（含租赁）达到8413辆，氢燃料电池叉车超过3万辆，普拉格能源（Plug Power）基本垄断了全球氢燃料电池叉车的市场。

图｜美国加州中央谷的克恩县的一处油井集中区，这些油井废弃之后都是潜在的储氢地。

在美国政府试图保持在氢能领域的技术优势地位的同时，一家名叫尼古拉的氢能汽车公司5年来风头甚健，连续推出多款氢能源概念卡车。就在该公司股价扶摇直上之际，突然又爆出欺诈丑闻，给氢能源重卡的追捧者重重一击，这是怎么回事呢？

2014年，特雷弗·米尔顿在美国犹他州盐湖城成立了尼古拉公司。该公司的名字来自大名鼎鼎的电力学先驱尼古拉·特斯拉。众所周知，这位天才科学家的姓氏被特斯拉汽车占用了。特雷弗·米尔顿只好拿“尼古拉”这一名字下手。

2016年，尼古拉公司的发展进入了快车道，先后推出1型、2型、特雷、鲁莽、瓦夫和獾等概念卡车，迅速吸引了业界的目光，其明星效应不亚于当年崭露头角的特斯拉电动汽车。

2020年6月，尼古拉在收购了一家公司后在美国纳斯达克证券交易所成功上市，5天内股价就上涨了1倍多。2020年8月上旬，该公司估值约为130亿美元，成立6年就成了名副其实的独角兽公司。2020年9月8日，尼古拉与传统汽车大厂通用汽车宣布建立合作伙伴关系，通用汽车准备收购尼古拉11％的股份（当时价值约20亿美元）。作为回报，通用汽车同意尼古拉公司使用其生产设施生产獾式氢能卡车，向全球的尼古拉车型供应燃料电池。消息宣布后，尼古拉公司的股价应声上涨了50％。

接下来的事情还要更加刺激。2020年9月21日，做空机构“兴登堡研究”发布了一份报告称：“我们从未见过一家上市公司如此程度的欺骗行为，尤其是如此规模的公司。我们收集了大量的证据——包括电话录音、短信、私人邮件和幕后照片——详细说明了尼古拉创始人特雷弗·米尔顿的数十次虚假陈述。”做空机构指责尼古拉公司操控了“一个错综复杂的骗局”，称其在技术上说谎，该公司从未拥有氢燃料电池，且在半挂式卡车、电池技术、氢气生产乃至数十亿美元的大订单等诸多方面出具了数十个虚假声明。

给公众留下最深印象的是，做空机构“兴登堡研究”揭露了尼古拉公司将氢能源概念车拖上一段长长的低坡度山坡，然后让它“滑”下去，然后用这个视频忽悠公众，“我们的卡车能跑了”。尼古拉公司迅速回应，先是将这一指控称为“谎言”，但随后又立即承认其概念车尚未能像视频中展示的那样工作。

在做空机构发布报告的同一天，尼古拉公司创始人米尔顿宣布辞职，股价开始暴跌。两个月后，被人们称为“冤大头”的通用汽车公司宣布取消拟议中的收购尼古拉股权的交易，也不再为尼古拉公司制造獾式氢能卡车。美国证券交易委员会和司法部随之开始对尼古拉公司进行调查。尼古拉公司在向媒体发布的一份声明中表示：“我们正走上成功之路，不会因为一份充满误导性信息、企图操纵我们股票的报告而动摇。”

图｜涉嫌欺诈受到调查的美国尼古拉公司的氢能概念重卡

氢能汽车界的明星公司尼古拉今后何去何从，我们不得而知。但尼古拉公司凭借所谓“概念车”和PPT就能把老牌车企通用汽车玩弄于股掌之间，我们可以看出氢能产业中有机遇也有乱象。正如法国《世界报》经济专栏作家菲利普·埃斯康德所说，目前氢燃料电池汽车的生产成本要远高于纯电动新能源汽车，即便是法德等欧盟国家也未制定出统一标准，作为一个需要大量投资的领域来说，它对参与企业的风险是不小的。

图｜今年1月，青岛市首条氢能源公交示范运行线在青岛西海岸新区开通，首批50辆氢能源公交车投入运营。

在我国，继去年将氢能写入《政府工作报告》《2020年国民经济和社会发展计划》《2020年能源工作指导意见》后，氢能正式出现在“十四五”规划第九章中，与类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发等前沿科技，被共同规划为“组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。”我们有理由相信，在政府的强力推动和主导下，国内氢能源产业和技术会取得更健康的发展，迎来氢能源发展的春天。

（本文写作中参考了英国《卫报》、彭博新能源财经、德国之声和法国《世界报》等网站的信息，在此一并致谢！）