氫是宇宙中最豐富的元素。工程師們正在努力克服大規(guī)模制氫燃料和改造燃氣渦輪機以燃氫的挑戰(zhàn)。

美國ASME網(wǎng)站，去年12月10日發(fā)表德國西門子公司英國林肯市西門子工業(yè)渦輪機械公司行業(yè)營銷經(jīng)理邁克爾·韋爾奇(Michael Welch)的專欄文章，談零碳技術(shù)中的制氫與燃氣發(fā)電問題。[1] 這是一篇通俗、普及知識的文章，對非專業(yè)人員是“掃盲”，也用他的實踐經(jīng)驗，闡明了某些容易忽略的“誤區(qū)”。Welch強調(diào)制氫與燃氫發(fā)電的必要性，但要實踐、逐步改進，不是“革命”。他特別講到其中的“政治”，或許更值得注意......

據(jù)美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的數(shù)據(jù)，今年可能是開始測量溫度以來最熱的一年。盡管由于新冠病毒疫情大流行導致排放量暫時減少，但據(jù)估計2020年的氣溫有75%的可能性會打破2016年創(chuàng)下的紀錄。全球氣溫繼續(xù)上升的趨勢，正在改變我們星球的氣候。

2015年，近200個國家同意通過控制排放，應(yīng)對氣候變化的威脅，以便控制全球平均氣溫增幅比工業(yè)化前的水平高2攝氏度的范圍內(nèi)，并努力將增幅控制在1.5攝氏度以內(nèi)。為了達到這些排放目標，許多國家和國際組織，包括歐盟，都計劃在2050年前實現(xiàn)碳中和。2019年4月發(fā)表在《應(yīng)用能源》(Applied Energy)雜志上的一項研究指出，使用正確的技術(shù)，有可能到2070年將工業(yè)溫室氣體的排放量減少到“凈零”。

目前，世界30%-40%的電力來自燃氣渦輪機，其中大部分是天然氣或其他排放二氧化碳的液態(tài)燃料驅(qū)動的，二氧化碳是氣候變化的主要原因。有鑒于此，制造商們正在尋找宇宙中最豐富的元素氫，作為渦輪機發(fā)電的燃料來源。因此，將天然氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為燃氫燃料而不是碳基燃料，可能是能源工業(yè)脫碳的一個重要環(huán)節(jié)。

盡管花費了數(shù)十億美元的研發(fā)(R&D)來創(chuàng)造這種能力，已證明從現(xiàn)成的分子中提取氫是困難的、能源密集型的燃料。綠色領(lǐng)域的許多人正在推動利用風能和太陽能，開采稀土元素。然而，從經(jīng)濟角度看，目前所需的資源數(shù)量使這些想法有挑戰(zhàn)性。氫是一種清潔燃燒的燃料，但它的生產(chǎn)卻遠非清潔或簡單，至少目前如此。

然而，還有其他方法，可以“走向”燃氫經(jīng)濟。與現(xiàn)在使用的100%天然氣發(fā)電渦輪機不同，可以使用天然氣和氫氣的混合物，幫助減少碳排放量，同時逐步應(yīng)對使用新燃料的挑戰(zhàn)。然而，要想進一步發(fā)展，技術(shù)、經(jīng)濟和政治上的挑戰(zhàn)必須單獨解決，并使它們相結(jié)合，為氫在能源領(lǐng)域變得更加普及開辟道路。

從灰到藍再到綠

燃氣輪機將天然氣等燃料轉(zhuǎn)化為機械能的方法，是將外界正常大氣壓下的環(huán)境空氣吸入，并將它的壓力增加到約15到30個大氣壓。然后，發(fā)動機將空氣引入燃燒罐，與燃料混合。燃料被點燃，產(chǎn)生熱氣體、通過渦輪級膨脹，帶動整個燃氣渦輪機旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機、泵或壓縮機。

根據(jù)這個簡單的原理，從燃燒的角度看，主要目標是將空氣和燃料混合，從而產(chǎn)生高溫氣體，在980-1370 ℃的溫度下進入渦輪級。其結(jié)果是在590 ℃左右的溫度下排出廢氣，意味著這種工藝能夠在開放式循環(huán)配置下提取約40%的燃料能量。不過，這種渦輪機的燃料來源通常是天然氣、液化石油氣，替代能源如柴油甚至沼氣也很常見。

然而，這些燃料的共同點是，它們都是碳基燃料。也就是說，當它們?nèi)紵龝r，會產(chǎn)生二氧化碳，作為副產(chǎn)品主要的溫室氣體。

另一方面，認為環(huán)境中豐富的元素氫是一種清潔的燃料來源。氫能量密度高，幾乎零污染，本身不以氣體形式存在，可以在有機物質(zhì)、水和碳氫化合物中找到。這些碳氫化合物構(gòu)成了汽油、甲醇和天然氣等燃料。供使用的氫，需要通過加熱或電解，從它的化合物中提取、制備。

通過添加蒸汽，從天然氣中提取氫氣會產(chǎn)生二氧化碳，是副產(chǎn)品，目前被排放入大氣。每提取1公斤氫氣，就會產(chǎn)生8-10公斤二氧化碳。這種高排放制備的氫，稱為“灰氫”，二氧化碳排放總量比只燃燒天然氣還嚴重。

為了減少這種污染，需要有個捕俘、存儲和隔離二氧化碳的過程。這樣產(chǎn)生的氫被稱為“藍氫”。它可以將每燃燒1公斤氫的二氧化碳排放量減少到1-1.5公斤，大幅降低發(fā)電的碳強度。

由于氫分子很小，大多數(shù)材料都密封不住。人們必須使用正確類型的鋼材，沒有任何橡膠或非金屬密封。目前的安全措施需要根據(jù)新的燃料組合進行調(diào)整。

由于這些原因，環(huán)保倡導者已推動使用風能和太陽能為電解裝置(用電使水分離成氫和氧的設(shè)備)提供動力，輸入水，提取氫氣，唯一的副產(chǎn)品是氧氣。這種發(fā)電方法的問題是，所需的初始投資成本比傳統(tǒng)的天然氣發(fā)電裝置高很多。因為除了動力裝置外，還需要大型風能和太陽能發(fā)電場，以及電解裝置。

這個想法也有個問題，為什么要用電來生產(chǎn)所謂的“綠氫”，而不直接出售電力?這個提議只是說，在風力發(fā)電與負荷需求相比太多，或者輸電系統(tǒng)不能處理這么大的量時，可以直接用過多的風能制氫，做中-長期存儲，而在風力發(fā)電不足時用氫氣發(fā)電。這種辦法的問題是，制氫與儲存設(shè)施的開支使基建成本再次升高。所以,目前工業(yè)氫氣的價格是 $1-2 /kg，甲烷蒸汽重整和碳捕獲的藍氫可能是 $1.5-2.5 / kg，而在短到中期內(nèi)，電解綠氫的成本為 $3-5.50 / kg。某些分析人士預(yù)測，在可再生能源資源豐富的地區(qū)，綠氫的成本可能降至目前工業(yè)氫氣的水平，而且肯定能達到與藍氫相當?shù)乃健Ｈ欢@就相當于燃料價格為 $18 / mmbtu(百萬英熱單位)，遠遠高于天然氣。

此外，風能和太陽能是間歇性的。以容量因子45% 左右的海上風場電解制氫項目為例，產(chǎn)生連續(xù)的氫氣流4-4.5噸 /小時，需要1 GWe規(guī)模的風場、約500MW的電解槽和1000噸的氫氣儲罐。雖然這種規(guī)模的裝置可能適合為工業(yè)或運輸行業(yè)提供氫氣，只是產(chǎn)生的氫氣量不足以驅(qū)動一臺50 MWe的燃氣輪機;然而可以看到挑戰(zhàn)的規(guī)模： 僅為提供當前工業(yè)所需的綠氫，就需要大量的可再生能源。

如果目標是使用綠色能源發(fā)電，需要現(xiàn)在可再生能源裝機容量的許多倍，需要幾萬億美元的投資和多年的建設(shè)，還要留出大片陸地或海洋地區(qū)，以滿足太陽能光伏(PV)設(shè)備和風力發(fā)電場的需要。如今，每年大約有7000萬噸(或者說每小時8000噸)的“灰”氫用于工業(yè)。一臺50MW的燃氣輪機每小時消耗約4.5噸氫，每小時8000噸氫氣約相當于100 MW的發(fā)電能力,而目前安裝的基于天然氣發(fā)電的容量是1644 GW，預(yù)測到2050年將上升到3000 GW。如果完全用氫取代天然氣，全球的氫氣產(chǎn)量需要增加30倍，這還沒有考慮取代工業(yè)和家庭供暖的天然氣用量。

為什么要氫?

要使能源工業(yè)脫碳，或者在許多國家，要使家庭供暖脫碳，并沒有一種簡單的方法。那些生活在冬天氣候寒冷地區(qū)的人，比如英國或美國東北部，用天然氣取暖和做飯所消耗的能量是他們用電的四倍。如果所有人都在家中改用電加熱，需要的發(fā)電站數(shù)量將是目前的5倍，或可再生能源的20到30倍。還需要五倍的輸配電能力，所有這些都是“嚴重”的挑戰(zhàn)。

此外，為取代天然氣或煤炭燃燒，只是用電動方案簡單地改造工業(yè)過程，在技術(shù)上或經(jīng)濟上并不總是可行的，所以需要用更清潔的燃料取代化石燃料。更務(wù)實的辦法是把氫作為家庭和工業(yè)應(yīng)用的燃料。在西門子，Welch就曾參與奧鋼聯(lián)集團(Voestalpine)在奧地利林茨(Linz)的項目。它是歐盟資助的H2Future項目，使用綠色能源制氫，用于鋼鐵廠的鋼鐵生產(chǎn)，取代某些焦炭或煤炭。[2] 另一個化石燃料替代的例子是Cadent公司在英國基爾大學的HyDeploy項目[3]，涉及將氫氣混合到天然氣管網(wǎng)，體積可高達20%，這樣就可“部分”地脫碳大學的熱網(wǎng)。

目前，全球安裝的燃氣輪機，使用富氫燃料的不到1%，而意大利只有一家煉油廠，聲稱使用100%的氫燃料。煉油廠內(nèi)燃料氣體的成分每小時都在變化。因此，必須設(shè)計一個系統(tǒng)，讓它在不同的運行時間使用不同的燃料。例如，為巴西石化公司Braskem設(shè)計的一個煉油廠項目，這個系統(tǒng)可以在氫氣濃度從0到60%(按體積計算)的情況下運行，而不會對性能產(chǎn)生影響。

盡管沒有達到人們所期望的零碳排放，但富氫的氣體混合燃料能減少CO2的排放量，足以對全球的排放產(chǎn)生影響。例如，使用20% 氫氣和80% 天然氣的混合物，二氧化碳排放量可以減少約7%。將混合物的氫含量增加到60%，可以減少大約20% 的二氧化碳排放。這種技術(shù)現(xiàn)在就可用于降低CO2排放，并使全球氣溫上升限制在2 ℃以下的“軌道”，同時幫助氫經(jīng)濟以所需的速度發(fā)展，到2040年或更早實現(xiàn)凈零碳排放。當然，這些數(shù)字并不是許多人希望立即看到的大幅度消減，但是朝著正確方向邁出的一步。

兩步目標

2019年1月，歐洲的燃氣輪機制造商(基本上包括世界上每個主要的燃氣輪機供應(yīng)商)，通過歐洲行業(yè)協(xié)會EUTurbines宣布的協(xié)議承諾，到2020年，它所提供的燃氣輪機，能夠用容積20%的氫與天然氣混合運行;到2030年，為客戶提供的燃氣輪機能用100%的氫氣運行。雖然最終的目標是使用100%的氫氣，但很明顯，要實現(xiàn)這個目標并不容易。最初，大多數(shù)渦輪機很可能用混合燃料運行，而不是100%的氫氣，因為根本沒有足夠的氫氣可用。只使用氫氣做燃料，以負擔得起的成本獲得足夠的氫氣，是個重大的挑戰(zhàn)。

例如，西門子曾在瑞典的Finspong制造廠對燃氣輪機進行了30分鐘的發(fā)動機整體試驗，實際上要找到該國所有剩余的氫氣，而且要把搜索范圍擴大到周邊國家。現(xiàn)在根本沒有足夠的可用資源。

環(huán)保人士推動使用風能和太陽能為電解裝置(即用電力將水分離成氫和氧的設(shè)備)提供動力制氫。輸入的是水，唯一副產(chǎn)品是氧。

為了彌補這個不足，歐洲的某些項目，特別是英國，正致力以合理的成本提供充足的氫氣，以便啟動工業(yè)部門脫碳，并用大量氫氣取代天然氣。英國已經(jīng)確定為6個產(chǎn)業(yè)集群的工業(yè)和發(fā)電脫碳研究，提供額外的資助，其中的某些集群提議使用“藍”氫和碳捕獲技術(shù)。

這個挑戰(zhàn) 一旦得到滿足，渦輪機還需要進行改造，以適應(yīng)新的混合燃料。燃燒系統(tǒng)是個需要改變的主要領(lǐng)域。目前是為天然氣設(shè)計的，特定的可燃性范圍和燃燒速度與主要含有甲烷的燃料相同。

另一方面，氫的燃燒速度快得多，約是甲烷的10倍，而且可燃性范圍更廣，會在不需要的時間和地點燃燒。因此，需要重新設(shè)計燃料注入器，使創(chuàng)建的燃燒系統(tǒng)能與火焰輪廓和位置“匹配”。此外，由于氫焰燃燒溫度比天然氣焰高，也會出現(xiàn)熱氮氧化物(NOx)增高。

把氫氣引入燃燒系統(tǒng)的下一個挑戰(zhàn)是氫分子很小，大多數(shù)材料都密封不住。必須使用正確類型的鋼材，而且沒有任何橡膠或非金屬密封。現(xiàn)有的安全措施，需要根據(jù)新的燃料組合做出調(diào)整。例如，標準的天然氣用的瓦斯探測器，無法檢測氫氣泄漏。

此外，氫燃燒時會產(chǎn)生不同顏色的火焰，因此設(shè)計用來檢測天然氣藍色火焰的火焰探測器無法“感知”氫焰，實際上肉眼看不到氫焰。

對這些挑戰(zhàn)，已有充分的了解，也制定了各種解決方案。從技術(shù)角度看，燃氣輪機行業(yè)有信心在某個時刻實現(xiàn)100%燃氫的低排放。因此，最大的挑戰(zhàn)是經(jīng)濟：有足夠的、成本合理的氫氣，使能源的成本最終不會比現(xiàn)在的開支高出2-3倍。

為此，目前幾乎所有的渦輪機制造商都在響應(yīng)行業(yè)需求，解決這個問題。全球、特別是歐洲政界人士，都在推動脫碳。而且，無論如何使用化石燃料，提高渦輪機的效率，都無法達到減排的目標。因此，要么在電廠進行碳捕俘，要么使用零碳燃料。

此外，天然氣管道公司之所以對這項技術(shù)感興趣，因為到本世紀30年代中期，如果政界人士決定不再使用化石燃料，將會有數(shù)千英里長的管道成為“擱淺”的資產(chǎn)。因此，天然氣公司正在研究如何重新利用這些資產(chǎn)，輸運二氧化碳，或者通過現(xiàn)有的管道系統(tǒng)，輸運天然氣和氫氣。再利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)，可能對于降低能源轉(zhuǎn)型的成本，至關(guān)重要。

對于渦輪機制造商，主要的挑戰(zhàn)是氫氣從哪里來。這是市場和政治家們需要認真思考的問題。如果還要再花費30年時間才能有足夠的氫氣驅(qū)動渦輪機發(fā)電，那么在2030年前推動研究人員和公司開發(fā)100%的燃氫渦輪機是沒有意義的。

如果要推動企業(yè)在研發(fā)上投入數(shù)百萬美元，創(chuàng)造100%的燃氫能力，就要有足夠的燃料來運行燃氣渦輪機。雖然風電場、電解裝置和零碳污染的的綠氫是個好主意，但如要求一個1000 MW的風電場連續(xù)運行一個50 MW的燃氣渦輪機，這種計劃是不切實際的。因此，需要更嚴肅地看待各種甲烷重整方案和碳捕獲。

這是政治

利用氫氣做燃料，雖然存在技術(shù)和環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，但往往忽視總體政治層面的問題。此外，每個地區(qū)或國家的政治各不相同，能源戰(zhàn)場也變成了不同方法的拼圖，就像個多方設(shè)計、多邊纖維的“棉被”。

例如德國就不相信“碳捕俘”，因為它沒有任何適宜的地質(zhì)構(gòu)造儲存捕俘的二氧化碳。但如挪威、英國和澳大利亞，對碳捕俘與封存非常滿意，因為它們有廢棄的海上油田和氣田，可以儲存捕俘的二氧化碳。實際上，挪威多年來一直在烏齊拉(Utsira )的近海含水層“扣押”二氧化碳。美國多年來一直在利用二氧化碳提高德克薩斯州二疊紀盆地的石油采收率，而在懷俄明州，也和加拿大人一樣，多年來一直用于最大限度地提高老油田的石油采收率。

此外，許多政府不想放松環(huán)境立法，要達到與天然氣類似的排放水平，這是個挑戰(zhàn)。因此，如果這些政府堅持用氫氣降低碳和氮氧化物的排放量，單靠渦輪機是不夠的。這意味著必須有燃燒后尾氣凈化系統(tǒng)，才能達到NOx個位數(shù)的水平，而這必將進一步提高電力成本。最終的結(jié)果是電廠和燃料更加昂貴，使能源成本上升，直至成為政治“禁忌”。因為，每個人都想要清潔能源，但沒有人愿意為此付出更多，對未來至關(guān)重要的是消除能源貧困。

這項技術(shù)取得成功的核心，在于找到技術(shù)、經(jīng)濟和政治的平衡，使我們能每天24小時、每周7天、一年365天都有充足的清潔電力。這是個有多種戰(zhàn)略的復雜領(lǐng)域，需要各方都做出妥協(xié)，才能使整個氫經(jīng)濟朝著正確的方向發(fā)展。

也許可以從過去的經(jīng)驗中吸取教訓:其中一個例子是生物質(zhì)氣化倡議，各種努力集中在知識研究上，進行各種研究并試圖找到最終的、最佳可能方案是什么，創(chuàng)造了個環(huán)境，結(jié)果什么也沒有建成。通過建立商業(yè)規(guī)模的示范裝置，重復設(shè)計并從中學習，當然可以更快地降低成本，而不是通過更多的研究和開發(fā)，嘗試和改進的幅度僅為1%。首先建個裝置，證明它、測試它，然后可以追溯和嘗試降低10%或15%的設(shè)施成本，通過重復設(shè)計和學習繼續(xù)削減成本，而不是向全球承諾，但不兌現(xiàn)。

幸運的是，歐洲各國政府已變得更加務(wù)實，認為這才是需要采取的步驟。它們承認,雖然最終尋求減排和低成本的效率不高,但能從今天達到2040年需要的水平，無需試圖一次性實現(xiàn)革命性飛躍的失敗，而更像個進化過程。在歐洲這個政治舞臺上，有良好的支持和現(xiàn)實的做法。

資料與注釋：

1. Michael Welch，Hydrogen Evolution or Revolution?，ASME，Dec 10, 2020

2. H2Future：歐盟資助的降低CO2的能源未來與鋼鐵生產(chǎn)脫碳的旗艦項目。在林茨的voestalpine現(xiàn)場，H2Futrue項目財團，包括鋼聯(lián)、西門子、VERBUND(一體化)和奧地利電網(wǎng)，與研究伙伴K1-MET和ECN一起，正式批準建設(shè)世界上最大的生產(chǎn)“綠色”氫的中試裝置。工業(yè)和發(fā)電領(lǐng)域的合作伙伴要利用該設(shè)施，研究未來實現(xiàn)全球氣候目標所需的突破性技術(shù)。

3. HyDeploy：英國基爾大學(Keele University)的一項開拓性的綠色能源試驗，旨在幫助英國減少碳排放，并為低碳氫經(jīng)濟打開大門。HyDeploy的演示裝置向大學現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)注入高達20%(按體積計算)的氫氣，供應(yīng)100戶家庭和30棟教職大樓。現(xiàn)已全面投入使用。