【工业】【能源】再谈氢经济（2020/02/14）_风闻

我在五年之前，写了《永远的未来技术》一文，讨论两种被广汎吹捧的新能源，也就是核聚变和氢经济。当时我下的结论，是核聚变发电和氢动力汽车，都是不切实际的妄想，要在本世纪有经济性地普遍部署是“不可能的”（在我的词汇里指低于0.01%的成功机率；不过中国现在所专注的Tokamak设计，其实成功可能性只有10^-10，德国的Stellarator才对应著10^-5）。五年后复盘，当年为Toyota Mirai鼓噪造势的人早已噤声；核聚变虽然仍旧吃香，但这是因爲它每一代实验的周期长达30年（例如ITER计划始于2007年，到2020年预计全规模实验开始的时间已经被延到2035年），要等待真相大白于世，只怕我们这一辈人早都死光了。这正是Goebbels所说的，谎言越大越难揭发。反过来考虑，核聚变至少还建立在真正的科学理论基础之上，投进去的钱也主要留在国内，所以远远没有大对撞机那么离谱，我个人力量有限，还是专注在揭发后者这个真正误国误民的大忽悠上吧。

最近几周，又有了新一批鼓吹氢经济的科普文章在表面上无关联的西方媒体相继刊出（例如 https://earther.gizmodo.com/europe-has-a-130-billion-natural-gas-problem-1841448077 ，https://oilprice.com/Alternative-Energy/Fuel-Cells/Green-Hydrogen-Is-Right-Around-The-Corner.html  和 https://www.forbes.com/sites/patsapinsley/2020/02/11/its-time-to-talk-hydrogen/#196f8756470b ）

，这是有财团势力在背后推动才会出现的现象，不过这次倒不是Toyota或其他汽车公司要推销新型的氢动力汽车；事实上过去五年中，汽车工业界已经放弃了氢动力和柴油，准备在2030年之前把应对环保压力的重点转移到电动汽车上。这一波氢经济公关要宣传的，其实是我在《永远的未来技术》的正文和留言讨论中简单提到的（例如这句话：“用氢来储能，以备尖峰用电时发电，或许是可行的”），工业化集中处理氢气，作爲电网储能的一部分，所以它并不是无的放矢的吹嘘。我预期在未来几年，这方面的科普宣传和投资计划都会持续出台，所以在这里先向读者解释清楚此事背后的科技、经济和商业考虑。

我们先回顾一下，氢能源在工业应用上的短处和困难。这其中最严重的，当然是我在《永远的未来技术》里特别强调的安全性问题。氢气非常容易爆炸，天然气与之相比都温和得不得了，要在城市里普建加氢站实在不是明智之举；即使爲了政治或商业迷思而硬干，也必然会在几年内被现实打脸。事实上，当前世界只有极少数的消费者加氢站，但是已经不断发生严重的爆炸案；只看去年，就有六月在美国加州Santa Clara和挪威的Oslo一连爆了两次，到了九月南韩的五个站中也爆了一个。这样的出事机率是每年百分之几的级别，而且还是在大公司不惜工本来直营的背景下发生的；如果加氢站如同美国的加油站一样，随便哪一个个体户都可以开，那么其危险程度可想而知。

氢的危险性太高，不适合直接面向消费者，所以只能考虑工业上由专业人员集中管理的可能应用。但是现代石化工业已经有百年历史，规模庞大、种类繁多，爲什么氢气始终没有取得一席之地呢？这是因爲氢本身还有好几个特性，使得生产、储存、运输和使用都很困难。

首先，在地球表面常见的分子之中，氢是除了氦之外尺寸最小的。工业上一般应用的金属材料，包括碳钢、不鏽钢、铝合金、钛合金、镍合金和锆合金，晶格间隙都容许氢分子的渗透，很快就会造成机械性能的严重退化，这叫做“氢脆”“Hydrogen Embrittlement”。另一方面，氢气管道的密封隔离也格外困难；再加上氢气密度太低，储存起来不是极高压就是极低温，使得如氢氧火箭发动机的设计与製造上就是麻烦不断。在航天这种高价值特殊用途还可以勉强忍受（即使如此，甲烷燃料火箭仍然是新一代的研发热点），在一般能源供应上，氢的储存筒和运输管道，规格和价位都远超天然气，也就没有经济上的竞争力。

其次，许多科普文章喜欢吹捧的PEM（Proton Exchange Membrane，质子交换膜）燃料电池，其实非常地不实用。经过几十年的研究发展，虽然名义上有60%的效率，至今仍然无法可靠地将寿命延长到超过几个月的连续使用（参见 https://www.intechopen.com/books/proton-exchange-membrane-fuel-cell/degradation-in-pem-fuel-cells-and-mitigation-strategies-using-system-design-and-control ）

，所以基本也没有什么经济性可言。德国勉强把它用在212型潜艇上，但这又是因爲特殊军事用途对高昂成本的承受力比民用工业高得多，潜艇的AIP系统也不须要365天24小时持续运作。

第三，氢气生产和使用过程的效率低得惊人。直接用水电解的话，阴极、阳极、电解液都很容易失效，以致于目前能工业化大量持续生产的最高能量效率只有25%！做爲对照，大型工业马达在电能和动能之间的转换效率已经达到99%以上。所以现在石化工业遇到非得用上氢气的化学反应时，反而是采用天然气做原料，通过效率大约70%的Steam Reforming Process（蒸汽重整）来产製氢气；这也就是人类目前要生产氢气最具经济性的方法。接下来如果要长期储存，压缩氢气会损失15%的能量，使用时减压释放再损失5%，这样一来，就算未来有了技术突破，能解决PEM燃料电池的耐用性问题，从生产-储存-释放-发电的氢气发电总效率也不会高于70%*85%*95%*60%=34%，这还不如小汽车上烧汽油的内燃机，更别提直接烧天然气的联合循环燃气涡轮（Combined Cycle Gas Turbine，CCGT）发电站早已经有实用化的64%总效率。

既然氢能源技术的缺陷如此明显而严重，爲什么会有人想推动建立它的产业生态呢？这其实有其特殊的时代背景，倒不算是忽悠。我们先从台面上的公开因素谈起，也就是因应气候变化而必须减少使用化石燃料来发电的全球共识。

在2015年巴黎协约订定有关削减碳排放的议程之中，欧盟的态度最爲积极，采用可再生能源来取代核电、煤电和天然气电厂的计划也最爲激进。然而如同我在《台湾能源供应的未来》的正文和留言栏中解释过的，风能和太阳能这两种主要的可再生能源虽然在价格上已经有竞争力，但是它们看天吃饭、时有时无的特性，却代表著先天不可能独力满足所有的电力需求。昼夜之间的变化，还可以靠将大型电池组联入电网来解决；冬夏之间的季节差异，就需要能量密度更高、长期储存更方便可靠的技术。所以在最近几年，各式各样的脑洞大开，如大型升降机或山顶蓄水池等等，居然都能得到投资。但是这些储存物理位能的办法，实用性明显地可疑，真正靠谱的还是化学能。

照理説，天然气目前供过于求，价格很便宜，碳排放也显著低于煤电。虽然甲烷泄露（Methane Emission Slippage）是个大问题，而且向来没有精确可靠的统计或监管（参见前文《统计与谎言》以及  https://www.euractiv.com/section/energy-environment/interview/us-scientist-methane-leakage-reports-have-an-inherent-low-bias/ ），但是在2020年一月底，歐盟總算決定要動手彌補（參見 https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/eu-working-on-plans-to-expose-climate-impact-of-natural-gas/1428789/ ）

，首先建立甲烷检测体系，包括专职的监视卫星，十年之内可能会杜绝大部分的随意工业排放。再加上天然气发电效率高、啓动快、基础设施完备、技术成熟，实在是最佳的调峰和尖载（Load Following/Peaking Power）电力来源。

但是欧洲白左文化盛行，不讲究理性权衡折衷；在他们眼中，烧天然气也会产生CO2，那么就只能是中短期内的过渡办法，到了2050年全电网都必须是100%的可再生能源。美国加州也在2018年提出以2045年为最后期限的计划（模仿夏威夷的前例；但是加州比夏威夷要大得多了，执行起来的现实问题也就更困难许多），MIT随即发表论文（参见 https://www.technologyreview.com/s/611987/how-california-could-affordably-reach-100-percent-clean-electricity/ ）

指出硬要追求100%的可再生电力来源，会比以80%为目标贵上许多倍（“…costs begin to rise exponentially once the share of variable renewables crosses roughly the 80 percent threshold”）。这是因爲不但可再生能源的供应有很大的不可控波动，电力需求曲綫本身也有它自己的各种规律和随机起伏，如果硬是要求可再生能源的低谷也要高过电力需求的高峰，那么就必须有数十倍于长期平均值的应急供应量。由于电池的能量密度很低、寿命又短，所以即使大规模应用在电网储能上，仍然没有经济上可接受的解决方案。

不过MIT的论文假设了储能技术不会有突破性的进展，于是很多人在这里看出商机。既然前面提到的储存物理位能的办法，明显地不实用，自然有人开始检视各种化学能储存方案。最近冒出来好几个直接用CO2合成甲烷的论文，也是这个背景下的产物，但这比物理位能还要不切实际；真正在乎经济性和实用性的大企业，最后还是觉得氢气是目前已知最不坏的选项。

他们会得到这个结论，有以下的一些考虑：

1）电解得氢和燃料电池的耐用性和效率问题，相对来説还算是容易解决的。花10-20年来做研发，把电解的效率提高到60%，燃料电池的寿命提升到3-5年，成功的机率在50%上下，远高于学术界和创投界的那些狂想。

2）MIT论文论证了这些尖载电力需求的频率，发现以年度总发电量来计算，是很小的百分比（亦即x%，x<10），那么氢能源循环的效率虽低（假设60%*85%*95%*60%=29%），浪费的仍然只是百分之几（x%*（100%/29%-1）=2.44*x%）；这比起只用电池，还是便宜了好几倍。

3）这些企业很多是化石燃料能源体系的既有玩家，而在所有的无碳能源选项中，氢最靠近他们的核心技术能力（Core Competence）；例如输气管道虽然必须改进材料，但与现有的天然气基础设施还是有许多类似之处。赶快把氢能源扶持上位，是他们在这场技术革命中维持营收和利润水平的最佳途径。

瞭解了这些背景资讯，我们就能正确解读最近的一些新发展。例如法国的Engie公司刚刚投资在Cappelle-la-Grande村，对100家用户提供混入20%氢气的天然气，而这些氢气来自特别安装在当地的小型电解製氢设备。这样的系统毫无经济效益可言，除了公关价值之外，其实是用来实验既有天然气管道所能承受混入氢气百分比的极限（似乎是25%）。Engie的资产包括了法国的天然气管道系统，所以这是他们关心的议题之一。

至于不受白左思想控制的经济体系，其实可以直接忽略最新这一波欧美能源公司有关氢能源的公关推销。用天然气、核电和电池储能来辅助风能和太阳能发电，是远远效率最高、经济性最好的解决方案；投入大量人力、物力、财力去追求100%的零碳指标，不但是无意义的虚荣，而且会造成很大的浪费。