氢能的碳排放竟然比烧煤更高，你说可怕不可怕？

一、导读

 氢能，一直以来被广泛的认为是一种“清洁能源”，在我们的印象里，它的化学组成决定了燃烧产物仅仅是水，它一直以来被认为是人类能源变革性发展之路上的所谓“终极之巅”。尽管当下的发展之路依旧不平坦，例如，前不久的氢能燃料电池汽车的停产，以及氢气安全性的顾虑，但我们依旧乐观的认为，氢能是解决温室气体排放导致全球变暖的一把钥匙。

不过，氢能与传统能源的一大区别是它不能被孤立的开采，只能通过化学过程转化而来，既然涉及到转化，就不能孤立的将其视为一种“独立性能源”。然而，关于氢能全生命周期对环境的影响，似乎很少有科学研究的报道。

近日，来自美国康奈尔和斯坦福大学的两位学者，发表了首篇经过同行评议的有关氢能全生命周期“碳排放”的成果(How green is blue hydrogen? Energy Sci Eng.2021)，文章发表后得到了百家国外媒体的关注，并在社交媒体被转发破千次，这源于该研究的主要发现：

蓝氢的温室气体排放量比烧天然气或用煤取暖大20%以上，比燃烧柴油取暖大60%左右

比烧煤还污染的氢？没听错吧！

二、蓝氢更绿还是更灰？

1.氢代言

当前，氢气主要用于工业炼油和氮肥生产中，很少用于能源，因为相对于化石燃料而言，氢气价格昂贵。然而，正如《纽约时报》的报道所说，我们正把氢作为应对气候变化的“代言人”。例如，氢气不仅可用于难以脱碳的经济部门，如卡车和飞机的长途运输，还可用于取暖和做饭，将氢气与天然气混合并通过现有的管道输送给家庭和企业。这么一来，氢似乎已经成为了解决我们各自应用场景的能源新气象，难道它真的就人畜无害了？

2.多色氢

我们使用的绝大多数氢气 (96%) 来自化石燃料，通常采用天然气的蒸汽甲烷重整 (SMR) 以及煤气化来获取。其中，SMR 约占全球氢气产量的近75%，通常称之为“灰氢”（以与煤气化制成的“棕氢”对比），灰氢的生产占全球天然气消费总量的 6%。此外，氢气也可以通过电解水产生，当这种电力由清洁的可再生能源（例如水、风或太阳能）产生时，此时的氢被称为“绿氢”。

由于灰氢的温室气体排放量高，因此，现在广泛推荐使用“蓝氢”，那么，蓝氢是什么？

其实就是在灰氢的生成中增加了可以捕获和储存二氧化碳的设备与工艺。

截至 2021 年，全球只有两家商业化的规模化生产蓝氢的设施，一家由壳牌在加拿大运营，另一家由Air Products在美国运营。通常情况，人们认为蓝氢为具有近零或低的温室气体排放量（What Colour is Your Hydrogen? A Power Technology Jargon-Buster. London, UK: Power Technology; 2020）。然而，并非所有的二氧化碳排放都可以被捕获，并且在蓝氢的生产过程中会排放一些二氧化碳。

3.被忽视的它

不过，我们忽视了另一种温室气体的排放，那就是生产蓝氢所需的天然气相关的甲烷排放。甲烷是一种强大的温室气体，它作为变暖剂的作用比二氧化碳强 100 倍以上，并且在20 年内所引起的变暖效应是二氧化碳的86 倍。据估计，近几十年来发生的全球净变暖中约有 25% 是由甲烷引起的。在联合国环境规划署指出，到 2030 年，全球所有来源的甲烷排放量需要减少 40%-45%，以实现将全球温度上升限制在 1.5°C 的最低成本途径。

在大气中，甲烷的寿命(~12年)要比二氧化碳(＞50年)短，因此，甲烷含量的控制能在短期内见效，而二氧化碳的减排则需要长期才能显现。

4.蓝氢的碳排放

图1 比较灰氢、蓝氢（SMR 过程中捕获二氧化碳）、蓝氢（SMR 过程+运行SMR设备产生废气均进行碳捕获），天然气燃烧产热，柴油燃烧产热，煤燃烧产热的二氧化碳当量（甲烷泄漏率设定为3.5%）。(DOI: 10.1002/ese3.956)

图1的数据清晰的表明：

1）与任何化石燃料相比，灰氢和蓝氢（无论是否对废气进行碳捕获处理）的二氧化碳和甲烷总排放量都更大；

2）甲烷排放是造成这种情况的主要因素，灰氢和蓝氢的甲烷排放量比任何化石燃料都要多；

3）与煤或柴油相比，灰氢或蓝氢的二氧化碳排放量更少；

4）灰氢的二氧化碳排放量比天然气稍大。

此外，研究还发现二氧化碳捕获属于能源密集型，捕获更多的二氧化碳需要更多的能量，如果这种能量来自天然气，那么二氧化碳和逸散性甲烷排放量的增加将抵消大量由于碳捕获而减少的二氧化碳排放。

 5. 蓝氢是真梦想？

蓝氢产生的部分排放是天然气作为 SMR 工艺的甲烷原料来源的提取、加工和使用过程中固有的。逸散性甲烷排放以及生产、加工和运输转化为氢气的天然气所需的能源导致的上游二氧化碳排放是不可避免的。因此，温室气体的排放量仍然很高，而且还会大量消耗可再生电力，这是一种机会成本。

与直接使用天然气加热相比，使用由天然气驱动的蓝氢没有优势。蓝氢远非低排放，其排放量与用于加热的天然气一样大或更大。与天然气相比，蓝氢的二氧化碳排放量略有减少，但更多的逸散甲烷排放量弥补了这一点。

此外，这项研究的分析是关于蓝氢的理想情况。即，假设捕获的二氧化碳可以无限期地储存数十年和数百年。事实上，在商用领域，还没有从碳捕获中储存二氧化碳的经验，目前捕获的大部分二氧化碳用于提高石油采收率并释放回大气。此外，也没有考虑运输和储存捕获的二氧化碳的能源成本和相关的温室气体排放。尽管如此，即使没有这些考量，蓝氢也会对气候产生巨大的影响。

正如这项研究的作者Howarth所说的那样“蓝氢听起来不错，听起来现代，听起来像是通往我们能源未来的道路。但它不是。”

三、氢能的未来之路

 取代蓝氢的伪善面具，最终还得更低碳的氢来出手。 9月13日，科技部关于发布国家重点研发计划 “氢能技术”重点专项2021年度定向项目申报指南的通知下发，该专项计划由14位专家编制完成。据申报指南显示，2021 年拟在“ 氢进万家” 综合示范技术方向， 启动 1 个定向项目， 拟安排国拨经费 1.5 亿元。

主要课题为氢能动力及供能关键技术集成及在高速、 港口、 园区典型场景的应用示范（示范应用），其中包括了适应多场景的氢能动力系统、高速公路零碳氢能服务区、低碳氢能港口、低碳氢能工业园区、氢能高速公路等考核指标。

其中，有关“氢”的部分指标值得关注：研发光伏—电解制氢—氢热电联供耦合的微网集成系统、低碳氢能工业园区替代天然气供热、 燃料电池热电联供的氢气使用量不低于 1 万吨、 低碳氢能应用过程中 CO₂ 减排不少于 10 万吨。

低碳氢在国内正开始布局，静待花开，结出硕果！