全球分析表明，加拿大大部分地区是未来氢气生产的理想地区
保罗谢尔研究所 (PSI) 的研究人员分析了世界上哪些地区可以最经济高效地生产氢气，以便建立一个基于这种替代能源载体而不是基于化石燃料的经济。他们的一项发现是，仅仅用电力和氢气替代化石燃料并不能消除温室气体排放。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
瑞士的目标是到 2050 年实现气候中和。这意味着从今年起，为了减缓气候变化，不应向大气中排放任何额外的温室气体。实现交通、工业和家庭电气化，同时转向水力发电、风能和太阳能等可再生能源，是实现这一目标的关键基石之一。
然而，电力并非无处不在——对于特定应用而言，其能量存储密度不足。当需要满足更高的需求时，氢气就需要发挥作用。例如，航空、农业和钢铁行业代表着可以通过使用氢气大大减少其对气候影响的应用——有时进一步转化为生产肥料或合成碳氢化合物。
研究人员由主要作者 Tom Terlouw 和保罗谢尔研究所能源系统分析实验室的项目负责人 Christian Bauer 领导，收集了地理和经济数据及预测，以描述四种不同情景下的氢经济发展。
根据不同的情景，他们预测 2050 年氢气需求量将在每年 111 至 614 兆吨之间。在第一种情景中，世界继续一切如常，仍然依赖化石燃料。在第四种也是最乐观的情景中，它采取了严格的气候保护措施，能够实现 1.5 度的目标。目前，全球每年生产约 90 兆吨氢气。
哪里有足够的空间进行电解？
氢气可以通过各种工艺生产。目前，蒸汽甲烷重整是主要方法，即在高压高温条件下从天然气、石油或煤炭（即化石燃料）中提取氢气。更乐观的设想是，PEM 电解器将越来越多地被使用。
这些设备利用电力和聚合物电解质膜将水分解成氢和氧。如果只使用来自可再生能源的绿色电力，该过程无需化石燃料即可运行。它产生的温室气体比蒸汽甲烷重整少 90%。
然而，核心问题是应该在世界的哪些地方使用这项技术生产氢气。“我们主要采用经济标准，”Terlouw 说，“换句话说，我们研究哪里的生产成本最低。”
有两个因素至关重要：哪里可以最有效地满足电解所需的大量绿色电力需求——得益于丰富的替代能源，如风能和太阳能？哪里有足够的合适土地来建设必要的生产设施？
加拿大是理想选择，瑞士则不然。
例如，加拿大大部分地区被证明是未来氢气生产的最佳地区之一。“那里有很多空旷的地方，风很大，因此非常适合安装风力涡轮机，”Terlouw 说。
“除此之外，周围水资源充足，政治局势稳定——尽管我们在研究中没有详细考虑这两个标准。但当然，电解水的可用性也起着一定作用，相关国家是否可以可靠地进口氢气也起着一定作用。”
除了这些标准之外，美国中部地区也具备良好的条件，澳大利亚部分地区、撒哈拉沙漠、中国北部和欧洲西北部也具备这样的条件。因为这些地区阳光充足，可以开发太阳能；或者风力充足，空旷的地方适合建造风力涡轮机和氢气工厂。
瑞士和德国等中欧工业化国家不太适合生产氢气，因为几乎没有土地可用于安装风力涡轮机，而且太阳辐射水平相对较低。其他人口稠密的地区和国家，如日本或美国和中国的沿海大片地区，只能以相对较高的成本生产氢气。
Terlouw 总结道：“我们发现，氢气需求量大的地区和氢气生产能力强的地区之间存在一定的差异。”
氢能经济必须通过全球贸易来克服这一差距，但这需要额外的能源——以及政治合作。最终，能源需求的产生是因为氢通常以化合物的形式运输——例如以氨或甲醇的形式。纯气体的体积太大，而更紧凑的液体形式需要大量冷却。
绿色氢气的生态负面影响
这项研究还探讨了潜在的氢经济对环境产生的其他副作用，而这些副作用往往被公众忽视。“首先，必须强调的是，即使是运转良好的氢经济也会继续产生残余温室气体排放，”Terlouw 说。
这项研究估计这些残余排放量每年几乎相当于 10 亿吨二氧化碳当量。目前总排放量约为 400 亿吨。“将气候影响降至零是不可能的，”鲍尔证实。
这主要是因为氢气的生产和运输本身就与排放有关。
一方面，估计有 2.5% 的氢气通过泄漏释放到大气中，而氢气本身通过促进甲烷和臭氧等强效温室气体的形成间接充当温室气体。
另一方面，电解系统表现出所谓的隐含排放，这种排放发生在所需材料的生产和运输过程中，即使最终系统采用绿色电力运行。
Terlouw 报告称：“氢经济中使用的许多系统和机器都是在可预见的未来主要依赖化石燃料的国家制造的。例如，如今大多数太阳能电池板都来自中国，而中国的大部分电力仍由燃煤发电站生产。”
任何认真实现气候中和的人都需要通过捕获和去除大气中等量的二氧化碳来补偿这些剩余排放。诸如直接空气捕获之类的技术可用于此目的，其中使用特殊设备从空气中去除二氧化碳。或者重新造林，种植更多的树木可以吸收空气中一定量的碳。
关键材料
Terlouw 和 Bauer 认为，除了对气候的影响之外，氢经济还需要考虑其他环境影响。机器和系统使用一系列材料，这些材料本身对环境有害，或者其生产对环境有害。
例如，风力涡轮机包含基于稀土金属的永磁体，而中国的稀土金属开采不符合欧洲环保标准。PEM 电解中使用的催化剂是铱，这种金属被认为存在问题，仅仅是因为它非常稀有。生产氢气所需的大量土地和水也可能构成负面环境因素。
Terlouw 指出：“最后但并非最不重要的是社会接受度问题。例如，人们会接受沿海地区被大型制氢厂占据吗？”在缺水地区，在电解海水之前，必须先进行海水淡化，这需要额外的能源和土地。
“在目前的研究中，我们还没有考虑到这些因素，”鲍尔承认。“接下来会进行进一步的研究。我们想指出实现能源转型的可能方法。我们是否继续追求这些方法，以及我们追求的力度如何，最终是一个社会政治问题。”
更多信息： Tom Terlouw 等人，未来氢经济意味着环境权衡和供需不匹配，《自然通讯》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41467-024-51251-7
期刊信息： 《自然通讯》
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