本文最初刊登于 Knowable。
富兰克林·张-迪亚兹坐进车里，打开收音机，听到的是汽油价格又上涨的消息。但他知道，他的行程不会因此变得更贵：他的油箱里装的是氢气。他的汽车利用氢气，并将其与氧气在燃料电池中结合，燃料电池就像一个小发电厂，产生能量——这些能量会输送到电池为汽车供电——以及水蒸气。张-迪亚兹的行程不仅不会比昨天更贵，而且比传统的汽油车污染要少得多。
张-迪亚兹希望在他需要给油箱加油时，附近有一个公共加氢站，但这在母国哥斯达黎加或任何其他拉丁美洲国家都还不可能实现。他只能去他自己建造的加氢站，这是他一个旨在证明用可再生能源产生的氢气——即绿色氢气——是当下而非未来的项目的一部分。
这位物理学家、前 NASA 宇航员和Ad Astra 航天公司的首席执行官张-迪亚兹有着清晰的愿景。他认为，绿色氢气是减少交通运输排放以及将像他这样的小型中美洲国家这样的化石燃料进口地区转变为清洁能源出口国，从而避免全球变暖灾难性影响的关键。
根据美洲开发银行的数据，在拉丁美洲，清洁氢能技术可以应用于运输业（占该地区 CO2 排放量的 40%）以及电力和能源业（占排放量的 36%），这两个行业污染最为严重。张-迪亚兹并非唯一相信氢能前景的人。帝国理工学院伦敦分校的化学工程师尼拉伊·沙阿表示，大规模氢能运输将是未来的组成部分。“到 2050 年，氢能可能占全球能源供应的 18%……其中 28% 将用于交通运输部门，”他和他的同事们在 2022 年《化学与生物分子工程年鉴》关于氢能在出行技术中的应用一文中指出。
但是，要使绿色氢气成为全球能源资源的重要组成部分，获取它的技术需要大规模发展。拉丁美洲希望成为这个未来的一部分，并且已经做好了准备，该地区各地都在开展相关项目。
图片来源：Ad Astra Rocket Company 提供
并非所有氢气都一样
氢是最轻的化学元素：其原子核只有一个质子，被一个电子绕转。它也是最常见的元素：据信宇宙中多达 90% 的原子是氢原子。在其气态（H 2）下，它无味、无色、无臭。在地球环境中，它通常以更复杂的化合物形式存在，例如两个氢原子与一个氧原子结合形成水分子（H 2O），或者四个氢原子与一个碳原子结合形成甲烷（CH 4）。如果我们单独需要氢原子，就必须将它们从这些化合物中分离出来。
将氢用作能源并非新事物。几十年来，NASA 一直将 H2 气体与氧气混合，以产生将数百吨重的航天器送入太空所需的能量。美国能源部将其列为比化石燃料更安全的燃料，因为它无毒，而且在泄漏时会迅速消散，因为它比空气轻。
目前，氢气作为能源主要用于石油衍生物、钢铁、氨和甲醇的生产。根据国际能源署 (IEA) 的数据，2020 年全球消耗了约 9000 万吨氢气——相当于全球能源消耗的 2.5%。拉丁美洲仅使用其中 5% 的氢气，主要在特立尼达和多巴哥、墨西哥、巴西、阿根廷、委内瑞拉、哥伦比亚和智利等国家。这些绝大多数是“脏氢”，由于其生产过程会对地球造成污染。
根据其来源的不同，氢气可以被分为灰色、蓝色、绿色——甚至黑色。灰色氢气使用化石燃料生产——在拉丁美洲，主要是天然气。通过一种称为蒸汽重整的工艺，一氧化碳 (CO) 和水蒸气 (H2O) 在高温、中等压力和催化剂的作用下，生成二氧化碳 (CO2) 和氢气 (H2)。如果使用煤炭代替天然气来产生蒸汽重整所需的热量，那么这种氢气就被认为是黑色氢气——从环保角度来看是最差的。
蓝色氢气使用天然气或煤炭进行相同的蒸汽重整过程，但在此过程中，80% 到 90% 的碳排放会通过一种称为工业碳捕获和储存 (CCS) 的过程被封存在地下。最后，绿色氢气——也称为清洁氢气——利用来自太阳能和风能等可再生能源的电能，通过阳极和阴极在称为电解的过程中将水分子分解成氢气和氧气。
目前，拉丁美洲使用的氢气中，绿色氢气不到 0.4%；其余的都与化石燃料有关。事实上，在 2019 年，该地区用于生产氢气的天然气消耗量超过了智利（一个拥有 1900 万人口的国家）的总天然气消耗量。其产生的污染排放量超过了哥伦比亚（一个拥有约 700 万辆汽车的国家）所有汽车一年产生的排放量。
在全球范围内，4% 的氢气生产已经通过电解实现，但其余 96% 仍然需要天然气、煤炭或石油衍生物。
迈向绿色氢能
为了生产越来越多的绿色氢气，拉丁美洲正在形成不同规模的多个项目。
- 巴西公司Unigel 计划于 2023 年启用一个耗资 1.2 亿美元的工厂，该工厂一期工程每年将生产 10,000 吨绿色氢气——相当于 60 兆瓦 (MW)。
- Sener Ingeniería Mexico 于 2022 年 8 月宣布，计划创建一系列小型工厂中的第一个，约为 2.5 兆瓦。
- 智利方面，其于 2020 年启动的国家绿色氢能战略已经初见成效。这个南美国家表示，计划在 2030 年“征服全球市场”，主要目标是欧洲和中国，计划将 72% 的产量输往这些地区。进入德国的港口将是汉堡。汉堡市长彼得·申歇尔在 2022 年 9 月签署一项合作协议时表示：“凭借其巨大的绿色氢能生产潜力，智利即将成为一个具有全球规模的出口国。”
- 乌拉圭启动了绿色氢能部门基金，政府提供 1000 万美元的无偿拨款用于资助项目。2022 年 8 月，九家公司入选，其中一些项目名称包括“绿色 H 2 生产用于森林运输”和“Palos Blancos 项目：利用风能和太阳能光伏可再生能源生产绿色氢气、氨气和化肥的工厂”。
- 在哥斯达黎加，张-迪亚兹正帮助引领该国将绿色氢气纳入其清洁能源组合（哥斯达黎加约 99% 的电力通过太阳能、风能和水力发电等来源产生）。2022 年 7 月，张-迪亚兹在社交媒体上展示了他如何在自家生产的绿色氢气在原型加氢站为他的汽车加油。
虽然一些拉丁美洲国家可能受益于绿色氢气的生产，但另一些国家将受益于这种清洁能源的大规模消费。例如，特立尼达和多巴哥，该国用于炼油过程的氢气占该地区氢气消费量的 40%，每人每年排放 12.3 吨碳（相比之下，根据 2019 年世界银行的数据，哥斯达黎加每人每年排放 1.6 吨碳）。如果特立尼达和多巴哥在其工艺中使用绿色氢气而不是灰色氢气，其碳足迹将大大减少。
其他国家则富有创意，尚未专注于绿色氢气的生产或消费。例如，巴拿马寻求成为该元素的储存和商业化节点，就像它已经是航空和海运枢纽一样。作为名为绿色氢能路线图的国家能源转型计划的一部分，该国当局与西门子能源签署了一份谅解备忘录。巴拿马也计划最终生产一些自有的绿色氢气：预计今年开工建设的 Ciudad Dorada 生物炼油厂将能够生产 405,000 吨。
“绿色氢能技术正在全球范围内发展，到 2030 年，拉丁美洲将成为全球项目中排名第三的地区，仅次于欧洲和澳大利亚，”IEA 的化学工程师兼能源技术分析师何塞·米格尔·贝穆德斯说。
对沙阿来说，这种日益增长的兴趣原因很明显：许多拉丁美洲国家拥有生产超过其需求的清洁能源的潜力。“以智利为例，”他说。“可再生电力潜力可能是该国所需电力的 10 倍。”他表示，将清洁能源以电力形式长途运输出智利或哥斯达黎加是复杂且昂贵的。但利用这些能源生产氢气并将其储存在储罐中运输到世界几乎任何地方是可行的，尽管这需要投资——正如当年需要投资油轮和天然气管道一样。
但沙阿补充说，如果绿色氢气用于制造流行产品，如氨气（NH3，一个氮原子与三个氢原子结合，广泛用于农业的化合物）或合成燃料，它也可以通过现有基础设施运输。
亟待解决的挑战
绿色氢气的生产和分销之后是其多种用途。为了驱动汽车电池，它在燃料电池中与氧气结合，产生水蒸气和能量。用于制造铁，在高温下，氢气用于将一分子氧化铁 (Fe2O 3) 转化为两分子铁 (Fe) 和三分子水 (H 2O)——目前用于此目的的是化石燃料。进一步加工这些铁，需要更多的能量，才能生产出钢。
水泥的制造也需要高温，目前是使用化石燃料产生的：IEA 指出，到 2030 年，高达 67% 的氢气需求可能来自这个行业。此外，在费托合成过程中，氢气与碳结合会产生合成燃料，这些燃料比传统的化石燃料更清洁。飞机已经被允许使用高达 50% 的合成煤油飞行。
贝穆德斯补充说，目前全球已有约 50,000 辆氢能源汽车上路。预计这一数字将很快飙升——中国预计到 2035 年将拥有 100 万辆——但专家们一致认为，在短期或中期内，氢气不会完全取代污染最严重的燃料；相反，它将是传统电动汽车或太阳能飞机等多种选择中的一种替代方案。然而，专家们也一致认为，它将是一个重要的选项，而不是边缘选项。
“将会有很多技术和机遇领域，这些领域在我们的地区并不一定适用于所有国家，”化学公司巴斯夫的工艺工程师、关于氢气生产及其在出行领域应用的文章的合著者安德烈斯·冈萨雷斯·加赖说。“也确实如此，虽然氢气可以应用于许多领域，但并非所有领域都适用，这在很大程度上取决于我们的政治、社会和经济体系。”
为了实现绿色氢气提供的更环保的场景，应尽快提高其产量，同时要鼓励其消费，沙阿说。“预计到 2050 年，全球氢气产量将增长六到十倍，”冈萨雷斯·加赖说，并且预计增长主要集中在清洁氢气方面。
科学家们表示，政府的作用将至关重要。“如果政府成为氢气的第一批用户——用于他们的建筑、他们的车队、他们的其他运营、发电——他们就成为了客户。然后他们可以创建氢气供应链，并让生产商确信存在市场，”沙阿说。
贝穆德斯补充说：“公共部门需要制定法规和支持计划，以加速私营部门的发展。需要有公共政策来强制需求绿色氢气……如果拉丁美洲不能很好地定位自己并开始生产和达成协议，它就有被甩在后面的风险。”
张-迪亚兹则担心，像哥斯达黎加这样尽管几乎所有的电力都通过清洁可再生能源生产的国家，可能会因为行动太晚而无法抓住已经开始兴起的绿色氢浪潮。2022 年 12 月，他作为发言人参加了在他国家首都圣何塞举行的一次国际会议。但与此同时，距离会场几公里远，关于支持绿色氢能产业的法案已经讨论了数月，却在立法议会中没有进展。
因此，至少目前，张-迪亚兹仍将是该国唯一一位能够驾驶使用绿色氢气作为燃料的汽车的人。
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
