人们把氢能叫作“未来燃料”，已经叫了半个世纪。如今有两点真正不同了：一是可再生电力已经便宜到可以完全不靠化石燃料来制氢；二是钢铁、化肥、航运这些行业几乎没有别的减排办法，迫切需要一种清洁的分子燃料。与此同时，氢能也吹得过了头，有人拿它去做直接电气化明明做得更好的事。要判断它，你得记住三个数字：生产要耗多少能，成本是多少，以及它在用途“氢能阶梯”上排在哪里。
今天的氢并不绿
全球每年用氢约 9,500 万–1 亿吨（IEA，Global Hydrogen Review 2024），几乎全部用于炼油、合成氨、甲醇生产和钢铁。其中 99% 以上来自化石燃料：
| 颜色 | 生产路线 | 典型排放（kg CO₂e/kg H₂） | 目前占比 |
|---|---|---|---|
| 灰氢 | 天然气蒸汽甲烷重整（SMR） | 10–12（算上甲烷泄漏更高） | 大部分 |
| 褐氢 / 黑氢 | 煤气化（主要在中国） | 18–25 | 在中国占比很大 |
| 蓝氢 | SMR 或自热重整 + 碳捕集 | 2–5（取决于捕集率和泄漏） | 很小 |
| 绿氢 | 用可再生电力电解水 | 约 0–1（全生命周期，来自设备） | 不到 1% |
| 粉氢 / 黄氢 | 用核电 / 电网电力电解 | 取决于电网 | 极少 |
如果用平均电网的电来电解，得到的氢反而比灰氢还脏。按 2025 年全球平均约 458 g CO₂/kWh（Ember / OWID）计算，53 kWh/kg 相当于每公斤氢约 24 kg CO₂。所以欧盟对“非生物来源可再生燃料”的规定，要求额外性，并要求在时间和地域上与可再生电力供应相对应。
电解怎样工作
电解槽让直流电通过水，把水分解开：阴极生成氢气，阳极生成氧气。
Theoretical minimum energy = 39.4 kWh/kg H₂ (HHV) | Energy content = 33.3 kWh/kg (LHV) System efficiency (LHV) = 33.3 / specific consumption
Example: 33.3 / 53 kWh/kg ≈ 63% Water: ~9 kg pure water per kg H₂ (10–15 kg raw water incl. treatment)
| 技术 | 成熟度 | 系统能耗（kWh/kg） | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 碱性（AEL） | 成熟，每 kW 最便宜 | 50–56 | 成本低，不用贵金属，单堆规模大 | 响应慢，电流密度低 |
| PEM | 已商用 | 50–58 | 结构紧凑，调节快，直接输出高压氢 | 需要铱和铂催化剂 |
| 固体氧化物（SOEC） | 商用初期 | 37–42（电）+ 热 | 利用余热，电效率最高 | 工作温度高，衰减快，成本高 |
| AEM | 中试 / 早期 | 50–55 | 材料便宜，运行方式接近 PEM | 大规模下的耐久性尚未验证 |
电解槽按输入电功率（MW）标定。有个好记的经验数：1 MW 全天运行，每天约产450 kg 氢气（24,000 kWh / 53 kWh/kg），一年约 160 吨。
效率链条
每转换一次就损失一次能量。100 kWh 可再生电力最后剩下多少：
| 路径 | 环节 | 送到终端的有用能量 |
|---|---|---|
| 纯电动车 | 电网 → 充电桩 → 电池 → 电机 | 车轮端 70–80 kWh |
| 氢燃料电池车 | 电解 → 压缩 → 运输 → 燃料电池 → 电机 | 车轮端 25–35 kWh |
| 内燃机烧电子燃料 | 电解 → CO₂ 捕集 → 合成 → 发动机 | 车轮端 10–20 kWh |
| 热泵 | 电网 → 热泵（SPF 3） | 250–350 kWh 热量 |
| 氢气锅炉 | 电解 → 管道 → 锅炉 | 50–60 kWh 热量 |
| 储氢 → 发电 | 电解 → 储存 → 燃气轮机/燃料电池 | 30–45 kWh 电 |
研究人员的结论，正是由这道效率差距决定的。Rosenow（Joule，2022）梳理了 32 项独立研究，没有一项支持大范围用氢给家庭供暖。Ueckerdt 等人（Nature Climate Change，2021）认为，电子燃料应该优先留给无法电气化的行业。
绿氢成本多少？
平准化制氢成本（LCOH）主要取决于两件事：电价，以及电解槽每年运行多少小时。
CRF (capital recovery factor) = r(1+r)^n / ((1+r)^n − 1)
计算示例：光伏 + 风电供电的 100 MW 电解槽
- 系统安装成本：1,800 欧元/kW，即 1.8 亿欧元，涵盖整座工厂，包括配套设施、压缩和并网。IEA 报告称，中国以外近期项目的安装成本约为 2,000–2,600 美元/kW，中国设备价格则低得多。
- 寿命 25 年，WACC 7% → CRF = 0.0858；固定运维每年 2.5% → 每年 1,990 万欧元。
- 容量系数 50%（资源好的场址上光伏 + 风电混合）→ 每年 438,000 MWh → 按 53 kWh/kg 计，每年 8,264 t H₂。
- 电价 35 欧元/MWh → 53 × 0.035 欧元 = 1.86 欧元/kg。
- 资本 + 运维：1,990 万欧元 / 826 万 kg = 2.41 欧元/kg。电堆更换、用水等其他费用再加约 0.25 欧元/kg。
- LCOH ≈ 4.50 欧元/kg。
同一座工厂如果只靠光伏、容量系数 25%，每公斤分摊的资本成本翻倍到约 4.80 欧元。就算电更便宜，最后也接近约 7 欧元/kg。利用率决定成败。可以在绿氢计算器和LCOE 计算器里试试各种取舍。
| 情景 | 电价（欧元/MWh） | 容量系数 | 参考 LCOH |
|---|---|---|---|
| 灰氢，气价 30 欧元/MWh | 不适用 | 不适用 | 1.5–2.5 欧元/kg（碳价 80 欧元/t CO₂ 时再加 0.8–1.0） |
| 绿氢，北欧，海上风电 | 60–80 | 45–55% | 6–9 欧元/kg |
| 绿氢，光伏 + 风电混合（智利、澳大利亚、中东） | 20–35 | 45–65% | 3.5–5.5 欧元/kg |
| 绿氢，仅光伏，日照充足的场址 | 20–30 | 22–30% | 5–8 欧元/kg |
| 长期目标（IRENA、IEA 净零路径，2030–2050） | 15–25 | 50% 以上 | 1.5–3 欧元/kg |
要实现大家常引用的“1 美元/kg”目标（美国 Hydrogen Shot），哪怕只是 2–3 欧元/kg，都需要非常便宜的电解槽，加上非常便宜、每年运行小时数很高的可再生电力。2023–2025 年，许多已宣布的项目推迟或取消：成本高于计划，买家也不愿意付溢价。
氢能阶梯：哪里用氢才合理
分析师 Michael Liebreich 推广了一套简单排序，按“绕开氢有多难”给各种用途排名：
理由充分（没有好的替代方案）：
- **化肥用合成氨：**在一个每年 1.8 亿吨以上的市场里替换灰氢。
- **炼油厂和现有化工用途：**本来就在用氢。
- **绿钢：**用氢气直接还原铁矿石，取代高炉里的焦炭。钢铁约占全球 CO₂ 排放的 7%（IEA），每吨直接还原铁（DRI）钢约需 50–60 kg H₂。
- **船用燃料：**远洋船舶使用绿氨或绿色甲醇。
- **长时 / 跨季节储能：**把氢气存进盐穴，在风电为主的电网遇到持续数周的低风期时顶上。
有争议：
- 航空（通过合成航煤）、长途重卡、高温工业供热、偏远矿区。
理由薄弱（直接电气化更好）：
- 轿车、公交车、城配货车、家庭供暖、低温工业供热、短时电网平衡。
氢气的运输和储存
氢是最轻的分子。在常压下，1 kg 氢气大约要占 11 m³ 的空间。主要储存方式：
| 方式 | 条件 | 能量损失 |
|---|---|---|
| 压缩气体 | 350–700 bar | 含能的 5–12% |
| 液氢 | −253 °C | 25–35% |
| 氨（NH₃） | −33 °C 或 10 bar | 合成 + 裂解：15–30% |
| 盐穴 | 地下 60–180 bar | 低；取决于地质条件 |
| 管道 | 改造现有天然气管道 | 氢脆和压缩机成本 |
把氢气运过大洋非常昂贵，所以不少分析师预计，将来国际上买卖的会是氢的衍生品（氨、甲醇、铁），而不是氢气本身。还有一部分重工业可能会干脆搬到可再生能源便宜的地方去，这种效应叫作“可再生能源引力”（renewables pull）。
政策：各国政府怎样缩小成本差距
如今绿氢的成本约为灰氢的两到四倍，所以几乎每个项目都要靠公共支持：
- 欧盟。《可再生能源指令》为工业（到 2030 年工业用氢的 42%）和交通燃料设定了具有约束力的可再生氢分目标。欧洲氢能银行通过拍卖，为每公斤产出支付固定溢价。2024 年第一轮中标的七个项目合计约 1.5 GW，报出的溢价约为每公斤 0.37–0.48 欧元。EU ETS 碳定价，加上对氨和钢铁征收的碳边境调节机制（CBAM），又能补上一部分差距。
- **美国。**2022 年设立的 45V 生产税收抵免，对最清洁的氢最高补贴 3 美元/kg，并逐步推行严格的逐小时匹配规则。2025 年的一项法律把抵免限于 2028 年前开工的项目，美国的项目储备因此变得不那么确定。
- 中国拥有全球大部分电解槽制造产能，也建成了全球最大的几座绿氢工厂，配套内蒙古、新疆和宁夏的光伏和风电。中国碱性电解槽的售价只有西方产品的零头。
- **出口国。**智利、澳大利亚、摩洛哥、纳米比亚、阿曼、沙特阿拉伯和埃及都想利用便宜的光伏和风电，出口绿氨等衍生品。
根据 IEA 的 Global Hydrogen Review，已宣布的项目若全部落地，到 2030 年低排放氢的产量会成倍增长，但只有一小部分做出了最终投资决定。拖后腿的不是技术，而是能拿去融资的需求：愿意按溢价签长期合同的买家。
安全与气候副作用
氢气在空气中的可燃浓度范围很宽（4–75%），点火所需能量极低，但它上升和扩散都很快。它还会让部分钢材发生氢脆。泄漏有气候代价：氢会延长甲烷在大气中的寿命，从而间接让地球变暖。近期研究估计，它的 100 年全球增温潜势约为 11 ± 5。泄漏率必须保持在低水平，气候效益才站得住。
结论
绿氢是重要的工具，但用途很窄。生产过程要吃掉三分之一甚至更多的输入电力，所以它该用在电子去不了的地方：化肥、钢铁、船用燃料、化工和跨季节储能。轿车和家庭供暖用电池和热泵，效率要高好几倍。在 2020 年代中期，即使在条件最好的地方，绿氢成本也大约是灰氢的两倍，而成本能否降下来，要看便宜的可再生电力能否让电解槽每年多转很多小时。在绿氢计算器里把数字算一遍，再到世界能源地图上看看哪里的可再生资源最好。
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常见问题
什么是绿氢？
生产 1 kg 氢气要用多少电？
绿氢成本多少？
用氢气给家里供暖合适吗？
氢能汽车可行吗？
绿氢最适合用在哪里？
资料来源与参考
- IEA — Global Hydrogen Review 2024
- IRENA (2020). Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up electrolysers to meet the 1.5 °C climate goal
- Rosenow, J. (2022). Is heating homes with hydrogen all but a pipe dream? An evidence review. Joule 6(10)
- NREL — 制氢与电解研究
- Ueckerdt, F. et al. (2021). Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation. Nature Climate Change 11
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