氢能重回议程，成为潜在的脱碳解决方案，但仍有若干根本性挑战亟待解决。
这些正是20年前上一轮氢能热潮受挫的同样障碍。
以下详细探讨这些挑战，以及这一次情况可能有所不同的原因。
2020年，氢能作为一种零排放的神奇燃料正大幅重新走红。人们确实希望氢能能够帮助经济中许多电气化无法触及的领域实现脱碳。欧洲应对新冠疫情的绿色复苏刺激计划和乔·拜登的清洁能源计划都着重关注利用可再生能源生产氢气。但关键挑战依然存在。
我们尚不知如何以可负担的成本运输、配送和储存氢气。因此，氢能还无法充分发挥潜力。
氢能此前经历过多轮炒作与失望。眼下，欧盟正引领这股热潮。然而，时间倒退20年，美国和日本才是氢能最主要的支持者。
为什么上一轮氢能热潮未能兑现承诺？
上一轮氢能热潮带来的启示
氢气的物理特性使其难以运输和储存。即使将氢气冷却到低温，液氢的体积能量密度也仅为汽油的25%，少得可怜。在合理压力下，气态氢气的体积能量密度更低，仅为汽油的10%。因此，如果要用容器运输氢气，我们将面临以下挑战：
1. 压缩氢气
我们可以将压缩氢气储存在容器中，再进行运输。
但由于氢气密度低，我们需要非常大的容器。储存任何压缩气体都不存在规模经济：容器的质量与所储气体的数量成正比。因此，要储存大量氢气，就需要体积庞大、重量沉重的容器。
相关数据令人沮丧。即便采用价格昂贵、强度极高的容器材料，例如碳纤维复合材料，氢燃料也只占容器总重量的区区5%。这种方案既不便宜，也不小巧或轻便。这对使用压缩氢气的陆地交通工具而言是一项劣势；对航空业来说也很棘手，因为飞机必须既轻又小，才能减少阻力、提高燃油经济性。
即使在对重量不那么敏感的远洋运输中，压缩氢燃料所需的额外空间也会造成严重影响。如今，一艘普通柴油船的储存空间中约有4%用于燃料。但若使用压缩氢气，燃料所占空间将达到船舶储存空间的40%，削弱船舶大宗货物运输能力。
2. 低温液氢
我们可以将液化氢储存在容器中再进行运输。这样就不必使用能够承受压力的昂贵、沉重容器。但氢气只有在−250˚C时才会变成液体。如此低的温度不仅成本高昂，也难以维持，因为我们必须不断让一部分氢气蒸发，才能使其余氢气保持低温。
无论是压缩储氢还是液化储氢，都需要额外消耗能量来压缩或冷却气体。此外，两种方式都需要专用设备，其前期成本阻碍了应用。事实上，建造一座加氢站的成本最高可达快速充电电动汽车充电站的10倍，这阻碍了氢燃料汽车的大规模普及，尽管氢能备受热捧。
3. 氢气管道
我们可以不使用容器，改用管道输送氢气。从长远来看，这是成本最低的方式。但成熟的氢气管道系统成本必须由众多用户分摊，而目前氢气用户本就寥寥无几，因此费用将十分高昂。
建设专用氢气配送管道系统可能耗资数万亿美元。例如，一群德国管道运营商最近公布了一项计划，拟建设一条全长1,200公里的氢气管网，计划于2030年前建成，耗资6.6亿欧元，管网将由改造后的天然气管道构成。这与一条经验法则相符：铺设郊区燃气管道，每英里约需100万美元。但考虑到仅德国的天然气管网就长达530,000公里，1,200公里的规模实在相形见绌。美国的输气和配气管道总长约300万英里，将天然气输送到千家万户。
目前正在探索的一条捷径，是改造天然气管道，用于输送纯氢气。但氢气会与管道中的许多部件发生反应，使其变脆，例如铁、钢材和焊缝。此外，氢分子是最小的分子，会从普通管道中渗漏，造成损失和安全隐患。我们也缺乏价格可承受的设备来压缩氢气，以便通过管道运输。人们正在努力解决这些根本性问题。
4. 跨时间储存氢气
如果暂且不考虑运输，只解决跨时间储存氢气的问题，情况会不会容易些？
好消息是，盐穴和岩穴等低成本方案能够大规模应用。但这类储存方式受地理条件限制。用彭博新能源财经的话说：“如果今天氢气要在全球经济中取代天然气，为达到同等的能源安全水平，到2050年就需要建设规模为现有三至四倍的储存基础设施，耗资6,370亿美元。”大规模储氢是一项重大挑战，也是构建稳健氢能经济的先决条件。
这一次，氢能热潮可能有所不同
尽管面临这些挑战，氢能仍非常值得投资。电力仅占人为碳排放的三分之一，而氢能仍是帮助经济其他部门脱碳的最佳选择之一。应对气候变化至关重要，我们必须尝试所有可行的途径。
可再生电力成本大幅下降，使我们有理由相信，在未来十年内，可以以具备竞争力的成本生产零二氧化碳排放的氢气。仅解决氢气零二氧化碳排放生产这一问题，就能带来巨大机遇；氢气已经被用作工业原料。对于石化厂这类单一使用地点，在附近生产零二氧化碳排放的氢气，可减少运输、配送或储存需求。在工业领域，仅用绿氢替代现有的灰氢，每年就可减少8亿吨二氧化碳排放。至于近期通过更广泛配送氢气实现部分脱碳，按体积计，天然气中最多可混入20%的氢气，并通过现有天然气管网输送，无需重大改造。这些都是氢能热潮的良好开端，但显然还不足以确保成功。
政策制定者和私营企业不应忽视氢气输送、配送和储存方面的挑战。相关工作涵盖广泛的研发领域，例如研究一类名为金属氢化物的材料。这类材料作为新型储氢介质，前景广阔。此外，人们也在努力将氢气转化为氨或甲醇，这些物质更易运输，之后既可将其衍生分子直接用作燃料，也可在用户所在地将其重新转化为氢气。最后，人们还在努力破解氢能热潮中的棘手难题，通过分布式制氢彻底绕过长距离输氢的需求。
如果氢能要在整个经济脱碳过程中发挥重要作用，就必须在氢气供应和配送链的各个环节实现此类创新。
