氢的拥抱 | Discover Magazine

阿莫里·洛文斯说，未来很简单。未来是无污染的、取之不尽的、无毒的，而且是如此基础，以至于即使是人文专业学生也能理解它的化学结构。

未来是氢：H，一个质子，一个电子。宇宙中第一个、最轻、最常见的元素。

使石油变成人造黄油的物质。使“兴登堡”号飞起来的物质。与氧气结合形成水，与碳结合形成甲烷的物质。将航天飞机送上太空，并可能在未来为你的汽车、办公楼、房屋、手机甚至助听器供电的物质。

能够净化地球的物质。

“想象一个汽车安静得像耳语，只排放水蒸气，而欧佩克（OPEC）破产，因为石油价格跌至每桶五美元的世界，”洛文斯以一贯沉稳的语调说道。他认为，全球变暖、雾霾、加州式的停电以及一系列弊病都将通过氢气得到解决。“我们已经走在路上。”

“我们制定的道路既有道理又能赚钱，”能源远见者阿莫里·洛文斯说。他制定的全球氢基能源系统计划包括使用光伏电池板（像他家/办公室屋顶上的这些）从水中分解氢气。

也许吧。氢气在可预见的未来是否会成为首选燃料仍然存在争议：能源专家们并不少，他们声称洛文斯和其他支持者严重低估了制造氢气的成本，更不用说必须克服的技术障碍了。这些反对者认为，氢气在世界燃料构成中的作用可能在几十年内仍然是边缘性的。“阿莫里·洛文斯是在兜售江湖骗术，”保守派智库“企业竞争力研究所”（Competitive Enterprise Institute）国际环境政策主任迈伦·埃贝尔（Myron Ebell）说。“存在巨大的实际障碍。”

尽管如此，洛文斯相信，根据他独特的计划部署的氢气的优点，使其在不久的将来广泛使用几乎是不可避免的。与其他环保主义者不同，后者认为只有在政府的坚持下，清洁技术才能蓬勃发展，洛文斯则认为，整个化石燃料经济将因为简单的过时和效率而让位于氢气，就像黑胶唱片被CD取代一样。他提出的转向氢基经济的计划强调了可以赚取的利润。正如他所说，“转型在每一步都可以盈利，从现在开始。”洛文斯的角色是：通过咨询、分拆公司以及向所有愿意倾听的人宣传氢气的优点来推动企业和政府前进。他曾为15位国家元首提供咨询，创办了一家氢动力汽车设计公司，并且，据他说，“分散在50个国家”。

说话间，洛文斯漫步在他位于科罗拉多州斯诺马斯（Snowmass）的家中的温室里，那里挤满了香蕉植物和木瓜树。这座太阳能加热的石结构建筑也是洛基山研究所（Rocky Mountain Institute）的总部，这是一个由他和他的前妻亨特·洛文斯（Hunter Lovins）于1982年创立的环保“思考与行动智囊团”。人造瀑布倾泻而下，水产养殖池泛起涟漪，斑驳的阳光洒在花岗岩墙壁上。外面，空气稀薄、干燥而寒冷；而在室内，海拔7100英尺的地方，我们感觉就像在迈阿密。这一切都无需炉子，只需阳光。

这座不同寻常的家/办公室，就像氢燃料和洛文斯本人一样，散发着一种令人难以置信、实用性和承诺的奇特结合。本月满54岁的洛文斯花了30多年的时间推广能源效率作为能源生产的替代方案——他喜欢说“负电量比兆瓦更好”——在此期间，他从一个环保活跃分子蜕变成了一位能源界的老年政治家。他穿着他典型的磨损的海军蓝西装外套、长裤和舒适的鞋子，戴着厚厚的眼镜，棕色的眼睛被压缩成点，看起来自信、平静、理智。氢气，他最近一项最热情的宣传活动，与他毕生的信息非常一致：做得更多，做得更好，用更少的资源做得更好，世界就会变得更美好。“阿莫里的负电量概念彻底颠覆了整个公用事业行业，”弗吉尼亚州阿灵顿的氢气发生器制造商H2Gen Innovations Inc.的总裁C.E.“桑迪”·托马斯（C. E. "Sandy" Thomas）说。“我认为他对氢气和汽车的影响将与他对公用事业的影响一样。”

就连洛文斯最严厉的批评者也承认他很聪明。他最初是一名实验物理学家，在哈佛和牛津接受教育，获得了七个荣誉博士学位以及一项麦克阿瑟天才奖。洛文斯拥有无穷无尽的统计数据、晦涩的理论、化学和物理学的秘闻、尖刻的幽默以及不容忽视的傲慢。他只是略带讽刺地将像他一样的远见卓识者称为“更高级的灵长类动物”。

洛文斯能否开启氢能时代？他应该吗？一些人，包括《华尔街日报》专栏作家乔治·梅洛安（George Melloan），认为洛文斯至少在一定程度上要为加州的能源危机负责——该州对他的“负电量极乐世界”愿景的坚持阻碍了新发电厂的建设，从而导致了灾难性的后果。洛文斯否认了这一指控，认为20世纪90年代末的放松管制允许该州的大电力生产商挤走了小公司。最终的答案不取决于洛文斯，而取决于氢气本身的性质。尽管氢气无处不在，但氢分子却超出了我们的日常生活经验。因为它容易与其他元素结合，所以我们在其元素状态下不会遇到它。在氢基能源经济成为现实之前，我们需要知道：氢气是否足够丰富、便宜、安全且强大，足以支撑世界？

氢作为燃料是一个令人惊讶的古老想法。朱尔·凡尔纳（Jules Verne）1874年出版的小说《神秘岛》（The Mysterious Island）中，一位失事的工程师建议，当化石燃料耗尽时，“水有一天将被用作燃料，它组成的氢和氧，单独或一起使用，将提供一种比煤炭强度更高的热和光的不竭来源。”凡尔纳懂得物理学：按重量计算，氢所含的化学能比任何其他已知燃料都要多。氢也符合历史的轨迹：从木柴到煤炭，再到石油，汽油，甲烷，世界上选择的燃料越来越脱碳化。碳会增加体积和烟雾，但不会增加能量。氢，是唯一无碳的可燃燃料，似乎是合乎逻辑的终点。

凡尔纳的远见卓识的工程师设想燃烧氢气，但大多数现代方案，包括洛文斯的方案，都围绕着燃料电池展开，这是一种将氢气与氧气结合产生电力的装置。这个想法也很古老：1839年，在牛津受过教育的律师威廉·罗伯特·格罗夫爵士（Sir William Robert Grove）发现，如果电力能将水分解成氢气和氧气——这个过程称为电解——那么结合这些原子就能产生电力。尽管格罗夫建造了一个工作的氢燃料电池，但廉价化石燃料的出现将其发明推到了边缘。它一直被搁置，直到20世纪60年代，美国宇航局（NASA）开始使用燃料电池为太空任务供电。燃料电池能够以有吸引力的重量-电压比产生电力，而且宇航员可以饮用其主要副产品：纯净水。

燃料电池有许多不同的形式；今天，质子交换膜（PEM）版本是最受欢迎的之一，因为它最轻且易于制造。薄的质子交换膜涂有催化剂，通常是铂。当加压氢气（H2）通过该催化剂时，它会被剥离两个电子。膜允许氢的质子流过，但阻止电子流过外部电路作为电力。在膜的另一侧，质子与氧气以及流过电路（并在过程中为电气设备供电）的电子结合形成水。

除了氢气之外，任何东西都会污染质子交换膜燃料电池，因此氢能源方案中的第二项关键技术是一种称为重整器的装置，它将氢气从其附着的分子中分离出来。大多数氢气是通过用高压蒸汽“重整”甲烷来制造的；蒸汽与甲烷相互作用，将氢气与碳分离。重整器还可以从煤炭、污水、垃圾和造纸厂废料中提取氢气。

制造氢气已经是一个庞大而成熟的产业，每年消耗约5%的总甲烷产量，每年有约1000亿立方英尺的氢气用于炼油和制造用于食品的氢化油等工业任务。“已经有很多真正的专家了解如何安全地制造、处理和储存氢气，”洛文斯说。

洛文斯说，“超级跑车”（hypercars）的内部空间像SUV一样宽敞，但重量只有一半，是未来。这种玻璃纤维原型车仍然需要发动机。洛文斯声称，一辆由碳纤维制成的氢动力超级跑车比钢制汽车能吸收更多的碰撞能量，其燃油效率相当于每加仑汽油行驶99英里。

那么，如果氢气如此优越，为什么汽车——任何替代燃料方案中的最大目标——仍然使用汽油？洛文斯说，这是经典的“捕捉22”经济学：在有需求氢动力汽车之前，没有人会建立全国性的氢气生产和分销基础设施。但如果没有可靠的氢气来源，也没有人会批量生产氢动力汽车。

“许多人认为，在销售第一辆氢动力汽车之前，需要耗资1000亿美元的氢气生产和分销基础设施。这个论点让很多人停止思考。我从问题的另一端开始，”洛文斯一边吃着他那极其高效的冰箱里拿出来的寿司（他这种“超级节俭”的习惯很典型，他只把寿司稍微解冻了一下，所以加州卷仍然是半冰的），一边说道。“我们如何创造需求？”换句话说，在一家街角加油站准备提供氢气加注之前，建造成千上万辆氢动力汽车在经济上如何说得通？

洛文斯说，答案是建筑。建筑消耗了美国总电力的65%。他设想，一家高科技、依赖电脑的运营公司，通常每年可能花费100万美元来维持备用发电机运转以确保持续供电。洛文斯认为，对于这家工厂来说，安装一个现场甲烷重整器和一个燃料电池要好得多。

洛文斯预测，随着现场重整器快乐地从甲烷中提取氢气，公司员工将成为第一批燃料电池动力汽车的客户。“私家车96%的时间都停放着，”他说。“如果我们首先将氢燃料电池汽车租赁给在安装了燃料电池的建筑物内或附近工作的人，那么当你开车上班时，你可以将供应软管插入汽车，为汽车提供来自建筑物重整器的氢气。”汽车将在停放在车库时使用氢气发电出售。“你把你的车插到电网上，”洛文斯说。“当你坐在办公桌前时，你的第二大家庭资产就变成了一个利润中心，产生了足够的电力，让你收回购车成本的三分之一。”

一旦大量氢动力汽车在路上行驶，洛文斯预计加油站将安装自己的甲烷重整器和氢气泵。这反过来将迫使我们改造国家天然气管道系统，以处理氢气和甲烷。（天然气主要是甲烷，添加了难闻的气味以帮助检测燃气泄漏。）氢气会使典型的甲烷管道变脆，但经过重新铺设或从头开始建造以容纳氢气的管道可以安全地运输它。最终，洛文斯相信，大多数家庭的地下室将有一个氢动力燃料电池，用于加热、冷却和发电。

但洛文斯强调，这一情景不会通过简单地将燃料电池装入当今他称为“雷龙车”（brontomobiles）的重型SUV中来实现。他说，为了让氢动力汽车变得有意义，它们的油箱必须足够小，以便有空间容纳人和杂货，并能行驶合理的距离——至少300英里。这需要制造比当今车型轻得多、空气动力学性能更好的汽车。十年来，洛文斯一直在推广他所谓的“超级跑车”（hypercars）——超轻、超流线型的车辆，它们能以“与SUV空调运行相同的功率”达到高速。

1999年，洛文斯的洛基山研究所分拆出了Hypercar Inc.，这是一家八名员工的公司，正在设计一种由碳纤维制成的车辆，碳纤维是一种比制造网球拍和滑雪板的材料更坚固的版本。与同等大小的雷克萨斯RX300 SUV相比，这款车重量减半，不仅可以用7.5磅压缩氢气行驶330英里，还能符合联邦标准，在与以同等速度行驶的钢制SUV正面碰撞时保护乘员。在投资者位于阿斯彭的家中车库里，停放着第一辆名为Revolution的超级跑车原型。它很漂亮，体积相当大，设计极具侵略性，但只是一个玻璃纤维外壳。一家英国工程团队已经完成了该车的计算机设计，洛文斯说，实物可能在2005年投产。

它是否会投产，是另一个完全不同的问题。

“这不过是障眼法，”企业竞争力研究所的迈伦·埃贝尔说，他的公开目标是成为“经济自由的有效而强大的力量”。根据埃贝尔等批评者的说法，洛文斯倾向于在他的拯救地球的狂热中扭曲经济和物理现实。他们说，氢气有一个巨大的基本缺陷：它是一种储能介质，而不是能源。就像电池一样，其生产所需的能量比其使用所能提供的能量要多，因此，虽然氢气在使用点是清洁和高效的，但它只是将污染和废物推向上游的生产点。“氢气是地球上最丰富的元素，但游离的氢气却不存在，”燃料电池制造商Global Thermoelectric的总裁兼首席执行官吉姆·佩里（Jim Perry）说。佩里的公司生产固体氧化物燃料（SOF）电池，这种电池可以燃烧纯甲烷。“我们的分析让我确信，我们的技术在经济上更有可能成功。使用氢气，你在生产和分销过程中会有巨大的损失。经济上根本行不通。”

“阿莫里没有坦白的是，你必须从某个地方获取氢气，”仍然持怀疑态度的埃贝尔同意道。“他认为你可以免费获得午餐，认为你可以从中获得比投入的更多的能量。坦率地说，我认为他只是凭空捏造。”

洛文斯承认制造氢气是有成本的，但他认为“与今天的汽车使用汽油相比，燃料电池汽车使用氢气的效率至少高2.5到3.5倍。”在洛文斯的分析中，这意味着水电大坝可以通过利用非高峰电力从水中分解氢气来获得巨额利润。“这些公用事业公司从氢气中获得的收入可能是他们向电力收费的五到七倍，这使得经济上有吸引力，”他说。“在欧洲和日本，税后的汽油价格通常是美国的3到4倍，这个论点更有说服力。”

最终，将甲烷重整成氢气将仅仅是“桥梁”，洛文斯说，通往一个无污染、基于可再生能源的未来。在洛文斯的观点中，最终目标是利用太阳能电池或风力发电厂电解水。这些间歇性的电力生产者将能够储存他们在晴朗或多风的日子里收集的能量，将其转化为氢气，并用于为汽车和建筑物内的燃料电池供电，以及为电网供电。

然而，这种安排的盈利能力远非确定。埃贝尔怀疑任何全氢方案都能在没有大规模政府监管的情况下实现，更不用说比洛文斯预测的更多的私人投资和更长的时间了。马尼托巴大学的教授兼全球能源分析师瓦茨拉夫·斯米尔（Vaclav Smil）说：“阿莫里的问题一直都是一样的：他有一些好而且可取的提议，但却认为它们可以轻易实现。”

洛文斯说，成本相对较低，他引用了Directed Technologies Inc.的一项研究，该研究称，将全国18,000个加油站转换为氢气供应可能花费约41亿美元。“这是完全可能的，”研究作者之一桑迪·托马斯（Sandy Thomas）说，“而且可以盈利。我们计算出每一步都有10%的投资回报。”（10%是决定是否投资的标准行业门槛。）

在洛基山研究所，阿莫里和亨特·洛文斯（Amory and Hunter Lovins）着眼于一个无碳能源的未来。“普通大众想要可靠、负担得起、对环境无害的电力，”亨特·洛文斯说。“我们现在提供的系统却不是这样。”这对夫妇于1999年离婚，但她仍然是RMI的战略首席执行官。

埃贝尔还提到了安全问题。“如果在分布式氢气发电的第一年，整栋建筑发生爆炸，那会怎么样？确保这些东西安全所需的投资规模相当大。”

“与汽油泄漏不同，逸出的氢气最喜欢的是消散——它非常轻，扩散迅速，”洛文斯说。“它确实容易点燃，但与汽油和其它碳氢化合物不同，它需要比汽油蒸汽浓四倍的混合物，或者浓18倍的混合物，加上不寻常的几何形状才能爆炸。”此外，洛文斯说，“除非你几乎就在里面，否则氢气火灾不会烧伤你，而燃烧的汽油和其他碳氢化合物”会发出“灼热，可能在远处造成严重烧伤”。

安大略省金斯顿Fuel Cell Technologies公司的总裁兼首席执行官约翰·斯坦纳德（John Stannard）认为，燃料电池确实即将到来，但在可预见的未来，固体氧化物型将超越依赖氢气的质子交换膜型。他指出，在全球约200个燃料电池中，几乎所有都是固定式型号，能够处理多种燃料，而不仅仅是氢气，这在一个燃料价格不断变化的时代提供了关键的灵活性。“它们现在具有经济意义——对于偏远地区的雷达站点、蜂窝塔等应用，它们的可靠性远高于柴油发电机，”斯坦纳德说。但固体氧化物燃料电池笨重且运行温度高达1800华氏度，由于预热时间较长，因此对于车辆来说不实用。“汽车可能是最后发现固体氧化物燃料电池的地方，”斯坦纳德预测。

斯坦纳德还想知道公众是否会接受氢气安全问题。与该领域几乎所有人一样，他认为氢气本质上比汽油更安全，但科学事实并不总是足以说服普通消费者。“在上世纪80年代，我们建造了两辆氢动力公交车，”他说。“人们开始称它们为‘兴登堡巴士’。这样的评论没有帮助。”

如果这些障碍是真实的，为什么戴姆勒-克莱斯勒（DaimlerChrysler）、福特（Ford）、通用汽车（General Motors）、丰田（Toyota）、日产（Nissan）、本田（Honda）和马自达（Mazda）都在进行燃料电池研究项目？“如果你是一家谨慎的汽车公司，面对政府的监管压力，你会选择对冲你的风险，”斯坦纳德说。

明媚的山间阳光爬上花岗岩墙壁，逐渐变成黄昏。亨特·洛文斯骑着马来到前院，然后走进屋里。这对夫妇于1999年离婚，但他们仍然是专业合作者——而且是一对奇特的组合。亨特自称是牛仔，一副打扮——戴着十加仑的帽子，穿着牛仔裤和靴子。洛文斯则一边查看他那钛合金笔记本电脑上的电子邮件，一边仍然像个隐居的学者，尽管该地区阳光强烈，他仍然保持着地下室居民的苍白脸色。

阿莫里和亨特·洛文斯都认为氢经济是可能的，也是可取的。但即使转变发生，结果也可能不符合他们的喜好。任何经济学专业的学生都知道，当某种令人渴望的物品或行为可以以更低的成本获得时，人们就会更多地获得或做它。如果，尽管有疑虑，氢动力超级跑车成为首选汽车，那么一个巨大的讽刺将浮现。亨特·洛文斯直面这个问题。

“坦率地说，这是一辆有趣的汽车，”她说。“这会很棒。人们越喜欢它，就开得越多。”如果氢经济腾飞，人们可能会想出越来越多的方法来利用这种相对无害的能源，直到他们再次将系统推到极限。

这个情景还很遥远。氢经济要成为自身成功的牺牲品，它必须首先成功。在指责和反驳声中，一个事实很清楚：向氢气的过渡将远非像这个分子本身那样简单。

重访“兴登堡”号

每个人都知道，“兴登堡”号因为充满了氢气而燃烧坠毁。根据阿迪森·贝恩（Addison Bain）的说法，每个人都错了。

1937年5月6日，飞艇LZ 129——俗称“兴登堡”号——在新泽西州莱克赫斯特上空起火，机上97人中有35人丧生。德国和美国的调查人员公开得出结论，提供升力的氢气导致了这场灾难。“一代人从小就对那张‘兴登堡’号起火的新闻影片印在脑海里，”阿莫里·洛文斯说。

贝恩，前NASA的氢计划经理，花了十年时间解开了“兴登堡”号灾难的真相。他认为，该飞艇的五层油漆是罪魁祸首。浸透了棉布外层的化合物是极易燃的：一层氧化铁覆盖着四层纤维素丁酸乙酸酯混合了铝粉。“固体火箭的燃料，例如航天飞机助推器使用的燃料，其成分非常相似，”贝恩说。“‘兴登堡’号实际上是用火箭燃料涂装的。”

贝恩的理论：在风暴天气中，静电荷积聚在飞艇的铝框架和布料覆盖物上。当机组人员放下与框架相连的手绳时，手绳湿了，并成为框架上电荷的传导通道。电荷涌向地面，在框架和布料覆盖物之间的电荷之间产生了巨大的差异。由于这种差异，流经布料覆盖物的电子变得非常兴奋，导致铝粉与其他油漆化学物质发生反应，从而引起火灾。大火猛烈地蔓延到飞艇的蒙皮上，然后蔓延到填充在飞艇内部的16个充满氢气的气囊。

贝恩说，如果火灾是从氢气开始的，“你会看到一道几乎无色的火焰从飞艇中喷射出来。”氢气火主要在紫外光谱中发光，在白天几乎看不见，但目击者描述火焰是“色彩斑斓的”。

尽管德国当局官方坚持认为氢气是罪魁祸首，但贝恩对“兴登堡”号事故时建造的姊妹飞艇“格拉夫·齐柏林二号”（Graf Zeppelin II）的样本材料进行的分析表明，他们怀疑真正的原因。建造者在“格拉夫·齐柏林二号”的油漆混合物中添加了一种名为亚硫酸钙的阻燃剂，并用更重但可燃性较低的青铜取代了铝。贝恩认为，德国调查人员为了掩盖使用了如此危险的物质来涂装不幸的“兴登堡”号而感到尴尬，从而压制了真实的故事。—B. L.