世界正在經(jīng)歷能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和各種形式使用方式的巨大變化。人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到，需要走向一個(gè)能源不再助長(zhǎng)氣候變化和當(dāng)?shù)匚廴镜纳鐣?huì)，需要用可再生能源取代化石燃料。
隨著可再生能源在全球電力部門(mén)的部署增加，需要迅速引入利用可再生電力通過(guò)電制氣戰(zhàn)略使最終各用途部門(mén)脫碳，或?qū)㈦娏D(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品或燃料的解決方案。此外，到2050年，由于電力需要從最終能源消耗的20%左右增加到50%左右，因此仍然需要對(duì)直接電氣化更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場(chǎng)景(所謂的“難以減少"領(lǐng)域)進(jìn)行脫碳（終端電氣化和氫能源的互補(bǔ)）。
氫只是使難以減排的行業(yè)用來(lái)脫碳的一種選擇。能源利用的效率是減少能源供應(yīng)和上游可再生能力的關(guān)鍵，而生物能源可能是合適的，不僅以生物燃料的形式適用于燃料替代品有限的運(yùn)輸部門(mén)(特別是航空)，而且還可以作為合成燃料的碳來(lái)源。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，直接電氣化效率更高，成本更低，已經(jīng)在許多領(lǐng)域(例如供暖或乘用車(chē))進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。碳捕獲與封存(CCS)可能對(duì)仍處于使用壽命早期階段的現(xiàn)有資產(chǎn)和過(guò)程排放具有吸引力。然而，即使在理想的情況下，這些技術(shù)選擇可能還不夠，可能需要改變行為來(lái)推動(dòng)能源需求進(jìn)一步降低。因此，對(duì)于能源轉(zhuǎn)型而言，氫是眾多解決方案中的一個(gè)，應(yīng)該并行處理。氫也是更廣泛的技術(shù)組合的一部分，需要適應(yīng)每個(gè)國(guó)家的國(guó)內(nèi)條件。
綠氫(即由可再生電力產(chǎn)生的氫)將可再生電力與一系列最終用途應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，作為電氣化、生物能源和直接可再生能源使用的補(bǔ)充。綠氫的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石燃料，因?yàn)樗c太陽(yáng)能和風(fēng)能的潛力有關(guān)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)今和未來(lái)任何情況下的全球能源需求。最重要的是，在脫碳的背景下，綠氫是零碳制氫選擇，因?yàn)镃CS的碳捕集率為85%-95%，而且迄今為止明顯更低。
一旦達(dá)到規(guī)模和具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本，綠色氫還可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他能源載體，如氨、甲醇、甲烷和液態(tài)烴。作為燃料，氫可以用于燃料電池(即一種將空氣中的氫與氧結(jié)合并產(chǎn)生電力的電化學(xué)發(fā)電裝置)，但也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)中燃燒。燃料電池可用于大型發(fā)電廠、微電網(wǎng)或備用發(fā)電(例如數(shù)據(jù)中心)的固定應(yīng)用，也可用于廣泛的運(yùn)輸應(yīng)用，如燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)、卡車(chē)、輕型車(chē)輛、叉車(chē)、公共汽車(chē)、渡輪和船舶。作為一種化學(xué)物質(zhì)，綠色氫可以減少目前廣泛使用化石燃料制氫的行業(yè)的溫室氣體排放，包括煉油、甲醇和氨生產(chǎn)。
綠氫只是生產(chǎn)途徑之一。氫也可以從生物能源、甲烷、煤甚至直接從太陽(yáng)能中產(chǎn)生。目前的大部分生產(chǎn)都是基于甲烷和煤炭(約95%)，并且可以通過(guò)使用CCS實(shí)現(xiàn)低碳。CCS可能適用于天然氣成本低、地下儲(chǔ)層合適的地區(qū)。在短期內(nèi)，考慮到電解的部署規(guī)模相對(duì)較小，CCS也可能很適合大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。不過(guò)看國(guó)內(nèi)的一些趨勢(shì)，某些場(chǎng)景可能跨過(guò)CCS這個(gè)環(huán)節(jié)，直接進(jìn)入綠氫環(huán)節(jié)。
低碳?xì)湟部梢酝ㄟ^(guò)甲烷熱解產(chǎn)生，在這種情況下，碳最終以固體而不是二氧化碳的形式存在，其耗電量比電解低4-5倍，并且可能降低制氫成本。但是每種途徑都有其局限性。考慮到生物能源的有限性和較低的固有產(chǎn)氫量，它可能適合于其他應(yīng)用。CCS不會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)排放，需要大量的二氧化碳基礎(chǔ)設(shè)施，不能實(shí)現(xiàn)部門(mén)之間耦合，而且仍然容易受到化石燃料價(jià)格波動(dòng)（地緣政治、儲(chǔ)量短缺等因素造成）的影響，并且可能面臨社會(huì)接受問(wèn)題。此外，與天然氣生產(chǎn)和運(yùn)輸相關(guān)的甲烷泄漏作為加速氣候變化的重要因素，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。在20年的時(shí)間范圍內(nèi)，甲烷的全球變暖潛能值是二氧化碳的86倍。熱解仍處于中試階段，需要高溫可再生或低碳熱量。因此，考慮到該行業(yè)，因?yàn)樗男再|(zhì)和可再生特性，綠氫是具吸引力的選擇之一。
然而，與其他生產(chǎn)途徑類(lèi)似，綠氫也面臨著挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題包括:目前從電解到運(yùn)輸和燃料電池的整個(gè)價(jià)值鏈的高成本；缺乏現(xiàn)有的運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施；高能量損失(這反過(guò)來(lái)又需要更高的風(fēng)能/太陽(yáng)能部署率)；以及綠氫可能具有的主要效益(例如降低溫室氣體排放，脫碳的經(jīng)濟(jì)價(jià)值)目前還不能體現(xiàn)其實(shí)際價(jià)值。
可再生能源正在成為世界上便宜的電力來(lái)源，具有進(jìn)一步降低成本的巨大潛力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這為從好的可再生資源到土地或可再生潛力有限的地區(qū)進(jìn)行全球低成本綠氫交易提供了機(jī)會(huì)。這種貿(mào)易可以直接以液氫進(jìn)行，也可以氫載體的形式增加運(yùn)輸?shù)哪芰棵芏?，或以商品的形?例如還原鐵和化學(xué)品)。
這個(gè)等式中缺少的因素是將可再生能源轉(zhuǎn)化為綠氫的關(guān)鍵設(shè)備:電解槽。電解槽是利用電力和水作為輸入生產(chǎn)氫氣所必需的技術(shù)。電解是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)。雖然需要擴(kuò)大規(guī)模以降低成本，但也需要技術(shù)創(chuàng)新來(lái)進(jìn)一步改善技術(shù)的性能(即其效率和壽命)。這可以通過(guò)新的催化劑和配置、設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如今，在所有有利條件都具備的地區(qū)，綠氫已經(jīng)接近具有競(jìng)爭(zhēng)力，但這些地區(qū)通常遠(yuǎn)離（工業(yè)發(fā)展、發(fā)達(dá)等）需求中心。然而，在大多數(shù)地區(qū)，綠氫仍然比灰藍(lán)氫貴2-3倍。前者的成本由電解槽設(shè)施的電力成本、投資成本、固定運(yùn)行成本和運(yùn)行小時(shí)數(shù)確定(見(jiàn)下圖，可見(jiàn)成本和運(yùn)行時(shí)數(shù)的關(guān)系)。
說(shuō)明：標(biāo)稱(chēng)容量下的效率為65% (LHV為51.2 kWh/kg H2)，折扣率為8%，堆壽命為80,000小時(shí)。由于運(yùn)行時(shí)間短，投資成本占主導(dǎo)地位，因?yàn)樗謹(jǐn)傇谳^少的氫氣產(chǎn)量上。當(dāng)僅使用縮減或余電的電力或與PV耦合而沒(méi)有任何蓄電儲(chǔ)能時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。隨著運(yùn)行時(shí)數(shù)的增加，電力成本占主導(dǎo)地位。基于當(dāng)前工藝的效率，進(jìn)入該工藝的任何電力成本轉(zhuǎn)化為最終生產(chǎn)成本的大約1.5倍左右。
在低成本的可再生電力、低投資成本和高運(yùn)行小時(shí)數(shù)的優(yōu)條件下，綠氫可以實(shí)現(xiàn)與化石燃料氫的成本競(jìng)爭(zhēng)力，注意每年僅3000-4000小時(shí)左右就足以實(shí)現(xiàn)投資貢獻(xiàn)的減少。這可以通過(guò)大型風(fēng)光耦合廠來(lái)實(shí)現(xiàn)，在全球好的位置，可以實(shí)現(xiàn)5000小時(shí)以上的容量系數(shù)。
基于化石能源（或者結(jié)合CCS等措施）的制氫方式僅是氫能源的一個(gè)過(guò)渡階段，也需要該階段，一是達(dá)到一些減碳的效果；二是在綠氫還沒(méi)有量之前儲(chǔ)備好所有氫能源利用消納場(chǎng)景的技術(shù)路徑。氫能源一定是基于低代價(jià)獲得再生能源來(lái)制氫，可以是電解、光解、熱解等等不同的方式，核算經(jīng)濟(jì)效益也僅是投入再生能源以及制氫設(shè)備的的裝機(jī)成本以及后期運(yùn)維，電價(jià)僅僅是一個(gè)核算成本的中間體，最終可以略過(guò)！
文章來(lái)源：氫眼所見(jiàn)
注：已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)載權(quán)
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朱穎
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