氫能經(jīng)濟(jì)的曙光

　　隨著需求的迅速增長(zhǎng)，人們對(duì)氫能的興趣也在增長(zhǎng)。很明顯，能源轉(zhuǎn)型的下一個(gè)重大轉(zhuǎn)變將基于氫能經(jīng)濟(jì)，通過(guò)電解水將綠色電子轉(zhuǎn)化為綠色分子，從而產(chǎn)生綠色氫氣。

　　目前，我們每年能生產(chǎn)8000萬(wàn)噸氫氣，預(yù)計(jì)到2020年將增加2000萬(wàn)噸。進(jìn)一步來(lái)看，許多研究表明，到2050年，產(chǎn)量將增長(zhǎng)到5億噸左右。如今，大部分燃料在生產(chǎn)地附近消耗，通常是在化工廠，但在未來(lái)，隨著藍(lán)色氫成為通往綠色氫未來(lái)的橋梁，需求將會(huì)更加廣泛。

　　“綠色”氫能是成功的關(guān)鍵

　　頗具諷刺意味的是，對(duì)于一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅的氣體，它竟被標(biāo)明為灰色、藍(lán)色和綠色的不同等級(jí);其標(biāo)注的顏色取決于生產(chǎn)方法。要使氫能成為一種潛在的環(huán)保能源，關(guān)鍵是要使供應(yīng)鏈更加環(huán)保。

　　目前生產(chǎn)氫氣的方法是使用甲烷、天然氣或煤等化石燃料。這種被稱為灰氫的氫氣占目前氫氣產(chǎn)量的95%，而且這是一個(gè)排放密集的過(guò)程，每生產(chǎn)一公斤氫氣需要排放10多公斤二氧化碳。有一種改進(jìn)方案可以通過(guò)隔離該過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳，從而輸送藍(lán)色氫來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　但綠色氫氣是西門(mén)子正在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。這是由可再生電力驅(qū)動(dòng)的電解器從水中產(chǎn)生氫和氧產(chǎn)生的方法。如果水和電來(lái)自可持續(xù)能源，那么氫就被歸類(lèi)為純綠色氫氣，這是西門(mén)子新能源業(yè)務(wù)的重點(diǎn)。它看到了氫能市場(chǎng)從灰色過(guò)渡到藍(lán)色，再到綠色，每一個(gè)過(guò)程都利用不同的過(guò)渡技術(shù)發(fā)揮自己的作用。

　　基建能力

　　實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)潛力的關(guān)鍵是建立一個(gè)能大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫氣的供應(yīng)鏈，價(jià)格要由市場(chǎng)決定。在過(guò)去的10年里，這一直是西門(mén)子關(guān)注的焦點(diǎn)，該公司正處于將該技術(shù)用于大規(guī)模氫氣工業(yè)化的形成階段。

　　西門(mén)子質(zhì)子交換膜電解廠的核心是Silyzer模塊。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)非常適合利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的間歇性發(fā)電。圖片來(lái)源:西門(mén)子能源

　　五年前，西門(mén)子1兆瓦的Silyzer(圖1)進(jìn)入市場(chǎng)，這是一個(gè)重大的里程碑。從那時(shí)起，該公司就針對(duì)不同的應(yīng)用程序與客戶進(jìn)行了商業(yè)試點(diǎn)。兩年前，該公司增加了10兆瓦版本的電力組合。去年，西門(mén)子與合作伙伴Verbund和奧鋼聯(lián)集團(tuán)(Voestalpine)在奧地利林茨(Linz)的一家鋼鐵廠建造了第一套設(shè)備。

　　和所有新興技術(shù)一樣，原型和定制制造的初始成本基數(shù)很高，但隨著技術(shù)的成熟和需求的增加，成本會(huì)繼續(xù)降低。隨著產(chǎn)量的增長(zhǎng)，先進(jìn)的自動(dòng)化可以引入到生產(chǎn)過(guò)程中，同時(shí)利用數(shù)字化，如數(shù)字模塊化，其中公司使用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化構(gòu)建塊，為客戶做模塊開(kāi)發(fā)。

　　就像著名的集成電子電路的摩爾定律一樣，西門(mén)子技術(shù)的規(guī)模也在逐年上升，功率等級(jí)每四年就會(huì)增加10倍。該公司目前正處于100兆瓦項(xiàng)目的投標(biāo)階段，并正在與合作伙伴就突破1兆瓦大關(guān)的安裝進(jìn)行談判。隨著時(shí)間的推移，氫氣應(yīng)用可以和風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣廣泛，但就成熟程度(市場(chǎng)和技術(shù))而言，它要比更成熟的可再生能源技術(shù)落后15到20年。隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)在光電部門(mén)也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的成本減少。

　　經(jīng)濟(jì)效益

　　最終，盡管工業(yè)的各個(gè)方面都面臨著環(huán)境壓力，但成本還是會(huì)下降。氫燃料經(jīng)濟(jì)要想成為主流，就不能依靠補(bǔ)貼，必須建立可持續(xù)的市場(chǎng)，而合理的成本是首先要考慮的問(wèn)題之一。

　　目前工業(yè)規(guī)模的灰氫生產(chǎn)價(jià)格約為每公斤2歐元，有時(shí)更低，具體取決于當(dāng)?shù)厍闆r。當(dāng)使用氫作為交通燃料時(shí)，消費(fèi)者在加油站每公斤要支付9歐元(如果他們能找到的話)，而這一價(jià)格至少要降低三分之一，才能使其更具吸引力。

　　在成本比較方面，將綠色氫與傳統(tǒng)化石燃料進(jìn)行比較是毫無(wú)意義的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)化石燃料是全球溫室氣體(GHG)排放的主要來(lái)源。汽車(chē)行業(yè)正在走上脫碳和減少溫室氣體排放的道路，因此，化石燃料的作用肯定會(huì)越來(lái)越小。

　　如今，國(guó)家氣候政策重點(diǎn)關(guān)注輕型汽車(chē)的排放。在20國(guó)集團(tuán)(G-20)的大多數(shù)成員國(guó)中，燃料經(jīng)濟(jì)或效率標(biāo)準(zhǔn)被用于規(guī)范傳統(tǒng)輕型汽車(chē)的排放，20個(gè)國(guó)家中有18個(gè)提出了對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)的禁令和/或制定了激勵(lì)措施和目標(biāo)，以加速低碳汽車(chē)的銷(xiāo)售。這就是為什么在考慮輕型運(yùn)輸?shù)娜剂闲枨髸r(shí)，氫燃料汽車(chē)的成本和性能應(yīng)該與基于電池電動(dòng)車(chē)進(jìn)行比較。

　　現(xiàn)在市面上電動(dòng)車(chē)越來(lái)越多，對(duì)于一些消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，能夠在家里給汽車(chē)充電是一件很棒的事情。然而，從充電時(shí)間和行駛里程兩方面來(lái)看，綠色氫動(dòng)力汽車(chē)都是卓越的。例如，一輛中型汽車(chē)行駛100公里需要不到1公斤的氫氣，而加氫過(guò)程只需要3到5分鐘。這種速度對(duì)應(yīng)急車(chē)輛和出租車(chē)特別有吸引力，因?yàn)樗鼈儾荒芾速M(fèi)太多時(shí)間充電。

　　更重要的是中型和重型運(yùn)輸行業(yè)，綠色氫是最有希望的零排放燃料。氫氣重量輕、行駛里程長(zhǎng)、快速充電等特點(diǎn)尤其適用于重型車(chē)輛和火車(chē)。

　　然而，與每公升成本相比，更相關(guān)的計(jì)算方法是總擁有成本(TCO)。在一份名為《氫競(jìng)爭(zhēng)力之路：成本視角》的報(bào)告中，氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，與目前每年約60萬(wàn)輛的生產(chǎn)規(guī)模相比，每輛車(chē)的總成本將下降45%。

　　綠色氫要滿足這些價(jià)格點(diǎn)，必須克服三個(gè)主要的挑戰(zhàn)：電力成本、電解槽廠的負(fù)荷系數(shù)、資本和運(yùn)營(yíng)成本。這些因素取決于各種各樣的因素，有些是生產(chǎn)者無(wú)法控制的，例如電力成本，但隨著可再生能源在能源組合中占據(jù)更大的比重，這個(gè)因素應(yīng)該由供應(yīng)商自行解決。

　　當(dāng)涉及到資本成本時(shí)，就像大多數(shù)制造業(yè)方案一樣，它取決于電解槽工廠的規(guī)模和商業(yè)化程度來(lái)降低采購(gòu)成本。至于運(yùn)營(yíng)成本，電解槽廠的數(shù)控技術(shù)可以用來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高生產(chǎn)力，同時(shí)最大化工廠的生命周期。在條件優(yōu)越的地區(qū)，生產(chǎn)綠色氫的成本可能已經(jīng)在每公斤3歐元左右。

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，綠色氫氣可以被凈化和壓縮到直接使用、儲(chǔ)存或分配所需的水平。如果需要儲(chǔ)存和運(yùn)輸，有幾種選擇。它可以以壓縮氣體或液體的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)存在洞穴中，或儲(chǔ)存在天然氣網(wǎng)格中，用于不同的應(yīng)用，前提是網(wǎng)格滿足所有的技術(shù)要求。

　　在運(yùn)輸方面，根據(jù)客戶的具體使用情況，兩種主要的氫氣運(yùn)輸方式分別是公路運(yùn)輸?shù)墓捃?chē)和中短途的天然氣管道。在考慮數(shù)百兆瓦甚至上億兆規(guī)模的大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，最好將生產(chǎn)地點(diǎn)設(shè)在可再生能源發(fā)電設(shè)施附近，比如風(fēng)能資源非常有利的海上和陸地風(fēng)電場(chǎng)。這是因?yàn)殡娏Τ杀臼蔷G色氫氣的主要投入因素，占生產(chǎn)成本的70%以上。由于氫的運(yùn)輸成本高昂，這些地方通常需要進(jìn)一步的合成過(guò)程來(lái)生產(chǎn)綠色甲醇或氨，而綠色甲醇或氨很容易運(yùn)輸——它們是全球貿(mào)易的商品。這可以被視為一個(gè)綠色氫出口業(yè)務(wù)。

　　市場(chǎng)滲透

　　電力部門(mén)通常被視為使用綠色氫來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的首要目標(biāo)，但由于電力部門(mén)的二氧化碳排放量在全球所占比例不到40%，因此它也必須滲透到其他部門(mén)。今天可能沒(méi)有經(jīng)濟(jì)上可行的商業(yè)案例將氫氣作為電力生產(chǎn)的動(dòng)能來(lái)源, 因?yàn)橛懈嗟膽?yīng)用以更低的總成本減少二氧化碳的排放量。但在試點(diǎn)應(yīng)用中，或者在一個(gè)大規(guī)模脫碳的世界中，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力部門(mén)的脫碳，除了安裝更多的可再生能源，綠色氫可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、季節(jié)性的大規(guī)模電力儲(chǔ)存。

　　在可再生能源供應(yīng)不足(如缺乏風(fēng)能)時(shí)期，可再生能源供應(yīng)的安全性將在氫燃料氣渦輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池上實(shí)現(xiàn)再電氣化。這個(gè)案例在中長(zhǎng)期內(nèi)將變得有吸引力。這不是一個(gè)二選一的情況，氫(用于汽車(chē)和卡車(chē))可以幫助交通部門(mén)、工業(yè)部門(mén)(例如鋼鐵生產(chǎn))以及后電力部門(mén)脫碳。

　　全球一半以上的排放來(lái)自工業(yè)、交通或建筑環(huán)境，因此需要提供解決方案，使這些行業(yè)脫碳。傳統(tǒng)的可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能將發(fā)揮它們的作用，但是由可再生能源和水產(chǎn)生的氫，無(wú)論是直接使用還是與化學(xué)物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生綠色甲醇和綠色氨，都將發(fā)揮重要作用。這些化學(xué)物質(zhì)可以儲(chǔ)存、運(yùn)輸和用于各種領(lǐng)域，如合成燃料或化肥。

　　人們對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)非常關(guān)注，有跡象表明，交通運(yùn)輸業(yè)可能是最早的采用氫氣作為燃料的行業(yè)之一，尤其是在公共汽車(chē)、卡車(chē)和火車(chē)方面。氫燃料電池已經(jīng)被用于區(qū)域列車(chē)，將取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。在中國(guó)、韓國(guó)和日本，使用氫燃料電池的汽車(chē)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)列車(chē)有望實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。在這些地區(qū)，它得到了研究資金的幫助，這些資金開(kāi)始日益關(guān)注于燃料電池，而非傳統(tǒng)電池。此外，專注于電池的德國(guó)原始設(shè)備制造商(OEMs)也在開(kāi)發(fā)使用燃料電池的汽車(chē)和卡車(chē)。

　　在過(guò)去的十年中有一段時(shí)間，有幾家汽車(chē)制造廠同時(shí)在研究燃料電池和電動(dòng)汽車(chē)，其中一些優(yōu)先考慮燃料電池。同時(shí)開(kāi)發(fā)兩種革命性概念的成本可能會(huì)促使一些廠商將重點(diǎn)放在電動(dòng)汽車(chē)上，但現(xiàn)在原始設(shè)備制造商們又回到了燃料電池的想法上。他們似乎開(kāi)始了解汽車(chē)電池的挑戰(zhàn)和局限性。

　　中國(guó)也出現(xiàn)了新的發(fā)展，近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)得到了大規(guī)模支持，給行業(yè)帶來(lái)了高速增長(zhǎng)。推動(dòng)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的“十城千卡”計(jì)劃現(xiàn)在正在北京、上海和成都等城市推廣氫能交通。

　　展望未來(lái)，綠色氫氣將比不那么環(huán)保的藍(lán)色和灰色氫氣定價(jià)更高。任何技術(shù)曲線的早期階段都必須有一些支持，就像早期的風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣。但從中期到長(zhǎng)期來(lái)看，氫氣必須而且將會(huì)自立，在沒(méi)有外部支持的情況下也能生存。具體何時(shí)實(shí)現(xiàn)，取決于幾個(gè)因素，包括采用率、規(guī)模經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管框架。