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氫能經(jīng)濟的曙光

世界鉑金投資協(xié)會發(fā)布時間:2020-07-24 11:26:45

  隨著需求的迅速增長,人們對氫能的興趣也在增長。很明顯,能源轉(zhuǎn)型的下一個重大轉(zhuǎn)變將基于氫能經(jīng)濟,通過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)8000萬噸氫氣,預(yù)計到2020年將增加2000萬噸。進一步來看,許多研究表明,到2050年,產(chǎn)量將增長到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,隨著藍色氫成為通往綠色氫未來的橋梁,需求將會更加廣泛。

  “綠色”氫能是成功的關(guān)鍵

  頗具諷刺意味的是,對于一種無色、無味、無嗅的氣體,它竟被標(biāo)明為灰色、藍色和綠色的不同等級;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%,而且這是一個排放密集的過程,每生產(chǎn)一公斤氫氣需要排放10多公斤二氧化碳。有一種改進方案可以通過隔離該過程中產(chǎn)生的二氧化碳,從而輸送藍色氫來實現(xiàn)。

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

  基建能力

  實現(xiàn)氫經(jīng)濟潛力的關(guān)鍵是建立一個能大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫氣的供應(yīng)鏈,價格要由市場決定。在過去的10年里,這一直是西門子關(guān)注的焦點,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。

 

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

  五年前,西門子1兆瓦的Silyzer(圖1)進入市場,這是一個重大的里程碑。從那時起,該公司就針對不同的應(yīng)用程序與客戶進行了商業(yè)試點。兩年前,該公司增加了10兆瓦版本的電力組合。去年,西門子與合作伙伴Verbund和奧鋼聯(lián)集團(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,成本會繼續(xù)降低。隨著產(chǎn)量的增長,先進的自動化可以引入到生產(chǎn)過程中,同時利用數(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,為客戶做模塊開發(fā)。

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

  經(jīng)濟效益

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

  目前工業(yè)規(guī)模的灰氫生產(chǎn)價格約為每公斤2歐元,有時更低,具體取決于當(dāng)?shù)厍闆r。當(dāng)使用氫作為交通燃料時,消費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)化石燃料進行比較是毫無意義的,因為傳統(tǒng)化石燃料是全球溫室氣體(GHG)排放的主要來源。汽車行業(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越來越小。

  如今,國家氣候政策重點關(guān)注輕型汽車的排放。在20國集團(G-20)的大多數(shù)成員國中,燃料經(jīng)濟或效率標(biāo)準(zhǔn)被用于規(guī)范傳統(tǒng)輕型汽車的排放,20個國家中有18個提出了對傳統(tǒng)汽車的禁令和/或制定了激勵措施和目標(biāo),以加速低碳汽車的銷售。這就是為什么在考慮輕型運輸?shù)娜剂闲枨髸r,氫燃料汽車的成本和性能應(yīng)該與基于電池電動車進行比較。

  現(xiàn)在市面上電動車越來越多,對于一些消費者來說,能夠在家里給汽車充電是一件很棒的事情。然而,從充電時間和行駛里程兩方面來看,綠色氫動力汽車都是卓越的。例如,一輛中型汽車行駛100公里需要不到1公斤的氫氣,而加氫過程只需要3到5分鐘。這種速度對應(yīng)急車輛和出租車特別有吸引力,因為它們不能浪費太多時間充電。

  更重要的是中型和重型運輸行業(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、快速充電等特點尤其適用于重型車輛和火車。

  然而,與每公升成本相比,更相關(guān)的計算方法是總擁有成本(TCO)。在一份名為《氫競爭力之路:成本視角》的報告中,氫能委員會預(yù)計,與目前每年約60萬輛的生產(chǎn)規(guī)模相比,每輛車的總成本將下降45%。

  綠色氫要滿足這些價格點,必須克服三個主要的挑戰(zhàn):電力成本、電解槽廠的負荷系數(shù)、資本和運營成本。這些因素取決于各種各樣的因素,有些是生產(chǎn)者無法控制的,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,這個因素應(yīng)該由供應(yīng)商自行解決。

  當(dāng)涉及到資本成本時,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)化程度來降低采購成本。至于運營成本,電解槽廠的數(shù)控技術(shù)可以用來優(yōu)化設(shè)計和提高生產(chǎn)力,同時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、儲存或分配所需的水平。如果需要儲存和運輸,有幾種選擇。它可以以壓縮氣體或液體的形式儲存在儲罐中,儲存在洞穴中,或儲存在天然氣網(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。

  在運輸方面,根據(jù)客戶的具體使用情況,兩種主要的氫氣運輸方式分別是公路運輸?shù)墓捃嚭椭卸掏镜奶烊粴夤艿?。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,最好將生產(chǎn)地點設(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。這是因為電力成本是綠色氫氣的主要投入因素,占生產(chǎn)成本的70%以上。由于氫的運輸成本高昂,這些地方通常需要進一步的合成過程來生產(chǎn)綠色甲醇或氨,而綠色甲醇或氨很容易運輸——它們是全球貿(mào)易的商品。這可以被視為一個綠色氫出口業(yè)務(wù)。

  市場滲透

  電力部門通常被視為使用綠色氫來驅(qū)動渦輪機的首要目標(biāo),但由于電力部門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。今天可能沒有經(jīng)濟上可行的商業(yè)案例將氫氣作為電力生產(chǎn)的動能來源, 因為有更多的應(yīng)用以更低的總成本減少二氧化碳的排放量。但在試點應(yīng)用中,或者在一個大規(guī)模脫碳的世界中,為了進一步實現(xiàn)電力部門的脫碳,除了安裝更多的可再生能源,綠色氫可以實現(xiàn)長期、季節(jié)性的大規(guī)模電力儲存。

  在可再生能源供應(yīng)不足(如缺乏風(fēng)能)時期,可再生能源供應(yīng)的安全性將在氫燃料氣渦輪機、發(fā)動機或燃料電池上實現(xiàn)再電氣化。這個案例在中長期內(nèi)將變得有吸引力。這不是一個二選一的情況,氫(用于汽車和卡車)可以幫助交通部門、工業(yè)部門(例如鋼鐵生產(chǎn))以及后電力部門脫碳。

  全球一半以上的排放來自工業(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)可以儲存、運輸和用于各種領(lǐng)域,如合成燃料或化肥。

  人們對交通運輸業(yè)非常關(guān)注,有跡象表明,交通運輸業(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、卡車和火車方面。氫燃料電池已經(jīng)被用于區(qū)域列車,將取代柴油發(fā)動機。在中國、韓國和日本,使用氫燃料電池的汽車和電動驅(qū)動列車有望實現(xiàn)增長。在這些地區(qū),它得到了研究資金的幫助,這些資金開始日益關(guān)注于燃料電池,而非傳統(tǒng)電池。此外,專注于電池的德國原始設(shè)備制造商(OEMs)也在開發(fā)使用燃料電池的汽車和卡車。

  在過去的十年中有一段時間,有幾家汽車制造廠同時在研究燃料電池和電動汽車,其中一些優(yōu)先考慮燃料電池。同時開發(fā)兩種革命性概念的成本可能會促使一些廠商將重點放在電動汽車上,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。他們似乎開始了解汽車電池的挑戰(zhàn)和局限性。

  中國也出現(xiàn)了新的發(fā)展,近年來電動汽車得到了大規(guī)模支持,給行業(yè)帶來了高速增長。推動中國電動汽車發(fā)展的“十城千卡”計劃現(xiàn)在正在北京、上海和成都等城市推廣氫能交通。

  展望未來,綠色氫氣將比不那么環(huán)保的藍色和灰色氫氣定價更高。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)能和太陽能一樣。但從中期到長期來看,氫氣必須而且將會自立,在沒有外部支持的情況下也能生存。具體何時實現(xiàn),取決于幾個因素,包括采用率、規(guī)模經(jīng)濟和監(jiān)管框架。

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