寫稿
投稿
《來自硅谷的氫透視》是由斯坦福大學的MBA學生Karen Baert和Thilo Braun撰寫的系列文章，旨在揭示氫的趨勢和創(chuàng)新。這是調(diào)查該行業(yè)系列文章的第二篇。
數(shù)百年來，人類一直在生產(chǎn)氫氣。今天，每年生產(chǎn)超過1億公噸的氫氣——足以在環(huán)境壓力下注滿5億多個奧林匹克游泳池。
如今，超過95%的氫氣來自化石燃料，每生產(chǎn)一千克氫氣會排放近10千克二氧化碳。那么，為什么氫被認為是化石燃料的清潔替代品呢？
在我們之前的文章中，我們討論了氫的用例。本文主要關注氫氣的供應端：
氫彩虹的顏色
綠色：電解者的承諾
綠色氫成本：為什么風能和太陽能改變了等式
綠色氫成本：碳稅將有助于綠色環(huán)保，但不會自行實現(xiàn)
氫彩虹的顏色
氫有許多不同的顏色。你可能遇到過藍色、綠色、青綠色、灰色，甚至可能是金色氫以及其他顏色。如果這讓你感到困惑，你并不孤單。
不同的顏色用于對不同類型的制氫技術進行分類。氫已經(jīng)生產(chǎn)了幾個世紀，對我們今天的世界至關重要。沒有它，我們大多數(shù)人的餐桌上都不會有任何食物，因為氫是制造化肥的基本成分。
然而，歷史上的生產(chǎn)一直來自化石燃料。今天的大部分氫氣是灰氫，它是通過稱為蒸汽甲烷重整（SMR）或煤氣化的過程從天然氣中產(chǎn)生的。使用煙煤（黑煤）或褐煤（棕煤），通過煤的氣化產(chǎn)生的氫被稱為棕氫或黑氫。
出現(xiàn)了許多能夠產(chǎn)生無碳排放或碳排放很少的氫氣的技術，包括藍色、綠色和青綠色的氫氣。
藍色氫——暫時的權宜之計
藍色意味著用碳捕獲和存儲（CCS）技術改造現(xiàn)有工廠。這可以在投資成本適中的現(xiàn)有基礎設施上完成。CCS的起價約為每公斤氫0.20美元，只增加了產(chǎn)出氫的適度成本。
藍色氫的一個主要問題是如何處理捕獲的二氧化碳，因為許多地區(qū)不適合碳封存。此外，雖然高的碳捕獲率（90-95%）是可能的，但是高的生產(chǎn)量會刺激降低捕獲率。盡管如此，仍有許多重要的藍氫項目，包括澳大利亞從煤氣化生產(chǎn)藍氫出口到日本的項目。由于它只能導致GHG排放量的部分減少，我們認為藍氫主要是減少現(xiàn)有SMR設施的碳影響的臨時解決方案。
綠松石——廉價天然氣
綠松石是一種相對較新的工藝，其中甲烷熱解用于生產(chǎn)氫氣。輸入是甲烷（或天然氣），很容易獲得。這個過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品不是二氧化碳，而是炭黑。與二氧化碳不同，炭黑是一種固體產(chǎn)品，因此易于捕獲和使用或隔離。炭黑反過來被用于生產(chǎn)輪胎橡膠以及其他應用，使其具有轉(zhuǎn)售價值，而不是純粹的廢品。
雖然這一過程本身不會排放任何溫室氣體，但上游的排放會帶來風險。過程中的甲烷泄漏會導致生命周期中的大量排放。只要這一點得到管理（我們知道如何去做，并得到金絲雀項目（Project Canary）等公司的驗證），綠松石氫在短期內(nèi)是以經(jīng)濟上有吸引力的價格生產(chǎn)清潔氫氣的有力競爭者。
綠色氫
綠色氫是利用水電解和電力生產(chǎn)的。只要電力是可再生的，綠色氫就沒有相關的碳排放。綠色氫生產(chǎn)今天面臨的主要挑戰(zhàn)是成本——隨著成本下降，它將被越來越廣泛地采用。盡管如此，只用水和綠色電力作為輸入，沒有溫室氣體排放的制氫前景非常光明。我們相信綠色氫將成為世界上大多數(shù)地區(qū)的主要生產(chǎn)途徑，我們將在本文的剩余部分關注綠色氫技術及其經(jīng)濟性。
其余中最好的
在開始綠色制氫之前，還有一些其他的過程值得一提。
最近，人們開始談論氫的天然儲存庫。所謂的“金氫”可以像今天提取天然氣一樣從地下提取出來。迄今為止，人們對金氫知之甚少，在我們大規(guī)?？吹剿?，還需要更多的研究。
另一種制氫方式是廢物制氫。它可以用來生產(chǎn)相對便宜的清潔氫氣，而不是燃燒生物質(zhì)廢物或?qū)⑵涮盥?。這是一個相對混亂和復雜的過程，但作為解決方案的一部分，經(jīng)濟學確實使其具有吸引力。我們不認為廢物轉(zhuǎn)化為氫氣會成為主導，但我們認為在未來15-10年內(nèi)，廢物轉(zhuǎn)化為氫氣有可能在清潔氫氣生產(chǎn)中占據(jù)相當大的份額。
比較主要制氫類型的表格
綠色：電解的希望
電解是一項十年前的技術，可以追溯到1800年。然而，到目前為止，它太貴了，無法與灰氫競爭。綠色氫的價格是灰色氫的兩到四倍，而如今灰色氫的產(chǎn)量是一個舍入誤差。那我們?yōu)槭裁匆P心綠氫呢？
綠色氫是清潔的——它的生產(chǎn)過程中沒有溫室氣體排放。如果太貴的話，這沒有多大幫助，但是隨著可再生電力成本的下降，綠色氫的成本也在迅速下降。此外，綠色氫可以在任何有（可再生）電源和水的地方生產(chǎn)，這使得它在地理上具有靈活性。今天，氫的最大成本構(gòu)成之一是它的分配。如果電解裝置能夠在離使用地點更近的地方進行生產(chǎn)，就可以節(jié)省大量成本，部分抵消目前分布式承購商的較高生產(chǎn)成本。
綠色氫的成本曲線一直在快速下降。美國能源部的氫能項目（Hydrogen Shot）等計劃正在加速這一成本下降，其目標是在10年內(nèi)（到2030年）每公斤氫能達到111-1美元。我們預計，2030年以后，當成本接近灰色氫時，綠色氫將成為氫制造的首選途徑。鑒于電解需要大量的水輸入，一個主要的遺留問題是水的可持續(xù)性問題。
我們確定了四種主要類型的電解槽。在不深入技術細節(jié)的情況下，了解它們的相對優(yōu)勢和劣勢是值得的。今天，堿性燃料仍然是最常見的，但大多數(shù)新項目是質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜電解槽具有獨特的優(yōu)勢，能夠快速上升和下降，使其有可能在可再生能源過剩時打開（陽光明媚或風力超過需求），并在沒有可再生能源時關閉。
綠色氫成本：為什么風能和太陽能改變了等式
綠色氫對脫碳工業(yè)的貢獻程度和速度將取決于其生產(chǎn)成本的變化。生產(chǎn)成本（也稱為綠色氫氣生產(chǎn)的平準化成本，或LCOH）取決于兩個主要因素。其中之一是上面討論的電解槽的資本成本。第二個也是通常更重要的因素是廉價可再生電力的可獲得性，這可以分為兩個部分：電價和容量因素。
容量因子表示在給定時間段內(nèi)利用的電解槽的最大生產(chǎn)容量的百分比。容量系數(shù)遠低于100%的主要原因是電力的可用性和成本。當將電解槽連接到電網(wǎng)時，容量因數(shù)可以高達100%，盡管可以更低以避免在最貴時購買電力。當將電解槽直接連接到可再生電源時，容量因數(shù)的范圍可以從太陽能的約25%到風能的約35%到使用非間歇電源時的約100%。
為了更好地理解LCOH（不同的組成部分），我們基于三種不同的情景分析了成本（數(shù)字基于BloombergNEF最樂觀的估計）:
阿拉伯聯(lián)合酋長國的太陽能：約3ct/kWh，20%容量系數(shù)
巴西的陸上風力：約2ct/kWh，40%的容量系數(shù)
冰島的水力發(fā)電：90%容量系數(shù)時約4 ct/kWh
下圖顯示了氫氣成本及其在每種情況下不同成本區(qū)間的分解情況。如圖所示，運營支出/資本支出的劃分高度依賴于容量因素。在阿聯(lián)酋，資本支出約占成本的60%，產(chǎn)能系數(shù)為20%，而在冰島，只有約25%的LCOH與資本支出相關，產(chǎn)能系數(shù)為90%。
為了更好地了解容量因素和可再生電力成本的影響，我們對資本支出成本為1000美元/千瓦的100兆瓦質(zhì)子交換膜電解槽在三種不同場景下的數(shù)字進行了計算（WACC為8%，BoP為35%，安裝因素為1.1)。下面的靈敏度表代表了氫氣生產(chǎn)的平準化成本，電力成本在1-8 ct/kwh之間，容量系數(shù)在10-100%之間。該成本僅代表生產(chǎn)，不考慮任何運輸或儲存成本。
該分析的一些關鍵要點是：
與容量因素相比，LCOH對電力成本更為敏感（容量因素由運營支出與資本支出的相對重要性決定）。隨著電解槽變得越來越便宜，將它們與可再生能源資產(chǎn)（容量系數(shù)為30-50%）放在一起將是一種越來越具有經(jīng)濟吸引力的生產(chǎn)廉價綠色氫氣的方式。
綠氫1.1-6.5美元/千克的LCOH范圍很廣，盡管與灰氫0.7-2.5美元/千克的LCOH部分重疊。綠色氫需要低至3 ct/kWh的電價才能在成本上與灰色氫競爭。擁有廉價可再生能源的地區(qū)將處于綠色氫應用的前沿。
值得注意的是，這些成本純粹是孤立的生產(chǎn)成本。壓縮、液化、儲存和分配的額外成本對氫來說很重要，可能會改變綠色能源的競爭環(huán)境。將電解槽設在離氫氣使用得更近的地方可以節(jié)省50%的成本。我們將在下一篇文章中對此進行更深入的探討。
成本：碳稅將有助于綠色環(huán)保，但不會自行實現(xiàn)
最后，如果重要的碳激勵措施變得普遍，綠色氫相對于灰色氫的成本競爭力將顯著提高。由于灰氫生產(chǎn)每生產(chǎn)1千克氫會排放9千克二氧化碳，如果計入碳稅，灰氫將變得更加昂貴。下圖說明了碳稅對灰色氫氣價格的影響，并與2022年和2030年綠色氫氣生產(chǎn)成本進行了比較，假設使用100%可再生電力，綠色氫氣生產(chǎn)成本與碳價格無關。假設2022年和2030年電解槽資本支出分別為1000美元/千瓦和400美元/千瓦。雖然碳稅將有助于提高綠色氫的經(jīng)濟可行性，但我們需要在電解槽成本、效率、壽命以及增加綠色氫的廉價可再生電力的可用性方面取得進展，以擾亂行業(yè)。
總結(jié)
從長遠來看，綠色氫是最有前途的無碳制氫方法。這種轉(zhuǎn)變將會如何，不同的技術可能會在不同的應用中勝出，目前還沒有定論。
廉價可再生能源的出現(xiàn)將推動綠色氫的采用。電解槽預計將靈活操作，以（1）與可再生能源直接連接，無需電力存儲（避免使用公共電網(wǎng)配電的高成本），或（2）在連接到電網(wǎng)時利用電力市場價格的波動。
碳價格將有助于綠色而非灰色，但不會自行改變現(xiàn)狀。電解槽成本的降低和技術的改進以及可再生能源的持續(xù)使用對于綠色氫產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)零凈經(jīng)濟是不可或缺的。
最后，在本文中，我們孤立地研究了生產(chǎn)成本。以分布式方式部署電解槽的能力，將它們定位在地理上靠近需求區(qū)域，可以顯著降低分配成本，有可能將輸送氫氣的成本降低多達50%。
