能源轉型重大轉變：氫能經(jīng)濟初現(xiàn)曙光

　　隨著需求的迅速增長，人們對氫能的興趣也在增長。很明顯，能源轉型的下一個重大轉變將基于氫能經(jīng)濟，通過電解水將綠色電子轉化為綠色分子，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，它竟被標明為灰色、藍色和綠色的不同等級;其標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，關鍵是要使供應鏈更加環(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。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發(fā)揮自己的作用。

 

　　　基建能力

 

　　實現(xiàn)氫經(jīng)濟潛力的關鍵是建立一個能大規(guī)模生產(chǎn)綠色氫氣的供應鏈，價格要由市場決定。在過去的10年里，這一直是西門子關注的焦點，該公司正處于將該技術用于大規(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)新技術非常適合利用風能和太陽能的間歇性發(fā)電。

 

　　五年前，西門子1兆瓦的Silyzer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備。

 

　　和所有新興技術一樣，原型和定制制造的初始成本基數(shù)很高，但隨著技術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，其中公司使用標準化的模塊化構建塊，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100兆瓦項目的投標階段，并正在與合作伙伴就突破1兆瓦大關的安裝進行談判。隨著時間的推移，氫氣應用可以和風能和太陽能一樣廣泛，但就成熟程度(市場和技術)而言，它要比更成熟的可再生能源技術落后15到20年。隨著時間的推移，預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?shù)厍闆r。當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)濟或效率標準被用于規(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，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，這個因素應該由供應商自行解決。

 

　　當涉及到資本成本時，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)控技術可以用來優(yōu)化設計和提高生產(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，用于不同的應用，前提是網(wǎng)格滿足所有的技術要求。

 

　　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)模應用時，最好將生產(chǎn)地點設在可再生能源發(fā)電設施附近，比如風能資源非常有利的海上和陸地風電場。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。

 

　　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，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,因為有更多的應用以更低的總成本減少二氧化碳的排放量。但在試點應用中，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。

 

　　在可再生能源供應不足(如缺乏風能)時期，可再生能源供應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物質(zhì)結合產(chǎn)生綠色甲醇和綠色氨，都將發(fā)揮重要作用。這些化學物質(zhì)可以儲存、運輸和用于各種領域，如合成燃料或化肥。

 

　　人們對交通運輸業(yè)非常關注，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。任何技術曲線的早期階段都必須有一些支持，就像早期的風能和太陽能一樣。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。