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《來(lái)自硅谷的氫透視》是由斯坦福大學(xué)的MBA學(xué)生Karen Baert和Thilo Braun撰寫的系列文章，旨在揭示氫的趨勢(shì)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(lái)，人類一直在生產(chǎn)氫氣。今天，每年生產(chǎn)超過(guò)1億公噸的氫氣——足以在環(huán)境壓力下注滿5億多個(gè)奧林匹克游泳池。

如今，超過(guò)95%的氫氣來(lái)自化石燃料，每生產(chǎn)一千克氫氣會(huì)排放近10千克二氧化碳。那么，為什么氫被認(rèn)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(guān)注氫氣的供應(yīng)端：

氫彩虹的顏色

綠色：電解者的承諾

綠色氫成本：為什么風(fēng)能和太陽(yáng)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(huì)自行實(shí)現(xiàn)

氫彩虹的顏色

氫有許多不同的顏色。你可能遇到過(guò)藍(lán)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(duì)不同類型的制氫技術(shù)進(jìn)行分類。氫已經(jīng)生產(chǎn)了幾個(gè)世紀(jì)，對(duì)我們今天的世界至關(guān)重要。沒(méi)有它，我們大多數(shù)人的餐桌上都不會(huì)有任何食物，因?yàn)闅涫侵圃旎实幕境煞帧?br />
然而，歷史上的生產(chǎn)一直來(lái)自化石燃料。今天的大部分氫氣是灰氫，它是通過(guò)稱為蒸汽甲烷重整（SMR）或煤氣化的過(guò)程從天然氣中產(chǎn)生的。使用煙煤（黑煤）或褐煤（棕煤），通過(guò)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(wú)碳排放或碳排放很少的氫氣的技術(shù)，包括藍(lán)色、綠色和青綠色的氫氣。

藍(lán)色氫——暫時(shí)的權(quán)宜之計(jì)

藍(lán)色意味著用碳捕獲和存儲(chǔ)（CCS）技術(shù)改造現(xiàn)有工廠。這可以在投資成本適中的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上完成。CCS的起價(jià)約為每公斤氫0.20美元，只增加了產(chǎn)出氫的適度成本。

藍(lán)色氫的一個(gè)主要問(wèn)題是如何處理捕獲的二氧化碳，因?yàn)樵S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(huì)刺激降低捕獲率。盡管如此，仍有許多重要的藍(lán)氫項(xiàng)目，包括澳大利亞從煤氣化生產(chǎn)藍(lán)氫出口到日本的項(xiàng)目。由于它只能導(dǎo)致GHG排放量的部分減少，我們認(rèn)為藍(lán)氫主要是減少現(xiàn)有SMR設(shè)施的碳影響的臨時(shí)解決方案。

綠松石——廉價(jià)天然氣

綠松石是一種相對(duì)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(gè)過(guò)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(guò)來(lái)被用于生產(chǎn)輪胎橡膠以及其他應(yīng)用，使其具有轉(zhuǎn)售價(jià)值，而不是純粹的廢品。

雖然這一過(guò)程本身不會(huì)排放任何溫室氣體，但上游的排放會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)程中的甲烷泄漏會(huì)導(dǎo)致生命周期中的大量排放。只要這一點(diǎn)得到管理（我們知道如何去做，并得到金絲雀項(xiàng)目（Project Canary）等公司的驗(yàn)證），綠松石氫在短期內(nèi)是以經(jīng)濟(jì)上有吸引力的價(jià)格生產(chǎn)清潔氫氣的有力競(jìng)爭(zhēng)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(méi)有相關(guān)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(lái)越廣泛地采用。盡管如此，只用水和綠色電力作為輸入，沒(méi)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(guān)注綠色氫技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性。

其余中最好的

在開始綠色制氫之前，還有一些其他的過(guò)程值得一提。

最近，人們開始談?wù)摎涞奶烊粌?chǔ)存庫(kù)。所謂的“金氫”可以像今天提取天然氣一樣從地下提取出來(lái)。迄今為止，人們對(duì)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(lái)生產(chǎn)相對(duì)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(gè)相對(duì)混亂和復(fù)雜的過(guò)程，但作為解決方案的一部分，經(jīng)濟(jì)學(xué)確實(shí)使其具有吸引力。我們不認(rèn)為廢物轉(zhuǎn)化為氫氣會(huì)成為主導(dǎo)，但我們認(rèn)為在未來(lái)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(dāng)大的份額。

綠色：電解的希望

電解是一項(xiàng)十年前的技術(shù)，可以追溯到1800年。然而，到目前為止，它太貴了，無(wú)法與灰氫競(jìng)爭(zhēng)。綠色氫的價(jià)格是灰色氫的兩到四倍，而如今灰色氫的產(chǎn)量是一個(gè)舍入誤差。那我們?yōu)槭裁匆P(guān)心綠氫呢？

綠色氫是清潔的——它的生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有溫室氣體排放。如果太貴的話，這沒(méi)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(diǎn)更近的地方進(jìn)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(gòu)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(guó)能源部的氫能項(xiàng)目（Hydrogen Shot）等計(jì)劃正在加速這一成本下降，其目標(biāo)是在10年內(nèi)（到2030年）每公斤氫能達(dá)到111-1美元。我們預(yù)計(jì)，2030年以后，當(dāng)成本接近灰色氫時(shí)，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(gè)主要的遺留問(wèn)題是水的可持續(xù)性問(wèn)題。

我們確定了四種主要類型的電解槽。在不深入技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下，了解它們的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)是值得的。今天，堿性燃料仍然是最常見(jiàn)的，但大多數(shù)新項(xiàng)目是質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜電解槽具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠快速上升和下降，使其有可能在可再生能源過(guò)剩時(shí)打開（陽(yáng)光明媚或風(fēng)力超過(guò)需求），并在沒(méi)有可再生能源時(shí)關(guān)閉。

綠色氫成本：為什么風(fēng)能和太陽(yáng)能改變了等式

綠色氫對(duì)脫碳工業(yè)的貢獻(xiàn)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(zhǔn)化成本，或LCOH）取決于兩個(gè)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(gè)也是通常更重要的因素是廉價(jià)可再生電力的可獲得性，這可以分為兩個(gè)部分：電價(jià)和容量因素。

容量因子表示在給定時(shí)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(yuǎn)低于100%的主要原因是電力的可用性和成本。當(dāng)將電解槽連接到電網(wǎng)時(shí)，容量因數(shù)可以高達(dá)100%，盡管可以更低以避免在最貴時(shí)購(gòu)買電力。當(dāng)將電解槽直接連接到可再生電源時(shí)，容量因數(shù)的范圍可以從太陽(yáng)能的約25%到風(fēng)能的約35%到使用非間歇電源時(shí)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(lè)觀的估計(jì)）:

阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)的太陽(yáng)能：約3ct/kWh，20%容量系數(shù)

巴西的陸上風(fēng)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(shí)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(yùn)營(yíng)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(guān)，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(duì)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(chǎng)景下的數(shù)字進(jìn)行了計(jì)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(zhǔn)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(yùn)輸或儲(chǔ)存成本。

該分析的一些關(guān)鍵要點(diǎn)是：

與容量因素相比，LCOH對(duì)電力成本更為敏感（容量因素由運(yùn)營(yíng)支出與資本支出的相對(duì)重要性決定）。隨著電解槽變得越來(lái)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(lái)越具有經(jīng)濟(jì)吸引力的生產(chǎn)廉價(jià)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(jià)才能在成本上與灰色氫競(jìng)爭(zhēng)。擁有廉價(jià)可再生能源的地區(qū)將處于綠色氫應(yīng)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(chǔ)存和分配的額外成本對(duì)氫來(lái)說(shuō)很重要，可能會(huì)改變綠色能源的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。將電解槽設(shè)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(duì)此進(jìn)行更深入的探討。

成本：碳稅將有助于綠色環(huán)保，但不會(huì)自行實(shí)現(xiàn)

最后，如果重要的碳激勵(lì)措施變得普遍，綠色氫相對(duì)于灰色氫的成本競(jìng)爭(zhēng)力將顯著提高。由于灰氫生產(chǎn)每生產(chǎn)1千克氫會(huì)排放9千克二氧化碳，如果計(jì)入碳稅，灰氫將變得更加昂貴。下圖說(shuō)明了碳稅對(duì)灰色氫氣價(jià)格的影響，并與2022年和2030年綠色氫氣生產(chǎn)成本進(jìn)行了比較，假設(shè)使用100%可再生電力，綠色氫氣生產(chǎn)成本與碳價(jià)格無(wú)關(guān)。假設(shè)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(jì)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(jià)可再生電力的可用性方面取得進(jìn)展，以擾亂行業(yè)。

總結(jié)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，綠色氫是最有前途的無(wú)碳制氫方法。這種轉(zhuǎn)變將會(huì)如何，不同的技術(shù)可能會(huì)在不同的應(yīng)用中勝出，目前還沒(méi)有定論。

廉價(jià)可再生能源的出現(xiàn)將推動(dòng)綠色氫的采用。電解槽預(yù)計(jì)將靈活操作，以（1）與可再生能源直接連接，無(wú)需電力存儲(chǔ)（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(shí)利用電力市場(chǎng)價(jià)格的波動(dòng)。

碳價(jià)格將有助于綠色而非灰色，但不會(huì)自行改變現(xiàn)狀。電解槽成本的降低和技術(shù)的改進(jìn)以及可再生能源的持續(xù)使用對(duì)于綠色氫產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)零凈經(jīng)濟(jì)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(dá)50%。 

原標(biāo)題：煤對(duì)甲烷對(duì)水：制氫的未來(lái)