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能源转型重大转变：氢能经济初现曙光

随着需求的迅速增长 ， 人们对氢能的兴趣也在增长 。 很明显 ， 能源转型的下一个重大转变将基于氢能经济 ， 通过电解水将绿色电子转化为绿色分子 ， 从而产生绿色氢气 。
目前 ， 我们每年能生产8000万吨氢气 ， 预计到2020年将增加2000万吨 。 进一步来看 ， 许多研究表明 ， 到2050年 ， 产量将增长到5亿吨左右 。 如今 ， 大部分燃料在生产地附近消耗 ， 通常是在化工厂 ， 但在未来 ， 随着蓝色氢成为通往绿色氢未来的桥梁 ， 需求将会更加广泛 。
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“绿色”氢能是成功的关键
颇具讽刺意味的是 ， 对于一种无色、无味、无嗅的气体 ， 它竟被标明为灰色、蓝色和绿色的不同等级;其标注的颜色取决于生产方法 。 要使氢能成为一种潜在的环保能源 ， 关键是要使供应链更加环保 。
目前生产氢气的方法是使用甲烷、天然气或煤等化石燃料 。 这种被称为灰氢的氢气占目前氢气产量的95% ， 而且这是一个排放密集的过程 ， 每生产一公斤氢气需要排放10多公斤二氧化碳 。 有一种改进方案可以通过隔离该过程中产生的二氧化碳 ， 从而输送蓝色氢来实现 。
但绿色氢气是西门子正在努力实现的目标 。 这是由可再生电力驱动的电解器从水中产生氢和氧产生的方法 。 如果水和电来自可持续能源 ， 那么氢就被归类为纯绿色氢气 ， 这是西门子新能源业务的重点 。 它看到了氢能市场从灰色过渡到蓝色 ， 再到绿色 ， 每一个过程都利用不同的过渡技术发挥自己的作用 。
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基建能力
实现氢经济潜力的关键是建立一个能大规模生产绿色氢气的供应链 ， 价格要由市场决定 。 在过去的10年里 ， 这一直是西门子关注的焦点 ， 该公司正处于将该技术用于大规模氢气工业化的形成阶段 。
西门子质子交换膜电解厂的核心是Silyzer模块 。 这项创新技术非常适合利用风能和太阳能的间歇性发电 。
五年前 ， 西门子1兆瓦的Silyzer进入市场 ， 这是一个重大的里程碑 。 从那时起 ， 该公司就针对不同的应用程序与客户进行了商业试点 。 两年前 ， 该公司增加了10兆瓦版本的电力组合 。 去年 ， 西门子与合作伙伴Verbund和奥钢联集团(Voestalpine)在奥地利林茨(Linz)的一家钢铁厂建造了第一套设备 。
和所有新兴技术一样 ， 原型和定制制造的初始成本基数很高 ， 但随着技术的成熟和需求的增加 ， 成本会继续降低 。 随着产量的增长 ， 先进的自动化可以引入到生产过程中 ， 同时利用数字化 ， 如数字模块化 ， 其中公司使用标准化的模块化构建块 ， 为客户做模块开发 。
就像著名的集成电子电路的摩尔定律一样 ， 西门子技术的规模也在逐年上升 ， 功率等级每四年就会增加10倍 。 该公司目前正处于100兆瓦项目的投标阶段 ， 并正在与合作伙伴就突破1兆瓦大关的安装进行谈判 。 随着时间的推移 ， 氢气应用可以和风能和太阳能一样广泛 ， 但就成熟程度(市场和技术)而言 ， 它要比更成熟的可再生能源技术落后15到20年 。 随着时间的推移 ， 预计在光电部门也会出现类似的成本减少 。
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经济效益
最终 ， 尽管工业的各个方面都面临着环境压力 ， 但成本还是会下降 。 氢燃料经济要想成为主流 ， 就不能依靠补贴 ， 必须建立可持续的市场 ， 而合理的成本是首先要考虑的问题之一 。
目前工业规模的灰氢生产价格约为每公斤2欧元 ， 有时更低 ， 具体取决于当地情况 。 当使用氢作为交通燃料时 ， 消费者在加油站每公斤要支付9欧元(如果他们能找到的话) ， 而这一价格至少要降低三分之一 ， 才能使其更具吸引力 。
在成本比较方面 ， 将绿色氢与传统化石燃料进行比较是毫无意义的 ， 因为传统化石燃料是全球温室气体(GHG)排放的主要来源 。 汽车行业正在走上脱碳和减少温室气体排放的道路 ， 因此 ， 化石燃料的作用肯定会越来越小 。
如今 ， 国家气候政策重点关注轻型汽车的排放 。 在20国集团(G-20)的大多数成员国中 ， 燃料经济或效率标准被用于规范传统轻型汽车的排放 ， 20个国家中有18个提出了对传统汽车的禁令和/或制定了激励措施和目标 ， 以加速低碳汽车的销售 。 这就是为什么在考虑轻型运输的燃料需求时 ， 氢燃料汽车的成本和性能应该与基于电池电动车进行比较 。
现在市面上电动车越来越多 ， 对于一些消费者来说 ， 能够在家里给汽车充电是一件很棒的事情 。 然而 ， 从充电时间和行驶里程两方面来看 ， 绿色氢动力汽车都是卓越的 。 例如 ， 一辆中型汽车行驶100公里需要不到1公斤的氢气 ， 而加氢过程只需要3到5分钟 。 这种速度对应急车辆和出租车特别有吸引力 ， 因为它们不能浪费太多时间充电 。
更重要的是中型和重型运输行业 ， 绿色氢是最有希望的零排放燃料 。 氢气重量轻、行驶里程长、快速充电等特点尤其适用于重型车辆和火车 。
然而 ， 与每公升成本相比 ， 更相关的计算方法是总拥有成本(TCO) 。 在一份名为《氢竞争力之路：成本视角》的报告中 ， 氢能委员会预计 ， 与目前每年约60万辆的生产规模相比 ， 每辆车的总成本将下降45% 。
绿色氢要满足这些价格点 ， 必须克服三个主要的挑战：电力成本、电解槽厂的负荷系数、资本和运营成本 。 这些因素取决于各种各样的因素 ， 有些是生产者无法控制的 ， 例如电力成本 ， 但随着可再生能源在能源组合中占据更大的比重 ， 这个因素应该由供应商自行解决 。
当涉及到资本成本时 ， 就像大多数制造业方案一样 ， 它取决于电解槽工厂的规模和商业化程度来降低采购成本 。 至于运营成本 ， 电解槽厂的数控技术可以用来优化设计和提高生产力 ， 同时最大化工厂的生命周期 。 在条件优越的地区 ， 生产绿色氢的成本可能已经在每公斤3欧元左右 。
根据应用的不同 ， 绿色氢气可以被净化和压缩到直接使用、储存或分配所需的水平 。 如果需要储存和运输 ， 有几种选择 。 它可以以压缩气体或液体的形式储存在储罐中 ， 储存在洞穴中 ， 或储存在天然气网格中 ， 用于不同的应用 ， 前提是网格满足所有的技术要求 。
在运输方面 ， 根据客户的具体使用情况 ， 两种主要的氢气运输方式分别是公路运输的罐车和中短途的天然气管道 。 在考虑数百兆瓦甚至上亿兆规模的大规模应用时 ， 最好将生产地点设在可再生能源发电设施附近 ， 比如风能资源非常有利的海上和陆地风电场 。 这是因为电力成本是绿色氢气的主要投入因素 ， 占生产成本的70%以上 。 由于氢的运输成本高昂 ， 这些地方通常需要进一步的合成过程来生产绿色甲醇或氨 ， 而绿色甲醇或氨很容易运输——它们是全球贸易的商品 。 这可以被视为一个绿色氢出口业务 。
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市场渗透
电力部门通常被视为使用绿色氢来驱动涡轮机的首要目标 ， 但由于电力部门的二氧化碳排放量在全球所占比例不到40% ， 因此它也必须渗透到其他部门 。 今天可能没有经济上可行的商业案例将氢气作为电力生产的动能来源,因为有更多的应用以更低的总成本减少二氧化碳的排放量 。 但在试点应用中 ， 或者在一个大规模脱碳的世界中 ， 为了进一步实现电力部门的脱碳 ， 除了安装更多的可再生能源 ， 绿色氢可以实现长期、季节性的大规模电力储存 。
在可再生能源供应不足(如缺乏风能)时期 ， 可再生能源供应的安全性将在氢燃料气涡轮机、发动机或燃料电池上实现再电气化 。 这个案例在中长期内将变得有吸引力 。 这不是一个二选一的情况 ， 氢(用于汽车和卡车)可以帮助交通部门、工业部门(例如钢铁生产)以及后电力部门脱碳 。
全球一半以上的排放来自工业、交通或建筑环境 ， 因此需要提供解决方案 ， 使这些行业脱碳 。 传统的可再生能源如风能、太阳能和水能将发挥它们的作用 ， 但是由可再生能源和水产生的氢 ， 无论是直接使用还是与化学物质结合产生绿色甲醇和绿色氨 ， 都将发挥重要作用 。 这些化学物质可以储存、运输和用于各种领域 ， 如合成燃料或化肥 。
人们对交通运输业非常关注 ， 有迹象表明 ， 交通运输业可能是最早的采用氢气作为燃料的行业之一 ， 尤其是在公共汽车、卡车和火车方面 。 氢燃料电池已经被用于区域列车 ， 将取代柴油发动机 。 在中国、韩国和日本 ， 使用氢燃料电池的汽车和电动驱动列车有望实现增长 。 在这些地区 ， 它得到了研究资金的帮助 ， 这些资金开始日益关注于燃料电池 ， 而非传统电池 。 此外 ， 专注于电池的德国原始设备制造商(OEMs)也在开发使用燃料电池的汽车和卡车 。
在过去的十年中有一段时间 ， 有几家汽车制造厂同时在研究燃料电池和电动汽车 ， 其中一些优先考虑燃料电池 。 同时开发两种革命性概念的成本可能会促使一些厂商将重点放在电动汽车上 ， 但现在原始设备制造商们又回到了燃料电池的想法上 。 他们似乎开始了解汽车电池的挑战和局限性 。
中国也出现了新的发展 ， 近年来电动汽车得到了大规模支持 ， 给行业带来了高速增长 。 推动中国电动汽车发展的“十城千卡”计划现在正在北京、上海和成都等城市推广氢能交通 。
展望未来 ， 绿色氢气将比不那么环保的蓝色和灰色氢气定价更高 。 任何技术曲线的早期阶段都必须有一些支持 ， 就像早期的风能和太阳能一样 。 但从中期到长期来看 ， 氢气必须而且将会自立 ， 在没有外部支持的情况下也能生存 。 具体何时实现 ， 取决于几个因素 ， 包括采用率、规模经济和监管框架 。
【能源转型重大转变：氢能经济初现曙光】来源：世界铂金投资协会


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