本文来自于斯坦福大学MBA学生Karen Baert 和 Thilo Braun系列文章。该文章旨在阐明氢能发展趋势和创新技术。本文是该系列文章的第二篇。

  数百年以来人类一直都在进行制氢。如今每年生产的氢超过1亿吨-足以在压力环境下填充5亿多个奥林匹克游泳池。

  如今的氢95%以上是由化石燃料生产的，每生产1公斤氢都会排放接近10公斤CO2，那么问题来了，为什么氢气还是被认为是化石燃料的清洁替代品呢？

  有许多不一样的颜色的氢。您可能遇到过蓝氢、绿氢、绿松石氢、灰氢，甚至有可能是金氢及其它颜色的氢。如果您感到很迷糊，放心吧，您不是一个人。

  不同的颜色表示对不同技术类型生产的氢进行分类。氢气的生产已进行了几个世纪，但氢气对我们如今的世界变得至关重要。没有了它，我们大多数人的餐桌上就没了任何食物，氢是生产肥料的重要组成部分。

  一直以来都在用化石燃料生产氢气。如今大部分的氢是灰氢，它是通过蒸汽甲烷重整SMR的过程或是煤气化天然气来生产的。煤气化生产的氢被称为棕氢或是黑氢，因为该过程利用的是烟煤（黑色煤）或是褐煤（棕色煤）。

  现已出现许多技术可在没有排放或是有很少排放的情况下生产氢气。这就包括了蓝氢、绿氢和绿松石氢。

  蓝氢意味着利用碳捕捉和存储技术CCS技术改造现有工厂。这可通过在现有工厂的基础设施上进行适度投资完成。CCS技术增加了每公斤氢0.2美元的成本。

  蓝氢所面临的一个主体问题是怎么样处理捕捉的CO2。有许多地区不合适CO2的封存。此外，虽然CO2高捕捉率（90%-95%）是可能的，但高流通量会降低CO2的捕捉率。尽管如此，世界上仍有些主要的蓝氢项目，包括澳大利亚利用煤气化生产的蓝氢出口到日本的项目。因蓝氢只会带来部分温室气体排放减少，所以我们大家都认为蓝氢只是一种临时解决方案，以减少现有的SMR设施的碳排放影响。

  绿松石氢是一种相对较新的制氢工艺，它利用甲烷热解生产氢气。甲烷或是天然气是容易获得的。该过程的副产物不是CO2而是炭黑。和CO2不同，炭黑是一种固体产品，因此更容易捕捉、利用或是存储。炭黑可用于生产轮胎橡胶及其它产品，具有转售价值，而不是纯粹的废品。

  虽然该生产的全部过程不会排放任何温室气体，但其上游存在排放风险。在生产的全部过程中甲烷泄漏会带来明显的生命周期排放。只要这一点可得到管理（我们大家都知道如何做到这点，已由Project Canary等公司验证）绿松石氢在短期内可以是以具有经济效益生产清洁氢的有力竞争技术。

  绿氢是由电解水制氢而获得的。只要制氢的电力是可再生的，绿氢就没有碳排放。如今绿氢所面临的主要挑战是成本-随着成本的下降，绿氢就将会得到愈来愈普遍的采用。尽管如此，利用水和绿电生产没有温室气体排放的氢，前景广阔。我们始终相信绿氢将成为全世界约大多数地区制氢的主要途径。本文的剩余部分将着重关注绿氢技术及其经济性。

  最近有人开始谈论氢气的天然存储。所谓的金氢，类似于如今从地下抽出天然气的开采方式。迄今为止，人们对金氢知之甚少，在该技术进行大规模应用前还有必要进行更多的研究。

  另一种制氢方式是废气物制氢。该技术可用来生产相对便宜的清洁氢，而不是将生物质废气物进行燃烧或是填入垃圾填埋场。该技术是一个相对混乱和复杂的过程，但作为解决方案的一部分，其经济性确实相当着迷。我们预计废气物制氢技术不会成为主流，但在未来5-10年内确实有潜力占据清洁氢的重要份额。

  水电解是一项具有百年历史的技术-它可追溯至1800年左右。不过迄今为止，和灰氢相比，绿氢的成本仍然太高了。绿氢的价格是灰氢的2-4倍左右，而如今生产的绿氢数量只是灰氢的零头（甚至可说以忽略不计）。我们为什么还要关心绿氢技术呢？

  绿氢的生产是清洁的，没有温室气体排放。如价格太贵的话，随着可再生电力成本下降，绿氢的成本也在迅速下降。此外只要有电力和水，就可在任何地方生产绿氢，绿氢生产在地理位置上具有灵活性。如今，氢气最大的成本组成之一就是氢气的分销成本。如果电解槽可在用氢地点更近的地方制氢，则可明显节省本金，部分抵消如今分布式承购商较高的生产成本。

  绿氢的成本曲线下降很迅速。美国能源部的Hydrogen Shot等相关举措正加速绿氢成本下降，并争取在10年内（到2030年）实现每公斤氢气成本为1美元的目标。预计到2030年后，当绿氢成本接近灰氢时，绿氢技术将成为制氢的首选。考虑到当前水电解制氢需要大量的水，另一个主体问题是水的可持续供应。

  我们今儿讨论四种类型的电解槽。在不深入技术细节的情况下，值得了解它们的比较优势和劣势。当下最常见的仍是碱性电解槽，多数新项目是PEM电解槽。PEM电解优势独特，可进行迅速的开关，从而可在可再次生产的能源过剩时开启电解槽，而在电力不足时进行关闭。

  绿氢对工业脱碳的速度和程度取决于其生产所带来的成本的演变。绿氢产生成本取决于2个重要的因素：其中之一是电解槽资本成本。第二个更重要的因素是廉价的可再生电力的可用性，它可分为2个-电价及容量因素。

  容量系统表示，在给定时间内利用电解槽的最大生产能力百分比。容易系数远低于100%的根本原因是电力的可用性和成本。将电解槽连接至电网时，容量系数可高达100%，也可能会低些，以避免购买价格最高时候的电力。当将电解槽直接连接至可再次生产的能源时，容量系数的范围可从太阳能的约25%至风能的35%到使用非间歇性电力时的约100%。

  为更好的理解LOCH（不同的组成部分），我们据3种不同的情景分析了成本（数字基于彭博社新能源最乐观估计）：

  下图显示了每种情况下的氢气成本及其在不同成本中的细分。如图所示，运营支出/资本支出拆分高度依赖于容量因素。在容量系数为 20% 的阿联酋案例中，资本支出占成本的约 60%，但在容量系数为 90% 的冰岛案例中，只有约 25% 的 LCOH 与资本支出相关。

  为了更好地理解容量因素和可再生电力成本的影响，我们对 100 兆瓦的 PEM 电解槽三种不同情景进行了计算，其 CAPEX 成本为 1,000 美元/千瓦（WACC 为 8%，BoP 为 35%，安装系数为 1.1）。下面的敏感度表代表了氢气生产的平准化成本，电力成本在 1-8 ct/kwh 之间，容量系数在 10% 到 100% 之间。此成本仅代表生产所带来的成本，不考虑任何运输或储存成本。

  与容量因素相比，LCOH 对电力成本的敏感度明显更高（这是由运营支出与资本支出的相对重要性所驱动的）。随着电解槽慢慢的变便宜，将它们与可再次生产的能源资产（容量系数为 30-50%）放在一起是生产廉价绿氢的在经济上越来越着迷的方式。

  1.1-6.5 美元/千克绿氢的 LCOH 范围很广，与 0.7-2.5 美元/千克灰色氢有部分重叠。绿氢需要低至 3 ct/kWh 的电价才能和灰氢有成本竞争力。拥有廉价可再次生产的能源的地区将处于绿氢采用的最前沿。

  需要注意的是，这些成本纯粹是独立的生产所带来的成本。压缩、液化、储存和分配的额外成本对氢气来说意义重大，可能会改变绿氢的竞争环境。将电解槽安装在靠近氢气使用地点的地方能节省成本，可以将交付成本降低 50%。我们将在下一篇文章中对此进行更多探讨。

  最终，如果显著的碳激发鼓励措施变得普遍了，绿氢和灰氢的成本竞争力将明显提升。每生产1公斤灰氢将会排放9公斤CO2，如考虑到碳税，灰氢将会变得更昂贵。下明说了和2022年绿氢生产所带来的成本相比，碳税对灰氢价格的影响，及2030年，假设利用100%可再生氢电力的碳价格无关。2022年和2030年假定的电解槽的资本支出分别为1000美元/千瓦和400美元/千瓦。虽然碳税有助于提升绿氢经济可行性，但我们应该在电解槽成本、效率、寿命及增加廉价可再生电力的可用性方面取得进展，以彻底改变这个行业。

  长远来看，绿氢是目前最有前景的无碳制氢方式。至于这种转变将怎么样做，以及不同的技术可能会在不同的领域胜出，目前尚未有定论。

  廉价的可再生电力的可用性将促进的绿氢的采用。电解槽有希望灵活运行以（1）直接连接可再次生产的能源，无需蓄电（避开使用公共电网进行配电的高成本），或 (2) 利用接入电网后电力市场行情报价的波动。

  碳价将有利于绿氢而不是灰氢，但不会自行发生变改变。电解槽成本的降低和技术改进及可再次生产的能源的部署对于绿氢为净零经济做出贡献是必不可少的。

  在本文最后，我们单独研究了制氢成本。以分布式的方式来进行电解槽部署的能力，将电解槽安装在靠近氢气需求区域可明显降低氢气分销成本，有可能将氢气的运输成本降低50%。下篇文章我们将深入探讨氢气的存储和分配。

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