氫和再生能源的關(guān)系
更新時(shí)間：2023-06-02 點(diǎn)擊量：445
世界正在經(jīng)歷能源生產(chǎn)、轉化、儲存和各種形式使用方式的巨大變化。人們越來(lái)越意識到，需要走向一個(gè)能源不再助長(cháng)氣候變化和當地污染的社會(huì )，需要用可再生能源取代化石燃料。
隨著(zhù)可再生能源在全球電力部門(mén)的部署增加，需要迅速引入利用可再生電力通過(guò)電制氣戰略使最終各用途部門(mén)脫碳，或將電力轉化為高價(jià)值化學(xué)品或燃料的解決方案。此外，到2050年，由于電力需要從最終能源消耗的20%左右增加到50%左右，因此仍然需要對直接電氣化更具挑戰性的應用場(chǎng)景(所謂的“難以減少"領(lǐng)域)進(jìn)行脫碳（終端電氣化和氫能源的互補）。
氫只是使難以減排的行業(yè)用來(lái)脫碳的一種選擇。能源利用的效率是減少能源供應和上游可再生能力的關(guān)鍵，而生物能源可能是合適的，不僅以生物燃料的形式適用于燃料替代品有限的運輸部門(mén)(特別是航空)，而且還可以作為合成燃料的碳來(lái)源。從系統的角度來(lái)看，直接電氣化效率更高，成本更低，已經(jīng)在許多領(lǐng)域(例如供暖或乘用車(chē))進(jìn)行了商業(yè)應用。碳捕獲與封存(CCS)可能對仍處于使用壽命早期階段的現有資產(chǎn)和過(guò)程排放具有吸引力。然而，即使在理想的情況下，這些技術(shù)選擇可能還不夠，可能需要改變行為來(lái)推動(dòng)能源需求進(jìn)一步降低。因此，對于能源轉型而言，氫是眾多解決方案中的一個(gè)，應該并行處理。氫也是更廣泛的技術(shù)組合的一部分，需要適應每個(gè)國家的國內條件。
綠氫(即由可再生電力產(chǎn)生的氫)將可再生電力與一系列最終用途應用聯(lián)系起來(lái)，作為電氣化、生物能源和直接可再生能源使用的補充。綠氫的潛力遠遠高于化石燃料，因為它與太陽(yáng)能和風(fēng)能的潛力有關(guān)，遠遠超過(guò)當今和未來(lái)任何情況下的全球能源需求。最重要的是，在脫碳的背景下，綠氫是零碳制氫選擇，因為CCS的碳捕集率為85%-95%，而且迄今為止明顯更低。
一旦達到規模和具有競爭力的成本，綠色氫還可以進(jìn)一步轉化為其他能源載體，如氨、甲醇、甲烷和液態(tài)烴。作為燃料，氫可以用于燃料電池(即一種將空氣中的氫與氧結合并產(chǎn)生電力的電化學(xué)發(fā)電裝置)，但也可以在發(fā)動(dòng)機和渦輪機中燃燒。燃料電池可用于大型發(fā)電廠(chǎng)、微電網(wǎng)或備用發(fā)電(例如數據中心)的固定應用，也可用于廣泛的運輸應用，如燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)、卡車(chē)、輕型車(chē)輛、叉車(chē)、公共汽車(chē)、渡輪和船舶。作為一種化學(xué)物質(zhì)，綠色氫可以減少目前廣泛使用化石燃料制氫的行業(yè)的溫室氣體排放，包括煉油、甲醇和氨生產(chǎn)。
綠氫只是生產(chǎn)途徑之一。氫也可以從生物能源、甲烷、煤甚至直接從太陽(yáng)能中產(chǎn)生。目前的大部分生產(chǎn)都是基于甲烷和煤炭(約95%)，并且可以通過(guò)使用CCS實(shí)現低碳。CCS可能適用于天然氣成本低、地下儲層合適的地區。在短期內，考慮到電解的部署規模相對較小，CCS也可能很適合大規模的工業(yè)應用。不過(guò)看國內的一些趨勢，某些場(chǎng)景可能跨過(guò)CCS這個(gè)環(huán)節，直接進(jìn)入綠氫環(huán)節。
低碳氫也可以通過(guò)甲烷熱解產(chǎn)生，在這種情況下，碳最終以固體而不是二氧化碳的形式存在，其耗電量比電解低4-5倍，并且可能降低制氫成本。但是每種途徑都有其局限性?？紤]到生物能源的有限性和較低的固有產(chǎn)氫量，它可能適合于其他應用。CCS不會(huì )導致零點(diǎn)排放，需要大量的二氧化碳基礎設施，不能實(shí)現部門(mén)之間耦合，而且仍然容易受到化石燃料價(jià)格波動(dòng)（地緣政治、儲量短缺等因素造成）的影響，并且可能面臨社會(huì )接受問(wèn)題。此外，與天然氣生產(chǎn)和運輸相關(guān)的甲烷泄漏作為加速氣候變化的重要因素，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。在20年的時(shí)間范圍內，甲烷的全球變暖潛能值是二氧化碳的86倍。熱解仍處于中試階段，需要高溫可再生或低碳熱量。因此，考慮到該行業(yè)，因為它的性質(zhì)和可再生特性，綠氫是具吸引力的選擇之一。
然而，與其他生產(chǎn)途徑類(lèi)似，綠氫也面臨著(zhù)挑戰。這些問(wèn)題包括:目前從電解到運輸和燃料電池的整個(gè)價(jià)值鏈的高成本；缺乏現有的運輸和儲存基礎設施；高能量損失(這反過(guò)來(lái)又需要更高的風(fēng)能/太陽(yáng)能部署率)；以及綠氫可能具有的主要效益(例如降低溫室氣體排放，脫碳的經(jīng)濟價(jià)值)目前還不能體現其實(shí)際價(jià)值。
可再生能源正在成為世界上便宜的電力來(lái)源，具有進(jìn)一步降低成本的巨大潛力。從長(cháng)遠來(lái)看，這為從好的可再生資源到土地或可再生潛力有限的地區進(jìn)行全球低成本綠氫交易提供了機會(huì )。這種貿易可以直接以液氫進(jìn)行，也可以氫載體的形式增加運輸的能量密度，或以商品的形式(例如還原鐵和化學(xué)品)。
這個(gè)等式中缺少的因素是將可再生能源轉化為綠氫的關(guān)鍵設備:電解槽。電解槽是利用電力和水作為輸入生產(chǎn)氫氣所必需的技術(shù)。電解是一項成熟的技術(shù)，主要應用于化學(xué)工業(yè)。雖然需要擴大規模以降低成本，但也需要技術(shù)創(chuàng )新來(lái)進(jìn)一步改善技術(shù)的性能(即其效率和壽命)。這可以通過(guò)新的催化劑和配置、設計的標準化以及設備的大規模生產(chǎn)來(lái)實(shí)現。
如今，在所有有利條件都具備的地區，綠氫已經(jīng)接近具有競爭力，但這些地區通常遠離（工業(yè)發(fā)展、發(fā)達等）需求中心。然而，在大多數地區，綠氫仍然比灰藍氫貴2-3倍。前者的成本由電解槽設施的電力成本、投資成本、固定運行成本和運行小時(shí)數確定(見(jiàn)下圖，可見(jiàn)成本和運行時(shí)數的關(guān)系)。
說(shuō)明：標稱(chēng)容量下的效率為65% (LHV為51.2 kWh/kg H2)，折扣率為8%，堆壽命為80,000小時(shí)。由于運行時(shí)間短，投資成本占主導地位，因為它分攤在較少的氫氣產(chǎn)量上。當僅使用縮減或余電的電力或與PV耦合而沒(méi)有任何蓄電儲能時(shí)，可能會(huì )發(fā)生這種情況。隨著(zhù)運行時(shí)數的增加，電力成本占主導地位。基于當前工藝的效率，進(jìn)入該工藝的任何電力成本轉化為最終生產(chǎn)成本的大約1.5倍左右。
在低成本的可再生電力、低投資成本和高運行小時(shí)數的優(yōu)條件下，綠氫可以實(shí)現與化石燃料氫的成本競爭力，注意每年僅3000-4000小時(shí)左右就足以實(shí)現投資貢獻的減少。這可以通過(guò)大型風(fēng)光耦合廠(chǎng)來(lái)實(shí)現，在全球好的位置，可以實(shí)現5000小時(shí)以上的容量系數。
基于化石能源（或者結合CCS等措施）的制氫方式僅是氫能源的一個(gè)過(guò)渡階段，也需要該階段，一是達到一些減碳的效果；二是在綠氫還沒(méi)有量之前儲備好所有氫能源利用消納場(chǎng)景的技術(shù)路徑。氫能源一定是基于低代價(jià)獲得再生能源來(lái)制氫，可以是電解、光解、熱解等等不同的方式，核算經(jīng)濟效益也僅是投入再生能源以及制氫設備的的裝機成本以及后期運維，電價(jià)僅僅是一個(gè)核算成本的中間體，最終可以略過(guò)！
文章來(lái)源：氫眼所見(jiàn)
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吳工
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