圖1:氫氣射擊目標建立在各種途徑的進(jìn)展基礎上，實(shí)現了一系列用例和影響

清潔電力的成本占電解制氫成本的一半以上。通過(guò)降低清潔電力(可再生能源、核能)的成本，提高電解效率，降低電解槽和工廠(chǎng)資本平衡成本，以及實(shí)現電解槽與電網(wǎng)、可再生能源和核能發(fā)電機的動(dòng)態(tài)集成，以獲得低成本的可變電力。下圖2顯示了降低電解清潔氫成本的一種方案，這需要大幅降低資本成本、降低能源成本、提高效率、提高耐久性和可靠性，以降低維護成本。

2020年的基準成本為5美元/公斤，這是使用美國能源部的H2A模型計算的氫氣平準化成本，其中PEM電解槽資本成本為1,500美元/千瓦(小批量生產(chǎn))，電價(jià)為50美元/兆瓦時(shí)，容量或利用率為90%。相比之下，根據2020年國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)年度技術(shù)基線(xiàn)，使用目前29美元/兆瓦時(shí)的太陽(yáng)能和35%的容量系數，可使得氫的平準化成本約為7.50美元/公斤，如上圖2綠色箭頭所示。如上圖2所示，制氫的平準化成本對電力成本高度敏感。獲得具有高容量系數的低成本能源(例如，通過(guò)與水電和核電站等現有清潔能源基本負荷相結合)可以促進(jìn)更低的平準化成本。此外，到本十年末，電解槽資本支出的下降將在清潔氫的平均成本降低中占很大一部分。重要的是要注意成本估算。

該例子顯示，到2026年，要實(shí)現《法案》要求的每公斤2美元的目標，所需的成本是基于30美元/兆瓦時(shí)的能源成本和300美元/千瓦的資本支出成本，而1美元/公斤的氫氣錨定目標價(jià)將分別需要20美元/兆瓦時(shí)和150美元/千瓦的資本支出成本。

這些成本目標不包括清潔氫生產(chǎn)稅收抵免。在所有這些情況下，假設電解槽容量系數為90%，需要使用清潔的電力，如核能或地熱能，或者通過(guò)存儲來(lái)補充可變的可再生能源。這個(gè)場(chǎng)景說(shuō)明了資本成本需要減少80%，操作和維護成本需要減少90%。應該強調的是，這些只是可以實(shí)現這些成本目標的情景。盡管如此，成本、效率、電價(jià)、利用因素和耐用性的其他組合，包括高溫電解槽熱源的使用，也可以實(shí)現氫能錨定的目標。2020年，美國能源部啟動(dòng)了一個(gè)新的聯(lián)盟，將國家實(shí)驗室、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聚集在一起——H2NEW（來(lái)自下一代的水電解槽）---關(guān)于補充HydroGEN的電解技術(shù)，這是一個(gè)研究所有水分解技術(shù)的聯(lián)盟，包括直接光電化學(xué)和熱化學(xué)方法H2NEW將加速電解槽技術(shù)的進(jìn)步，并有助于降低成本。如下圖3所示，這些成本的降低將需要大批量生產(chǎn)、電解槽堆和工廠(chǎng)(BOP)組件平衡的創(chuàng )新，以及下一代系統中的電解槽集成。提高電解槽效率也有助于降低氫的平均成本，因為電力成本占氫成本的很大一部分。雖然對各種系統配置的分析正在進(jìn)行中，但該圖僅顯示了每個(gè)類(lèi)別中成本降低幅度的一個(gè)示例。這些數值將隨著(zhù)行業(yè)的發(fā)展而更新?！锻ㄘ浥蛎浵鳒p法案》中的清潔氫生產(chǎn)的信貸等政策也將在未來(lái)十年降低資本成本。

圖3：降低電解槽資本成本將需要達到規模經(jīng)濟，并創(chuàng )新電解槽堆棧和工廠(chǎng)平衡組件。

降低資本成本沒(méi)有簡(jiǎn)單的總體成本驅動(dòng)因素。如下圖4所示，必須解決包括電解堆棧和工廠(chǎng)平衡系統在內的多個(gè)組件。

隨著(zhù)能源儲存和清潔能源需求的增長(cháng)，利益相關(guān)者必須繼續探索電解槽并網(wǎng)和離網(wǎng)一體化的創(chuàng )新機制，以實(shí)現低成本獲得可變的清潔能源。創(chuàng )新的系統設計也可以提高電解槽的經(jīng)濟性，例如通過(guò)同步產(chǎn)生的氧氣出售產(chǎn)生效益或利用廢熱。

該法案要求能源部考慮并支持從多種能源生產(chǎn)氫氣的機會(huì )，包括化石燃料和CCS。機會(huì )包括美國天然氣儲量豐富的地區、二氧化碳儲存庫或現有的天然氣供應基礎設施。如下圖5所示，考慮到石化行業(yè)對天然氣和氫氣的需求，目前的天然氣基礎設施網(wǎng)絡(luò )和SMR工廠(chǎng)都主要集中在墨西哥灣沿岸地區。氫氣目前是煉油行業(yè)的重要原料，主要用于裂解重質(zhì)原油和脫硫產(chǎn)品流等。根據氫氣供應來(lái)源的不同，用清潔氫氣取代目前煉油廠(chǎng)使用的氫氣可以將煉油過(guò)程的生命周期排放量減少約12%。

在SMR的二氧化碳排放到大氣之前進(jìn)行捕獲和儲存，可以將氫氣生產(chǎn)的生命周期碳強度降低50%以上，具體取決于CCS速率和上游排放，包括天然氣開(kāi)采、傳輸和使用過(guò)程中的逸散性排放。高碳捕獲率(例如超過(guò)95%)和極低的上游甲烷排放將是至關(guān)重要的。將CCS添加到現有的SMR設備中，為大規模加速化學(xué)和精煉氫的使用提供了一條途徑。目前，許多小型裝置位于煉油設施附近或與煉油設施集成，利用當地低成本和豐富的天然氣。許多現有SMR裝置所在的墨西哥灣沿岸也包含一些現有的二氧化碳管道基礎設施。

帶有碳捕獲的自熱重整(ATR)是另一種從天然氣中生產(chǎn)氫氣的方法，預計其成本低于帶有CCS的傳統SMR，特別是在商業(yè)規模和低成本電力地區。這種方法需要將空氣分離裝置與重整過(guò)程相結合，以提高熱效率，實(shí)現更高的捕集率和更低的CCS成本。第三種基于天然氣的生產(chǎn)方式是甲烷熱解，它利用高溫將甲烷分解成氫和固體碳——這是一個(gè)有吸引力的選擇，因為固體碳可以為工業(yè)橡膠和輪胎制造以及油墨、催化劑、塑料和涂料等特種產(chǎn)品提供增值的副產(chǎn)品。

從甲烷原料制氫的溫室氣體強度也取決于天然氣供應的生產(chǎn)和運輸過(guò)程中甲烷泄漏的程度。預期的法規和甲烷監測方面的進(jìn)展有望減少這些排放，并提供更大的測量確定性。甲烷泄漏率會(huì )對空氣質(zhì)量和毒性產(chǎn)生影響，因作業(yè)者的作業(yè)方式而異。今天，裝備了CCS的小型堆制氫系統比單獨的小型制氫裝置要貴大約55%。二氧化碳運輸和儲存成本、可變成本和資本成本的降低有助于實(shí)現氫氣錨定的的目標，如下圖6所示。美國能源部資助研發(fā)和研發(fā)，以降低成本，提高SMR和ATR系統的CCS性能。未來(lái)降低成本的途徑包括改進(jìn)CO2/H2分離的工藝集成，使用高壓或高溫膜分離，固體CO2吸附劑，先進(jìn)的催化劑和新的氧氣分離方法。然而，使用低成本的天然氣仍然是通過(guò)CCS途徑重整獲得低成本氫氣的最重要方法。除了降低成本外，美國國家戰略還不斷強調低溫室氣體排放途徑的重要性，包括減少上游排放。捕獲的碳也可以在工業(yè)過(guò)程中利用，而不是儲存在地下。新興的利用途徑包括建筑材料的建造和化學(xué)品的生產(chǎn)。美國能源部正在支持將二氧化碳轉化為有用產(chǎn)品的研發(fā)和開(kāi)發(fā)。

在使用化石燃料的所有情況下，聯(lián)邦機構將優(yōu)先考慮從生產(chǎn)到最終使用的整個(gè)價(jià)值鏈中減少排放。此外，無(wú)論其主要生產(chǎn)途徑如何，制定測量和監測解決方案并將氫氣泄漏風(fēng)險納入建設氫氣運輸基礎設施的決策也很重要。最后，美國聯(lián)邦機構將優(yōu)先考慮利益相關(guān)者的參與，以解決潛在的環(huán)境問(wèn)題和可能因為擁有化石燃料氫和CCS技術(shù)而給社區帶來(lái)的累積負擔。

其他制氫途徑包括生物質(zhì)氣化與碳捕獲和儲存，以及SMR或ATR，使用有機垃圾填埋物、污水或農業(yè)廢棄物中的沼氣等原料代替天然氣。根據原料的不同，這些生產(chǎn)方法可能是低碳的，也可能是負碳的。在評估這一途徑時(shí)，應考慮整個(gè)生物質(zhì)供應鏈的生命周期排放，包括直接和間接的土地利用變化，以及肥料等農業(yè)投入。

當生物質(zhì)途徑與CCS相結合時(shí)，它們的凈排放量有可能為負。例如，當廢物原料從垃圾填埋場(chǎng)轉移到用于制造氫氣時(shí)，處理廢物產(chǎn)生的一些甲烷也從大氣中轉移并熱轉化為清潔氫氣(即，考慮到區域的實(shí)際情況和法規，否則不會(huì )燃燒或熱解的甲烷會(huì )排放到大氣中)。

降低成本并不僅僅局限于氫氣生產(chǎn)。例如，氫價(jià)值鏈中各種技術(shù)和組件的成本如下圖7和圖8所示。

各機構將繼續加強活動(dòng)，以降低整個(gè)價(jià)值鏈中所有關(guān)鍵技術(shù)的成本，包括減少供應鏈脆弱性和促進(jìn)（美）國內制造業(yè)。為響應美國總統關(guān)于美國供應鏈的14017號行政命令，能源部發(fā)布了一套清潔能源供應鏈評估，包括燃料電池和電解槽的供應鏈。BIL電解槽和清潔氫制造和回收撥款(五年內15億美元)將與年度撥款一起用于執行這一戰略。此外，美國財政部和國稅局與能源部合作，宣布為輪合格先進(jìn)能源項目信貸(48C)提供約40億美元的額外指導，用于擴大美國清潔能源技術(shù)和清潔能源技術(shù)生產(chǎn)關(guān)鍵材料的供應鏈的項目，以及減少工業(yè)設施溫室氣體排放的項目生產(chǎn)電解槽、燃料電池汽車(chē)和其他氫技術(shù)的設施都有資格申請。

氫氣輸送、儲存和分配給最終用戶(hù)的成本根據所使用的供應模式而有很大差異。目前，大規模氫氣輸送主要有四種方法：氣體管道拖車(chē)、液體罐車(chē)、管道(用于輸送氣體氫氣)和化學(xué)氫氣載體。管道拖車(chē)和液體罐車(chē)通常用于氫需求正在發(fā)展但尚未穩定的地區。天然氣管道通常用于可預測幾十年的需求和每天數千噸的區域規模?；瘜W(xué)載體對遠距離氫氣輸送和出口市場(chǎng)很感興趣，可以大致分為單向或雙向載體。單向載體是在氫氣釋放后(如氨)不釋放副產(chǎn)品的材料。雙向載體是那些產(chǎn)品通常在氫釋放后返回處理以重復使用或處置的載體(如甲基環(huán)己烷/甲苯)?；瘜W(xué)氫載體的使用尚處于商業(yè)化的早期階段，需要進(jìn)行研發(fā)工作，以提高這些材料的載氫能力，提高充放電率、可逆性和整體往返效率。

總結：

3）特別需要關(guān)注的是一系列刺激法案以達到美國本土關(guān)于這個(gè)產(chǎn)業(yè)制造能力的架構。這點(diǎn)非常值得關(guān)注。

文章來(lái)源：氫眼所見(jiàn)
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