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2030年成本和天然气不相上下!氢能大规模应用为时不远

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多年之后我们回眸今天,一定会庆幸当初选择了氢能,才得以化解让地球洪水滔天的气候危机。

BP最新年度能源统计报告显示,2021年,全世界直接使用化石燃料而排放的二氧化碳达到340亿吨,如果算上泄露的甲烷和其它温室效应气体,总排放相当于390亿吨二氧化碳。按照现在的节奏,别说实现控温1.5°C的目标,2°C的目标都可能落空,借用BP首席经济学家Spencer Dale先生的话说就是,世界依然走在不可持续的道路上。

如何改弦易辙才能够走向可持续发展呢?尽快减排,尽最大量减排是唯一的选择。毫无疑问,绿色电力,也就是可再生的光伏太阳能和风能将是减排的主力军,但在光伏和风能装机飞速增长的情况下,如何能保证不再有弃光弃风的事情?如何解决由于光伏和风能资源分布与负荷中心错位的问题,是长距离高压输电还是用天然气管网来输氢,哪个更合算?

另外,在终端能源消费电气化率受限的情况下(假设最高达到80%),如何在剩余的能源消费领域实现减排?还有,储能在能源转型中有着难以替代的作用,但是如果在规模上要提高几个量级,锂电池怕是难当大任,这还没有考量在生产过程中对环境影响的评估。此外,那些重要但是目前难以减排的领域比如钢铁航运等等怎么办?解决这些问题,氢能几乎成了独一无二的选择。

氢能真的靠谱吗?

绿氢生产成本稳步下降

氢能可以简单分为灰氢(化石能源制氢)、蓝氢(化石能源制氢+碳捕捉与封存技术)、绿氢(可再生能源零碳排制氢)三种,可持续发展需要的是绿氢,绿氢的成本主要取决于绿电和电解槽。

意大利天然气管网公司(SNAM)原CEO马可·阿尔维拉先生在《氢能革命》一书中,对于绿电成本,电解槽成本和绿氢的成本有一个很好的总结,我借用如下:

可以看出,在过去10年间,绿电成本下降到了原来的十分之一。而在未来10年中,电解槽装置规模将增加十几倍到上百倍,而电解槽的资本支出(也就是一次性购买成本)将下降到今天的1/4,这样绿氢的生产成本将下降到2021年的1/3左右,达到$2/KG, 按标准热值天然气测算,美元人民币汇率按1:6.8计算,2025年绿氢成本相当于每立方天然气人民币3.7元,2030年相当于每立方天然气2.80元人民币。与当下天然气的市场销售价格相当。

我认为,对于电解槽装置的资本支出测算有些保守,在中国制造的实力基础上,如果既有订单再有补贴,电解槽装置成本下降会比较快。

另外,很多人担心,绿氢生产耗水太多,这其实不用太担心。每吨绿氢生产需要耗费淡水大概9吨左右。这样,中国十四五氢能规划中2025年产10万吨绿氢(相当于3.6亿方天然气)生产将耗水90万吨,折合每方天然气耗水2.5公斤。欧盟在RePower EU计划里提出到2030年实现1500万吨的氢能年产量, 总共年耗水1.35亿吨水,这可是相当于550亿方天然气的巨量能源。另外,绿氢使用完毕生成物也是水,也基本实现了循环经济。

氢能可借力天然气管网

说完制造我们再来看看运输。如果是掺混到天然气管道,那么简单说运输成本和今天槽罐车相比就变得非常有竞争力。能否掺混到天然气管道?一般来说,因为氢分子很小,它可能穿透管道的钢质材料,从而引起所谓氢脆的问题。这其实是和管道的材质有很多关系,如果是软钢,而且管壁较厚,那么发生氢脆的可能性很低而且会很慢。

SNAM公司在意大利已经完成的试验表明,意大利95% 以上的天然气管道都可以掺混氢气,70%以上的天然气管道甚至可以运输100%的纯氢。如果管道因为材质的原因不能掺混,那就要看具体情况进行升级。这无疑会产生较大的成本,但是管道本身也是有寿命的,也需要不断更新。事实上,如果是新建管道,现在的材质更多都是PVC塑料材质,不仅耐用结实,输氢完全没有问题。

 

在管道更新方面,英国领跑全球,正在更新其大部分天然气管道。欧盟也有由23家能源运输公司发起的氢能骨架计划,预计到2040年,欧洲将有4万公里的输氢管道。

氢能的主要神奇之处还在于它能够通过天然气管网设施(运输存储甲烷分子),通过氢能燃料电池与电网(电子流动)耦合互补,实现跨区域,跨季节的调节作用。这时候,就会面临到底是通过高压电网长距离输电,还是通过天然气管网输送氢能?我认为看电网或者管网哪个更有效即可。如果是已有电网且容量有余,就可以考虑输电;如果没有富余电网,但是有天然气管网,那就考虑管网输氢。如果都没有,必须新建基础设施,需要从距离、已有配套设施、负荷中心具体需求等方面做完备详细的分析,没有唯一的答案。

无论如何,绿电和氢能,通过电网和天然气管网,将成为真正的能源双雄。

运输问题解决后,就是储氢的问题了。其实天然气管道本身就是体积巨大的储氢场所,因为加压就可以增加管道里的存量。而更让人欣喜的是,可以将氢储藏于地下盐穴储气库。盐穴壁致密结实,能够承受20兆帕以上的压力,体积在几万到上百万立方米,是储氢的理想场所。雪佛龙公司在美国德克萨斯利用盐穴储氢有几十年的历史,英国有三处盐穴储气库都用来储氢。

盐穴之外,废弃天然气田虽然在一定的条件下可以储存天然气,但是否也能用来储存氢气,需要认真研究做可行性分析。比较棘手的问题是,氢分子十分活跃,有可能和其中的微生物,硫或者岩石中的矿物质发生化学反应。但是总体来说, 地下储气库的储藏成本在$10/MWH, 和制造运输成本相比还是很小的。

解决了制造运输储藏的问题,许多人仍然担心氢是否能够替代其他能源, 我对此非常乐观。在许多工业领域尤其是难减排行业,还真是非氢能莫属。

氢进万家早已有之

在天然气发电领域,大型燃气轮机发电,据西门子最近的报告,可以掺混75%的氢。国内也已经有类似的试验,2022年6月,国家电投下属的北京重燃已经启动了燃气轮机掺氢30%的试验。燃气小锅炉改为烧氢气或者氢气天然气的混合气体也都是能做到的。

在家居端,其实我们使用氢也早有历史。在天然气还没有大规模进入城市之前,我们家里用的都是人工煤气,其主要成分是氢气和一氧化碳。现在如果改成氢能和天然气,那是没有大问题的。

在和大众生活密切相关的交通领域,氢能燃料电池驱动的车辆是否有竞争力?我们必须仔细分析综合能效。内燃机车辆总能效平均只有20%,而电动车(乘用车)平均能效能够达到80%,燃料电池驱动的车辆平均能效大概是36%,难以与电动车竞争。这也正是现在特斯拉和众多电动车能够辉煌的原因。

但是,如果是大马力的卡车,特别是重卡车,或者物流车,这时电池的自重就成了重大问题,因为很大一部分电能要用来承担车的自重,里程必然受到限制。氢燃料电池,具有一个显著特点,就是单位质量的能量(注意不是单位体积)是最大的 —— 每公斤氢相当于40度电,是同样质量汽油的3倍,是同样质量锂电池的100多倍,缺点是体积较大。那么在兼顾电池体积和质量(也就是总能量)的前提下,在体积相对较大的车辆上——卡车, 特别是重卡,物流车上,氢燃料电池就会显示较强的竞争力。市场已经开始证明这一点,中国的路面上已经跑着将近1万辆氢燃料电池物流车。

 

越是难减排的行业,氢能越有用

一些现有的行业是人类文明存在的基础,但又是难以减排的,对此氢能有可能发挥独特作用。比如钢铁工业,高炉目前主要是用焦炭作为主要燃料,铁粉Fe2O3和一氧化碳CO发生氧化反应来生产生铁,温度高达2000度,要排放巨量的二氧化碳。但是如果是用氢做燃料,氢是还原剂,铁粉Fe2O3 和氢H2发生还原反应,温度只需到800-1200度,就可以生产出铁(DRI技术)。另外,废钢可以在电弧炉中重新锻造而得到循环使用,这其中的减碳效应也是非常可观的。

在航运上,绿氢既可以通过转化为绿氨直接使用,而且氢燃料电池还可以作为岸电系统给船舶充电。这能大大缓解目前航运使用重燃料油而带来的严重污染。

飞行是当代文明的重要标志。由于氢能燃料电池体积较大的原因,它可以为短途飞行提供动力,但是长途飞行目前还没有看到可靠的方案。但是生物航油也许可以另辟蹊径解决这个问题。

航天就更清楚了,液氢一直是火箭升空的动力之一。如果2050年到火星旅行不再是探险科考,而是人类看宇宙的一个选项,氢能一定是少不了的。

在塑料,水泥领域,虽然还没有成熟的技术立刻大规模减排,但使用氢作为燃料和原料的技术有很多已经在实验室里。水泥的制造方法也许会发生革命性的变化,变成用二氧化碳作为原料的负碳行业。

氢能将是地缘政治新的稳定器

氢能不光是人类解决气候变化危机的重要手段,也是许多国家的发展经济的重要动力。沙特今天出口石油天然气,明天就可以出口绿氢;北非今天通过穿越地中海的管道向欧洲输送天然气,明天则可以输送绿氢;澳大利亚今天出口天然气,明天也可以出口绿氢。氢能还将是全球地缘政治新平衡的重要媒介。

在欧盟激进的能源转型方案中,氢能扮演重大角色,RePower EU计划里设定的目标是:到2030年自产500万吨,进口1000万吨氢能。美国对氢能的政策支持力度更是前所未有。在2021年11月通过的两党基础设施法案(Bipartisan Infrastructure Law)给予氢能示范项目95亿美元预算的基础上,2022年8月出台的通胀消减法案(Inflation Reduction Act)大幅提高了支出力度:按全生命周期计算,如果每公斤氢的CO2 排放低于0.45公斤,并且符合劳工条款,那么每公斤氢可以享受3美元的税收补贴,这会极大促进绿氢的生产和应用。绿氢的规模生产,会刺激电解槽装置容量提升成本降低,也会产生对光伏板的新需求。

 

光伏板不用说,主要要靠中国生产,我认为GW级别的电解槽也会出自中国,氢能,将写出全球合作的新篇章,成为全球化的新标志。当然这会是艰难的过程,充满颠簸和挑战。

有意思的是,在中国,地方政府和企业发展氢能的力度比中央政府更大。全国十四五能源规划是到2025年绿氢产量10万吨到20万吨,2030年没有具体的产量目标。但把各省市的规划目标加总,已经远远超过了中央政府的规划。

放眼全球,氢能全产业链技术日益提高的成熟度,生产地域的开阔性,使用的便利性和广泛性,减排的急迫性,多国政策前所未有的扶持力度,使得氢能的大规模应用不再是天方夜谭,而是可以触摸的现实。也许,我们在2030年或者2040年回眸今天,一定会庆幸当初选择了氢能,才得以化解让地球洪水滔天的气候危机。

编辑:敬之