氢能时代？谈谈来自供给侧的困境！
引言：这是一篇关于氢的深度思考文章，原文发表于2020年10月，文中的一些观点颇具借鉴意义。
作者：Michael Liebreich
彭博新能源财经（BNEF）的创始人兼高级撰稿人，也是挪威国家石油公司（Equinor）的国际顾问委员会成员。
BNEF是一家战略研究服务供应商，涵盖全球商品市场，推动向低碳经济过渡的颠覆性技术。其专家服务内容涵盖了电力，运输，工业，建筑和农业等部门适应能源转型的途径，旨在帮助商品交易，公司战略，财务和政策专业人士驾驭变化并创造机会。
以下是该文章内容的第一部分，主要关注了氢能时代供给侧存在的一些困境。
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在上世纪七八十年代的石油危机期间，沙特石油大臣艾哈迈德·谢赫·亚马尼(Ahmed Sheikh Yamani)曾说过一句名言：“石器时代的终结不是因为缺少石头，而石油时代也将在石油耗尽的很久之前就结束了。”他当时心里想的并不是可再生能源和电动汽车，而是氢。
从表面上看，氢，这一宇宙中最常见的元素，似乎应该是所有能源问题的答案。它可以在任何有电和水的地方生产。它既可转化为热能，也可转化为电能。它的生产，储存，运输和使用，不会产生有毒污染或二氧化碳排放。它每单位质量所携带的能量，是汽油、柴油或航空燃料的3倍。
它可以通过燃料电池以60％的转化效率提供电力，同时，燃料电池也可反向操作。氢能够以类似液态碳氢化合物的传输速率通过管道泵送。氢的燃烧温度与天然气相似。
不过，令人遗憾的是，氢的缺点也同样令人印象深刻。
自然界中，它通常以化合物的形式存在，需要额外的能量来实现氢和其他元素的分离。氢的储存需要压缩至700个大气压，冷冻至- 253℃；或与有机化合物或金属氢化物结合。
氢单位体积携带的能量，仅是天然气的四分之一，无论是液化的天然气，还是在任何给定温度和压力下的天然气。燃料电池和其他使用氢的设备，都有许多需要维护的移动部件。氢会使金属脆化；氢可以从最微小的裂缝中溜走，另外，氢确实具有爆炸性。
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一点历史
尽管有这些明显的缺点，但氢仍然牢牢地控制着技术乐观主义者的想象力，这至少可以追溯到1970年。
当时，密歇根大学(University of Michigan)的核物理学家劳伦斯·W·琼斯(Lawrence W Jones)发表了一篇题为《迈向液氢燃料经济》(Toward a Liquid Hydrogen Fuel Economy)的论文。他在这份论文中指出：“必须认真考虑将液氢作为陆上和航空运输中碳氢化合物燃料的长期替代品，作为21世纪碳氢化合物的合理替代品。”
1970年代中期
日本将氢列为其“阳光项目”的五个重点领域之一，该项目的总预算相当于今天的24亿美元，旨在确定在第一次石油危机后为这个资源贫乏的国家提供能源的新方法(其余四个是太阳能、地热、煤的气化/液化和通用性支持研究)。
在日本，氢能作为救世主技术的地位，也可从对其燃料电池汽车计划的持续支持中看出。
1980年代
油价暴跌之时，氢对公众的吸引力消失了，只是在世纪之交的科技泡沫期间，氢才再次卷土重来。
1997年9月到2000年3月
作为氢燃料电池的领军企业，巴拉德（Ballard）电力系统公司的股价跃升了1000%。未来学家杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)在他的新书《氢经济》(the Hydrogen Economy)中牢牢抓住了这个时代的“精灵”，他把这本书的副标题起名为《全球能源网的创建与地球上的能源再分配》(the Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth)。
他把石油峰值、气候变化和互联网狂热地编织在一起，形成了他所谓的“全球氢能网”(Worldwide Hydrogen Energy Web)。在这个网络中，“数百万终端用户会把他们的燃料电池连接到当地、区域和全国的氢能网，并创造出一种全新的分布式能源生产形式。”
但这不是把氢作为工程解决方案，而是把氢视为了一种“解放神学”。
甚至连《经济学人》杂志也认为：“因为氢的生产可以通过广泛分散的地理位置，以分布式的方式进行，任何地方的任何生产商都可以生产，因此没有任何一个欧佩克、卡特尔或其他潜在的垄断组织继任者能够操纵其供应或价格。再也不需要为能源而战了。”
可悲的是，即使是在2002年年末，在里夫金（Rifkin）的书上架的时候，这个梦想就已经开始破灭了——巴拉德（Ballard）的股票已经跌去了其峰值价值的96%。噩梦很快就开始了：在接下来的10年里，巴拉德的股价又进一步下跌了93%，直到2012年跌至谷底。
氢并没有神奇地将权力重新分配给人民，相反，它的一个主要特性已被证明是减少了其支持者的财富。
3
欧盟绿色协议与氢战略
回到今天。欧盟已经颁布的绿色协议，设定的目标是：到2030年，温室气体排放量在1990 年的基础上减少55%，到2050年实现碳中和。
同时，欧盟还公布了COVID-19疫情复苏计划，其核心政策的是2020年7月同时发布的两份文件：为实现欧洲气候中和的《欧盟能源系统一体化战略》和《氢战略》。
这两份文件详细地列出了生产和分配“绿氢”的全面计划，即：使用可再生能源，从水中电解氢。
该计划的基础是：
到2024年，将欧盟的电解槽产能从目前的60MW增加到6GW，到2030年，再增加到40GW，成本控制在240到420亿欧元（280-500亿美元）之间。
另外，要让这些电解槽能持续使用可再生能源，需要花费220- 3400亿欧元，用于新增80-120GW的太阳能和风能发电设施。
另外，还需要花费110亿欧元，用于改造现有的化石基氢气工厂的50%，使其具备碳捕获和存储能力；
还需要投入650亿欧元，用于氢的运输，分配，储存和加氢站建设。
欧盟的投资总额大概在3200亿至4580亿欧元之间，按当前汇率计算，约为3800亿至5500亿美元。
其中一部分资金将来自绿色协议(Green Deal)。欧盟已承诺从自己的预算中拿出1万亿欧元，其中三分之二以拨款形式给付，另外三分之一以贷款形式获得。但这笔资金必须涵盖比氢战略更多的东西，最主要的是能源效率。预计欧盟成员国和私营部门也将参与进来。
截止到2020年10月，在2030年规划实现的40GW的电解产能目标中，已有5个国家承诺贡献总计26GW。
不管它最终得到了多少资金，在未来10年里，将有高达5500亿美元的资本支出投入到绿氢上，我们可以用英国电视剧《是，大臣》(Yes Minister)的一句台词来总结：“这是一种勇气。”
但这仅仅还只是一个开始。它只涵盖了资本成本，生产成本和配送成本；它不包括需求端的成本，而且，相关投入只能维持到2030年。
在欧盟战略文件的脚注35中，对2050年欧盟电解槽工作产能的假设是500GW。您需要知道的是，欧洲有史以来最大的电力负荷峰值是546GW。因此，氢能源战略可能会使欧洲的电力需求增加一倍，电力供应增加一倍，电力分配能力增加一倍，并建立一个覆盖全欧洲范围的氢管道网络。
高盛(Goldman Sachs)的预测认为，到2050年，绿氢在欧洲每年的潜在市场规模将达到2.2万亿欧元。而根据美国银行(Bank of America)的推算，到2050年，全球与氢相关的基础设施投资总额将达到11万亿美元。
真不愧是大手笔！
4
绿氢经济
欧盟氢战略的目标是，到2030年，将欧洲生产绿氢的成本，从目前的每公斤2.5至5.5欧元，降至1.1至2.4欧元。但是，我们不禁要问，这个目标的设定是合理的吗?
当前，绿氢的生产成本主要由四个方面的因素构成：
1)可再生电力的成本；
2)工厂运行的容量因子；
3)电解槽的成本；
4)资本成本。
当然，全球可再生电力的成本还会继续大幅下降。现在，位于最佳地点的最好的风能和太阳能发电厂的发电成本约为每兆瓦时15美元，在Michael Liebreich看来，到2030年，这一数字将下降到每兆瓦时10美元。到2030年，世界上大部分地区将受益于20美元/兆瓦时的风能或太阳能，这大约是其他任何来源电力成本的三分之一，而且，这些成本无疑可在欧洲阳光充足且多风的地区实现。
电解槽的成本也在直线下降——每增加一倍的产能，其制造成本的下降率将近20%，这一点与风能类似。此外，还有很多其它的途径可用来降低成本。随着行业规模的扩大，我们肯定能看到电解槽成本下降。
但是，有一个问题，欧盟的氢战略的目标是在2030年以后，把电解槽成本“从900欧元/千瓦降至450欧元/千瓦或更少”，然而，据彭博新能源财经(BNEF)出版的《2019年可再生能源制氢经济》(2019 Economics of Hydrogen Production from Renewable Power)透露，中国领先的电解槽设备制造商已经在以200美元/千瓦的价格供货了。这又是怎么回事呢？
当然，中国制造商受益于更便宜的原材料和劳动力，但他们也把重点放在了更成熟的碱性电解槽上。传统观点认为，人们不喜欢随着电力供需的波动而使电解槽的产能发生波动。因此，欧盟期望采用具有自适应的可再生能源为电解槽提供动力，并且在近十年的大部分时间里，专注于固体氧化物和质子交换膜(PEM)技术的开发，这种技术能够在十分之一秒内完成绿氢供应的波峰波谷调整。
但是，这些技术显然比碱性电解槽贵很多，而且在供货规模上远远落后于碱性电解槽。事实证明，碱性电解槽也可以设计成负载跟随型，尽管它的响应速度会稍慢一些。欧盟能赶上中国的电解槽成本吗?可能不会。如果不这样去做，它能达到成本目标吗?可能也不会。
总体而言，利用剩余的可再生能源来生产绿氢的想法，最终会变成一个海市蜃楼。
这对于一个独立的海岛电网来说可能会有意义，但对于一个高度相互连接的、洲际规模的能源系统来说，毫无意义。在这里，唯一重要的事情是尽可能生产最便宜的绿氢，否则，你将被那些使用更低成本、更高容量系数、通过管道输送的可再生电力生产商击败。
为了便于讨论，不妨想象一下，未来的电网中，可变可再生能源将占有很大的比率，即使其弃电率达到33%时，也仍有利可图：成本为20美元/兆瓦时的风能或太阳能，即使以30美元/兆瓦时的价格出售，也是任何其它被替代能源的价格的50%。
然而，仅靠弃电来运行电解槽则是完全不经济的，即使获得的可再生能源是免费的，而且可再生能源只能在每年相对有限的时间内被接入电网。
是的，绿氢生产者应该采取的行动是，利用任何可用的免费剩余电力，但在其余时间，以正常批发价购买可再生能源，以此作为补充。这样，在世界上最好的地点——那些可再生能源超级大国——它们将能够实现高容量系数和清洁能源较低价格的结合。
虽然单独的可再生能源发电厂可能以15%(太阳能)到60%(海上风能)之间的容量系数运行，但如果它们位于同一地点，或通过电力线连接，则有可能获得非常高的容量系数——如果考虑到在越来越便宜的电池上的一些明智的投资的话，可能达到80%或更多，并且可以生产非常便宜的绿氢。
因此，BNEF估计，到2050年，根据可再生能源和电解槽成本的长期下降趋势，结合它们在高容量因素下运行的可能性，以及融资人在掌握技术和市场风险后，相应资本成本的降低，绿氢的价格将在每公斤0.8美元到1.0美元之间，甚至更低。
在与澳大利亚，摩洛哥，海湾国家，墨西哥，智利，巴西，美国南部，中国，印度等的可再生能源超级大国的竞争中，南欧部分地区拥有与那些地区相当的低成本太阳能和风能资源，而北欧则没有那么幸运。这就是为什么德国计划同时进口清洁电力和绿氢，以及为什么欧洲氢组织提出了“ 2×40”计划，即到2030年，欧盟将拥有40GW电解槽产能，另外在北非和乌克兰再增加40GW产能。
同样值得注意的是，纯粹基于海上风能的绿氢，不太可能与基于超级廉价太阳能和陆上风能组合生产的绿氢相竞争。即使到2050年，它也可能会处于平准成本劣势，海上风能显示出强烈的自相干性，这意味着，除非与太阳能组合使用，否则它将无法提供非常高的容量系数。
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蓝氢有什么问题？
基于可再生能源的绿氢，并不是零碳氢的唯一可能来源。
到2030年，考虑到欧洲工业在能源，碳捕集和化学工业方面的巨大优势，有理由相信蓝氢的生产成本至少应降低到每公斤1.50欧元，这与2030年欧盟生产绿氢的目标成本相当。从长远来看，在今后几十年的时间内，由于蓝氢改进速率的递减，在成本方面预计将落后于绿氢。
欧盟氢战略认为，蓝氢将发挥作用——如前所述，它强调了用110 亿欧元改造50%现有化石基氢燃料生产工厂。此外，欧盟还表示，它不会提供任何改造所需的资金：这将由成员国或私营部门负责。德国似乎对蓝氢特别怀有敌意，宣称“只有基于可再生能源（绿氢）生产的氢，才能长期可持续”。这几乎成了德国的战略信条。
通常，人们对蓝氢持保留态度，基于两个正当的理由和一个很糟糕的理由。
第一个问题是，通常在生产蓝氢的过程中，只有90%的CO2被捕获；虽然这一比例还可以增加，但需要额外的成本——尽管你也可能认为，将一些用于电解氢研究的巨额资金，用于改善现有工艺是明智的。
第二个值得关注的问题是逃逸性排放的问题：无论天然气在哪里被开采，都会有一些损失到大气中，而甲烷(天然气的主要成分)是一种强大的温室气体。
第三个不支持蓝色氢的理由，则听起来很牵强：因为蓝氢的生产将使石油和天然气公司受益，这是许多环保活动人士认为不可接受的。很显然，在没有世界上最大的能源公司参与的情况下，我们也能够以某种方式实现能源净零过渡的想法无疑是荒谬的。
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会不会有绿天鹅？
真正的零碳氢也可以通过热解工艺生产，即通过使天然气气流，流经熔融的碱或金属，获得零碳氢，其产生的副产品是炭黑。
这种“蓝绿氢”工艺可以由清洁能源提供动力，而且在经济上看起来似乎很有前景，不过，就像蓝氢一样，它也遭到了“纯粹主义者”的反对，因为它不能消除逃逸性排放的风险，也不能排除石油和天然气公司的参与。
此外，还有核能。虽然也遭到了纯粹主义者的反对，但在生产零碳氢方面，仍具有潜在的吸引力。与可再生能源相比，核电在制氢等工业过程中具有两大优势：它支持 24/7 全天候运行，并且，它产生的废热可以循环利用。这些优势是否足以抵消可能会持续存在的平准化成本劣势以及核电不可避免的风险，这仍有待进一步验证。
最后一个值得一提的零碳氢概念，是贾里德·摩尔（Jared Moore）提出的优美的“热氢”方法。
在大多数氢电解计划中，副产物氧气没有价值。而在这个提议的系统中，氧和燃料的混合物被用来驱动一个名为阿拉姆（Allam）的循环发电机，生产电力和热力，并在去除水后，提供可供使用或存储的纯净的二氧化碳气流，其成本远低于把二氧化碳从普通废气中分离出来。一部分热和电力反过来可用于高温电解，补充发电过程中消耗的氢和氧。这看起来很好，如果生产的氢能够完全取代化石燃料的使用的话。
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运输成本
根据BNEF关于氢运输以及交付经济学的最新报告，作为欧盟氢战略的另一部分，在欧洲全境运输和分发廉价的绿氢，每公斤应会增加7到50欧分的运输成本，前提条件是绿氢通过管道输送的话。
当开始使用卡车或轮船——无论氢是气态的、液态的还是与甲苯等有机载体结合状态——运输成本将会迅速飙升至每公斤氢60美分到7美元不等，这具体将取决于运输的体积和运输距离，这使得它与灰氢、棕氢、或者每公斤绿氢1.1至2.4欧元的目标价格相比，毫无竞争力。
需要说明的是，灰氢和棕氢是当今使用量最大的氢，它是由富含碳氢化合物的化石原料制成的，例如甲烷气、煤或其他化石燃料的气化物。
每生产一吨灰氢或棕氢，至少会排放 10到12吨CO2。这其中还不包括驱动该生产过程的能源所排放的CO2，以及将氢运输给客户时产生的CO2。
在没有管道的地方，最可行的长距离、大容量输送氢的载体似乎是氨。但即便如此，包括转化、储存等在内的总运输成本，也可能是最初生产氢的成本的三倍。
2020年9月，沙特阿美公司 (Saudi Aramco)、日本能源经济研究所(Institute of Energy Economics)与沙特基础工业公司(Sabic)合作，将世界上第一批蓝氨从沙特阿拉伯运往日本，用于生产零碳电力。
蓝氨是一种从天然气中提炼的氨，但会捕获并储存二氧化碳。这只是一个试验，以测试价值链的不同要素，但从经济性上看，这很难奏效。当然，捕获的二氧化碳可用于提高石油的采收率，但就排放而言，整个事情就会变成“自舔冰激凌”式的行为，除了自我维持之外并无其他目的。
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除了需要巨大的资金，以突破氢供应侧的困境以外，我们还能从这一切中学到什么？
到2030年，绿氢与蓝氢是否具有竞争力？
也许是的。
能与欧洲的灰氢或棕氢竞争吗？
不完全是，但是很接近。
到2050年，是否会有大量的绿氢比灰氢或棕氢便宜？
当然可以。
不过在欧洲，大部分氢可能是从生产成本更低的其他地方进口的。而且，即使它是在欧洲本土制造的，它可能也不会使用来自欧洲的电解槽，当然也不会完全使用欧洲的可再生能源。
氢能时代，真的是我们期待的吗？
下周，也许我们可以再一起看看需求侧的一些困境。
2021年9月13日
写于上海东鼎国际大厦B座3层
参考资料
https://about.bnef.com/blog/liebreich-separating-hype-from-hydrogen-part-one-the-supply-side/
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020DC0301&from=EN