氫能經濟的曙光

　　隨著需求的迅速增長，人們對氫能的興趣也在增長。很明顯，能源轉型的下一個重大轉變將基于氫能經濟，通過電解水將綠色電子轉化為綠色分子，從而產生綠色氫氣。

　　目前，我們每年能生產8000萬噸氫氣，預計到2020年將增加2000萬噸。進一步來看，許多研究表明，到2050年，產量將增長到5億噸左右。如今，大部分燃料在生產地附近消耗，通常是在化工廠，但在未來，隨著藍色氫成為通往綠色氫未來的橋梁，需求將會更加廣泛。

　　“綠色”氫能是成功的關鍵

　　頗具諷刺意味的是，對于一種無色、無味、無嗅的氣體，它竟被標明為灰色、藍色和綠色的不同等級;其標注的顏色取決于生產方法。要使氫能成為一種潛在的環保能源，關鍵是要使供應鏈更加環保。

　　目前生產氫氣的方法是使用甲烷、天然氣或煤等化石燃料。這種被稱為灰氫的氫氣占目前氫氣產量的95%，而且這是一個排放密集的過程，每生產一公斤氫氣需要排放10多公斤二氧化碳。有一種改進方案可以通過隔離該過程中產生的二氧化碳，從而輸送藍色氫來實現。

　　但綠色氫氣是西門子正在努力實現的目標。這是由可再生電力驅動的電解器從水中產生氫和氧產生的方法。如果水和電來自可持續能源，那么氫就被歸類為純綠色氫氣，這是西門子新能源業務的重點。它看到了氫能市場從灰色過渡到藍色，再到綠色，每一個過程都利用不同的過渡技術發揮自己的作用。

　　基建能力

　　實現氫經濟潛力的關鍵是建立一個能大規模生產綠色氫氣的供應鏈，價格要由市場決定。在過去的10年里，這一直是西門子關注的焦點，該公司正處于將該技術用于大規模氫氣工業化的形成階段。

　　西門子質子交換膜電解廠的核心是Silyzer模塊。這項創新技術非常適合利用風能和太陽能的間歇性發電。圖片來源:西門子能源

　　五年前，西門子1兆瓦的Silyzer(圖1)進入市場，這是一個重大的里程碑。從那時起，該公司就針對不同的應用程序與客戶進行了商業試點。兩年前，該公司增加了10兆瓦版本的電力組合。去年，西門子與合作伙伴Verbund和奧鋼聯集團(Voestalpine)在奧地利林茨(Linz)的一家鋼鐵廠建造了第一套設備。

　　和所有新興技術一樣，原型和定制制造的初始成本基數很高，但隨著技術的成熟和需求的增加，成本會繼續降低。隨著產量的增長，先進的自動化可以引入到生產過程中，同時利用數字化，如數字模塊化，其中公司使用標準化的模塊化構建塊，為客戶做模塊開發。

　　就像著名的集成電子電路的摩爾定律一樣，西門子技術的規模也在逐年上升，功率等級每四年就會增加10倍。該公司目前正處于100兆瓦項目的投標階段，并正在與合作伙伴就突破1兆瓦大關的安裝進行談判。隨著時間的推移，氫氣應用可以和風能和太陽能一樣廣泛，但就成熟程度(市場和技術)而言，它要比更成熟的可再生能源技術落后15到20年。隨著時間的推移，預計在光電部門也會出現類似的成本減少。

　　經濟效益

　　最終，盡管工業的各個方面都面臨著環境壓力，但成本還是會下降。氫燃料經濟要想成為主流，就不能依靠補貼，必須建立可持續的市場，而合理的成本是首先要考慮的問題之一。

　　目前工業規模的灰氫生產價格約為每公斤2歐元，有時更低，具體取決于當地情況。當使用氫作為交通燃料時，消費者在加油站每公斤要支付9歐元(如果他們能找到的話)，而這一價格至少要降低三分之一，才能使其更具吸引力。

　　在成本比較方面，將綠色氫與傳統化石燃料進行比較是毫無意義的，因為傳統化石燃料是全球溫室氣體(GHG)排放的主要來源。汽車行業正在走上脫碳和減少溫室氣體排放的道路，因此，化石燃料的作用肯定會越來越小。

　　如今，國家氣候政策重點關注輕型汽車的排放。在20國集團(G-20)的大多數成員國中，燃料經濟或效率標準被用于規范傳統輕型汽車的排放，20個國家中有18個提出了對傳統汽車的禁令和/或制定了激勵措施和目標，以加速低碳汽車的銷售。這就是為什么在考慮輕型運輸的燃料需求時，氫燃料汽車的成本和性能應該與基于電池電動車進行比較。

　　現在市面上電動車越來越多，對于一些消費者來說，能夠在家里給汽車充電是一件很棒的事情。然而，從充電時間和行駛里程兩方面來看，綠色氫動力汽車都是卓越的。例如，一輛中型汽車行駛100公里需要不到1公斤的氫氣，而加氫過程只需要3到5分鐘。這種速度對應急車輛和出租車特別有吸引力，因為它們不能浪費太多時間充電。

　　更重要的是中型和重型運輸行業，綠色氫是最有希望的零排放燃料。氫氣重量輕、行駛里程長、快速充電等特點尤其適用于重型車輛和火車。

　　然而，與每公升成本相比，更相關的計算方法是總擁有成本(TCO)。在一份名為《氫競爭力之路：成本視角》的報告中，氫能委員會預計，與目前每年約60萬輛的生產規模相比，每輛車的總成本將下降45%。

　　綠色氫要滿足這些價格點，必須克服三個主要的挑戰：電力成本、電解槽廠的負荷系數、資本和運營成本。這些因素取決于各種各樣的因素，有些是生產者無法控制的，例如電力成本，但隨著可再生能源在能源組合中占據更大的比重，這個因素應該由供應商自行解決。

　　當涉及到資本成本時，就像大多數制造業方案一樣，它取決于電解槽工廠的規模和商業化程度來降低采購成本。至于運營成本，電解槽廠的數控技術可以用來優化設計和提高生產力，同時最大化工廠的生命周期。在條件優越的地區，生產綠色氫的成本可能已經在每公斤3歐元左右。

　　根據應用的不同，綠色氫氣可以被凈化和壓縮到直接使用、儲存或分配所需的水平。如果需要儲存和運輸，有幾種選擇。它可以以壓縮氣體或液體的形式儲存在儲罐中，儲存在洞穴中，或儲存在天然氣網格中，用于不同的應用，前提是網格滿足所有的技術要求。

　　在運輸方面，根據客戶的具體使用情況，兩種主要的氫氣運輸方式分別是公路運輸的罐車和中短途的天然氣管道。在考慮數百兆瓦甚至上億兆規模的大規模應用時，最好將生產地點設在可再生能源發電設施附近，比如風能資源非常有利的海上和陸地風電場。這是因為電力成本是綠色氫氣的主要投入因素，占生產成本的70%以上。由于氫的運輸成本高昂，這些地方通常需要進一步的合成過程來生產綠色甲醇或氨，而綠色甲醇或氨很容易運輸——它們是全球貿易的商品。這可以被視為一個綠色氫出口業務。

　　市場滲透

　　電力部門通常被視為使用綠色氫來驅動渦輪機的首要目標，但由于電力部門的二氧化碳排放量在全球所占比例不到40%，因此它也必須滲透到其他部門。今天可能沒有經濟上可行的商業案例將氫氣作為電力生產的動能來源, 因為有更多的應用以更低的總成本減少二氧化碳的排放量。但在試點應用中，或者在一個大規模脫碳的世界中，為了進一步實現電力部門的脫碳，除了安裝更多的可再生能源，綠色氫可以實現長期、季節性的大規模電力儲存。

　　在可再生能源供應不足(如缺乏風能)時期，可再生能源供應的安全性將在氫燃料氣渦輪機、發動機或燃料電池上實現再電氣化。這個案例在中長期內將變得有吸引力。這不是一個二選一的情況，氫(用于汽車和卡車)可以幫助交通部門、工業部門(例如鋼鐵生產)以及后電力部門脫碳。

　　全球一半以上的排放來自工業、交通或建筑環境，因此需要提供解決方案，使這些行業脫碳。傳統的可再生能源如風能、太陽能和水能將發揮它們的作用，但是由可再生能源和水產生的氫，無論是直接使用還是與化學物質結合產生綠色甲醇和綠色氨，都將發揮重要作用。這些化學物質可以儲存、運輸和用于各種領域，如合成燃料或化肥。

　　人們對交通運輸業非常關注，有跡象表明，交通運輸業可能是最早的采用氫氣作為燃料的行業之一，尤其是在公共汽車、卡車和火車方面。氫燃料電池已經被用于區域列車，將取代柴油發動機。在中國、韓國和日本，使用氫燃料電池的汽車和電動驅動列車有望實現增長。在這些地區，它得到了研究資金的幫助，這些資金開始日益關注于燃料電池，而非傳統電池。此外，專注于電池的德國原始設備制造商(OEMs)也在開發使用燃料電池的汽車和卡車。

　　在過去的十年中有一段時間，有幾家汽車制造廠同時在研究燃料電池和電動汽車，其中一些優先考慮燃料電池。同時開發兩種革命性概念的成本可能會促使一些廠商將重點放在電動汽車上，但現在原始設備制造商們又回到了燃料電池的想法上。他們似乎開始了解汽車電池的挑戰和局限性。

　　中國也出現了新的發展，近年來電動汽車得到了大規模支持，給行業帶來了高速增長。推動中國電動汽車發展的“十城千卡”計劃現在正在北京、上海和成都等城市推廣氫能交通。

　　展望未來，綠色氫氣將比不那么環保的藍色和灰色氫氣定價更高。任何技術曲線的早期階段都必須有一些支持，就像早期的風能和太陽能一樣。但從中期到長期來看，氫氣必須而且將會自立，在沒有外部支持的情況下也能生存。具體何時實現，取決于幾個因素，包括采用率、規模經濟和監管框架。