本文選自中國工程院院刊《Engineering》2020年第12期
作者：Michael J. Brear
來源：Thoughts on the Prospects of Renewable Hydrogen[J].Engineering,2020,6(12):1343-1345.
編者按
氫氣主要通過改造天然氣制得，煤炭氣化技術(shù)和電解技術(shù)被認為是最有前景的替代方式。值得注意的是，天然氣和煤炭技術(shù)路徑都必須包括碳捕集與封存技術(shù)以減少排放，這增加了清潔制氫的成本。目前，全球?qū)涞难芯?、開發(fā)和示范已進行了大量投資，發(fā)展氫能對節(jié)能減排具有重要意義。未來10年，可再生能源生產(chǎn)氫氣商業(yè)前景可觀，尤其是在脫碳運輸方面。
中國工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《對可再生氫發(fā)展前景的思考》，從制氫途徑、電價和資產(chǎn)利用的重要性、系統(tǒng)集成等方面對可再生氫的發(fā)展前景進行了闡述。文章指出，可再生氫的成本是目前一個重要的考慮因素，需要積極建立氫氣市場供應(yīng)鏈。
在過去的兩年左右時間里，全世界對氫作為一種能源越來越感興趣。值得注意的是，這不是氫第一次引起我們的興趣。最新的情況是在21世紀(jì)，全世界對氫的研究、開發(fā)和示范進行了大量投資。在此之前，20世紀(jì)70年代的石油危機也促進了對氫的大量投資。更早以前，還缺乏關(guān)于氫的文獻。但是，氫能經(jīng)濟仍然只是一個概念。
如果確實有氫能經(jīng)濟，這會有什么不同？
這是我們大家都需要問的一個重要問題，筆者只能給出兩個可能的答案。首先，自從最初有所關(guān)注以來，我們迫切需要大幅減少溫室氣體（GHG）排放。其次，相比以前，現(xiàn)在可再生能源的可負擔(dān)能力要高得多，在支持者最強有力的支持下，其在降低成本方面也一直超出預(yù)期。
盡管可再生能源成本的持續(xù)降低是非常有希望的，但實現(xiàn)大幅減少溫室氣體排放仍然是一個有難度的關(guān)鍵問題。此外，應(yīng)對這一挑戰(zhàn)需要對社會和經(jīng)濟帶來盡可能少的不利影響。
在考慮氫可能起到什么作用時，我們首先應(yīng)該仔細考慮全球能源系統(tǒng)的龐大的規(guī)模和復(fù)雜性，以及主要能源商品的常見價格。這些可以為氫能的發(fā)展提供各種觀點。對于像澳大利亞這樣人口較少的溫帶國家，在以能源為基礎(chǔ)的前提下，國內(nèi)天然氣和運輸燃料市場比電力市場更大：
· 電力：消耗≈9×1017J·a?1，常見批發(fā)價=60 AUD·MW?1·h?1；
· 天 然 氣：消 耗 ≈1.5×1018J·a?1，常見批發(fā)價 ≈8 AUD·GJ?1≈29 AUD·MW?1·h?1；
· 汽油、柴油和煤油：消耗≈2.3×1018 J·a?1，常見批發(fā)價≈30 AUD·GJ?1≈108AUD·MW?1·h?1。
毫不奇怪，寒冷國家的天然氣市場通常大于電力市場。但是，這種比較表明，運輸燃料的價格相對較高，用氫代替的前景更為廣闊，在減排上其規(guī)?？膳c電力部門相提并論。
制氫途徑
如今，氫氣主要通過改造天然氣制得，煤炭氣化技術(shù)和電解技術(shù)被認為是最有前景的替代方式。值得注意的是，天然氣和煤炭技術(shù)路徑都必須包括碳捕集與封存（CCS）技術(shù)以減少排放，這增加了清潔制氫的成本。
然而，最近的許多研發(fā)都集中在使用可再生能源來給電解器提供能量。堿性和高分子電解質(zhì)膜（PEM）技術(shù)是最常用的技術(shù)，兩者都有一些領(lǐng)先的制造商（如參考文獻，并且通過上述文獻可以清晰理解它們的優(yōu)缺點。
電價和資產(chǎn)利用的重要性
不管是否考慮堿性電解或PEM電解，圖1均顯示電價和電解槽利用率是決定可再生氫生產(chǎn)成本的主要因素。如附錄A中給出的定義所述，如果沒有補貼，可再生能源要與液體燃料競爭，就需要比當(dāng)前的可再生能源便宜，并能提供高利用率的電解器。
向電解器供應(yīng)間歇性可再生電力是另一個難題，因為圖1顯示，電解器需要以高容量系數(shù)運行才能實現(xiàn)最經(jīng)濟的性能。這可以通過多種方式來解決，最常見的是采用足夠穩(wěn)固的電力供應(yīng)，例如，通過綜合運用可再生能源以及綜合運用水能、核能或化石發(fā)電中的幾種來實現(xiàn)。值得注意的是，通過化石能源生產(chǎn)的穩(wěn)固性電力供應(yīng)會增加氫氣生產(chǎn)中的溫室氣體，如果不加注意，這會破壞電解制氫的溫室氣體效益。
圖1 氫氣的平均成本（LCOH）與堿性電解器的容量因子（a）和容量因子為75％的成本以及近似的堿性和PEM成本（b）
要使電解器容量系數(shù)高而又不依賴于固化的另一種方法是，相對于供應(yīng)電解器的可再生能源而言，減小電解器的尺寸。如圖2所示，容量遠小于可再生能源供應(yīng)的電解槽的容量系數(shù)趨于100%，而容量與可再生能源相同的電解器，具有與供應(yīng)可再生能源的電解槽相同的容量系數(shù)。盡管非常高的容量系數(shù)似乎很有吸引力，但小型電解槽幾乎不產(chǎn)生氫氣。鑒于我們的電力和運輸燃料系統(tǒng)的規(guī)模相似，因此我們可以選擇生產(chǎn)相似數(shù)量的兩者，如圖2（b）中的黃色方框所示。
圖2 堿性電解器的容量因子（a）和堿性電解槽與提供可再生能源的發(fā)電機之間的LCOH（b）。發(fā)電數(shù)據(jù)來自澳大利亞國家電力市場中兩個正在運營的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠
系統(tǒng)集成和其他注意事項
仍有許多尚未討論的因素，其影響可再生制氫的經(jīng)濟性。這些因素包括：
· 在大規(guī)模的電力市場中由電解器提供輔助和需求響應(yīng)服務(wù)，這往往使PEM優(yōu)于堿性技術(shù)；
· 大型電解器的投資成本和效率將在未來十年內(nèi)如何變化；
· 所有捆綁的電費，特別是網(wǎng)絡(luò)費和成本的影響。
盡管這些因素很重要，但它們沒有對本文介紹的基礎(chǔ)經(jīng)濟產(chǎn)生顯著的影響?？稍偕娏Φ膬r格對通過電解制得可再生氫能的前景至關(guān)重要。
結(jié)語
在未來約10年中，可再生能源生產(chǎn)氫氣具有可觀的商業(yè)前景，尤其是在脫碳運輸方面。如果可再生電力價格繼續(xù)下降，即使沒有補貼，與傳統(tǒng)液體燃料相比，可再生氫在成本方面仍具有很強的競爭力。在這種情況下，以能源為基礎(chǔ)的氫生產(chǎn)可以與現(xiàn)存的可再生電力相提并論。鑒于這兩個市場的規(guī)模，成本是對二者進行選擇時一個重要的考慮因素。
但是，很難看到可再生氫將如何與目前至少便宜3倍的天然氣競爭。要使可再生氫的價格與化石天然氣具有競爭力，需要每噸數(shù)百美元的有效碳價格，而且在我們的經(jīng)濟中還有許多其他更具成本效益的減排方式。反過來，這表明，正如其他研究者所指出的那樣，由天然氣或煤炭以及CCS產(chǎn)生的氫氣可能在一段時間內(nèi)具有明顯的競爭優(yōu)勢。因此，堅持僅使用可再生能源很可能會減少實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的機會。我們需要為國內(nèi)和出口的氫氣市場建立整個供應(yīng)鏈。從過去約100年的電力能源、天然氣和液體燃料能源的發(fā)展中可知，這將是一項持續(xù)數(shù)十年的與社會相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管任務(wù)。
如果這真的實現(xiàn)的話，那么將擁有以下非常富有吸引力的前景：
· 千兆瓦級的風(fēng)能和（或）太陽能發(fā)電場，與亞千兆瓦級的電解器相連；
· 電解器為電力系統(tǒng)的安全性和可靠性提供輔助服務(wù)；
· 電解器還可以出售氧氣，將其作為工業(yè)原料獲得額外收入。
然后，公共汽車、卡車、火車和輪船可以使用在CCS或其產(chǎn)品中產(chǎn)生的可再生氫或化石氫運行。同時，混合動力或全電動輕型車輛可以提供清潔的私人出行工具，而氫能可以為工業(yè)和非電氣供暖以及為清潔的電力系統(tǒng)提供支持。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
改編原文：
Michael J. Brear.Thoughts on the Prospects of Renewable Hydrogen[J].Engineering,2020,6(12):1343-1345.
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注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學(xué)》雜志社的觀點。
