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对氢能热的冷思考:将炒作与氢分离——氢能优点多,缺点也不少

作者:中国储能网新闻中心 来源:国际能源小数据 发布时间:2020-10-20 浏览:
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彭博新能源财经创始人迈克尔·利布雷奇(Michael Liebreich)发表文章,题目是Separating Hype from Hydrogen(将炒作与氢分离),今天摘译第一部分:氢能供应。

20世纪70年代和80年代石油危机期间的沙特石油大臣艾哈迈德·谢赫·亚马尼(Ahmed Sheikh Yamani)说过一句名言:“石器时代并不是因为缺乏石头而结束的,石油时代将在世界石油枯竭之前结束”,他当时所想到的不是可再生能源和电动汽车,而是氢能。

从表面上看,宇宙中最常见的氢元素似乎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;它既能产生热量,也能发电;它可以生产、储存、运输和使用,不会产生有毒污染或二氧化碳排放;它的能量密度是汽油、柴油或喷气燃料的三倍;它可以通过燃料电池以60%的效率提供电力,燃料电池也可以反向运行;它可以类似于的管道快速输送;它的燃烧温度与天然气相似。

遗憾的是,氢也显示出一系列同样令人印象深刻的缺陷:它在自然界中不存在,所以需要能量来分离;它的储存需要压缩到大气压的700倍,制冷到零下253摄氏度,或者与有机化学物或金属氢化物结合。从体积来看,氢气携带的能量是每单位体积天然气的四分之一,无论是液化的还是在任何给定温度和压力下的气体。燃料电池和其他使用氢气的设备有许多活动部件需要维护;它能使金属变脆;它可能泄漏并发生爆炸。

一点历史

尽管有这些明显的缺点,氢仍然像以其魅力控制着技术乐观主义者的想象力。这种乐观至少可以追溯到1970年,当时密歇根大学的核物理学家劳伦斯W琼斯(Lawrence W Jones)发表了一篇题为《液态氢燃料经济性》的论文。他在论文中指出:“必须认真考虑使用液氢作为陆空运输碳氢燃料的长期替代品,作为21世纪碳氢化合物的合理替代品。”

20世纪70年代中期,日本将氢气列为其“阳光计划”的五个重点领域之一,其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方式(其他领域包括太阳能、地热、煤气化/液化)。

上世纪80年代油价暴跌时,氢能对公众想象力的控制力消失了,但在2000年前后的技术泡沫中又轰然回升。从1997年9月到2000年3月,作为氢燃料电池的旗舰企业,巴拉德动力系统公司的股价猛增了1000%。未来学研究者杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)在《氢经济》(The Hydrogen Economy)中推崇全球氢能网络,“数百万终端用户将把他们的燃料电池连接到地方、地区和国家的氢能网络中,创造一种新的分散式能源生产形式”。就连《经济学人》杂志也认为:“由于氢气可以通过地理分布的方式由任何地方的生产商生产,因此,任何一个欧佩克(OPEC)卡特尔或其未来继承者都无法操纵供应或价格,我们永远不会再有一场能源战争了。”

可悲的是,就在里夫金的书在2002年底上架时,氢能梦想已经开始破灭——巴拉德的股票从峰值已经下跌了96%。很快噩梦就开始了:在接下来的10年里,巴拉德的股价将再跌93%,然后在2012年触及最低点。

欧盟绿色协议与氢战略

现在氢能又来了。欧盟的绿色协议,目标是到2030年将排放量比1990年的基线减少55%,并在2050年前彻底消除碳排放,其核心是今年7月同时发布的两个文件:欧盟能源系统整合战略和气候中性的氢战略。这些计划相当详细地规定了“绿氢”的生产和分配的全面计划,换句话说,利用可再生能源从水电解出的氢。

该计划的建设围绕着欧盟电解槽容量从目前的6000兆瓦增加到2024年的6GW,到2030年将增至40GW,成本在240-420亿欧元(280-50亿美元)。将这些电解槽用可再生能源供应,需要在80-120GW新太阳能和风力发电上花费220-340亿欧元;然后,将110亿欧元用于改造现有化石H2电厂的一半,并进行碳捕获和储存;650亿欧元用于氢气运输、分配,储存和加油站。欧盟氢能投资总金额在320亿至4580亿欧元之间,按目前的汇率计算,为380-5500亿美元。

欧盟氢能战略文件显示2050年欧盟电解槽容量工作可达500GW。从这一点上讲,欧洲所有国家记录的最大峰值电力负荷为546GW。氢战略可能会推动欧洲电力需求翻番,电力供应翻番,配电能力翻番,以及欧洲范围的氢气管网。高盛公司大胆预测,到2050年欧洲每年有2.2万亿欧元的绿色氢市场规模。美洲银行推断,到2050年,全球与氢有关的基础设施投资总额为11万亿美元。

绿色氢的经济性

欧盟的氢战略是基于到2030年将欧洲目前每公斤2.5至5.5欧元的绿色氢气生产成本降低到1.1至2.4欧元/千克。这是合理的目标吗?

绿色氢的成本由四个主要因素驱动:可再生电力成本;电厂运行的容量系数;电解槽成本;以及资本的成本。

当然,可再生电力的成本在世界各地持续暴跌。目前,最好地点、最好的风力发电厂和太阳能发电量约为每兆瓦15美元,到2030年,我认为成本将降至10美元/兆瓦。到2030年,世界上大部分地区将受益于20美元/兆瓦的风能或太阳能,大约是任何其他来源的电力成本的三分之一。

随着行业规模的扩大,我们肯定会看到电解槽成本大幅度下降。但有这里有一个问题:欧盟的氢战略希望在2030年之后将电解槽从900欧元/千瓦下降到450欧元/千瓦或更低的水平。然而,中国领先的制造商已经以200美元/千瓦的价格供应设备。欧盟能否赶上中国电解槽的成本?可能不行。

总的来说,利用多余的可再生能源来生产氢气的想法将变成海市蜃楼。对于一个岛屿电网来说,这可能是有意义的,但对于一个高度连接的、大陆规模的能源系统来说,这并不合理。绿氢会受到低成本、高容量的可再生电力的竞争。

蓝氢怎么样?

基于可再生能源的绿氢并不是零碳氢的唯一可能来源,还有“蓝氢“——通过天然气转化或煤炭气化产生,但二氧化碳排放被捕获和封存。欧盟目前生产蓝氢的成本为每公斤2欧元,到2030年蓝色氢成本可能会高于绿氢成本。欧盟的氢能战略以 110亿欧元用于改造现有一半的化石燃料发电厂生产蓝氢,但德国特别敌视蓝色氢能,宣称“只有在可再生能源基础上生产的氢(绿氢)才是长期可持续的”。

对蓝氢的保留态度通常有两个合理的理由,还有一个不太合理的理由。第一个理由是,通常只有90%的二氧化碳被捕获;这一比例可以增加,但只会增加成本。第二个理由是碳排放:无论在哪里开采天然气,都会有一定的泄漏损失,而甲烷(天然气的主要成分)是一种强大的温室气体。第三个理由,有人不支持蓝色氢气,因为它的生产将有利于石油和天然气公司,这是许多激进的环保主义者无法接受的。

会有绿天鹅吗?

真正的零碳氢也可以通过热解过程产生,通过热解过程,天然气通过熔融的碱或金属,产生副产品炭黑。这种“绿松石氢”工艺可以由清洁能源驱动,看起来经济上很有前途,不过,就像蓝色氢一样,它受到环保主义者的反对,因为它不能消除天然气泄漏损失排放的风险,也不能避免石油和天然气公司的参与。

此外还有核能制氢,虽然也受到纯粹主义者的反对,但在产生零碳氢方面仍有潜在的吸引力。与可再生能源相比,核能在工业生产过程中有两大优势:一是它全天候运行,二是产生可利用的废热。这些优势是否足以应对可能持续存在的核能平准化成本劣势,以及核电不可避免的伴随风险,仍有待检验。

最后一个值得一提的零碳氢概念是 “热氢”。在大多数氢电解计划中,副产品氧没有价值。但在热氢概念中,氧燃料混合物被用来驱动一台Allam循环发电机,产生电力和热量,并在除去水之后输送二氧化碳,随时可供使用或储存,其成本远低于从正常废气中分离二氧化碳的成本。一定比例的热能和电能反过来用于高温电解,产生氢气和在此过程中消耗的氧气。

运输成本

根据彭博新能源财经关于氢气运输和配送的最新报告,在欧洲各地分通过管道运氢,每公斤增加7至50欧分,但最高可达7欧元(具体取决于体积和距离),而绿氢目标成本为每公斤1.1至2.4欧元。在没有管道的地方,长距离大量运输氢的最可行的载体似乎是氨,包括转化,存储等在内的总运输成本也可能是生产氢的成本的三倍。9月,沙特阿美公司和日本能源经济研究所合作,从沙特阿拉伯向日本发送了世界上第一批蓝色氨气(天然气制氨并捕获并储存了二氧化碳),将其用于产生零碳发电,但很难有经济竞争性。

结论

到2030年,绿氢(可再生能源制氢)能与蓝氢(天然气制氢加碳捕获)竞争吗?是的,可能。到2050年,会有大量的绿色氢上市,但大部分可能是从生产成本更低的地方进口的。即使是在欧洲生产的绿氢,也可能不会使用欧洲的电解槽,当然也不会完全使用欧洲的可再生能源。

关键字:氢能

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