氫的真正希望

氫氣有很大的前途—但不會像你認為的最強助推器那樣。低碳氫和相關合成燃料將成為全球經(jīng)濟大部分區(qū)域脫碳的關鍵，使其成為將全球變暖限制在2°C以下的關鍵組成部分。

但除了這個非常真實的潛力之外還有一些危險的炒作。公司和納稅人冒著燃燒數(shù)十億美元的風險，實現(xiàn)通常被稱為“氫能經(jīng)濟”的宏偉愿景，即氫能在整個能源領域的廣泛部署，作為脫碳的核心驅(qū)動力—包括在沒有經(jīng)濟意義的領域。

如果公司和政府沒有實施低碳氫的戰(zhàn)略，他們將浪費大量資金，并可能使雄心勃勃的氣候目標更難實現(xiàn)。

為了釋放這種高度通用且可能零排放的能源載體的巨大潛力，企業(yè)和政府都必須加快步伐。公司需要將氫能投資集中在不適合使用更便宜技術的用例上，以及使用現(xiàn)有基礎設施大規(guī)模部署低碳氫氣的情況。就政府而言，政府需要制定一項監(jiān)管制度，鼓勵在規(guī)模和適當?shù)牡貐^(qū)部署低碳氫。

基于BCG專有的H2成本模型和我們評估數(shù)百個機會的經(jīng)驗，我們確定了未來十年最有前景的低碳氫應用：氨、鋼和化學制造等工業(yè)流程，以及潛在的重型運輸。

如果公司和政府做對了，到本世紀中葉，低碳氫和相關合成燃料的市場可能達到1萬億美元—這是從炒作到現(xiàn)實的明顯轉(zhuǎn)變。

大規(guī)模應用低碳氫

作為能量載體，氫具有固有的優(yōu)點和缺點。從好的方面來說，它是多功能的：氫氣可以與氧氣一起燃燒產(chǎn)生熱量，就像柴油和汽油一樣，它可以在燃料電池中反應產(chǎn)生無排放的電力，它可以直接用于化學過程。但它有一些相當大的麻煩：氫是一種難以控制的微小分子，它的能量密度低于碳基燃料，運輸和儲存相對昂貴。由于目前可用的兩種技術缺乏成熟度和規(guī)模，低碳氫的生產(chǎn)成本也很高：藍H2和綠H2。（參見附文“氫氣基礎知識”。）對于低碳氫氣來克服這些缺點，參與者必須確定哪些材料的氫需求將證明在大型生產(chǎn)設施和基礎設施（以及藍色H2，大型二氧化碳物流和存儲基礎設施）中的投資是合理的。他們必須避開低碳氫不太可能具有成本競爭力的應用。后一類包括用于乘用車，供暖和發(fā)電。由于其更高的能量轉(zhuǎn)換效率和利用已建立的基礎設施的能力，電池電動汽車已經(jīng)在個人移動性方面發(fā)展成本優(yōu)勢，而燃料電池車輛不太可能實現(xiàn)。因此，氫可能仍然是用于乘用車的小眾技術。在空間供暖和溫水生成中，各種潛在的低碳技術，如電加熱器，熱泵，太陽能熱，生物質(zhì)和綠色區(qū)域供熱，很可能比低碳氫還便宜得多。最后，氫可以說是當今最低成本效益的發(fā)電方案之一。即使人們采取經(jīng)常被吹捧的方法設置電解槽，只有在有可再生能源過剩的情況下才能運行，因此也是如此。

氫的基礎知識

氫可以以各種方式生產(chǎn)和部署。在生產(chǎn)方面，有3種技術：

黑色H2。通過天然氣或礦物油的蒸汽重整產(chǎn)生，釋放二氧化碳到大氣中。這是目前最主要和最具成本效益的生產(chǎn)方法。

藍H2。通過蒸汽重整生產(chǎn)，但捕獲了80~90％的二氧化碳排放量。二氧化碳被壓縮或液化，然后運輸和儲存。

綠色H2。可再生能源用于為水電解提供動力—將水分解為氫和氧—這一過程可產(chǎn)生零碳排放。

氫可以在各種轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮作用：

化學鏈中的原料。氫是塑料和化肥等產(chǎn)品生產(chǎn)的一個組成部分。

直接燃燒中的燃料。氫氣可用于簡單燃燒，產(chǎn)生熱量，運動，最終產(chǎn)生電力，不會產(chǎn)生碳排放。

氫燃料電池中的燃料。氫燃料電池是將氫和氧轉(zhuǎn)化為電和水的電化學裝置，沒有排放。燃料電池可用于固定裝置或車輛中。

合成燃料中的成分。像汽油和柴油一樣，合成燃料也是碳氫化合物。但是，盡管化石碳氫化合物是溫室氣體排放的重要來源，但合成燃料是由非化石碳（如來自生物量和沼氣廠或空氣的碳）以及導致溫室氣體凈排放量低或為零的低碳氫制成的。

重要的是要注意，雖然低碳氫在這些用途中具有固有的缺點，但這些應用在某些國家可能是可行的。例如，堅持采用氣體加熱系統(tǒng)的國家可能決定采用低碳氫氣混合氣體來限制排放。

低碳氫的大規(guī)模使用將主要應用于幾乎沒有其他可行的脫碳選擇以及技術和基礎設施障礙可控的應用中。在接下來的十年中，我們看到兩個主要用途：工業(yè)流程和重型運輸。

工業(yè)流程。由于幾個原因，低碳氫的工業(yè)用途是最有希望的。首先，黑H2已經(jīng)用作生產(chǎn)氨和甲醇以及用于加氫裂化和加氫處理的石油精煉廠中的輸入。由于這些市場對氫氣的需求已經(jīng)很穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向低碳氫氣的過程相對簡單，只需要在氫氣生產(chǎn)方面取得進展。其次，這些市場的消費集中在工業(yè)區(qū)的許多大型終端用戶中，限制了對新的氫存儲和運輸基礎設施的投資需求。第三，大多數(shù)工業(yè)過程公司運行大型資本投資計劃來取代和升級現(xiàn)有的氫生產(chǎn)設施—這樣的投資周期提供了使原料脫碳的機會。由于類似的原因，低碳氫有可能使鋼鐵生產(chǎn)脫碳，盡管這需要對鋼鐵生產(chǎn)設施進行大量再投資。

工業(yè)應用的潛在規(guī)模是巨大的：如果全球目前的所有黑色H2消費量都被綠色H2替代，則所需的可再生能源數(shù)量將大致相當于歐盟目前每年產(chǎn)生的總電量（約3,500TWh）。

重型運輸。遏制重型運輸—陸地，海洋和空氣的碳排放—是我們面臨的最大的脫碳挑戰(zhàn)之一。

對于重型公路運輸而言，低碳氫與燃料電池相結(jié)合可能會在未來十年內(nèi)成為可行的應用。在范圍很重要的區(qū)域，壓縮氫具有比鋰電池更高能量密度的優(yōu)點（但低于柴油）。成功部署將取決于燃料電池成本和效率的顯著進步，以及沿主要運輸動脈的大規(guī)模開發(fā)加油和配送基礎設施。燃料電池卡車的前景也將部分取決于一個不可預測的因素：電動卡車的范圍和充電速度的重大飛躍將嚴重限制氫氣在該應用中的競爭力。

對于空運和海運而言，氫基合成燃料具有相當大的前景，但在更長的時間范圍內(nèi)（超過2030年）。盡管這種碳中性燃料的生產(chǎn)是昂貴的，但它們可以用于普通內(nèi)燃機或渦輪機中，因此可以成為航空和海運等高排放應用中汽油和柴油的可行替代品。合成燃料將主要與先進的生物燃料競爭，例如來自藍藻或有機廢物的燃料，這些燃料仍處于商業(yè)開發(fā)的早期階段。

不確定性和重大機遇。雖然低碳氫最具吸引力的前瞻性應用是工業(yè)過程和重型運輸，但潛在用途范圍很廣，氫技術不斷發(fā)展?；钴S在該領域的公司，如氫氣設備制造商，公用事業(yè)公司以及可在運營中使用氫氣的工業(yè)公司，應密切關注市場。鑒于我們在低碳氫市場發(fā)展的早期階段，監(jiān)管發(fā)展和技術進步可能很快導致在其他領域部署氫的機會。

但即使低碳氫的使用集中在工業(yè)過程和重型運輸中，其潛力也是巨大的。我們的模型表明，如果在最合適的應用中部署低碳氫，并且全球排放量符合巴黎2°C的目標（一個巨大的“如果”），那么到2050年，低碳氫和氫基合成燃料的全球市場將達到1萬億美元。

低成本低碳氫的途徑

如果沒有可靠的，具有成本效益的生產(chǎn)方式，確定低碳氫的正確用途幾乎沒有意義。為了提供有關如何實現(xiàn)這一目標的見解，我們建模并確定了使綠色和藍色H2成本具有競爭力所需的條件。雖然這不容易實現(xiàn)，并且需要監(jiān)管幫助（包括有效的碳價格），但我們看到了好消息：有一條明確的途徑可以使其與黑色H2競爭。

正確地得到比例方程。綠色和藍色H2都面臨挑戰(zhàn)，需要不同的規(guī)模才能具有競爭力。

雖然綠色H2可以零排放生產(chǎn)，但今天的生產(chǎn)過程并不具有成本效益，因為大多數(shù)配置的設備都是分量表并且運營成本很高。具有成本效益的運營取決于兩個發(fā)展：

•電解槽技術需要成熟，與目前部署的典型5~10兆瓦機組相比，單元尺寸需要增加到100~300兆瓦。這樣的開發(fā)將使電解槽成本降低50％以上（安裝系統(tǒng)降至500歐元/kWel以下）并將效率（生產(chǎn)H2單位所需的電量）提高5個百分點，超過70％。

•氫氣生產(chǎn)裝置應使用可再生能源配置，允許高電解槽利用—每年大約5,000小時或更長時間。

最終，符合此處所述要求的綠色H2生產(chǎn)設施將達到一定的規(guī)模，以減少每年數(shù)十萬噸的二氧化碳排放量。

藍色H2面臨兩個主要挑戰(zhàn)。第一個問題涉及實現(xiàn)高二氧化碳捕集率和低每噸存儲成本的技術障礙。解決這些問題需要利用蒸汽重整過程的不同部分并進入長期儲存場所—例如，那些處于枯竭的海上天然氣田的儲存場所。第二個挑戰(zhàn)是公眾對儲存設施發(fā)展的抵制—這是大多數(shù)歐洲國家爭論不休的主題。

公司正在投資回收捕獲的二氧化碳的技術，包括塑料制造—這種努力可以消除對儲存的需求。雖然這些技術將增強碳捕獲的商業(yè)案例，但這些技術的可行性和適用性仍然不確定。

藍色H2項目比綠色H2項目需要更多的基礎設施，包括二氧化碳捕集，物流和最終存儲。因此，藍色H2設施必須達到比綠色H2更大的規(guī)模才能具有成本效益。我們預計藍色H2設施需要能夠每年減少數(shù)百萬噸的二氧化碳排放量，才能實現(xiàn)物質(zhì)規(guī)模經(jīng)濟。在這個規(guī)模下，我們估計總碳捕獲和儲存成本可降至100歐元/噸以下，可能低至50歐元/噸，具體取決于捕獲率，二氧化碳物流和儲存地點的位置。

長期技術權(quán)衡。雖然每個項目都有獨特的經(jīng)濟效益，但商品價格將是所有技術生存能力的關鍵決定因素。使用我們的模型，假設到2030年藍色和綠色H2的成本效益部署如上所述，我們可以評估在各種情況下，3種類型的黑色、藍色和綠色氫氣如何相互對應。（見圖表）。

低碳氫的長期可行性

黑色和藍色氫氣之間的競爭取決于碳捕獲和儲存的進展以及碳的成本。綠色與黑色的競爭力取決于電解技術的進步和3種商品的成本：可再生能源、天然氣和碳。藍氫和綠氫的競爭力取決于碳捕獲、儲存和電解方面的相關技術進步，以及可再生能源和天然氣的成本。（因為藍色和綠色都是低碳的，所以碳價格的影響可以忽略不計。）當我們觀察西歐過去十年的天然氣和電力價格時，我們可以看到，在許多情況下，我們上面概述的大規(guī)模綠色H2業(yè)務將與黑色H2競爭。

我們的分析表明，存在具有成本競爭力的低碳氫的可行途徑。在藍色和綠色之間做出選擇的公司需要考慮技術進步和商品價格的前景。無論他們選擇何種技術，他們都需要一個以智能和監(jiān)管支持為特征的環(huán)境。

建立正確的監(jiān)管制度

公共部門在氫氣中的作用與私營公司一樣重要。在過去的十年中，在各種應用和行業(yè)中已經(jīng)有數(shù)百個低碳氫試點項目—其中大多數(shù)都獲得了大量的公共補貼。國際能源署估計，僅在歐洲就有150個公共資助的氫氣示范項目，每年約有7億美元的公共研究資金流向氫氣。資金分散在過多的使用案例中，其中許多用例的長期可行性有限，而且工作量通常是次級量表。監(jiān)管機構(gòu)現(xiàn)在應該進入下一階段，支持擴大低碳氫氣。他們需要向能夠真正發(fā)揮作用的領域提供支持，而不是機會性地在整個市場上提供補貼。要做到這一點，他們應該首先確定低碳氫是減少碳排放的最佳經(jīng)濟選擇的應用。一旦確定了這些“排放痛點”，政府就應該激勵公司投資一系列初始項目。該監(jiān)管制度應該有三個重要組成部分：

•一般而言，二氧化碳排放量，特別是黑色H2產(chǎn)生的二氧化碳排放量應該定價。

•對于可用于低碳氫的地區(qū)，政府應提供贈款以支持對大型設施的投資。這種支持將是碳減排的關鍵且最終具有成本效益的驅(qū)動因素。

•為了促進綠色H2的發(fā)展，政府應該建立支持性的電力監(jiān)管。這應該包括免除使用電網(wǎng)費和征稅的可再生能源的大型電解槽，類似于鋁，紙和氯等能源密集型行業(yè)經(jīng)常享有的豁免。與此同時，各公司需要提出比其他無碳替代品成本最低的大型低碳氫項目。作為雄心勃勃的氣候保護議程的一部分，這些項目將有最好的機會獲得公眾支持。

企業(yè)如何在氫氣行業(yè)中取勝

我們相信，在未來十年內(nèi)，我們將看到第一個大規(guī)模，低碳氫應用。為了塑造這些機會，并使自己定位以從中獲益，氫氣參與者應該將幾個因素整合到他們的戰(zhàn)略中：

•堅持長期生存。尋求快速、單一資產(chǎn)措施以減輕其碳足跡的公司最好使用諸如能源效率、電氣化和可再生能源采購等策略，而不是低碳氫。低碳氫領域的成功參與者將從長遠的角度出發(fā)，投資于資產(chǎn)、技術和能力，這些資產(chǎn)、技術和能力在今天是一個合理的商業(yè)案例，但在長期內(nèi)有潛力提供具有吸引力的大規(guī)模投資機會。

•合作使經(jīng)濟學發(fā)揮作用。今天很少有低碳氫項目單獨由一方執(zhí)行時可能產(chǎn)生有吸引力的回報。因此，公司必須在氫能和能源價值鏈上合作。例如，公用事業(yè)和技術專家可以與擁有和運營排放基礎設施但缺乏電力市場和低碳氫技術的工業(yè)公司一起開發(fā)低碳氫機會。如果做得好，沒有一個合伙人會在這些項目上獲得超額回報—但沒有人會遭受沉重的損失。

•評估端到端系統(tǒng)價值。低碳氫市場上的公司需要在從原料到最終用途的整個價值鏈上優(yōu)化其系統(tǒng)。例如，風電場和太陽能發(fā)電廠的業(yè)主在某些情況下可以將其可再生能源資產(chǎn)直接與電解槽相連，從而在兩端產(chǎn)生效益：可再生能源公司通過簽訂長期合同來降低市場風險，而低碳氫電廠則以低成本、綠色電力鎖定市場。

•建立在競爭優(yōu)勢的基礎上。降低低碳氫氣并不適合所有人。在資產(chǎn)和能力方面具有競爭優(yōu)勢并且能夠以這些優(yōu)勢為基礎的公司將占上風。例如，追求藍色H2的公司應該確保他們能夠利用地下儲存設施，天然氣基礎設施和石化專業(yè)知識網(wǎng)絡，并且能夠獲得產(chǎn)量。擁有或訪問這些資產(chǎn)和功能可以實現(xiàn)更快的擴展，并有助于降低技術和商業(yè)風險。

•讓監(jiān)管機構(gòu)保持開放和誠實。擴大和部署低碳氫解決方案并非易事。這需要私營部門全身心投入的支持這些項目。公司應該與監(jiān)管機構(gòu)進行基于事實的對話，監(jiān)管機構(gòu)重點關注實現(xiàn)足夠規(guī)模的重要性，并對未來的挑戰(zhàn)保持誠實。例如，一家綜合公用事業(yè)公司與鋼鐵公司合作，與國家政府進行討論，以推動鋼鐵在20年內(nèi)減少碳排放。這種對話最終導致政府支持在鋼鐵生產(chǎn)中使用低碳氫的項目—這些努力符合政府減少碳排放和促進該國鋼鐵部門長期競爭力的目標。

從炒作到現(xiàn)實

低碳氫氣是一個巨大的商機。如果各國兌現(xiàn)承諾將全球變暖限制在2°C，那么低碳氫可能會成為一個萬億美元的市場。即使這種需求只占其中的一小部分，但潛在的商業(yè)機會對公司來說太大了，特別是在能源領域，從旁觀看。這就是為什么大型工業(yè)公司，設備公司，公用事業(yè)公司和投資者必須在今天采取行動，發(fā)展對低碳氫技術的系統(tǒng)性理解—成本、可能的發(fā)展軌跡以及他們在某些目標應用中與其他技術的競爭地位。通過深入了解低碳氫在經(jīng)濟意義上的位置，他們可以開發(fā)出合適的技術和投資組合，以便將資源用于風險最低的最佳機會。那些了解何處以及如何利用低碳氫能源的人將在快速增長的市場中為自己創(chuàng)造一個位置—并且在此過程中將成為應對氣候變化的重要推動力。這并不容易，但對于獲勝者而言，這將是值得的。