氫能大規(guī)模應(yīng)用為時(shí)不遠(yuǎn)

今年夏天南方暴熱，但是重慶山火還是讓我吃驚不已，重慶的朋友說(shuō)這是從未有過(guò)的事。以前只知道加州有山火，澳洲有山火。盡管每一次山火的具體原因可能不同，但是氣候在發(fā)生重大變化已經(jīng)不再是科學(xué)家電腦里的數(shù)據(jù)分析，而是怒目圓睜橫亙?cè)谌祟惷媲暗某?jí)怪獸。

BP最新年度能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，2021年，全世界直接使用化石燃料而排放的二氧化碳達(dá)到340億噸，如果算上泄露的甲烷和其它溫室效應(yīng)氣體，總排放相當(dāng)于390億噸二氧化碳。按照現(xiàn)在的節(jié)奏，別說(shuō)實(shí)現(xiàn)控溫1.5°C的目標(biāo)，2°C的目標(biāo)都可能落空，借用BP首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家Spencer Dale先生的話說(shuō)就是，世界依然走在不可持續(xù)的道路上。

如何改弦易轍才能夠走向可持續(xù)發(fā)展呢?盡快減排，盡最大量減排是唯一的選擇。溫室氣體越早減越好，因?yàn)槠淅鄯e效應(yīng)巨大。筆者認(rèn)為，綠色能源大規(guī)模代替化石能源的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。減排不僅是可行的，更是經(jīng)濟(jì)的。在這個(gè)巨大的潮流和商機(jī)面前，任何懷疑和猶豫都會(huì)成為歷史性的遺憾。

毫無(wú)疑問(wèn)，綠色電力，也就是可再生的光伏太陽(yáng)能和風(fēng)能將是減排的主力軍，但在光伏和風(fēng)能裝機(jī)飛速增長(zhǎng)的情況下，如何能保證不再有棄光棄風(fēng)的事情?如何解決由于光伏和風(fēng)能資源分布與負(fù)荷中心錯(cuò)位的問(wèn)題，是長(zhǎng)距離高壓輸電還是用天然氣管網(wǎng)來(lái)輸氫，哪個(gè)更合算?

另外，在終端能源消費(fèi)電氣化率受限的情況下(假設(shè)最高達(dá)到80%)，如何在剩余的能源消費(fèi)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)減排?還有，儲(chǔ)能在能源轉(zhuǎn)型中有著難以替代的作用，但是如果在規(guī)模上要提高幾個(gè)量級(jí)，鋰電池怕是難當(dāng)大任，這還沒(méi)有考量在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境影響的評(píng)估。此外，那些重要但是目前難以減排的領(lǐng)域比如鋼鐵航運(yùn)等等怎么辦?解決這些問(wèn)題，氫能幾乎成了獨(dú)一無(wú)二的選擇。

但是氫能真的靠譜嗎?

綠氫生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降

氫能可以簡(jiǎn)單分為灰氫(化石能源制氫)、藍(lán)氫(化石能源制氫+碳捕捉與封存技術(shù))、綠氫(可再生能源零碳排制氫)三種，可持續(xù)發(fā)展需要的是綠氫，綠氫的成本主要取決于綠電和電解槽。

意大利天然氣管網(wǎng)公司(SNAM)原CEO馬可·阿爾維拉先生在《氫能革命》一書(shū)中，對(duì)于綠電成本，電解槽成本和綠氫的成本有一個(gè)很好的總結(jié)，我借用如下：

可以看出，在過(guò)去10年間，綠電成本下降到了原來(lái)的十分之一。而在未來(lái)10年中，電解槽裝置規(guī)模將增加十幾倍到上百倍，而電解槽的資本支出(也就是一次性購(gòu)買成本)將下降到今天的1/4，這樣綠氫的生產(chǎn)成本將下降到2021年的1/3左右，達(dá)到$2/KG, 按標(biāo)準(zhǔn)熱值天然氣測(cè)算，美元人民幣匯率按1:6.8計(jì)算，2025年綠氫成本相當(dāng)于每立方天然氣人民幣3.7元，2030年相當(dāng)于每立方天然氣2.80元人民幣。與當(dāng)下天然氣的市場(chǎng)銷售價(jià)格相當(dāng)。

我認(rèn)為，對(duì)于電解槽裝置的資本支出測(cè)算有些保守，在中國(guó)制造的實(shí)力基礎(chǔ)上，如果既有訂單再有補(bǔ)貼，電解槽裝置成本下降會(huì)比較快。

另外，很多人擔(dān)心，綠氫生產(chǎn)耗水太多，這其實(shí)不用太擔(dān)心。每噸綠氫生產(chǎn)需要耗費(fèi)淡水大概9噸左右。這樣，中國(guó)十四五氫能規(guī)劃中2025年產(chǎn)10萬(wàn)噸綠氫(相當(dāng)于3.6億方天然氣)生產(chǎn)將耗水90萬(wàn)噸，折合每方天然氣耗水2.5公斤。歐盟在RePower EU計(jì)劃里提出到2030年實(shí)現(xiàn)1500萬(wàn)噸的氫能年產(chǎn)量， 總共年耗水1.35億噸水，這可是相當(dāng)于550億方天然氣的巨量能源。另外，綠氫使用完畢生成物也是水，也基本實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

氫能可借力天然氣管網(wǎng)

說(shuō)完制造我們?cè)賮?lái)看看運(yùn)輸。如果是摻混到天然氣管道，那么簡(jiǎn)單說(shuō)運(yùn)輸成本和今天槽罐車相比就變得非常有競(jìng)爭(zhēng)力。能否摻混到天然氣管道?一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)闅浞肿雍苄。赡艽┩腹艿赖匿撡|(zhì)材料，從而引起所謂氫脆的問(wèn)題。這其實(shí)是和管道的材質(zhì)有很多關(guān)系，如果是軟鋼，而且管壁較厚，那么發(fā)生氫脆的可能性很低而且會(huì)很慢。

SNAM公司在意大利已經(jīng)完成的試驗(yàn)表明，意大利95% 以上的天然氣管道都可以摻混氫氣，70%以上的天然氣管道甚至可以運(yùn)輸100%的純氫。如果管道因?yàn)椴馁|(zhì)的原因不能摻混，那就要看具體情況進(jìn)行升級(jí)。這無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生較大的成本，但是管道本身也是有壽命的，也需要不斷更新。事實(shí)上，如果是新建管道，現(xiàn)在的材質(zhì)更多都是PVC塑料材質(zhì)，不僅耐用結(jié)實(shí)，輸氫完全沒(méi)有問(wèn)題。

在管道更新方面，英國(guó)領(lǐng)跑全球，正在更新其大部分天然氣管道。歐盟也有由23家能源運(yùn)輸公司發(fā)起的氫能骨架計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2040年，歐洲將有4萬(wàn)公里的輸氫管道。

氫能的主要神奇之處還在于它能夠通過(guò)天然氣管網(wǎng)設(shè)施(運(yùn)輸存儲(chǔ)甲烷分子)，通過(guò)氫能燃料電池與電網(wǎng)(電子流動(dòng))耦合互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域，跨季節(jié)的調(diào)節(jié)作用。這時(shí)候，就會(huì)面臨到底是通過(guò)高壓電網(wǎng)長(zhǎng)距離輸電，還是通過(guò)天然氣管網(wǎng)輸送氫能?我認(rèn)為看電網(wǎng)或者管網(wǎng)哪個(gè)更有效即可。如果是已有電網(wǎng)且容量有余，就可以考慮輸電;如果沒(méi)有富余電網(wǎng)，但是有天然氣管網(wǎng)，那就考慮管網(wǎng)輸氫。如果都沒(méi)有，必須新建基礎(chǔ)設(shè)施，需要從距離、已有配套設(shè)施、負(fù)荷中心具體需求等方面做完備詳細(xì)的分析，沒(méi)有唯一的答案。

無(wú)論如何，綠電和氫能，通過(guò)電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)，將成為真正的能源雙雄。

運(yùn)輸問(wèn)題解決后，就是儲(chǔ)氫的問(wèn)題了。其實(shí)天然氣管道本身就是體積巨大的儲(chǔ)氫場(chǎng)所，因?yàn)榧訅壕涂梢栽黾庸艿览锏拇媪?。而更讓人欣喜的是，可以將氫?chǔ)藏于地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)。鹽穴壁致密結(jié)實(shí)，能夠承受20兆帕以上的壓力，體積在幾萬(wàn)到上百萬(wàn)立方米，是儲(chǔ)氫的理想場(chǎng)所。雪佛龍公司在美國(guó)德克薩斯利用鹽穴儲(chǔ)氫有幾十年的歷史，英國(guó)有三處鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)都用來(lái)儲(chǔ)氫。

鹽穴之外，廢棄天然氣田雖然在一定的條件下可以儲(chǔ)存天然氣，但是否也能用來(lái)儲(chǔ)存氫氣，需要認(rèn)真研究做可行性分析。比較棘手的問(wèn)題是，氫分子十分活躍，有可能和其中的微生物，硫或者巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是總體來(lái)說(shuō)， 地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)藏成本在$10/MWH, 和制造運(yùn)輸成本相比還是很小的。

解決了制造運(yùn)輸儲(chǔ)藏的問(wèn)題，許多人仍然擔(dān)心氫是否能夠替代其他能源， 我對(duì)此非常樂(lè)觀。在許多工業(yè)領(lǐng)域尤其是難減排行業(yè)，還真是非氫能莫屬。

氫進(jìn)萬(wàn)家早已有之

在天然氣發(fā)電領(lǐng)域，大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，據(jù)西門(mén)子最近的報(bào)告，可以摻混75%的氫。國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有類似的試驗(yàn)，2022年6月，國(guó)家電投下屬的北京重燃已經(jīng)啟動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)摻氫30%的試驗(yàn)。燃?xì)庑″仩t改為燒氫氣或者氫氣天然氣的混合氣體也都是能做到的。

在家居端，其實(shí)我們使用氫也早有歷史。在天然氣還沒(méi)有大規(guī)模進(jìn)入城市之前，我們家里用的都是人工煤氣，其主要成分是氫氣和一氧化碳?，F(xiàn)在如果改成氫能和天然氣，那是沒(méi)有大問(wèn)題的。

在和大眾生活密切相關(guān)的交通領(lǐng)域，氫能燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛是否有競(jìng)爭(zhēng)力?我們必須仔細(xì)分析綜合能效。內(nèi)燃機(jī)車輛總能效平均只有20%，而電動(dòng)車(乘用車)平均能效能夠達(dá)到80%，燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛平均能效大概是36%，難以與電動(dòng)車競(jìng)爭(zhēng)。這也正是現(xiàn)在特斯拉和眾多電動(dòng)車能夠輝煌的原因。

但是，如果是大馬力的卡車，特別是重卡車，或者物流車，這時(shí)電池的自重就成了重大問(wèn)題，因?yàn)楹艽笠徊糠蛛娔芤脕?lái)承擔(dān)車的自重，里程必然受到限制。氫燃料電池，具有一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是單位質(zhì)量的能量(注意不是單位體積)是最大的 —— 每公斤氫相當(dāng)于40度電，是同樣質(zhì)量汽油的3倍，是同樣質(zhì)量鋰電池的100多倍，缺點(diǎn)是體積較大。那么在兼顧電池體積和質(zhì)量(也就是總能量)的前提下，在體積相對(duì)較大的車輛上——卡車， 特別是重卡，物流車上，氫燃料電池就會(huì)顯示較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始證明這一點(diǎn)，中國(guó)的路面上已經(jīng)跑著將近1萬(wàn)輛氫燃料電池物流車。

越是難減排的行業(yè)，氫能越有用

一些現(xiàn)有的行業(yè)是人類文明存在的基礎(chǔ)，但又是難以減排的，對(duì)此氫能有可能發(fā)揮獨(dú)特作用。比如鋼鐵工業(yè)，高爐目前主要是用焦炭作為主要燃料，鐵粉Fe2O3和一氧化碳CO發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)生鐵，溫度高達(dá)2000度，要排放巨量的二氧化碳。但是如果是用氫做燃料，氫是還原劑，鐵粉Fe2O3 和氫H2發(fā)生還原反應(yīng)，溫度只需到800-1200度，就可以生產(chǎn)出鐵(DRI技術(shù))。另外，廢鋼可以在電弧爐中重新鍛造而得到循環(huán)使用，這其中的減碳效應(yīng)也是非?？捎^的。

在航運(yùn)上，綠氫既可以通過(guò)轉(zhuǎn)化為綠氨直接使用，而且氫燃料電池還可以作為岸電系統(tǒng)給船舶充電。這能大大緩解目前航運(yùn)使用重燃料油而帶來(lái)的嚴(yán)重污染。

飛行是當(dāng)代文明的重要標(biāo)志。由于氫能燃料電池體積較大的原因，它可以為短途飛行提供動(dòng)力，但是長(zhǎng)途飛行目前還沒(méi)有看到可靠的方案。但是生物航油也許可以另辟蹊徑解決這個(gè)問(wèn)題。

航天就更清楚了，液氫一直是火箭升空的動(dòng)力之一。如果2050年到火星旅行不再是探險(xiǎn)科考，而是人類看宇宙的一個(gè)選項(xiàng)，氫能一定是少不了的。

在塑料，水泥領(lǐng)域，雖然還沒(méi)有成熟的技術(shù)立刻大規(guī)模減排，但使用氫作為燃料和原料的技術(shù)有很多已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里。水泥的制造方法也許會(huì)發(fā)生革命性的變化，變成用二氧化碳作為原料的負(fù)碳行業(yè)。

氫能將是地緣政治新的穩(wěn)定器

氫能不光是人類解決氣候變化危機(jī)的重要手段，也是許多國(guó)家的發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要?jiǎng)恿ΑＩ程亟裉斐隹谑吞烊粴?，明天就可以出口綠氫;北非今天通過(guò)穿越地中海的管道向歐洲輸送天然氣，明天則可以輸送綠氫;澳大利亞今天出口天然氣，明天也可以出口綠氫。氫能還將是全球地緣政治新平衡的重要媒介。

在歐盟激進(jìn)的能源轉(zhuǎn)型方案中，氫能扮演重大角色，RePower EU計(jì)劃里設(shè)定的目標(biāo)是：到2030年自產(chǎn)500萬(wàn)噸，進(jìn)口1000萬(wàn)噸氫能。美國(guó)對(duì)氫能的政策支持力度更是前所未有。在2021年11月通過(guò)的兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案(Bipartisan Infrastructure Law)給予氫能示范項(xiàng)目95億美元預(yù)算的基礎(chǔ)上，2022年8月出臺(tái)的通脹消減法案(Inflation Reduction Act)大幅提高了支出力度：按全生命周期計(jì)算，如果每公斤氫的CO2 排放低于0.45公斤，并且符合勞工條款，那么每公斤氫可以享受3美元的稅收補(bǔ)貼，這會(huì)極大促進(jìn)綠氫的生產(chǎn)和應(yīng)用。綠氫的規(guī)模生產(chǎn)，會(huì)刺激電解槽裝置容量提升成本降低，也會(huì)產(chǎn)生對(duì)光伏板的新需求。

光伏板不用說(shuō)，主要要靠中國(guó)生產(chǎn)，我認(rèn)為GW級(jí)別的電解槽也會(huì)出自中國(guó)，氫能，將寫(xiě)出全球合作的新篇章，成為全球化的新標(biāo)志。當(dāng)然這會(huì)是艱難的過(guò)程，充滿顛簸和挑戰(zhàn)。

有意思的是，在中國(guó)，地方政府和企業(yè)發(fā)展氫能的力度比中央政府更大。全國(guó)十四五能源規(guī)劃是到2025年綠氫產(chǎn)量10萬(wàn)噸到20萬(wàn)噸，2030年沒(méi)有具體的產(chǎn)量目標(biāo)。但把各省市的規(guī)劃目標(biāo)加總，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了中央政府的規(guī)劃。

放眼全球，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)日益提高的成熟度，生產(chǎn)地域的開(kāi)闊性，使用的便利性和廣泛性，減排的急迫性，多國(guó)政策前所未有的扶持力度，使得氫能的大規(guī)模應(yīng)用不再是天方夜譚，而是可以觸摸的現(xiàn)實(shí)。也許，我們?cè)?030年或者2040年回眸今天，一定會(huì)慶幸當(dāng)初選擇了氫能，才得以化解讓地球洪水滔天的氣候危機(jī)。