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对氢能热的冷思考:将炒作与氢分离——绿氢难敌廉价天然气、热泵

作者:中国储能网新闻中心 来源:国际能源小数据 发布时间:2020-10-21 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),今天摘译第二部分:氢能需求。

我们知道,理论上绿色氢气可以应用于工业、运输、电力和供暖等各个领域。然而,氢能不会仅仅因为其绿色就奇迹般地占领市场。氢能不仅要打败现有的常规技术,还必须与其他所有的零碳技术竞争。

作为一种化学原料,氢是不可替代的。然而,作为一种储能介质,其总效率只有50%,远远低于电池。作为动力,燃料电池发动机的效率只有60%,远比电机差,而且复杂得多。作为热源,氢的价格是天然气的四倍。作为一种运输能源的方式,氢管道的输送成本是电力传输的三倍,用于轮船和卡车的分配成本则更高。

这意味着,在未来全球净零排放的能源组合中,氢的作用将是完成那些无法直接使用清洁电力、电池的终端用途。此外,建立在低成本风能和太阳能基础上的电力系统,需要氢能提供可靠的备份的灵活容量,以及战略性的能量存储以抵御冲击。

代替灰氢

我们先看一下难以脱碳的行业。从工业部门开始,工业占全球二氧化碳排放量的24%。欧盟的氢战略特别强调绿色氢的使用,以“减少和取代炼油厂、氨生产和新型甲醇生产中碳密集型氢的使用”。这些行业的灰氢生产目前占欧盟天然气需求的6%,煤炭需求的2%。如果绿色氢能以与灰氢竞争的价格生产,那么绿氢进入这些现有市场应该很简单,从而将欧盟的二氧化碳排放量减少2.2%。

零碳钢

钢铁业和水泥业一样,是最大的工业二氧化碳排放源之一:在欧洲,造成了20%的工业排放量和8%的总排放量。抛开28%的再生钢产量,处理铁矿石的最常见方法是通过简陋的高炉,使用冶金煤生产的焦炭。彭博新能源财经在其2019年对无化石钢制造成本的分析中得出结论,只要氢基钢能够以每千克2.5欧元的价格生产出来,氢基钢就会与目前最昂贵的钢铁生产相竞争。与世界上最便宜的钢铁生产竞争,氢的价格将需要低至每千克0.6欧元,即使到2050年也不太可能。到2030年,每千克2美元的绿氢成本将要求二氧化碳价格达到125美元/公吨,到2050年,随着氢价格的持续下跌,所需二氧化碳价格将降至每吨50美元。

然而,在钢铁行业,氢的另一个竞争对手是用电直接还原。波士顿金属公司(Boston Metal)将石油巨头OGCI和比尔•盖茨(Bill Gates)成立的突破性能源风险投资公司(Breakthrough Energy Ventures)列为投资者之一,该公司正在开发一种熔融氧化物电解系统,该系统可用于多种金属(以及稀土)的生产,其目标价格是低于普通高炉。

工业用热

接下来让我们来看看那些排放主要来自于热量需求的行业,例如玻璃行业。在欧洲,玻璃制造业占工业排放量的3.1%。但是用氢气替代天然气并不容易。欧盟氢能战略的目标是到2030年,氢的价格为1.1至2.4欧元,即相当于每百万英热单位的热成本为11.4至21.1美元。相比之下,欧洲的天然气价格仅为每百万英热单位4美元。假设氢能成本达到欧盟2030年目标的低端,与以每百万英热单位4美元的天然气竞争,仍需要欧盟排放交易机制的价格为每公吨二氧化碳120欧元(140美元),超过目前碳价的四倍。在欧洲以外,天然气价格在2美元至5美元/百万英热单位之间,在没有补贴或碳价的情况下,氢的成本需要下降到每千克0.25至0.6美元,才能在工业用热市场上竞争。这将是一个漫长的等待过程。

绿氢与绿色电力

根据彭博新能源财经2019年8月的《可再生能源制氢经济学》报告,到2050年,绿氢的价格可能达到0.8美元/千克,取决于可再生能源发电价格在14美元至17美元/兆瓦时之间。为了在热市场上与2美元/百万英热单位的天然气竞争,绿电需要56美元/吨的二氧化碳价格补贴;相比之下,绿氢需要94美元/吨的价格才能具有竞争力。在欧洲,天然气目前的售价为每百万英热单位4美元,每兆瓦时17美元的可再生电力根本不需要碳价补贴就具有竞争性,但这个价格下所能生产的绿氢需要每吨57美元的二氧化碳价格补贴才能与天然气竞争。

事实上,这还不是问题的全部。在过去的十年里,热泵革命悄然发生。工业用热泵的工作温度已高达160摄氏度,性能系数为3,相当于节能66%。相比氢能的电解、压缩和氢气输送的损失,使用热泵比氢能可以节省80%的能源。

热水和供暖

让我们来谈谈水和供暖——这两项合计占全球排放量的6%。由于可再生能源和绿氢之间的效率损失,即使绿氢在2050年的价格为0.8美元/千克,仍需要57美元/吨的二氧化碳价格补贴来与欧洲天然气以4美元/百万英热单位的价格竞争,而要与2美元/百万英热单位的天然气竞争,则需要每吨94美元的二氧化碳价格补贴。而且,热泵对绿氢更是最致命的技术。通过热泵,每单位风能或太阳能产生的热量比通过氢气锅炉或熔炉输送的热量高出约4倍。而且热泵还可以在夏天被逆转成空调——不像氢气锅炉、熔炉或燃料电池只能用于供暖。

运输

2003年,欧盟支持的欧洲氢和燃料电池技术平台预测,到2020年,将有500万辆氢汽车上街,用氢取代5%的运输燃料。回到现实世界,目前全球道路上仍有不到2万辆获得高额补贴的氢燃料电池车辆,由大约400个几乎完全由政府资助的加氢站提供服务。市场上有三款氢动力车型:丰田Mirai、现代Nexo和本田Clarity,其里程并不比同等尺寸的电动汽车(BEV)多,而且一点也不轻,后备箱空间更小(有加压的氢罐),有更多的活动部件,这意味着更高的维护成本。如果这些都不能阻止你买一辆燃料电池汽车,那就看价格:燃料电池汽车比同等的电动汽车高出20%。

航空和航运

说到航空和航运,氢的前景看起来最有希望。电池的能量密度很低,很难为超过40海里(75公里)的航线提供服务。还有航空,未来飞机将是混合动力。选择的燃料要么是氢(空中客车公司最近披露了一系列氢动力概念),要么是氨,要么是一种合成液体燃料,由绿氢与从空气中捕获或通过生物质生产的碳混合而成。

关键字:氢能

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