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《硅谷的氫視角》是斯坦福大學(xué)工商管理碩士學(xué)生凱倫·貝特和蒂洛·布勞恩的一個(gè)系列，旨在揭示氫的趨勢(shì)和創(chuàng)新。這是調(diào)查該行業(yè)系列文章的第一篇。
清潔氫氣是這十年的流行語(yǔ)之一。毫無(wú)疑問(wèn)，在不久的將來(lái)，它將成為我們生活中比現(xiàn)在大得多的一部分——但也許不是以每個(gè)人都在談?wù)摰姆绞健?/span>
氫會(huì)在對(duì)抗氣候變化中發(fā)揮關(guān)鍵作用還是一種炒作？?jī)烧呓允?/span>
我們?cè)谶@里辨別真實(shí)和炒作。
在過(guò)去的幾個(gè)月里，與數(shù)十位專家的交談幫助我們區(qū)分了信號(hào)和噪音。我們使用了一些世界上最受尊敬的機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建了自下而上的模型來(lái)建立沒(méi)有預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)。有些發(fā)現(xiàn)令我們驚訝，有些則不然。
1、燃料電池汽車已經(jīng)死了。燃料電池卡車萬(wàn)歲。
2、火車將成為清潔氫氣的最大使用案例之一
3、1億噸灰色氫會(huì)先變藍(lán)后變綠
4、氫將如何利用夏天的陽(yáng)光在冬天維持照明
5、氫氣將會(huì)回收你的可樂(lè)罐
向下滾動(dòng)到末尾，查看我們對(duì)2030年各行業(yè)清潔氫氣需求的預(yù)測(cè)。
首先，燃料電池汽車已經(jīng)死了。燃料電池卡車萬(wàn)歲
幾十年來(lái)，政府、公司和媒體一直在描繪燃料電池汽車(燃料電池電動(dòng)汽車或FCEV)的未來(lái)，只有水滴來(lái)自廢氣。
現(xiàn)在，世界上大多數(shù)人都認(rèn)為FCEV沒(méi)有未來(lái)。最近，世界上最大的汽車制造商大眾集團(tuán)去年宣布停止所有燃料電池的開(kāi)發(fā)工作，這應(yīng)該是燃料電池汽車的喪鐘。電池電動(dòng)汽車(BEV)超過(guò)80%的從車輪到車輪的效率超過(guò)了燃料電池汽車每天可達(dá)到的40%到50%的效率，使BEV在運(yùn)營(yíng)成本上遙遙領(lǐng)先。與此同時(shí)，里程越來(lái)越不是bev們關(guān)心的問(wèn)題。
如果這一點(diǎn)如此明顯，為什么加州正在將氫燃料補(bǔ)給站的數(shù)量從49個(gè)增加到170多個(gè)？
長(zhǎng)途貨運(yùn)。8級(jí)卡車是重型卡車，是大多數(shù)內(nèi)陸供應(yīng)鏈的支柱。卡車運(yùn)輸中使用的所有能源的70%是由具有許多長(zhǎng)路線的8級(jí)及以上卡車使用的。
對(duì)于較短的路線，電池驅(qū)動(dòng)的卡車將純粹基于經(jīng)濟(jì)性獲勝。然而，對(duì)于長(zhǎng)路線來(lái)說(shuō)，這是不現(xiàn)實(shí)的。為了實(shí)現(xiàn)8級(jí)卡車500英里的行駛里程，20%的有效載荷將用于電池，這意味著可以減少20%的質(zhì)量。如果這還不夠糟糕的話，建設(shè)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)同時(shí)為幾十輛夜間?？康目ㄜ嚦潆娛欠浅０嘿F的。
我們預(yù)計(jì)燃料電池驅(qū)動(dòng)的卡車將在未來(lái)主導(dǎo)長(zhǎng)途貨運(yùn)。像沃爾沃、戴姆勒和Hyzon這樣的公司正帶頭沖鋒陷陣，從加州到歐盟和印度的政府都將鼓勵(lì)它們的采用。
我們估計(jì)，到2030年，在我們的基本模型中，全球長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸每年將消耗270萬(wàn)噸清潔氫氣，上限為470萬(wàn)噸。
第二，鐵路可能是2030年綠色氫最大的運(yùn)輸用例之一
火車通常被認(rèn)為是一種綠色交通工具。然而，盡管它們只占溫室氣體排放總量的一小部分，但它們絕非微不足道。全球不到30%的鐵路已經(jīng)電氣化，升級(jí)線路所需的投資不僅令人望而卻步，而且由于利用率低和距離遠(yuǎn)，通常不具有經(jīng)濟(jì)意義。
在德國(guó)，由阿爾斯通公司建造的氫燃料電池列車已成功完成試用期，并將于今年3月開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。與此同時(shí)，Caltrans最近對(duì)零排放方案的研究表明，氫燃料電池列車是到2035年實(shí)現(xiàn)100% GHG減排目標(biāo)的首選方案。
電池電動(dòng)火車已經(jīng)被提議作為一種替代方案，世界各地都在進(jìn)行試驗(yàn)。然而，燃料電池列車相對(duì)于電池電動(dòng)列車有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì):電池電動(dòng)列車的行駛里程限制在大約300公里——對(duì)于長(zhǎng)途運(yùn)輸來(lái)說(shuō)太短了——而且需要很長(zhǎng)的充電時(shí)間。燃料電池列車可以像今天一樣以同樣的模式運(yùn)行，同時(shí)幾乎不需要投資新的基礎(chǔ)設(shè)施。在美國(guó)，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是對(duì)主要由私人所有的鐵路線的互操作性的需求。
我們相信，運(yùn)營(yíng)方面的考慮將推動(dòng)燃料電池列車在缺乏電氣化的地區(qū)和長(zhǎng)途線路上的采用。雖然利布賴?？赡軙?huì)把鄉(xiāng)村火車放在最底層氫氣梯，我們看到長(zhǎng)途和區(qū)域列車就在那里，為新的清潔氫的使用情況。
我們的模型顯示，到2030年，全球燃料電池列車將使用210萬(wàn)噸清潔氫氣，上限為500萬(wàn)噸。
第三，1億噸灰色氫會(huì)先變藍(lán)后變綠
氫是一種豐富多彩的商品，從綠色到紫色、黃色、藍(lán)綠色和藍(lán)色，氫彩虹不斷擴(kuò)展。不幸的是，現(xiàn)實(shí)沒(méi)有那么豐富多彩，因?yàn)榻裉齑蠹s95%的氫是灰色的或基于化石的。
今天的氫工業(yè)(也被稱為舊氫工業(yè))主要由大型工業(yè)應(yīng)用組成，如化肥生產(chǎn)、煉油和甲醇生產(chǎn)。
我們將看到該行業(yè)向清潔氫氣過(guò)渡的速度將在很大程度上取決于監(jiān)管推動(dòng)和客戶拉動(dòng)。化肥行業(yè)就是一個(gè)例子，既沒(méi)有重大的激勵(lì)措施，也沒(méi)有客戶需求來(lái)推動(dòng)脫碳。另一方面，鋼鐵是汽車原始設(shè)備制造商及其客戶極力爭(zhēng)取的一個(gè)很好的例子綠色的鋼鐵正在向低碳供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)型——例如，沃爾沃最近開(kāi)始從SSAB采購(gòu)綠色鋼鐵。而后面的玩家最終目標(biāo)是切換到100%綠色的氫氣(在可再生電力驅(qū)動(dòng)的電解器中通過(guò)水分解產(chǎn)生的氫氣)，我們相信短期的未來(lái)會(huì)有所不同。
考慮到現(xiàn)有制氫基礎(chǔ)設(shè)施(通常是蒸汽甲烷重整器)的高資本成本，目前更經(jīng)濟(jì)的解決方案是用所謂的集中碳捕獲技術(shù)改造現(xiàn)有的制氫設(shè)備藍(lán)色氫氣。談?wù)撍{(lán)色氫，重要的是要認(rèn)識(shí)到碳捕獲的成本是如何依賴于CO2的濃度。SMR廢氣中的二氧化碳濃度為50%，這使得二氧化碳很容易被捕獲，每公斤僅增加約0.19美元?；剂先紵蟮臒煹罋?廢氣)通常包含約10%的CO2，這使得CO2捕獲更具挑戰(zhàn)性，因此成本更高。兩者都屬于點(diǎn)源捕獲類別，比從大氣中捕獲二氧化碳(所謂的直接空氣捕獲)要容易得多，也便宜得多。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，當(dāng)現(xiàn)有的SMR工廠將完全折舊，需要更換時(shí)，電解槽將在世界上大多數(shù)地區(qū)占據(jù)一席之地。在具備良好的可再生能源部署條件的地區(qū)，100%清潔電力的價(jià)格將降至每千瓦時(shí)2-3美分以下，這可能會(huì)將綠色氫的成本推低至灰色氫的成本以下。
在其他可再生能源供應(yīng)較少的地區(qū)(如波蘭)或天然氣價(jià)格非常低的地區(qū)(如俄羅斯)，藍(lán)色在未來(lái)的十年或二十年里，氫氣可能仍然是脫碳最可行的選擇。
第四——?dú)錃鈱⑷绾卫孟募镜奶?yáng)在冬季保持燈亮
國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)最近的分析已經(jīng)證明，在現(xiàn)有的季節(jié)性儲(chǔ)能替代方案中，氫氣具有最大的潛力。
就短期儲(chǔ)存而言，電池比氫基電池更有效，因此也更經(jīng)濟(jì)。然而，對(duì)于超過(guò)20-45小時(shí)的放電持續(xù)時(shí)間，氫成為有吸引力的解決方案。
例如，夏季多余的太陽(yáng)能電力可以用來(lái)生產(chǎn)綠色氫，綠色氫可以以氫、氨或其他衍生物的形式儲(chǔ)存數(shù)月，在冬季用作能源。通過(guò)這種方式，氫氣將成為緩解季節(jié)性供需失衡的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)高比例至極高比例間歇性可再生能源(包括太陽(yáng)能和風(fēng)能)的不可或缺的組成部分。
氫可以通過(guò)燃料電池重新轉(zhuǎn)化為電能，或者直接用作燃料。雖然我們不同意埃隆·馬斯克關(guān)于燃料電池“極其愚蠢”的說(shuō)法，但我們承認(rèn)60%的全周期損耗(電力-H2-電力)與15%的電池儲(chǔ)能相比仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這就是為什么在可再生能源價(jià)格大幅下降和技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)步之前，我們不希望綠色氫被用于發(fā)電。與此同時(shí)，燃燒氫氣(包括其衍生物)供熱或?qū)⑵溆米魅剂?前體)將占主導(dǎo)地位。
除了季節(jié)性儲(chǔ)存，氫氣預(yù)計(jì)也將在多天儲(chǔ)存中發(fā)揮重要作用。這在像瑞典這樣風(fēng)能份額高的地區(qū)將變得越來(lái)越重要。雖然氫氣可以在強(qiáng)風(fēng)期間產(chǎn)生，但氫氣可以用于工業(yè)，或者在風(fēng)力較低時(shí)可能重新轉(zhuǎn)化為電力。
所有這一切讓我們相信，到2030年，每年將生產(chǎn)約1000萬(wàn)噸清潔氫氣用于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，而這只是冰山一角。
第五，氫將會(huì)回收你的可樂(lè)罐
清潔的氫氣有許多工業(yè)應(yīng)用能夠用于脫碳過(guò)程，但只有少數(shù)地方可能會(huì)擴(kuò)散。最合適的使用案例是高溫加熱(%3E400攝氏度或%3E750華氏度)。大約9%的全球排放來(lái)自工業(yè)熱，大約一半的全球工業(yè)熱需求是高溫?zé)?，主要?lái)自金屬加工、化學(xué)品和水泥。鐵/鋼的潛在應(yīng)用已被廣泛報(bào)道，但許多其他應(yīng)用經(jīng)常被忽視。
可樂(lè)罐:美國(guó)80%的鋁生產(chǎn)是所謂的二次生產(chǎn)——回收。二次生產(chǎn)通常在溫度約為750攝氏度的天然氣爐中進(jìn)行。這些爐可以進(jìn)行改造，以相對(duì)較低的成本使用清潔的氫氣。
氫在工業(yè)加熱中的其他重要應(yīng)用包括水泥生產(chǎn)(目前占全球熱量的8%)、玻璃生產(chǎn)和特種紙生產(chǎn)。
競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)包括生物燃料、電加熱和碳捕獲和利用/儲(chǔ)存(CCUS)。對(duì)于一些不適合燃料轉(zhuǎn)換的工藝，CCUS可能是唯一的解決方案，而電力可能會(huì)在許多新項(xiàng)目中勝出。生物燃料可以有效地替代現(xiàn)有工廠中的燃料，但可能會(huì)產(chǎn)生高額的額外成本，而且生物燃料的二級(jí)排放也值得懷疑。這使得清潔的氫氣成為改造現(xiàn)有工廠的首選燃料——特別是對(duì)于今天燃燒天然氣的應(yīng)用，轉(zhuǎn)換成本相對(duì)較低。
我們估計(jì)，2030年，工業(yè)流程中使用的清潔氫氣的基數(shù)為440萬(wàn)噸，上限為990萬(wàn)噸。
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