對(duì)可再生氫發(fā)展前景的思考

Michael J.Brear

a Melbourne Energy Institute,University of Melbourne,Parkville,VIC 3010,Australia

b Department of Mechanical Engineering,University of Melbourne,Parkville,VIC 3010,Australia

在過去的兩年左右時(shí)間里，澳大利亞[1-3]和全世界對(duì)氫作為一種能源越來越感興趣。值得注意的是，這不是氫第一次引起我們的興趣。最新的情況是在21世紀(jì)，全世界對(duì)氫的研究、開發(fā)和示范進(jìn)行了大量投資。在此之前，20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)也促進(jìn)了對(duì)氫的大量投資。更早以前，還缺乏關(guān)于氫的文獻(xiàn)。但是，氫能經(jīng)濟(jì)仍然只是一個(gè)概念。

如果確實(shí)有氫能經(jīng)濟(jì)，這會(huì)有什么不同？

這是我們大家都需要問的一個(gè)重要問題，筆者只能給出兩個(gè)可能的答案。首先，自從最初有所關(guān)注以來，我們就迫切需要大幅減少溫室氣體（GHG）排放。其次，相比以前，現(xiàn)在可再生能源的可負(fù)擔(dān)能力要高得多，在支持者最強(qiáng)有力的支持下，其在降低成本方面也一直超出預(yù)期。

盡管可再生能源成本的持續(xù)降低是非常有希望的，但實(shí)現(xiàn)大幅減少溫室氣體排放仍然是一個(gè)有難度的關(guān)鍵問題。此外，應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)需要對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來盡可能少的不利影響。

在考慮氫可能起到什么作用時(shí)，我們首先應(yīng)該仔細(xì)考慮全球能源系統(tǒng)的龐大的規(guī)模和復(fù)雜性，以及主要能源商品的常見價(jià)格。這些可以為氫能的發(fā)展提供各種觀點(diǎn)。對(duì)于像澳大利亞這樣人口較少的溫帶國(guó)家，在以能源為基礎(chǔ)的前提下，國(guó)內(nèi)天然氣和運(yùn)輸燃料市場(chǎng)比電力市場(chǎng)更大[4]：

·電力：消耗≈9×1017J·a-1，常見批發(fā)價(jià)=60 AUD·MW-1·h-1；

·天然氣：消耗≈1.5×1018J·a-1，常見批發(fā)價(jià)≈8 AUD·GJ-1≈29 AUD·MW-1·h-1；

·汽油、柴油和煤油：消耗≈2.3×1018J·a-1，常見批發(fā)價(jià)≈30 AUD·GJ-1≈108 AUD·MW-1·h-1。

毫不奇怪，寒冷國(guó)家的天然氣市場(chǎng)通常大于電力市場(chǎng)。但是，這種比較表明，運(yùn)輸燃料的價(jià)格相對(duì)較高，用氫代替的前景更為廣闊，在減排上其規(guī)模可與電力部門相提并論。

（1）制氫途徑

如今，氫氣主要通過改造天然氣制得，煤炭氣化技術(shù)和電解技術(shù)被認(rèn)為是最有前景的替代方式。值得注意的是，天然氣和煤炭技術(shù)路徑都必須包括碳捕集與封存（CCS）技術(shù)以減少排放，這增加了清潔制氫的成本[2]。

然而，最近的許多研發(fā)都集中在使用可再生能源來給電解器提供能量。堿性和高分子電解質(zhì)膜（PEM）技術(shù)是最常用的技術(shù)，兩者都有一些領(lǐng)先的制造商（如參考文獻(xiàn)[5,6]），并且通過上述文獻(xiàn)可以清晰理解它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）電價(jià)和資產(chǎn)利用的重要性

不管是否考慮堿性電解或PEM電解，圖1均顯示電價(jià)和電解槽利用率是決定可再生氫生產(chǎn)成本的主要因素。如附錄A中給出的定義所述，如果沒有補(bǔ)貼，可再生能源要與液體燃料競(jìng)爭(zhēng)，就需要比當(dāng)前的可再生能源便宜，并能提供高利用率的電解器。

向電解器供應(yīng)間歇性可再生電力是另一個(gè)難題，因?yàn)閳D1顯示，電解器需要以高容量系數(shù)運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的性能。這可以通過多種方式來解決，最常見的是采用足夠穩(wěn)固的電力供應(yīng)，例如，通過綜合運(yùn)用可再生能源以及綜合運(yùn)用水能、核能或化石發(fā)電中的幾種來實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，通過化石能源生產(chǎn)的穩(wěn)固性電力供應(yīng)會(huì)增加氫氣生產(chǎn)中的溫室氣體，如果不加注意，這會(huì)破壞電解制氫的溫室氣體效益。

要使電解器容量系數(shù)高而又不依賴于固化的另一種方法是，相對(duì)于供應(yīng)電解器的可再生能源而言，減小電解器的尺寸。如圖2所示，容量遠(yuǎn)小于可再生能源供應(yīng)的電解槽的容量系數(shù)趨于100%，而容量與可再生能源相同的電解器，具有與供應(yīng)可再生能源的電解槽相同的容量系數(shù)。盡管非常高的容量系數(shù)似乎很有吸引力，但小型電解槽幾乎不產(chǎn)生氫氣。鑒于我們的電力和運(yùn)輸燃料系統(tǒng)的規(guī)模相似，因此我們可以選擇生產(chǎn)相似數(shù)量的兩者，如圖2（b）中的黃色方框所示。

圖1.氫氣的平均成本（LCOH）與堿性電解器的容量因子（a）和容量因子為75%的成本以及近似的堿性和PEM成本（b）。

圖2.堿性電解器的容量因子（a）和堿性電解槽與提供可再生能源的發(fā)電機(jī)之間的LCOH（b）。發(fā)電數(shù)據(jù)來自澳大利亞國(guó)家電力市場(chǎng)中兩個(gè)正在運(yùn)營(yíng)的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠。

（3）系統(tǒng)集成和其他注意事項(xiàng)

仍有許多尚未討論的因素，其影響可再生制氫的經(jīng)濟(jì)性。這些因素包括：

·在大規(guī)模的電力市場(chǎng)中由電解器提供輔助和需求響應(yīng)服務(wù)，這往往使PEM優(yōu)于堿性技術(shù)；

·大型電解器的投資成本和效率將在未來十年內(nèi)如何變化；

·所有捆綁的電費(fèi)，特別是網(wǎng)絡(luò)費(fèi)和成本的影響。

盡管這些因素很重要，但它們沒有對(duì)本文介紹的基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生顯著的影響?？稍偕娏Φ膬r(jià)格對(duì)通過電解制得可再生氫能的前景至關(guān)重要。

（4）結(jié)語

在未來約10年中，可再生能源生產(chǎn)氫氣具有可觀的商業(yè)前景，尤其是在脫碳運(yùn)輸方面。如果可再生電力價(jià)格繼續(xù)下降，即使沒有補(bǔ)貼，與傳統(tǒng)液體燃料相比，可再生氫在成本方面仍具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。在這種情況下，以能源為基礎(chǔ)的氫生產(chǎn)可以與現(xiàn)存的可再生電力相提并論。鑒于這兩個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模，成本是對(duì)二者進(jìn)行選擇時(shí)一個(gè)重要的考慮因素。

但是，很難看到可再生氫將如何與目前至少便宜3倍的天然氣競(jìng)爭(zhēng)。要使可再生氫的價(jià)格與化石天然氣具有競(jìng)爭(zhēng)力，需要每噸數(shù)百美元的有效碳價(jià)格[7]，而且在我們的經(jīng)濟(jì)中還有許多其他更具成本效益的減排方式。反過來，這表明，正如其他研究者所指出的那樣[2,7]，由天然氣或煤炭以及CCS產(chǎn)生的氫氣可能在一段時(shí)間內(nèi)具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，堅(jiān)持僅使用可再生能源很可能會(huì)減少實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的機(jī)會(huì)。我們需要為國(guó)內(nèi)和出口的氫氣市場(chǎng)建立整個(gè)供應(yīng)鏈。從過去約100年的電力能源、天然氣和液體燃料能源的發(fā)展中可知，這將是一項(xiàng)持續(xù)數(shù)十年的與社會(huì)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管任務(wù)。

如果這真的實(shí)現(xiàn)的話，那么將擁有以下非常富有吸引力的前景：

·千兆瓦級(jí)的風(fēng)能和（或）太陽能發(fā)電場(chǎng)，與亞千兆瓦級(jí)的電解器相連；

·電解器為電力系統(tǒng)的安全性和可靠性提供輔助服務(wù)；

·電解器還可以出售氧氣，將其作為工業(yè)原料獲得額外收入。

然后，公共汽車、卡車、火車和輪船可以使用在CCS或其產(chǎn)品中產(chǎn)生的可再生氫或化石氫運(yùn)行。同時(shí)，混合動(dòng)力或全電動(dòng)輕型車輛可以提供清潔的私人出行工具，而氫能可以為工業(yè)和非電氣供暖以及為清潔的電力系統(tǒng)提供支持。

Acknowledgements

I am grateful to the owners of a solar and a wind farm of Australia’s National Electricity Market for supporting the data which are used for generating Fig.2.

Appendix A.Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.09.008.