太陽能成本持續(xù)下降，氫能源或在十年內(nèi)具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力

詹姆斯·坦普爾

世界正越來越多地依靠綠色氫燃料，來填補(bǔ)清潔能源難題中的一些關(guān)鍵缺失。

美國總統(tǒng)候選人喬 ·拜登的氣候計(jì)劃要求開展一項(xiàng)研究計(jì)劃，以生產(chǎn)一種清潔的天然氣，這種天然氣足夠便宜，可在十年內(nèi)為發(fā)電廠提供燃料。同樣，日本、韓國、澳大利亞、新西蘭和歐盟都發(fā)布了氫路線圖，依靠它來加快電力、運(yùn)輸或工業(yè)部門的溫室氣體減排。與此同時(shí)，全球越來越多的公司正在建設(shè)規(guī)模越來越大的綠色氫發(fā)電廠，或探索其在生產(chǎn)鋼鐵、制造碳中性航空燃料或?yàn)榉?wù)器集群提供備用電源的潛力。

氫能源的吸引力顯而易見。氫是宇宙中最豐富的元素，它可以為車輛提供燃料，為發(fā)電廠提供動(dòng)力，并提供一種存儲(chǔ)可再生能源的方式，而無需排放二氧化碳，從而導(dǎo)致氣候變化或產(chǎn)生其他污染物（其來自汽車和卡車的唯一的副產(chǎn)品是水）。但是，盡管研究人員幾十年來一直在鼓吹 “氫經(jīng)濟(jì)” 的前景，但它幾乎沒有減少人們對(duì)化石燃料的需求。

氫經(jīng)濟(jì)的宏偉愿景受到了阻礙，原因在于其清潔制造工藝的高昂成本，建造相應(yīng)車輛、機(jī)器和管道所需的大規(guī)模投資，以及在電池等競(jìng)爭(zhēng)能源儲(chǔ)存替代品方面取得的進(jìn)展。

那么，是什么讓人們重燃對(duì)氫能源的興趣呢？

一方面，其經(jīng)濟(jì)性正在迅速發(fā)生變化。我們可以通過簡(jiǎn)單地將水分解（在稱為電解的過程中）直接生產(chǎn)氫，但是由于要消耗大量電力，這一過程已經(jīng)非常昂貴。然而，隨著太陽能和風(fēng)能價(jià)格持續(xù)快速下降，這一方案變得可行。

與此同時(shí)，隨著越來越多的國家對(duì)如何在未來幾十年實(shí)現(xiàn)其積極的排放目標(biāo)進(jìn)行了難度計(jì)算，氫的作用似乎越來越重要。加州大學(xué)戴維斯分校可持續(xù)交通能源路徑項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人瓊 ·奧格登說，這是一個(gè)靈活的工具，可以幫助整頓一系列仍未找到可行和現(xiàn)成解決方案的部門，如航空、航運(yùn)、化肥生產(chǎn)和電網(wǎng)長(zhǎng)期儲(chǔ)能。

可再生能源成本下降

但是，到目前為止，清潔氫的生產(chǎn)成本太昂貴了。最近的一篇論文發(fā)現(xiàn)，依靠太陽能來運(yùn)行分解水的電解槽，其運(yùn)行速度可以比天然氣工藝高出六倍，這被稱為蒸汽甲烷重整。

有很多能源專家認(rèn)為，生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用清潔版本氫的額外成本和復(fù)雜性，意味著它永遠(yuǎn)不會(huì)真正超越邊緣化使用的情況。

但是，好消息是，電力本身在制氫成本中所占的比重很大，超過 60%甚至更高，且可再生能源的成本又在迅速下降。同時(shí)，隨著制造商擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，電解槽本身的成本預(yù)計(jì)將急劇下降，并且各個(gè)研究小組都在開發(fā)該技術(shù)的高級(jí)版本。

去年早些時(shí)候，《自然能源》上的一篇論文顯示，如果市場(chǎng)趨勢(shì)持續(xù)如此，綠色氫氣十年內(nèi)在工業(yè)規(guī)模上可能具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。同樣，國際能源署預(yù)測(cè)，到 2030 年，生產(chǎn)清潔氫氣的成本將下降 30%。

一些地方或許可以負(fù)擔(dān)得起綠色氫，因?yàn)樵谶@些地方，過量的可再生發(fā)電將電力成本降低到幾乎為零。摩根士丹利分析師在一份研究報(bào)告中寫道，在美國中西部和得克薩斯州的主要風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)附近設(shè)置綠色氫能設(shè)施，兩年內(nèi)可使燃料成本具有競(jìng)爭(zhēng)力。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 6 月份進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，到本世紀(jì)中葉，氫有可能成為電網(wǎng)上最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的長(zhǎng)期儲(chǔ)存技術(shù)。但是，隨著穩(wěn)定性弱的可再生能源（如太陽能和風(fēng)能）成為主要的電力來源，公用事業(yè)公司將需要存儲(chǔ)足夠的能量，以使電網(wǎng)可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，可不只是幾個(gè)小時(shí)，在某些特殊月份當(dāng)太陽能或風(fēng)能資源枯竭時(shí)，需要可以持續(xù)幾天甚至幾周的能量?jī)?chǔ)備。

這項(xiàng)研究的合著者，該實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究工程師約書亞 ·艾希曼表示，與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比，氫在這種情況下更具優(yōu)勢(shì)。為了延長(zhǎng)電池可靠供電時(shí)間，你需要堆疊更多的電池，如此一來，其中每個(gè)昂貴組件的成本會(huì)成倍增加。他說，有了氫氣，你只需建造一個(gè)更大的儲(chǔ)氣箱，或使用一個(gè)更深的地下洞穴。

使用氫氣

為了使氫能完全替代碳排放燃料，需要大修基礎(chǔ)設(shè)施，以進(jìn)行分銷、存儲(chǔ)和使用氫能。我們須生產(chǎn)帶有燃料電池的車輛和船只，這些燃料電池可以將氫轉(zhuǎn)化為電能，并在港口和公路沿線設(shè)立加氫站。我們需要將燃料電池堆起來，或者建造或改造發(fā)電廠，直接利用燃料為電網(wǎng)供電。

所有這些將花費(fèi)大量時(shí)間和金錢。但是，還有另一種情況可以繞開或延遲許多此類基礎(chǔ)設(shè)施的大動(dòng)作。有了氫氣后，將其與一氧化碳結(jié)合起來生產(chǎn)合成燃料，也可以為汽車、卡車、輪船和飛機(jī)提供動(dòng)力。這樣的工業(yè)過程已有一個(gè)世紀(jì)的歷史，石油匱乏的國家已多次使用它來從煤炭或天然氣中生產(chǎn)燃料。

總部位于不列顛哥倫比亞省斯闊米什的碳工程公司 Carbon Engineering 正在開發(fā)從空氣中捕獲二氧化碳的設(shè)施。該公司計(jì)劃將其與氫結(jié)合來生產(chǎn)合成燃料。這種燃料將是碳中和的，即排放的二氧化碳量不超過該過程中被去除或產(chǎn)生的二氧化碳。

在去年底舉行的食品法典會(huì)議上，Carbon Engineering 創(chuàng)始人兼哈佛大學(xué)教授大衛(wèi)·基思表示，太陽能價(jià)格的下跌使他們能夠在 2020 年代中期以每升 1 美元（約合每加侖 4 美元）的價(jià)格將 “氣體燃料” 推向市場(chǎng)，且自此以后，價(jià)格將持續(xù)下降。

這里的關(guān)鍵信息是，可以通過即將開發(fā)的商品硬件很快做到這一點(diǎn)。基思認(rèn)為，2030 年之后不久，每天大約有 100 萬桶的氣體可用于合成碳?xì)浠衔?，此后就不?huì)再有明顯的規(guī)模限制。

實(shí)際上，該過程提供了一種方法，可以將短暫波動(dòng)的太陽能轉(zhuǎn)換為可永久存儲(chǔ)的燃料，這些燃料可以填充任何一臺(tái)機(jī)器的油箱。基思說：“這是一條能量途徑，用于解決間歇性問題，其解決方式是允許你為世界各地的高能量密度需求提供動(dòng)力，允許你駕駛飛機(jī)飛越北大西洋?！?/p>

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）