氢动未来预测——来自水的能量

清洁氢能是近十年来最为流行的话题之一。毫无疑问，在不久的将来，氢能将来在我们生活中变得越来越重要-但也许不是每个人都在关注它。

氢能可在应对气候变化方面发挥关键作用，亦或是一种炒作？它两者都有。

今儿的文章是为了辨别真实情况和炒作。

在过去的几个月里，我们和数十位专家进行交谈，以将行业发展信号和嗓音区别开来。我们采用了享誉世界的机构的一些数据，创建了从总体到细节的模型来进行一些预测。有些发现让我们感到很惊讶，而有些则没有。

1.燃料电池汽车已死。燃料电池卡车万岁。

2. 火车将成为清洁氢的最大应用之一。

3. 1亿吨灰氢将会先变蓝再变绿。

4.夏日阳光生产的氢将如何保持冬天的灯火通明。

5.氢气将回收利用可乐罐。

第一，燃料电池小汽车已穷途末路。燃料电池卡车万岁。

近几十年来，政府、公司和媒体一直在描绘着燃料电池汽车FCEVs或燃料电池电动汽车美好的未来，燃料电池汽车排放物只有水。

到目前为止，世界上绝大多数人都认为燃料电池小汽车没有未来。最近的消息是，2021年，世界最大的汽车生产商大众汽车集团宣布停止所有燃料电池的研发工作，这应该是为燃料电池小汽车敲响了丧钟。电池电动汽车的轮毂效率超过80%，超过了燃料电池汽车每天可达到的40%-50%，这是纯电动汽车在运营成本上的胜利。同时，续航里程再也不是纯电动汽车所关心的问题。

如果都已经这明显了，那么为什么加州还要将加氢站的数量从49个增加至170多个，翻了3倍多？

答案就是：长途货运车辆。8类卡车是重卡，是大多数内陆供应链的支柱。卡车运输中利用的能源有70%是许多长途路线的8类及以上卡车。

对于较短的路线，纯电动汽车的经济性比较好。但对长途路线来说，就不太现实。为让8级卡车实现行驶500英里的续航，将有20%的有效载荷将用于电池。这意味着减少了20%的重量。如果这还不够糟，那么打造庞大的基础设施，在夜间同时停靠数十辆卡车进行充电则成本非常高。

据我们预计，氢能燃料电池重卡将是未来长途卡车运输的主流。沃尔沃、戴姆勒和Hyzon等公司引领潮流，从加州政府到欧盟政府到印度政府都鼓励对氢能重卡的采用。

在我们的基本案例模型中我们估计，到2030年，全球长途卡车运输每年可消耗270万吨清洁氢，上限为470万吨。

第二 - 铁路可能是 2030 年绿氢最大运输应用行业之一

火车通常被认为是绿色交通出行方式之一。不过，虽然火车只占温室气体排放量的一小部分，但并非微不足道。全球不到30%的铁路已实现电气化，升级线路所需的投资费用让我们望而却步，且因为利用率低距离遥远，通常来说也没什么经济意义。

在德国，阿尔斯通生产的燃料电池火车已顺利完成测试，将于2022年3月开始商业化运营。同时，加州交通局最近对零排放方案的研究表明，氢能燃料电池火车是2035年实现100%温室气体排放目标的首选方案。

纯电动火车作为替代方案已在全球各地开始试运行。不过，燃料电池火车和纯正电动火车相比有个关键优势：纯电动火车行驶里程限制约在300公里，这对长途运输来说显然里程不够，最重要的是纯电动火车充电需要很长的时间。燃料电池火车的运营模式和当下火车的运营模式相同，几乎无需对新的基础设施进行投资。在美国，另一个驱动因素是，对主要的私人所有的火车线路的互操作性。

我们认为，出于运营方面的考虑，这将会推动燃料电池火车在缺乏电气化的区域和长途运输火车路线的应用。虽然利贝雷茨（捷克西北部城市）可能会把郊区火车放在氢能应用的底部，但我们看到了有长途火车和区域火车都在应用清洁氢的案例。

我们的模型显示，全球燃料电池火车在2030年将使用210万吨清洁氢，上限为500万吨。

第三-1亿吨氢将会先变蓝再变绿

氢气是一种五颜六色的商品，从绿色到紫色，黄色，绿松石色，到蓝色，氢能彩虹在不断进行扩展。不过，因当今约95%的氢主要是灰氢或是基于化石燃料生产的氢，在现实中氢能的彩色略逊一筹。

当今的氢能行业（也被称为旧氢行业）主要是由大型工业应用案例组成，由化肥生产、炼油和甲醇生产。

我们看到，向清洁氢过渡的速度很大程度上取决于监管推动和用户的拉动。化肥行业就是个很好的案例，既没有明显的激励措施，也没有客户推动脱碳的需求。另一方面，钢铁行业也是个很好的例子，汽车OEM及其客户在向低碳供应链过渡的过程中，推动了绿色钢铁-如，沃尔沃最近开始从SSAB采购绿色钢铁。虽然后者的目标是转向100%绿氢（利用可再生电力，驱动电解槽进行电解水制氢），但我们相信在很短的时间内就能看出来有所不同。

考虑到现有的制氢基础设施（通常是甲烷重整制氢）的高资本成本，今天更为经济的解决方案是升级现有的制氢设备，采用浓缩碳捕捉，即生产所谓的蓝氢。谈到蓝氢，重要的是了解捕捉成本对CO2浓度的依赖程度。SMR废气中的CO2浓度为50%，使得CO2非常容易进行捕捉，每公斤的氢气成本仅增加了0.19美元。化石燃料燃烧后的烟道气体（废气）通常含有约10%的CO2，这使得CO2的捕捉更具有挑战性，因此成本更高。两者都属于点源捕获类型，且比从大气中捕捉CO2（所谓的直接空气捕捉）更容易且更便宜。

长远来看，现有的SMR工厂将完全折旧并需要更换时，电解槽将在世界各地占据一席之地。在可再生能源部署条件良好的地区，100%清洁电力的价格将降至每千瓦时2-3美分以下，这可能会使绿氢的成本低于灰氢。

在可再生能源可用性较低（如波兰）或是天然气价格非常低（如俄罗斯）的其它地区，蓝氢仍是未来十年或是二十年的最佳脱碳选择。

第四 - 夏日阳光生产的氢将如何保持冬日的灯火通明

美国国家可再生能源实验室NREL最近的分析证明，在现有的季节性替代产品中，氢能潜力最大。

在电力短期存储方面，电池存储比基于氢能的存储更有效，因此在经济上更为可行。然而，对于超过20-45个小时的持续放电时间，氢能则成为一种有吸引力的解决方案。

如，在夏季多余的太阳能电力可用于生产绿氢，绿氢可以以氢气、氨气或其它衍生物的形式存储数月，并在冬季时用做能源。利用这种方式，氢能将成为缓解季节性供需失衡的有效方式，这是实现太阳能和风能在内的间歇性可再生能源高份额的不可或缺的组成部分。

氢气可通过燃料电池重新转化为电能或是直接用作燃料。虽然我们不同意马斯克所说的燃料电池等于“愚蠢电池”的说法，但我们承认有60%的全周期损失（电力-H2-电力）与15%的电池存储仍是一个挑战。这就是为什么在可再生能源价格大幅下降和技术进步前，我们预计绿氢将不会用于发电。同时氢气燃烧（包括衍生物）以供热或是将其有做燃料的情况将占据主导地位。

除了季节性存储，预计氢气也将在多日存储中发挥重要作用。氢能将在瑞典等风能占比较高的地区变得越来越重要。虽然可以在风力强劲时生产氢气，但氢气也可以直接进行工业应用或是在风力较小时重新转化为电能。

所有的这些让我们相信，到2030年，每年约有1000万吨清洁氢用于长期存储，而这只是冰山一角。

第五-利用氢气回收可乐罐

在许多工业应用中，清洁氢可用于脱碳，但只有少数行业可能会用氢量激增。最为合适的应用案例是高温（>400 摄氏度或 >750 华氏度）。全球约有9%的排放来自于工业热能，全球工业热能需求的一半来自高温高能，主要来自金属化工、化学品和水泥。铁/钢的潜在应用已被媒体广泛报道，但还有许多其它应用被忽视了。

可乐罐：美国80%的铝的生产是二次生产-回收利用。二次生产通常是在温度约为750℃的天然气熔炉中进行。这些熔炉可改装使用清洁氢，且成本较低。

氢能在工业热能中的其它重要应用包括水泥生产（当今全球热能的8%）、玻璃生产和特种纸生产。

氢能的竞争技术包括生物燃料、电加热及碳捕捉利用和存储CCUS。对一些不合适燃料转换的过程，CCUS技术可能是唯一解决方案，而电力可能会应用于许多新的建筑领域。生物燃料可替代现有工厂的燃料，但可能会增加成本，且生物燃料的二级排放让人怀疑。这使得清洁氢成为改造现有工厂的首选燃料-特别是对于如今转换成本相对较低的燃烧天然气的应用来说。

我们预计2030年工业过程用氢将达440万吨，上限为990万吨。

全球氢能需求展望

考虑到这些所有因素，我们对2030年氢气量进行了估算，并按应用和氢气类型进行了划分。棕色代表“旧”氢应用，灰色代表“新”氢应用。虚线区域表示氢的间接应用，如通过电子甲醇或是电子燃料用氢。我们预计这些新的应用和清洁氢将逐步取代这些行业。希望政府、行业公司和其它人可以抓住机遇，发挥清洁氢能的长期潜力。