本文旨在介紹氫及其衍生物在能源轉(zhuǎn)型中的作用以及在商業(yè)領(lǐng)域的潛在益處。

首先，我們簡要介紹目前的氫能源現(xiàn)狀和可獲取的氫能種類——灰氫、藍(lán)氫和綠氫。接下來，我們評估氫能發(fā)電在發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)。這涉及運(yùn)輸、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的使用以及工業(yè)各領(lǐng)域的角色。在考慮了背景和各種挑戰(zhàn)后，我們提供一份簡短的氫能和/或合成天然氣的投資決策指南。

灰氫、藍(lán)氫和綠氫

世界上許多國家已經(jīng)承諾或正在討論實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)。大多數(shù)工業(yè)化國家均致力于在2050年前完成零碳目標(biāo)，如西班牙和英國。最近，許多國家和地區(qū)，尤其是歐洲、北美和東亞地區(qū)已經(jīng)發(fā)布了氫能戰(zhàn)略來支持脫碳。根據(jù)國家/地區(qū)的不同，這些戰(zhàn)略不僅關(guān)注來自電解水的綠氫，還關(guān)注來自化石能源或核能的藍(lán)氫和灰氫。

當(dāng)將零碳目標(biāo)和氫能戰(zhàn)略描繪在一張地圖上時，一方面可以看出各國經(jīng)常發(fā)表零碳目標(biāo)和氫能戰(zhàn)略的信息。然而，這并不一定意味著氫能是零碳的一部分。在國家層面，必須要分開看待脫碳目標(biāo)和氫能戰(zhàn)略，例如，各國可以通過逐步淘汰煤炭來實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)排放水平。

另一方面，沒有制定零碳排放目標(biāo)且具有相當(dāng)大可再生潛力的新興國家會依賴氫能。根據(jù)國際間比較預(yù)測，這些國家的綠氫生產(chǎn)成本將會更低并且因此成為一種極具吸引力的出口商品?？蛻魟t將是可再生能源潛力較小但氫能需求不斷增長的工業(yè)化國家。例如，德國和摩洛哥計劃在氫能領(lǐng)域進(jìn)行合作。

目前，綠氫比藍(lán)氫貴，價格約為3~8美元/公斤，藍(lán)氫則在1.5~4美元/公斤。據(jù)預(yù)測，隨著可再生能源成本和電解成本的下降，以及碳價格的上漲，到2030年，大多數(shù)地區(qū)綠氫和藍(lán)氫的成本將持平，均為2美元/公斤。到2050年，綠氫將比藍(lán)氫甚至灰氫便宜，達(dá)到1美元/公斤。造成這種現(xiàn)象的主要原因是太陽能成本的下降。

由于氫能在許多國家被視為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，因此需求將急劇上升。英國石油公司（BP）預(yù)計到2035年會在5~7.5艾焦。這相當(dāng)于40Gt（總噸位）或63Gt的氫能，其中綠氫、藍(lán)氫和灰氫各占三分之一。到2050年，灰氫將幾乎完全被綠氫和藍(lán)氫所取代。

目前，得益于豐富的可再生能源和天然氣儲量，一些地區(qū)和國家還是能夠生產(chǎn)綠氫和藍(lán)氫來實(shí)現(xiàn)其脫碳目標(biāo)并將其出口到其他國家。

藍(lán)氫的優(yōu)勢在于它不受可再生能源的擴(kuò)張速度的影響。即使在那些已經(jīng)制定雄心勃勃綠氫戰(zhàn)略的國家，藍(lán)氫也將滿足各行業(yè)不斷增長的氫能需求并發(fā)揮重要作用。例如美國、加拿大、澳大利亞和挪威。氫能需求最高的將是中國、北美和歐洲。然而，從長遠(yuǎn)來看，使用低價藍(lán)氫的方式為綠氫的使用鋪平了道路，例如，基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)張。

通往綠氫道路上的挑戰(zhàn)

資源、融資、運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)是實(shí)施氫能戰(zhàn)略和生產(chǎn)綠氫的關(guān)鍵因素。

綠氫及其衍生物，如合成天然氣(SNG)和合成甲醇都需要可再生的電力。通過質(zhì)子交換膜(PEM)電解水生產(chǎn)1公斤綠氫需要約53度的電力。1公斤合成天然氣需要總共約27.3度電。

可再生電力和熱能的供應(yīng)對于脫碳的成功和向綠氫的過渡至關(guān)重要。國際能源署（IEA）預(yù)測，到2040年，風(fēng)能、太陽能光伏（PV）和CSP等波動的可再生能源發(fā)電能力將增長435%，達(dá)到11764吉瓦，其中增長幅度最大的將達(dá)到7970吉瓦。到2040年，高利用率的水力發(fā)電廠預(yù)計將增長55%，達(dá)到2029吉瓦。這種大規(guī)模擴(kuò)張的先決條件是，制定對運(yùn)營商和投資者有吸引力的國家法規(guī)以及有強(qiáng)制性的政府目標(biāo)。

即使可再生能源的擴(kuò)張率很高，電解槽的容量很低，仍需要3%的可再生能源電力。截至目前，全球范圍內(nèi)已宣布將于2030年前實(shí)施的項目（進(jìn)入規(guī)劃、建設(shè)或運(yùn)行）超過64吉瓦。

可以設(shè)想，國家層面氫能戰(zhàn)略計劃的容量將超過115吉瓦。這意味著需要更多的可再生電力來運(yùn)行電解槽。如果可再生能源的擴(kuò)張繼續(xù)受到一定限制，同時電解槽容量大幅增加，氫能將占可再生能源發(fā)電量的9%。這可能會導(dǎo)致氫能和綠色電力之間的競爭，尤其是在大型項目中。

目前，數(shù)百兆瓦的大型項目出現(xiàn)在在丹麥和澳大利亞等諸多國家的新聞報道中。從長遠(yuǎn)來看，對于擁有大量可再生電力的國家來說，這些氫能需求將代表一種有趣的商業(yè)模式，因?yàn)樗且环N具有很大增長潛力的出口商品。另一方面，從電解槽制造商的眾多新聞稿中看出，目前，只有幾兆瓦的小型項目更容易落實(shí)并被給予充足的可再生電力供應(yīng)。

綠氫及其衍生物的運(yùn)輸

氫氣可以通過氫氣管道（新建或改造以前的天然氣管道）輸送到目的地，并作為混合燃料進(jìn)入天然氣電網(wǎng)，或者作為氫氣衍生物以合成天然氣、氨或甲醇的形式通過大型輪船、火車或卡車的儲罐來運(yùn)輸。

2016年，全球氫氣管道超過4540公里。其中，約2600公里在美國，約610公里在比利時，380公里在德國。這些管道主要由天然氣生產(chǎn)商運(yùn)營。氫氣管道可以有效地長距離輸送可再生氫氣。它們可以傳輸10倍的能量，成本只有輸電線路的八分之一。管道運(yùn)輸確實(shí)是最具有成本效益的備選方案，但目前的挑戰(zhàn)不僅在于現(xiàn)有管道公里數(shù)相對較少并且缺乏全面的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，還要考慮可以注入的氫氣量。為了滿足2030年歐洲氫能主干網(wǎng)絡(luò)的綠色氫能需求，需要13吉瓦的電解能力。在每年5000小時的滿負(fù)荷利用條件下，這相當(dāng)于生產(chǎn)1.95公噸的氫氣，也是當(dāng)今歐洲計劃電解產(chǎn)能的三分之二。為了給這些管道提供綠氫，需要大量的大型項目，其中一些還處于規(guī)劃階段，仍面臨各種各樣的障礙?？梢酝茰y的是，由于電解和可再生能力，2030年向這些管道輸送綠氫是不現(xiàn)實(shí)的。在這個過渡期，藍(lán)氫在初期也將被注入。

總的來說，可以推測未來將建造更多的氫氣管道，現(xiàn)有的天然氣管道將轉(zhuǎn)化為氫氣管道。特別是在格羅寧根（荷蘭）等地區(qū)，該地區(qū)計劃到2022年完全淘汰天然氣。為了更廣泛地配送氫氣，天然氣輸送管道在初期也將不只運(yùn)輸天然氣。

將氫氣注入天然氣管網(wǎng)的可能性因國家或管網(wǎng)而異。美國目前可以使用5%~15%的天然氣管網(wǎng)混氫，而不會對客戶和管道造成嚴(yán)重影響；德國允許使用高達(dá)10%的天然氣管網(wǎng)混氫，并且可以通過現(xiàn)有的管網(wǎng)輸送。由于歐洲的天然氣網(wǎng)絡(luò)非常密集，因此到注入點(diǎn)的運(yùn)輸距離更短，對于許多地方的生產(chǎn)商來說，將氫氣直接注入天然氣管網(wǎng)比注入純氫管道更具吸引力。對于不允許混氫輸送的國家，氫衍生物合成天然氣將是一個不錯的選擇。

船舶運(yùn)輸氫氣是一種經(jīng)濟(jì)的方式，但挑戰(zhàn)在于氫氣的低能量密度。最有希望的是液化氫、液態(tài)有機(jī)氫載體(LOHC)、氨和甲醇。

氫及其衍生物，如合成天然氣、氨和甲醇，在工業(yè)、交通、電力和供熱供應(yīng)中提供了大量的應(yīng)用案例。

以前在工業(yè)工藝中使用的來自化石能源的氫氣、氨和甲醇等均可以用綠色替代品替換。例如用綠氫生產(chǎn)綠色鋼，其二氧化碳排放量比傳統(tǒng)工藝的鋼低30%~40%。在電力和熱力供應(yīng)方面，越來越多燃?xì)廨啓C(jī)和大型發(fā)動機(jī)的制造商使其產(chǎn)品與可再生燃料兼容。中速發(fā)動機(jī)目前可以摻燒高達(dá)25%的氫氣。然而，將20%的氫氣與天然氣混合僅能減少7%的二氧化碳排放，因此預(yù)計這只會是一個過渡。從2025年起，制造商將推出使用100%氫氣的機(jī)組。

投資決策指南

轉(zhuǎn)向合成天然氣是保持行動力的短期和中期措施。生產(chǎn)過程和基礎(chǔ)設(shè)施不需要做根本改變，或者只需要進(jìn)行很小的改變。在向氫燃料轉(zhuǎn)換的過程中，需要很大的改變，因而大量的投資是非常必要的。

以下三個不同工業(yè)領(lǐng)域的案例闡明了氫能的可觀前景。

應(yīng)用案例1：食品和飲料行業(yè)

食品和飲料行業(yè)的工藝流程非常獨(dú)特。對此感興趣的潛在工業(yè)客戶有很多，主要包括乳制品廠、罐頭廠、釀酒廠和啤酒廠。需要說明的是，對于這些客戶而言，部分或全部電氣化是不可能的，而且氫或者合成天然氣也無法提供額外的收入來源。

使用合成燃料脫碳的基本要求是企業(yè)內(nèi)部可獲得/已經(jīng)安裝足夠的綠色電力，例如，光伏或電網(wǎng)來電用于電解。兩者的結(jié)合提高了利用率從而改善了整體可行性。

在生產(chǎn)過程中，如發(fā)酵過程或在蒸汽鍋爐中燃燒天然氣，所產(chǎn)生的副產(chǎn)品二氧化碳會因稅收或證書價格上漲而導(dǎo)致成本增加。在許多情況中，生產(chǎn)過程會產(chǎn)生生物殘留物。兩者在甲烷化反應(yīng)中與氫結(jié)合，合成天然氣并利用之前的廢液流來產(chǎn)生額外的收益。

還有一種選擇是，通過購買其他地方產(chǎn)出的二氧化碳，用于一個閉環(huán)二氧化碳循環(huán)工藝，該工藝也包含甲烷化。特別是對“歷史上成長的”工業(yè)流程，并沒有實(shí)現(xiàn)不同工藝流程間價值鏈的整合。

蒸汽鍋爐通常通過燒天然氣來生產(chǎn)工藝用熱。這些鍋爐無需任何改裝就可以使用合成天然氣。此外，通過生產(chǎn)飽和蒸汽(270°C)來提供熱量的甲烷，可在工業(yè)過程中循環(huán)使用，從而減少蒸汽鍋爐的負(fù)荷和排放。例如，多余的天然氣可以被輸送到天然氣網(wǎng)，或者用來為公司的天然氣車隊提供動力。

應(yīng)用案例2：海運(yùn)業(yè)

海運(yùn)行業(yè)也需要脫碳，目前正在考慮使用各種類型的未來無碳和碳中性燃料。這些燃料在成為主流并且評估安全風(fēng)險之前，還需要一段時間。一艘船的平均壽命約為30年，改造成本以及國際海事組織對于減排的壓力卻越來越大，因此急需一種過渡性的解決方案。

合成天然氣可作為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸業(yè)碳中和轉(zhuǎn)型中一種很有吸引力的解決方案，同時，它也適用于已經(jīng)使用液化天然氣并需要或希望節(jié)省額外排放的船舶。可以使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，無需進(jìn)行設(shè)施的更新?lián)Q代。集裝箱船ElbBLUE（以前稱為Wes Amelie）是用合成天然氣作為過渡方案的最新案例。該船最初于2019年轉(zhuǎn)換為液化天然氣，并于2021年9月首次使用液化合成天然氣。

以貨物運(yùn)輸為例，可以證明合成天然氣作為過渡方案的好處?；诖罅慨a(chǎn)品和物流運(yùn)輸，最終消費(fèi)者只需要額外支付幾美分。隨著綠色交通方式的大量使用，公眾對碳中和運(yùn)輸產(chǎn)品的認(rèn)知也肯定會提高。

應(yīng)用案例3：航空業(yè)

綠色煤油可以通過三種基于二氧化碳的途徑生產(chǎn)。通過甲烷化結(jié)合蒸汽重整和費(fèi)托合成并不是最有效的方法，但卻是目前技術(shù)上唯一成熟的方法。它需要水和一氧化碳作為原料。

首先，通過電解和甲烷化生產(chǎn)合成天然氣。加入蒸汽后，會產(chǎn)生水煤氣，這是費(fèi)托工藝所必需的。水煤氣為1:2的一氧化碳和水。該產(chǎn)品由費(fèi)托合成碳?xì)浠衔锓肿?C20+)，在煉油過程中轉(zhuǎn)化為煤油、汽油和柴油。

一個示例計算表明，盡管生產(chǎn)過程更復(fù)雜，但客戶的票價變化很小。一張價格為500歐元且含100%化石煤油的機(jī)票，到2040年，如果混合5%的綠色煤油，價格將上漲75歐元。

結(jié)論

氫對于能源轉(zhuǎn)型變得越來越重要。它還需要幾年的時間才能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)輸，并在工業(yè)、運(yùn)輸和發(fā)電領(lǐng)域得到全面應(yīng)用。

但即使是不可能實(shí)現(xiàn)電氣化的行業(yè)，也已經(jīng)開始對其業(yè)務(wù)進(jìn)行脫碳了。在所有的工業(yè)生產(chǎn)能完全接受氫氣前，合成天然氣是天然氣的碳中和替代品，其中最大的優(yōu)勢是使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

在一到兩位數(shù)兆瓦范圍內(nèi)的小型工廠都有這個機(jī)會，因?yàn)槌丝稍偕娏Φ某浞挚捎眯酝?，審批過程中存在的障礙也在減少。這不光減少了二氧化碳的排放，其營銷效果也有利于運(yùn)營商，因?yàn)閺默F(xiàn)在起他們可以宣傳綠色生產(chǎn)或綠色運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品。

（Katrin Renter系MAN Energy Solutions市場分析經(jīng)理，F(xiàn)lorian Gruschwitz系MAN Energy Solutions高級商務(wù)拓展經(jīng)理）