本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：Michael J. Brear，题图来自：视觉中国
在过去的两年左右时间里，全世界对氢作为一种能源越来越感兴趣。值得注意的是，这不是氢第一次引起我们的兴趣。最新的情况是在21世纪，全世界对氢的研究、开发和示范进行了大量投资。在此之前，20世纪70年代的石油危机也促进了对氢的大量投资。更早以前，还缺乏关于氢的文献。但是，氢能经济仍然只是一个概念。
如果确实有氢能经济，这会有什么不同？
这是我们大家都需要问的一个重要问题，笔者只能给出两个可能的答案。首先，自从最初有所关注以来，我们就迫切需要大幅减少温室气体（GHG）排放。其次，相比以前，现在可再生能源的可负担能力要高得多，在支持者最强有力的支持下，其在降低成本方面也一直超出预期。
尽管可再生能源成本的持续降低是非常有希望的，但实现大幅减少温室气体排放仍然是一个有难度的关键问题。此外，应对这一挑战需要对社会和经济带来尽可能少的不利影响。
在考虑氢可能起到什么作用时，我们首先应该仔细考虑全球能源系统的庞大的规模和复杂性，以及主要能源商品的常见价格。这些可以为氢能的发展提供各种观点。对于像澳大利亚这样人口较少的温带国家，在以能源为基础的前提下，国内天然气和运输燃料市场比电力市场更大：
电力：消耗≈9×1017 J·a−1，常见批发价=60 AUD·MW−1·h−1；
天然气：消 耗 ≈1.5×1018 J·a−1，常见批发价 ≈8 AUD·GJ−1≈29 AUD·MW−1·h−1；
汽油、柴油和煤油：消耗≈2.3×1018 J·a−1，常见批发价≈30 AUD·GJ−1≈108 AUD·MW−1·h−1。
毫不奇怪，寒冷国家的天然气市场通常大于电力市场。但是，这种比较表明，运输燃料的价格相对较高，用氢代替的前景更为广阔，在减排上其规模可与电力部门相提并论。
（1）制氢途径
如今，氢气主要通过改造天然气制得，煤炭气化技术和电解技术被认为是最有前景的替代方式。值得注意的是，天然气和煤炭技术路径都必须包括碳捕集与封存（CCS）技术以减少排放，这增加了清洁制氢的成本。
然而，最近的许多研发都集中在使用可再生能源来给电解器提供能量。碱性和高分子电解质膜（PEM）技术是最常用的技术，两者都有一些领先的制造商（如参考文献，并且通过上述文献可以清晰理解它们的优缺点）。
（2）电价和资产利用的重要性
不管是否考虑碱性电解或PEM电解，图1均显示电价和电解槽利用率是决定可再生氢生产成本的主要因素。如附录A中给出的定义所述，如果没有补贴，可再生能源要与液体燃料竞争，就需要比当前的可再生能源便宜，并能提供高利用率的电解器。
向电解器供应间歇性可再生电力是另一个难题，因为图1显示，电解器需要以高容量系数运行才能实现最经济的性能。这可以通过多种方式来解决，最常见的是采用足够稳固的电力供应，例如，通过综合运用可再生能源以及综合运用水能、核能或化石发电中的几种来实现。
值得注意的是，通过化石能源生产的稳固性电力供应会增加氢气生产中的温室气体，如果不加注意，这会破坏电解制氢的温室气体效益。
要使电解器容量系数高而又不依赖于固化的另一种方法是，相对于供应电解器的可再生能源而言，减小电解器的尺寸。如图2所示，容量远小于可再生能源供应的电解槽的容量系数趋于100%，而容量与可再生能源相同的电解器，具有与供应可再生能源的电解槽相同的容量系数。
尽管非常高的容量系数似乎很有吸引力，但小型电解槽几乎不产生氢气。鉴于我们的电力和运输燃料系统的规模相似，因此我们可以选择生产相似数量的两者，如图2（b）中的黄色方框所示。
（3）系统集成和其他注意事项
仍有许多尚未讨论的因素，其影响可再生制氢的经济性。这些因素包括：
在大规模的电力市场中由电解器提供辅助和需求响应服务，这往往使PEM优于碱性技术；
大型电解器的投资成本和效率将在未来十年内如何变化；
所有捆绑的电费，特别是网络费和成本的影响。
尽管这些因素很重要，但它们没有对本文介绍的基础经济产生显著的影响。可再生电力的价格对通过电解制得可再生氢能的前景至关重要。
（4）结语
在未来约10年中，可再生能源生产氢气具有可观的商业前景，尤其是在脱碳运输方面。如果可再生电力价格继续下降，即使没有补贴，与传统液体燃料相比，可再生氢在成本方面仍具有很强的竞争力。在这种情况下，以能源为基础的氢生产可以与现存的可再生电力相提并论。鉴于这两个市场的规模，成本是对二者进行选择时一个重要的考虑因素。
但是，很难看到可再生氢将如何与目前至少便宜3倍的天然气竞争。要使可再生氢的价格与化石天然气具有竞争力，需要每吨数百美元的有效碳价格，而且在我们的经济中还有许多其他更具成本效益的减排方式。反过来，这表明，正如其他研究者所指出的那样，由天然气或煤炭以及CCS产生的氢气可能在一段时间内具有明显的竞争优势。
因此，坚持仅使用可再生能源很可能会减少实现氢能经济的机会。我们需要为国内和出口的氢气市场建立整个供应链。从过去约100年的电力能源、天然气和液体燃料能源的发展中可知，这将是一项持续数十年的与社会相关的基础设施监管任务。
如果这真的实现的话，那么将拥有以下非常富有吸引力的前景：
千兆瓦级的风能和（或）太阳能发电场，与亚千兆瓦级的电解器相连；
电解器为电力系统的安全性和可靠性提供辅助服务；
电解器还可以出售氧气，将其作为工业原料获得额外收入。
然后，公共汽车、卡车、火车和轮船，可以使用在CCS或其产品中产生的可再生氢或化石氢运行。同时，混合动力或全电动轻型车辆可以提供清洁的私人出行工具，而氢能可以为工业和非电气供暖以及为清洁的电力系统提供支持。
以上内容主要摘自：Michael J. Brear. Thoughts on the Prospects of Renewable Hydrogen [J]. Engineering ,2020,6(3):213-215.
本文来自微信公众号：Engineering（ID：engineering2015），作者：Michael J. Brear