绿氢大竞赛时代，到底哪里最便宜
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第107篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：氢作为宇宙中最古老、最轻和最丰富的元素，再次成为了瞩目的焦点。在世界各国政府纷纷制定到世纪中叶实现净零排放的目标和可再生能源及电解槽的成本急剧下降的背景下，氢能产业取得了令人振奋的发展。未来，清洁氢气的发展仍面临着成本与价格的挑战，下一个十年可能成为争夺清洁氢气技术领先地位的大竞赛时代。
近年来，氢气作为清洁能源拼图中不可或缺的一块，已经逐渐引起广泛关注。氢能正在从一种为飞艇、火箭和核武器等服务的小众能源转变为大型产业能源。
像德国、日本等工业发达国家，受限于国内面积和可再生资源，都在满世界寻找绿氢合作项目，澳大利亚、沙特等风光资源丰富的国家，成为合作对象。
高盛估计，到 2050 年，绿色氢能满足世界能源需求的25%，到 2050年将成为一个价值 10 万亿美元的潜在市场。越来越多的国家已经拥有或者正在制定国家氢能路线图或战略。
乌克兰战争，加剧了对用可再生能源生产绿氢的需求。特别是欧洲，为了摆脱俄罗斯的能源依赖，打算在现有氢能战略已规划的560万吨的基础上，到2030年再增加1500万吨的可再生氢气。
在3月15日彭博举行的一个氢能圆桌会议上，与会者认为，俄乌战争对绿氢总体上是有利的，而对采用碳捕集与封存（CCS）技术以天然气生产的蓝氢反而不利，因为蓝氢也需要依赖俄罗斯的天然气。最近天然气价格上涨，更抹平了蓝氢的优势。
01
氢经济为起飞做好了准备
尽管仍然处于初级阶段，氢能产业在2021年取得了令人振奋的发展，不论是全球电解设备出货量，还是确立氢能战略的国家数量，都翻了一倍。不完全统计，全球有39 个国家已制定氢战略，其中大部分包括进口或出口计划，表明跨境氢气贸易将大幅增长。
另外，根据彭博新能源财经数据，清洁氢行业在2021年的增长超出预期，各国在这一领域投入数十亿美元资金，2021年电解槽销量达到458MW，高于2020年的200MW。预计这一行业今年将出现指数级增长，电解槽销量应能升至1.8-2.5GW，而中国在其中占比将达到62%-66%。
在经历了数十年的停滞和多次虚假的曙光之后，氢经济现在似乎已经为起飞做好了准备。有两个因素使这一次与众不同。首先，世界各国政府都在支持本世纪中叶实现净零排放的目标。其次，可再生能源和电解槽的成本急剧下降正在提高绿色氢气的经济吸引力。越来越多的国家和行业正在积极投资氢技术，氢被吹捧为“未来的燃料”。
图说：制定氢气战略和正在准备氢战略的国家和地区（截止2021年10月）
来源：IRENA（Bloomberg (2021b) and WEC (2021). Map source: Natural Earth, 2021）
与此同时，行业专家预测，氢气可能会像石油和天然气一样成为一种全球交易的能源。
图说：不断扩大的氢气贸易路线、计划和协议网络
来源：IRENA
美国银行表示，该行业正处于一个临界点，并将迅速发展成一个 11 万亿美元的市场。世界绿色氢能领导者携手实现了一个雄心勃勃的目标，即在未来六年内将绿色氢能生产规模扩大 50倍。随着各国为实现净零排放目标做好准备，全球氢需求将激增，氢占2050年净零燃料需求的 25%，到 2030 年需要 7500 万吨清洁氢以实现 2050年净零，到2030年在氢价值链中所需投资为7000亿美元。
拥有丰富的低成本可再生能源的国家可以成为绿色氢气的生产国，并带来相应的地缘经济和地缘政治后果。绿色氢气在那些拥有丰富的可再生资源、空间和水以及向大型需求中心出口能力的地方可能是最经济的。在利用这些因素的地方可以出现新的氢能发展动能，成为氢气生产和使用的中心。像沙特阿拉伯这种以卖石油为生的国家，都开始押注氢能生产。
2020年7月，沙特阿拉伯的公用事业开发商ACWA电力公司和Neom公司与美国的空气产品公司（Air Products）签署了一项协议，建立一个由可再生能源驱动50亿美元的氢基合成氨生产设施，名为Green Helios Fuels Project。此事曾经轰动一时。
图说：沙特阿拉伯西北部地区Green Helios Fuels Project项目预留区域
来源：Neom
该项目打算整合4GW的可再生太阳能、风能，利用蒂森克虏伯碱性水电解制氢技术（AWE）每天生产多达650吨绿色氢气，利用Air Products公司的PRISM® 系统通过空气分离生产氮气，利用Haldor Topsoe的SynCOR Ammonia™绿氨合成技术每年生产120万吨绿色氨气，然后可以运往世界各地，用于生产运输市场的绿色氢气。虽然该项目仍处于设计阶段，但计划最早于2025年交付使用，将使其成为世界上首批绿色氢气和绿色氨气出口项目之一。
02
成本及挑战
氢能看上去很美，但关键挑战在于成本与价格。
根据国际可再生能源机构(International Renewable Energy Agency，IREA)的数据，目前生产一公斤绿氢的成本接近5美元。
沙特阿拉伯拥有丰富的风能和光能资源，以及广阔的未开发土地，使其在生产绿色氢能方面具有竞争优势。Helios的制氢成本在未来可能将是全球最低的，到2030年可能达到每公斤1.5美元，这远低于目前绿色氢气5美元/公斤左右的平均成本，甚至比裂解天然气制成的灰色氢气还要便宜。
图说：预计到2030年绿色氢生产成本（美元/公斤）
来源: BloombergNEF
注：基于碱性电解器成本的乐观预测条件下的氢气平准化成本
虽然沙特争当氢能源领域话事人的愿望野心勃勃，且自身可再生能源条件优越，但是按地区标准来衡量时，这个生产了全世界八分之一石油的国家的可运营新能源设施量和运营能力非常薄弱；要生产绿色氢气几乎是从零开始。
目前，沙特全国范围内的新能源发电量不足700兆瓦，不到西班牙的2%。同时，在投资5000亿美元的Neom零排放的示范地区中，氢能产业只是这一愿景的一部分，有人怀疑 Neom 的管理者们对于氢能产业的持续投资决心，也有批评者指出沙特应该先把这座「新未来城」使用的再生能源电力，优先供给国内使用。
对于绿氢的平准化成本，澳大利亚数学即服务公司 Keynumbers ，在2021年7月做了一份调查报告。这份报告以全球千兆瓦级别的绿氢项目为调查对象，对其宣布的成本和实际成本做了一个对比。
这家公司的创始人John Poljak在做了深入分析后指出，千兆瓦以上的项目中生产氢气的成本将远高于公司的预测，并且因国家/地区而异。
这些绿氢项目的项目公告成本，大多在2-3美元左右。但在今天看来，这些目标是很难达到的。具体可使用三个因素来估算氢气的成本：电解槽资本成本、风能和太阳能资本成本（基于这些国家当前的项目）和容量因素。
1/
电解槽成本
电解槽尚未扩展到千兆项目，但预计成本将在未来下降。澳大利亚的 CSIRO（联邦科学与工业研究组织）计算出的当前成本约为 1,800 美元/千瓦。对于像Western Green Energy Hub这样的项目，这意味着在 700 亿美元的公告中，仅电解槽的当前标价为 500 亿美元。
2/
电费成本
氢气的最大成本是所需的电力，每公斤大约需要 50kWh。
以当前项目为例，澳大利亚的 Warradarge 风电场估计资本成本为 1,944 美元/kW，Western Downs 太阳能项目为 1,000 美元/kW。这意味着需要 50GW 可再生能源的Western Green Energy Hub将需要投资 820 亿美元以及用于电解槽的 500 亿美元。这将宣布的成本从 700 亿美元增加到 1320 亿美元，并将氢的价格提高到 3.50 美元/公斤以上。
欧洲正试图启动氢能产业，但没有土地。许多 power-to-X 项目需要依赖海上风电，SeaH2Land 项目就是其中一个挑战的例子。与陆上风电相比，海上风电的建造成本可能是陆上风电的两倍，而另一个问题是维护成本。Lazard将陆上风电的运营成本（维护等）定为 40 美元/千瓦/年，而海上风电成本是海上风电的两倍。这算得上是 0.65-0.90 美元/公斤的氢气，仅用于维护风力涡轮机，总计接近 6 美元/公斤——这将是今天最好的情况。
而被认为是低成本的中东地区，建造风能和太阳能仍然出人意料地昂贵。
阿曼拥有廉价的太阳能，但 49.4 兆瓦的 Harweel 风电项目的价格为 2500 美元/千瓦，而在偏远的毛里塔尼亚，30 兆瓦的努瓦克肖特风电场为 1700 美元/千瓦。虽然这些国家可能拥有廉价劳动力，但项目公告之间的时间间隔很长，这意味着劳动力无法从规模和重复中受益。但假设稳定的政府鼓励负责任的投资并投资于熟练的劳动力，那么成本可能会更低。
沙特阿拉伯拥有建设大型能源项目的经验，它展示了一些最便宜的可再生能源的未来前景——除了一项挑战外，它应该是最便宜的氢气生产国。
3/
容量系数
从历史上看，太阳能的容量系数为 20-30%，风电为 35-45%。但大型氢能项目估计风能和太阳能相辅相成的总容量系数为 70%。通过这种方式，他们可以将氢气成本从 5-7 美元/公斤降低到接近 3-3.50 美元。
这就是沙特苦苦挣扎的地方。该国西北部的 Helios 项目计算的容量系数为 34%，因此虽然它可以建造廉价的可再生能源，但它需要建造双倍规模才能在价格上与毛里塔尼亚和澳大利亚等地竞争。
这也解释了在智利这样的地方生产氢气的成本是如何降低的。HNH 项目的容量系数估计为 61%，再加上更便宜的风电，价格可能会降至 3.20 美元/公斤。它虽然在绿氢项目中处在最低成本，但仍然是化石燃料制氢成本的两到三倍。
用天然气制成的氢气非常便宜，国际能源署估计成本为每公斤 0.70 至 1.60 美元。除非彻底禁止天然气，否则政府需要征收 200 美元以上/吨的碳税才能使经济发挥作用。
2020年代可能成为争夺清洁氢气技术领先地位的大竞赛时代，因为随着技术的革新和基础设施规模的扩大，清洁氢气成本可能急剧下降。清洁氢气的地缘政治可能会分几个阶段进行。预计到本世纪末，绿色氢气将开始在成本上与蓝色氢气竞争。在中国（由于其低成本的电解器）或巴西和印度（拥有廉价的可再生能源和相对较高的天然气价格）等国家，这似乎可能更早发生。在2021年天然气价格飙升期间，绿氢在整个欧洲已经比灰氢更实惠。但发展情况将在很大程度上取决于可预测的需求，特别是在没有替代品的较难减碳的部门。
氢气的跨境交易将在2030年代增加，与绿色氢气的成本竞争力同步。在许多去碳化方案中，需求从2035年开始起飞。根据国际可再生能源机构的设想，2050年三分之二的绿色氢气生产将在当地使用，三分之一将用于跨境交易。管道，包括改造后的天然气管道，可能会促进这一贸易的一半。另一半将以氢气衍生品的形式（特别是氨）装船运输。
在中短期内，国家和地区可以坚持技术领先，并塑造持续增长的清洁氢气市场的规则。清洁氢气的直接经济利益极高，市场潜力巨大，在氢气价值链中占有一席之地可以提高国家的经济竞争力。从长远来看，拥有充足可再生能源潜力的国家可以成为绿氢的中心枢纽，利用其潜力吸引能源密集型相关产业。
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参考资料：
[1]Hydrogen-Handbook_MiddleEast
[2]https://www.meedprojects.com/project-profile/?pid=335824
[3]https://oilprice.com/Energy/Energy-General/Saudi-Arabia-Skips-LNG-Bets-Big-On-Hydrogen.html
[4]https://www.world-energy.org/article/23705.html
[5]https://www.thyssenkrupp.com/en/newsroom/press-releases/pressdetailpage/one-of-the-largest-green-hydrogen-projects-in-the-world--thyssenkrupp-signs-contract-to-install-over-2gw-electrolysis-plant-for-air-products-in-neom-124584
[6]https://www.airproducts.com/supply-modes/cryogenic-air-separation-plant#/
[7]https://www.topsoe.com/processes/ammonia?hsCtaTracking=ef5587ab-04d5-4c2b-9671-cbfa62254a52%7C200ed44b-0968-4226-b877-a2e719194768
[8]https://www.rechargenews.com/energy-transition/giga-scale-green-hydrogen-developers-are-being-unrealistic-about-levelised-costs/2-1-1046646
[9]https://www.mr-sustainability.com/stories/2021/saudi-arabias-plan-to-rule-700-billion-hydrogen-market-maritime
[10]https://racetozero.unfccc.int/green-hydrogen-catapult/
[11]IRENA_Geopolitics_Hydrogen_2022
END
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