顆粒在線訊：近年來，全球范圍內(nèi)的脫碳努力勢頭強勁?？稍偕茉础㈦姎饣碗姵貎δ苁侵饕慕鉀Q方案。然而，一些行業(yè)仍然難以使用這些方法脫碳，包括重工業(yè)、供暖和某些運輸部門，如航空和海運。

　　氫氣為這些具有挑戰(zhàn)性的行業(yè)提供了一個有希望的解決方案。它作為燃料、能源載體和化學原料的潛力促使許多政府制定了國家氫戰(zhàn)略。因此，公司正在抓住市場機會，提供一系列服務、產(chǎn)品和技術。蓬勃發(fā)展的氫市場正在引起全球利益相關者的關注。

　　一個有凝聚力的價值鏈對于實現(xiàn)氫的潛力至關重要，包括與最終用戶需求相一致的低碳氫氣生產(chǎn)、儲存和分銷基礎設施。與石油天然氣行業(yè)類似，氫價值鏈包括上游(生產(chǎn))、中游(儲存運輸)和下游(最終用途)三個環(huán)節(jié)。每個部分都提出了獨特的技術和社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)。

　　氫能經(jīng)濟：現(xiàn)狀與目標

　　目前，全球98%以上的氫氣來源于基于化石燃料的灰氫和黑氫，通過蒸汽甲烷重整和煤氣化生產(chǎn)。這些方法大大增加了二氧化碳的排放。作為回應，許多公司正在開創(chuàng)低碳氫氣生產(chǎn)技術，專注于藍氫（利用二氧化碳捕獲的天然氣重整）或綠氫（利用可再生能源進行水電解）。

　　能源轉(zhuǎn)型需要新的低碳氫設施。因此，各國政府正在為未來幾年制定明確的生產(chǎn)目標。例如，英國的目標是到2030年實現(xiàn)10GW的低碳氫氣（每年250萬噸藍色氫氣，5GW綠色氫氣），而美國的目標是每年1000萬噸。其他幾個國家也有雄心勃勃的生產(chǎn)目標。

　　然而，由于生產(chǎn)成本高（尤其是綠色氫）、缺乏支持可再生能源和CCUS基礎設施、做出最終投資決策的籌備時間長以及融資和許可方面的挑戰(zhàn)，新生產(chǎn)基地項目的宣布和開發(fā)步伐落后于這些目標。

　　再加上中游存儲和分銷網(wǎng)絡不足，整個價值鏈的技術和基礎設施都有巨大的發(fā)展和創(chuàng)新機會。

　　藍色氫生產(chǎn)技術

　　目前，源自天然氣的藍氫是最具成本效益的低碳氫氣生產(chǎn)方法，其氫氣的平準化成本（LCOH）估計約為2-4美元/公斤氫氣。相比之下，綠氫的LCOH高得多，為4-10美元/公斤氫氣，這取決于生產(chǎn)方法和可再生能源可用性等地區(qū)因素。因此，藍氫被視為過渡解決方案，直到綠氫在商業(yè)上可行。

　　有幾種技術可以生產(chǎn)藍氫。最普遍的是蒸汽甲烷重整（SMR）。已經(jīng)出現(xiàn)了其他使用甲烷的可擴展方法，如部分氧化（POX）工藝，該工藝將廢棄的碳氫化合物原料轉(zhuǎn)化為有價值的合成氣，并在全球一些煉油廠使用。另一個值得注意的方法是自熱重整（ATR），一種SMR和POX的混合技術。

　　ATR因其能源效率和與碳捕獲技術的兼容性而備受青睞，這對成本效益高的藍氫生產(chǎn)至關重要。

　　利用ATR的著名項目包括Air Products在阿爾伯塔省的凈零氫能綜合體，該綜合體利用了Topsoe的SynCOR技術。IDTechEx預計，SMR、POX和ATR將在未來十年引領藍氫行業(yè)，到2034年，ATR可能會主導新的產(chǎn)能。

　　綠色制氫技術

　　通過可再生能源驅(qū)動的水電解生產(chǎn)的綠色氫氣正引起人們的極大興趣。它的生產(chǎn)有幾種技術。最成熟的是堿水電解槽（AWE），它使用氫氧化鉀（KOH）堿性電解質(zhì)。得益于價格合理的組件和鎳、鋼等催化材料，AWE擁有比同行更低的資本成本。盡管如此，其動態(tài)可操作性較差，并且在大氣壓下其效率較低。因此，市場上出現(xiàn)了加壓AWE，大多數(shù)參與者都提供這種系統(tǒng)。

　　質(zhì)子交換膜電解槽（PEEL）是最受歡迎的技術，因為它可以與可再生能源很好地集成，并遵循其特性，在幾分鐘內(nèi)提高或降低產(chǎn)量。該技術與AWE有不同的結構和工作原理，使用聚合物膜（主要是Nafion-全氟磺酸隔膜）作為電解質(zhì)。

　　缺點是它依賴于鉑族金屬（PGM）電催化劑，尤其是陽極的氧化銥——銥是一種昂貴且稀缺的礦物。因此，最大限度地減少PGM的使用和開發(fā)替代催化劑是一個關鍵的行業(yè)重點。

　　其他技術包括利用陶瓷電解質(zhì)的固體氧化物電解槽（SOEL）和旨在融合AWE和PEEL優(yōu)點的陰離子交換膜電解槽（AEMEL）。然而，IDTechEx預測，AWE和PEEL將在未來十年引領市場，因為它們已經(jīng)建立了市場。

　　削減電解槽工廠成本（CAPEX/OPEX）、運營大型工廠和擴大電解槽制造能力對未來至關重要。然而，獲得負擔得起的可再生電力將最終決定綠色氫的成功。

　　儲氫技術及其應用

　　高效氫氣運輸和儲存的發(fā)展對于最大限度地發(fā)揮氫氣作為工業(yè)原料、燃料和能源載體的潛力至關重要，氫氣是生產(chǎn)和消費之間的橋梁。

　　雖然氫具有高的重量能量密度，但由于其在環(huán)境條件下的低密度，其儲存和運輸面臨挑戰(zhàn)。為了提高其體積能量密度，需要在-253°C的低溫下進行大量壓縮（100-700巴）或液化。然而，這兩個過程都消耗大量能量，壓縮和液化分別消耗原始氫能的10-30%和30-40%。

　　壓縮氣體和液氫罐通常用于固定儲存，如加氫站。對于生產(chǎn)現(xiàn)場和終端的更大存儲，液態(tài)氫載體是優(yōu)先選擇。替代品，如金屬氫化物，提供較低的壓力操作（10-50巴），并且由于其效率，可能更適合儲能應用。然而，這些系統(tǒng)尚未廣泛商業(yè)化。

　　壓縮氫罐，特別是III型和IV型復合材料罐，在燃料電池電動汽車（FCEV）中很受歡迎，現(xiàn)代Nexo和豐田Mirai等車型使用700巴的IV型罐。雖然壓縮存儲在輕型汽車中仍將占主導地位，但正如戴姆勒卡車公司所看到的那樣，容量更大的液氫罐正在重型汽車領域進行探索。

　　地下儲氣庫，如鹽洞，與傳統(tǒng)的天然氣儲氣庫相似。Uniper和Gasunie等公司的目標是盡快將這些設施納入氫氣管道。預計它們將在季節(jié)性儲存中發(fā)揮關鍵作用，在需求高峰期間為系統(tǒng)供電。

　　工業(yè)項目也可以將地下設施用作氫氣的緩沖儲備——瑞典的可持續(xù)煉鋼項目HYBRIT正在使用襯砌巖洞（LRC）測試這一概念。然而，監(jiān)管和漫長的項目開發(fā)時間仍然是這種存儲類型面臨的主要挑戰(zhàn)。

　　氫氣分配及其應用

　　壓縮和液氫拖車目前用于小型需求，如加氫站或試點項目。雖然Hexagon Purus和Chart Industries等公司已經(jīng)開發(fā)了各種類型的壓縮氣體和液體運輸船，但LIFTE H2等公司創(chuàng)新了移動加氫機，以抵消加氫站的稀缺性。未來的氫能系統(tǒng)將需要這種混合解決方案。

　　全球有約5000公里的氫氣管道，主要集中在美國墨西哥灣沿岸和歐洲部分地區(qū)。由Air Products、Linde和Air Liquide等工業(yè)天然氣巨頭管理，他們主要向煉油廠等附近的工業(yè)設施供應氫氣。

　　這種限制強調(diào)了擴大管道網(wǎng)絡以更廣泛地連接生產(chǎn)和消費地區(qū)的迫切需要，使未來的參與者能夠從該網(wǎng)絡中供應和提取氫氣。管道可能是大規(guī)模和長途運輸中最具成本效益的解決方案，因此構建網(wǎng)絡至關重要。

　　計劃進行新的建設，像HyNet西北氫管道這樣的項目已經(jīng)在進行中。重新利用天然氣管道是可能的，但需要廣泛的模擬、測試和風險評估來確定合適的管道。歐洲氫能骨干計劃在制定大規(guī)模管道網(wǎng)絡愿景方面處于領先地位，有30多家運營商參與其中——許多管道計劃從現(xiàn)有網(wǎng)絡中重新利用。

　　將氫氣混合到天然氣中也是供暖和電力行業(yè)部分脫碳的一個流行概念，HyDeploy等項目證明，在現(xiàn)有管道中混合20體積%的氫氣是安全的。然而，更高比例的混合物將需要對住宅和工業(yè)部門的許多電器和設備進行改造。

　　國際長途運輸可能涉及液氫（LH2）或轉(zhuǎn)化為氫載體，如氨或液態(tài)氫載體(LOHC)。液氫運輸在HESC項目中由川崎重工的Suiso Frontier船進行了演示，該船將氫氣從澳大利亞運輸?shù)饺毡?。然而，由于處理液氫的困難，與氫載體相比，這種途徑可能是不可行的。

　　使用氫載體的優(yōu)點是利用現(xiàn)有的運輸路線和船只，盡管需要額外的加工設施。Chiyoda Corporation和Hydrogeneous LOHC Technologies等公司正在將其LOHC解決方案商業(yè)化。還計劃在鹿特丹港建造一個氨接收碼頭。

　　因此，許多公司將氨和LOHC視為國際氫氣供應鏈的關鍵推動者。因此，考慮到歐洲和日本等地區(qū)可能需要凈進口氫氣，預計它們將在未來發(fā)揮重要作用。

　　氫在行動：最終用途部門和燃料電池

　　通過從灰色氫氣過渡到藍色和綠色氫氣，預計氫氣將使煉油、氨和甲醇生產(chǎn)等傳統(tǒng)使用氫氣的行業(yè)大幅脫碳。這些行業(yè)將占低碳氫氣需求的大部分。

　　另一個有前景的途徑是煉鋼，氫氣可以生產(chǎn)直接還原鐵（DRI）。主要煉鋼公司將其視為可持續(xù)鋼鐵的未來，預計它將取代碳密集型高爐工藝。此外，氫氣在生物燃料和合成燃料生產(chǎn)以及各種電力和熱力應用中正在出現(xiàn)新的工業(yè)用途，包括儲能、熱電聯(lián)產(chǎn)以及住宅和工業(yè)領域的供暖。

　　盡管目前對氫氣需求的貢獻較小，但預計這些行業(yè)將實現(xiàn)可觀的長期增長。

　　氫還為包括運輸、備用電力、工業(yè)和公用事業(yè)在內(nèi)的幾個不同部門提供了一種替代發(fā)電方式。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是燃料電池裝置的主要選擇。

　　低操作溫度、小外形因數(shù)和高功率密度，再加上快速上升時間，意味著PEMFC特別適合在零排放交通領域提供電氣化的替代方案。

　　燃料電池電動汽車（FCEV）在全球范圍內(nèi)，特別是在亞洲，越來越受歡迎，政府的目標和撥款推動了輕型、中型和重型汽車加氫基礎設施和新汽車概念的發(fā)展。樞紐到樞紐路線的概念對FCEV來說很有趣，它的續(xù)航里程遠大于電池電動汽車（BEV）。燃料電池推進系統(tǒng)也受到包括海運、鐵路和航空在內(nèi)的長途運輸部門的關注。

　　然而，將燃料電池堆與適當?shù)膬溲b置、換熱器和其他平衡裝置組件集成仍然是一個挑戰(zhàn)。盡管PEMFC具有優(yōu)勢，但它也有局限性，包括需要昂貴的鉑族金屬催化劑和超純氫氣來防止催化污染。因此，諸如固體氧化物燃料電池（SOFC）的替代燃料電池正受到關注。

　　SOFC的高運作溫度允許燃料選擇的多功能性，并消除了對貴金屬催化劑的需求。它們的熱排放可以用于局部加熱（CHP），大大提高了燃料電池的效率。

　　然而，這些溫度也會導致熱降解和漫長的啟動/關閉時間，使SOFC更適合連續(xù)固定電源應用，而不是作為快速啟動的備用電源。

　　盡管燃料電池行業(yè)有所增長，但值得緩和炒作。IDTechEx預測，到2033年，SOFC的累計裝機總量（MW）將比僅在運輸行業(yè)的PEMFC低一個數(shù)量級，而同期的FCEV與純電動汽車相比也是相形見絀。

　　氫的未來之路

　　氫市場的勢頭越來越強勁，其特點是公司參與度、投資、政策支持和廣泛認可度不斷上升。每年都會看到新的技術進步，因為公司都在評估各種選擇和商業(yè)模式，以開拓這個新興市場。市場情緒基本上是樂觀的，許多人預計氫經(jīng)濟將強勁增長。

　　IDTechEx預計，低碳氫市場將大幅擴張，根據(jù)預計產(chǎn)量，到2033年，其估值將達到1300億美元。

　　然而，該行業(yè)必須克服一些重大障礙，以確保氫在可持續(xù)能源未來的地位。協(xié)調(diào)生產(chǎn)和運輸基礎設施與最終用途場地的發(fā)展至關重要，因為生產(chǎn)舉措取決于簽訂承購協(xié)議。

　　這種協(xié)調(diào)對于避免該行業(yè)經(jīng)常討論的“先有雞后有蛋”的困境至關重要。從根本上說，如果沒有既定的低碳氫氣生產(chǎn)，就不可能有氫氣流動性或綠色煉鋼，因此隨著當?shù)貧錃饨?jīng)濟的發(fā)展，工廠應該有擴張的空間。

　　另一個障礙是降低與綠色氫氣相關的成本和漫長的時間表。這些挑戰(zhàn)可以通過增加可再生基礎設施開發(fā)、降低可再生能源價格、加強電解槽技術并將其制造規(guī)模擴大到吉瓦級來解決。

　　此外，政府激勵措施，如稅收減免、贈款和貸款，將是資金密集型氫項目的關鍵。加快許可程序，特別是對于藍氫的CCUS基礎設施和加氫站來說，這對于維持項目進度至關重要。

　　還有許多更廣泛的宏觀經(jīng)濟挑戰(zhàn)。其中包括在全球經(jīng)濟減速的情況下尋找項目資金，在全球范圍內(nèi)標準化低碳氫氣的定義，以及設計氫氣的財務和跟蹤機制。由于氫尚未商品化，建立健全的金融體系將是氫經(jīng)濟成功的關鍵。