氢经济时代已到来，我们还没做好准备
环球零碳研究中心 环球零碳 2023-09-07 20:06 发表于上海

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：

虽然在今天大多数市场上，使用低碳氢气并不是一个可行的经济选择，但氢能车轮已经启动，氢经济时代已经到来。这是一段需要时间的旅程，但如果我们想要在本世纪中叶实现碳中和，这是必要的。

撰文 | Chris Ferraro（作者为西门子能源公司北美新产品业务负责人）

编辑 | 小棠

尽管现在可能不是氢能的黄金时代，但它的时代已经到来，有前瞻的国家都在为此做准备。

看看美国，2021年通过的《基础设施投资和就业法案》，为清洁氢气拨款95亿美元，2022年的《削减通胀法案》 (IRA)又制定了额外的政策和激励措施。

其他国家也在推广低碳氢和其他清洁燃料。例如，欧盟有多个支持氢能的计划，如清洁氢合作伙伴关系和欧洲清洁氢能联盟。同样，中国计划到2035年让5万辆氢燃料电池汽车上路。此外，中国还把氢气用于储能、发电和工业。

总体而言，世界上有25个国家发起了国家氢能倡议。

这一切的背后是一个简单的评估。首先，绿色氢气，以及其他清洁燃料，如生物乙醇、生物柴油和绿氨，将是世界经济能源转型成功的关键因素。对于严重依赖化石燃料的经济体来说，脱碳是必要的，这对应对气候变化产也至关重要。

与此同时，氢能是确保未来几年各国能源安全的重要组成部分。虽然氢气需要广泛的基础设施才能以纯净的形式大量浓缩，但它也是世界上最丰富的元素，几乎在任何地方都可以获得。

那么，我们怎么能指望绿色氢气能让经济的各个部分脱碳，比如交通、重工业，尤其是发电领域？我们还需要做哪些准备？

01

新的燃气轮机必须准备好燃烧氢气

就氢能的现状而言，有一个好消息。虽然大多数新能源发电都在使用可再生能源，但我们仍然需要燃气发电厂，在无风无日照的时候提供可调度的能源。然而，尽管天然气是一种低碳燃料，但它并不是无碳的。因此，在发电厂中，氢气是天然气的无碳替代品。

为了为这一转变做准备，新的天然气发电厂将来都需要准备好氢能燃气轮机，能够燃烧氢气混合物，最终燃烧100vol%(体积百分比，如100%体积氢气)的零排放能源。能够运行纯氢的工业燃气轮机，如西门子能源公司的SGT-800和SGT-400，已经“在望”。此外，西门子能源等原始设备制造商也宣布，他们正努力从2030年开始让所有燃气轮机框架100%具备氢气功能。

02

建设氢能基础设施

仅靠氢能燃气轮机并不能构成整个氢经济，目前还缺乏氢气的基础设施，更具体地说，是氢气的生产能力。由于这种稀缺性，绿氢价格仍然很高。同样，大多数地方缺乏足够的氢气管道、运输能力和储存设施。当企业推动建设必要的基础设施时，还存在另一个障碍——在美国和其他国家，许可流程既漫长又困难。

图说：氢能经济运行图。
来源：Siemens Energy

但这并不意味着该行业处于停滞状态。相反，全球各地几乎都在建设开创性的氢气基础设施。例如，在美国，现有的氢能基础设施将得到扩建。这包括建设6到10个清洁氢能枢纽，联邦政府将提供高达70亿美元的支持。扩建的一部分还包括对现有美国墨西哥湾沿岸氢气网络的改造，该网络是世界上最大的氢气网络之一，从德克萨斯州的自由港到路易斯安那州的查尔斯湖，跨越约300英里。

其他现有的氢气基础设施也存在，例如德国萨克森-安哈尔特州的化学三角地带。其他进行中的项目还有，比如 H2Benelux 或英国的氢谷。世界各国政府也在考虑将现有天然气管道改装为氢的运输，液化天然气(LNG)终端也是如此。但所有这些项目的关键是钢铁、化肥、机动车和电力行业等大型氢能承购商。

03

氢能还是化石原料替代品

氢能经济增长的潜在领域，还包括大量使用化石燃料而且不容易实现电气化的重工业。这包括钢铁和水泥等难以减少热量使用的行业。例如，由德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的Salcos项目，旨在借助绿色氢气几乎消除天然气的使用。

另一个应用领域是化学工业中化石原料的替代，例如使用绿色氢生产甲醇。最后，绿色氢气还可以用于生产各种合成燃料，如电子煤油、电子甲醇和电子汽油，这些都支持航空、航运和重型道路运输行业的脱碳。

智利的Haru Oni就是一个例子，这是世界上第一个用于制造合成气候中性燃料的综合性工业规模氢气工厂。

所有这些创新都对那些公开承诺在本世纪中叶实现碳中和的企业很有吸引力，比如通用汽车、西麦斯(一家水泥制造商)和霍尼韦尔等。

04 为氢气发电厂打开大门

这些工业市场的氢能应用，在商业上降低了氢气盈亏平衡价格，因此应该首先实现。但由于要求电力行业完全脱碳的监管压力，发电厂中氢气的使用也应该会增加，这将使传统燃料因二氧化碳处罚而变得更加昂贵。

一些国家还承诺在2050年前实现碳中和。例如，瑞典和德国的目标是2045年。与此同时，七国集团(G7)主要工业国承诺在2035年之前实现电力行业的脱碳。

图说：奥地利多瑙施塔特热电联产厂，最初由天然气燃烧，现正在升级为使用混合氢运行。

来源：Wien Energie/Johannes Zinner

虽然美国打算到2050年达到总体净零排放，但它也制定了到2035年实现无碳污染电力的目标。此外，美国环保署(EPA)提出了一项新的排放法规，将在2038年前在电力部门实施近100vol%的低碳氢气共燃。与此相一致的是，人们对能够燃烧100vol%氢气的工业和重型涡轮机的兴趣与日俱增。

电力行业的脱碳，为氢气燃气发电厂奠定了基础。如今，全球越来越多的电力需求由可再生能源满足。此外，许多国家仍将核能视为基本负荷电力的重要供应者。然而，当可再生能源产量减少或需求达到峰值时，燃气发电厂可用于剩余负荷。

这些发电厂目前使用的天然气应该被视为向绿色氢气等清洁燃料的过渡气体。事实上，未来10到15年，天然气需求预计将增加其在全球能源需求中的份额，使其成为唯一呈上升趋势的化石燃料。为了为这一过渡做准备，考虑到燃气轮机的生命周期，开始安装新的可使用氢气的燃气轮机，或对现有涡轮机进行改造，是有意义的。一旦低碳氢气大规模可用，并以合理的成本获得，它们就可以快速进行改造。

05 氢气的未来：需要加快速度推进

根据国际能源署（IEA）的特别报告《2050年净零之路：全球能源部门路线图》，蓝氢和绿氢是未来——它们将在相当长的一段时间内共存。到2050年，预计大约一半的氢气生产将来自使用CCS(碳捕获和储存，蓝氢)的化石燃料的重整，一半来自可再生资源(绿氢)，随着时间的推移，绿氢将变得更具竞争力。

显然，不仅氢气的工业应用，对于天然气发电厂也是如此。虽然从纯粹的商业角度来看，氢能的广泛应用预计不会在这十年内发生，但监管措施和美国《削减通胀法案》这样的计划将有助于在未来几年内实现积极的商业案例。

因此，氢气重新电气化的基础工作已经奠定，这也就不足为奇了。还有一些规模较小的示范和试点项目，例如法国塞拉特-苏尔-维耶纳一家造纸厂的工业发电厂HyflexPower，它已经成功测试了共燃氢气。

2023年初，一台大型西门子能源SGT6-6000G涡轮机仅经过微小改造，在美国的一家发电厂运行，这使其成为世界上最大的运行中的燃气轮机，实现了38vol%的氢气混合。

最后，在奥地利的多诺施塔特热电厂(图2)，2023年7月进行了首次混合燃料15vol%氢气的试运行。下一阶段，测试将把氢含量翻倍，达到30vol%。

最后，虽然我们在这十年取得了一些成就，但还不够，今天的进展对于氢能应用的最终成功非常关键。我们需要有耐心。今天，我们既不应对现状感到惊讶，也不应感到沮丧。我们刚刚开始利用氢气来降低我们的排放密集型经济的碳排放。就像石油基础设施是几十年才建成的一样，氢气基础设施也需要时间。尽管如此，我们仍然有必要加快发展步伐。

氢能产业样本资料下载：

派克汉尼汾推出适用于氢气应用的新型压力传感器SCP04 
http://www.parkersnap-tite.com/fcg/SCP04.htm


SCP04氢气压力传感器-SCP04 Hydrogen Pressure Sensor
http://www.parkersnap-tite.com/fcg/SCP04_Sensor.htm


信德迈公司2012年开始派克签约分销商
http://www.parkersnap-tite.com/parker_atuthorized_distributor.htm


派克氢能应用解决方案
http://www.parkersnap-tite.com/Hydrogen/hydrogen-applicatoins.htm