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《來自硅谷的氫透視》是由斯坦福大學的MBA學生Karen Baert和Thilo Braun撰寫的系列文章，旨在揭示氫的趨勢和創新。這是調查該行業系列文章的第二篇。
數百年來，人類一直在生產氫氣。今天，每年生產超過1億公噸的氫氣——足以在環境壓力下注滿5億多個奧林匹克游泳池。
如今，超過95%的氫氣來自化石燃料，每生產一千克氫氣會排放近10千克二氧化碳。那么，為什么氫被認為是化石燃料的清潔替代品呢？
在我們之前的文章中，我們討論了氫的用例。本文主要關注氫氣的供應端：
氫彩虹的顏色
綠色：電解者的承諾
綠色氫成本：為什么風能和太陽能改變了等式
綠色氫成本：碳稅將有助于綠色環保，但不會自行實現
氫彩虹的顏色
氫有許多不同的顏色。你可能遇到過藍色、綠色、青綠色、灰色，甚至可能是金色氫以及其他顏色。如果這讓你感到困惑，你并不孤單。
不同的顏色用于對不同類型的制氫技術進行分類。氫已經生產了幾個世紀，對我們今天的世界至關重要。沒有它，我們大多數人的餐桌上都不會有任何食物，因為氫是制造化肥的基本成分。
然而，歷史上的生產一直來自化石燃料。今天的大部分氫氣是灰氫，它是通過稱為蒸汽甲烷重整（SMR）或煤氣化的過程從天然氣中產生的。使用煙煤（黑煤）或褐煤（棕煤），通過煤的氣化產生的氫被稱為棕氫或黑氫。
出現了許多能夠產生無碳排放或碳排放很少的氫氣的技術，包括藍色、綠色和青綠色的氫氣。
藍色氫——暫時的權宜之計
藍色意味著用碳捕獲和存儲（CCS）技術改造現有工廠。這可以在投資成本適中的現有基礎設施上完成。CCS的起價約為每公斤氫0.20美元，只增加了產出氫的適度成本。
藍色氫的一個主要問題是如何處理捕獲的二氧化碳，因為許多地區不適合碳封存。此外，雖然高的碳捕獲率（90-95%）是可能的，但是高的生產量會刺激降低捕獲率。盡管如此，仍有許多重要的藍氫項目，包括澳大利亞從煤氣化生產藍氫出口到日本的項目。由于它只能導致GHG排放量的部分減少，我們認為藍氫主要是減少現有SMR設施的碳影響的臨時解決方案。
綠松石——廉價天然氣
綠松石是一種相對較新的工藝，其中甲烷熱解用于生產氫氣。輸入是甲烷（或天然氣），很容易獲得。這個過程產生的副產品不是二氧化碳，而是炭黑。與二氧化碳不同，炭黑是一種固體產品，因此易于捕獲和使用或隔離。炭黑反過來被用于生產輪胎橡膠以及其他應用，使其具有轉售價值，而不是純粹的廢品。
雖然這一過程本身不會排放任何溫室氣體，但上游的排放會帶來風險。過程中的甲烷泄漏會導致生命周期中的大量排放。只要這一點得到管理（我們知道如何去做，并得到金絲雀項目（Project Canary）等公司的驗證），綠松石氫在短期內是以經濟上有吸引力的價格生產清潔氫氣的有力競爭者。
綠色氫
綠色氫是利用水電解和電力生產的。只要電力是可再生的，綠色氫就沒有相關的碳排放。綠色氫生產今天面臨的主要挑戰是成本——隨著成本下降，它將被越來越廣泛地采用。盡管如此，只用水和綠色電力作為輸入，沒有溫室氣體排放的制氫前景非常光明。我們相信綠色氫將成為世界上大多數地區的主要生產途徑，我們將在本文的剩余部分關注綠色氫技術及其經濟性。
其余中最好的
在開始綠色制氫之前，還有一些其他的過程值得一提。
最近，人們開始談論氫的天然儲存庫。所謂的“金氫”可以像今天提取天然氣一樣從地下提取出來。迄今為止，人們對金氫知之甚少，在我們大規模看到它之前，還需要更多的研究。
另一種制氫方式是廢物制氫。它可以用來生產相對便宜的清潔氫氣，而不是燃燒生物質廢物或將其填埋。這是一個相對混亂和復雜的過程，但作為解決方案的一部分，經濟學確實使其具有吸引力。我們不認為廢物轉化為氫氣會成為主導，但我們認為在未來15-10年內，廢物轉化為氫氣有可能在清潔氫氣生產中占據相當大的份額。
比較主要制氫類型的表格
綠色：電解的希望
電解是一項十年前的技術，可以追溯到1800年。然而，到目前為止，它太貴了，無法與灰氫競爭。綠色氫的價格是灰色氫的兩到四倍，而如今灰色氫的產量是一個舍入誤差。那我們為什么要關心綠氫呢？
綠色氫是清潔的——它的生產過程中沒有溫室氣體排放。如果太貴的話，這沒有多大幫助，但是隨著可再生電力成本的下降，綠色氫的成本也在迅速下降。此外，綠色氫可以在任何有（可再生）電源和水的地方生產，這使得它在地理上具有靈活性。今天，氫的最大成本構成之一是它的分配。如果電解裝置能夠在離使用地點更近的地方進行生產，就可以節省大量成本，部分抵消目前分布式承購商的較高生產成本。
綠色氫的成本曲線一直在快速下降。美國能源部的氫能項目（Hydrogen Shot）等計劃正在加速這一成本下降，其目標是在10年內（到2030年）每公斤氫能達到111-1美元。我們預計，2030年以后，當成本接近灰色氫時，綠色氫將成為氫制造的首選途徑。鑒于電解需要大量的水輸入，一個主要的遺留問題是水的可持續性問題。
我們確定了四種主要類型的電解槽。在不深入技術細節的情況下，了解它們的相對優勢和劣勢是值得的。今天，堿性燃料仍然是最常見的，但大多數新項目是質子交換膜。質子交換膜電解槽具有獨特的優勢，能夠快速上升和下降，使其有可能在可再生能源過剩時打開（陽光明媚或風力超過需求），并在沒有可再生能源時關閉。
綠色氫成本：為什么風能和太陽能改變了等式
綠色氫對脫碳工業的貢獻程度和速度將取決于其生產成本的變化。生產成本（也稱為綠色氫氣生產的平準化成本，或LCOH）取決于兩個主要因素。其中之一是上面討論的電解槽的資本成本。第二個也是通常更重要的因素是廉價可再生電力的可獲得性，這可以分為兩個部分：電價和容量因素。
容量因子表示在給定時間段內利用的電解槽的最大生產容量的百分比。容量系數遠低于100%的主要原因是電力的可用性和成本。當將電解槽連接到電網時，容量因數可以高達100%，盡管可以更低以避免在最貴時購買電力。當將電解槽直接連接到可再生電源時，容量因數的范圍可以從太陽能的約25%到風能的約35%到使用非間歇電源時的約100%。
為了更好地理解LCOH（不同的組成部分），我們基于三種不同的情景分析了成本（數字基于BloombergNEF最樂觀的估計）:
阿拉伯聯合酋長國的太陽能：約3ct/kWh，20%容量系數
巴西的陸上風力：約2ct/kWh，40%的容量系數
冰島的水力發電：90%容量系數時約4 ct/kWh
下圖顯示了氫氣成本及其在每種情況下不同成本區間的分解情況。如圖所示，運營支出/資本支出的劃分高度依賴于容量因素。在阿聯酋，資本支出約占成本的60%，產能系數為20%，而在冰島，只有約25%的LCOH與資本支出相關，產能系數為90%。
為了更好地了解容量因素和可再生電力成本的影響，我們對資本支出成本為1000美元/千瓦的100兆瓦質子交換膜電解槽在三種不同場景下的數字進行了計算（WACC為8%，BoP為35%，安裝因素為1.1)。下面的靈敏度表代表了氫氣生產的平準化成本，電力成本在1-8 ct/kwh之間，容量系數在10-100%之間。該成本僅代表生產，不考慮任何運輸或儲存成本。
該分析的一些關鍵要點是：
與容量因素相比，LCOH對電力成本更為敏感（容量因素由運營支出與資本支出的相對重要性決定）。隨著電解槽變得越來越便宜，將它們與可再生能源資產（容量系數為30-50%）放在一起將是一種越來越具有經濟吸引力的生產廉價綠色氫氣的方式。
綠氫1.1-6.5美元/千克的LCOH范圍很廣，盡管與灰氫0.7-2.5美元/千克的LCOH部分重疊。綠色氫需要低至3 ct/kWh的電價才能在成本上與灰色氫競爭。擁有廉價可再生能源的地區將處于綠色氫應用的前沿。
值得注意的是，這些成本純粹是孤立的生產成本。壓縮、液化、儲存和分配的額外成本對氫來說很重要，可能會改變綠色能源的競爭環境。將電解槽設在離氫氣使用得更近的地方可以節省50%的成本。我們將在下一篇文章中對此進行更深入的探討。
成本：碳稅將有助于綠色環保，但不會自行實現
最后，如果重要的碳激勵措施變得普遍，綠色氫相對于灰色氫的成本競爭力將顯著提高。由于灰氫生產每生產1千克氫會排放9千克二氧化碳，如果計入碳稅，灰氫將變得更加昂貴。下圖說明了碳稅對灰色氫氣價格的影響，并與2022年和2030年綠色氫氣生產成本進行了比較，假設使用100%可再生電力，綠色氫氣生產成本與碳價格無關。假設2022年和2030年電解槽資本支出分別為1000美元/千瓦和400美元/千瓦。雖然碳稅將有助于提高綠色氫的經濟可行性，但我們需要在電解槽成本、效率、壽命以及增加綠色氫的廉價可再生電力的可用性方面取得進展，以擾亂行業。
總結
從長遠來看，綠色氫是最有前途的無碳制氫方法。這種轉變將會如何，不同的技術可能會在不同的應用中勝出，目前還沒有定論。
廉價可再生能源的出現將推動綠色氫的采用。電解槽預計將靈活操作，以（1）與可再生能源直接連接，無需電力存儲（避免使用公共電網配電的高成本），或（2）在連接到電網時利用電力市場價格的波動。
碳價格將有助于綠色而非灰色，但不會自行改變現狀。電解槽成本的降低和技術的改進以及可再生能源的持續使用對于綠色氫產業實現零凈經濟是不可或缺的。
最后，在本文中，我們孤立地研究了生產成本。以分布式方式部署電解槽的能力，將它們定位在地理上靠近需求區域，可以顯著降低分配成本，有可能將輸送氫氣的成本降低多達50%。
