成本对氢转化提出了挑战

如果有一种燃料能提供一种机制来改变全球能源平衡，那就是绿色氢。澳大利亚、智利和许多非洲国家的政府都在努力建立国家工业，将可再生能源应用于水中:利用电解分解成氢和氧分子，这是一种可能性。

去年年底，由于新冠肺炎大流行，智利政府在为期两天的会议上提出了自己的立场。Sebastián Piñera指出了他担任总统的国家不同寻常的地理位置，以及这将如何推动该国的可再生能源投资:阿塔卡马沙漠高原上的太阳能和南部半岛尖端的风力涡轮机。

Piñera指出，太阳能的成本已经下降了80%，这是他对该国围绕绿色氢建设经济的努力以及到2030年实现不仅成为世界上最高效的绿色氢生产国，而且成为世界上最大的绿色氢出口国的目标如此乐观的原因之一。

对智利不利的一件事是供应和需求的地理位置。里卡多工程小组的一项研究提出了一个可能的模型，即从阿塔卡马沙漠产生的太阳能氢气将通过船只运往亚洲和美洲西海岸。风力产生的氢气将向东输送到欧洲和美国东海岸。但两者都表明海上旅行远超1万公里。澳大利亚、摩洛哥和沙特阿拉伯等国家没有智利阿塔卡马沙漠那样的日照效益，但它们得益于距离主要工业客户更近。日本支持智利的计划，并表示将积极进口氢气，但从澳大利亚运输氢气会更便宜。同样，北非和中东通往欧洲的道路更容易。

尽管它们会抬高价格，但至少在10年内，运输成本对生产商来说可能都是次要问题。绿色氢的成本要接近今天的运输燃料，甚至蓝氢(由天然气制成，碳捕获用于防止排放泄漏到大气中)的成本，有许多事情要顺利进行。供应商可能会试图在天然气储层变成搁浅资产之前开采它们。

根据标准普尔全球普氏能源咨询公司(S&P Global Platts)去年发布的一份分析报告，每公斤所谓的灰色氢气的价格约为1美元(73便士)。灰色氢气是由基于甲烷蒸汽重整的当今主流技术生产的。加上碳捕获，成本将增加约50美分。目前绿色氢的价格接近4美元(3英镑)。绿色氢的支持者希望在未来十年内至少将这一数字减半。

挪威专家NEL设定了雄心勃勃的目标，即每公斤1.5美元(1英镑/公斤)，这将与蓝氢基本持平，但与污染更严重的灰氢相比还差得远。澳大利亚政策制定者提出了“2澳元下的H2”(2澳元，1.11英镑)的口号，智利则在推进，预计2美元的价格是现实的。

以今天的价格为基础，电解的资本和固定成本约占当前绿色氢价格的三分之一。成本中最大的一部分是原料:能源，如果我们假设今天的电解技术将在未来十年左右继续发展的话，还有清洁的水。电解技术没有根本性的改变，直接处理海水，蒸馏水的成本也在很大程度上取决于能源成本。

普氏能源资讯(Platts)估计，对于绿色氢生产而言，50%的产能系数与90%的产能系数(电解槽几乎一直用于生产)之间的差异，相当于每公斤成本相差1美元。为了在纯成本基础上与蓝氢竞争，在高因素情况下，每兆瓦时电价必须低于25美元(18英镑)，在电解槽只有一半时间活跃的情况下，每兆瓦时电价必须低于10美元。加拿大安大略省对电价进行了近20年的跟踪，并预测今年5月至6月的非高峰电价将降至略低于11美元/兆瓦时(8英镑)。冬季的峰值价格攀升至近30美元/兆瓦时(22英镑)。为了达到2025年1.5美元/公斤的目标，NEL表示需要电价为20美元/兆瓦时(14.50英镑)或更低。

作为影响绿色氢成本的第二大因素，电解槽的选择将至关重要。不幸的是，在电解槽技术方面没有明显的赢家，尤其是因为占空比不仅对资本效率有重大影响，而且对开机后的运行效率也有重大影响。

电解槽主要有四种类型。例如，NEL的主要选择是碱性电池，一个多世纪以来，碱性电池一直是氨等化学品工业生产的支柱。顾名思义，这种电池依赖于碱性溶液而不是纯水:氢和氧是由碱性离子而不是水产生的，水只是一种溶剂。电解槽的两半之间有一层可渗透的膜，向一个方向输送富氢混合物，向另一个方向输送富氧混合物。

聚合物电解质膜(PEM)是为太空和军事项目开发的，它使用特殊配方的聚合物膜，让氢离子通过阴极，而氧气在阳极聚集。尽管他们不需要大量的碱原料的使用,PEM设计今天遭受更高的成本,一定程度上是由于问题扩大细胞和的大小,因为它依赖于贵金属催化剂,与其说是因为成本(可能不超过总数的10%),而是因为铱是如此罕见的有可能只是不足以支持PEM的大规模推广设计。电池中的酸性条件部分通过腐蚀缩短了设备的寿命，迫使制造商使用昂贵的结构材料，如钛，以及水杂质中毒。这反过来又需要更多的输入能量来充分蒸馏和去离子正在被分割的水。

两项即将到来的技术是阴离子交换膜(AEM)和允许氧原子通过的固体氧化物膜。AEM设计的关键优势是使用廉价金属，如铁和镍作为催化剂。固体氧化物的设计实际上是一个反向运行的燃料电池。它有两个潜在的缺点:它在高达1000°C的温度下运行，尽管在这个温度下它是非常有效的，并且可能需要相对稀有的元素，如钇，这严重依赖于中国作为来源。

一个主要的考虑因素是，如果运营商试图追求最便宜的电力，不同的结构能在多大程度上应对供应的变化。碱性电池需要大约一个小时的时间来升级，固体氧化物电池也是如此，尽管如果频繁循环，它们对高水平热量的需求可能会导致能量损失。PEM本身的响应时间接近20分钟，因此至少在短期内，它可能成为有机会生产氢气的地方的首选。许多分析师预测，随着PEM的资本成本下降，它最终将超过碱业。这是NEL表示将遵循的战略。

NEL预计至少到2030年PEM的资本成本将高于碱性电池，其短期计划是基于大规模的碱性电池，较小的工厂使用PEM。中国自己也在积极推行碱性方案，占据了一半以上的装机容量。

如果固体氧化物技术在成本上具有竞争力，它可能会成为全球南部专用氢气工厂的首选技术，在那里，集中太阳能装置产生的热量可以很容易地支持长时间生产氢气所需的温度。例如，摩洛哥北部的Midelt项目将把基于熔盐的储热与太阳能聚光器相结合，以支持天黑后的能源输送。

尽管可以尽可能多地利用可再生能源，但这种设计的一个主要阻碍因素是所需的巨大资本支出。按每千瓦计算，电解槽的成本相当于或超过太阳能或风力发电机。这给供应商留下了一个问号:在选择尝试使用看似浪费的能源来制造氢气之前，他们将承受多少削减的痛苦。一种选择是缩小电解槽的规模，并使用电池和压缩空气存储来更慢地输入多余的能量，以避免电量减少。但麻省理工学院能源计划(MIT Energy Initiative)的研究科学家Dharik Sanchan Mallapragada领导的团队在2020年进行的一项研究发现，除非当地储存氢气的成本极高，否则不购买电池存储，而是简单地接受在发电高峰期间使用略小于太阳能电池板或风力涡轮机峰值发电能力的电解槽进行一些削减，在经济上更有意义。

国际可再生能源机构(IRENA)等组织已经制定了降低电解成本的途径，随着产量的增加，其中大部分是通过渐次改进，而不是期待技术突破。对于电池来说，成本的大幅下降可能会在几十年内实现，部分原因是可能会从目前更便宜的碱性电池过渡到PEM或其他选择之一。尽管随着工厂规模的扩大，后处理堆栈的份额会减少，但它对安装和运营成本都是一个重要的贡献。在未来十年，这些组件的规模经济看起来更加现实。例如，电力电子电路可能是节省的主要来源，因为它是第二大资本成本。据IRENA称，到2050年，电解槽成本可能下降80%。

尽管它为一些国家提供了前所未有的机会，以有利于他们的方式重塑能源格局，但所需的投资规模意味着绿色氢似乎将缓慢起步。在过去的几年里，安装量已经上升到过去十年中无法想象的水平。但是，氢气要想开始与现代石油工业的产能相匹配，所需要的能量是巨大的。即使有随之而来的逆风，这一差距也将需要数年时间才能弥合。例如，普氏能源资讯预测，至少在2028年之前，蓝色氢的产量将以接近5:1的比例超过绿色氢的产量。在此期间，准备好看到大量的碳捕获被投入使用吧。