《来自硅谷的氢透视》是由斯坦福大学的MBA学生Karen Baert和Thilo Braun撰写的系列文章，旨在揭示氢的趋势和创新。这是调查该行业系列文章的第二篇。
数百年来，人类一直在生产氢气。今天，每年生产超过1亿公吨的氢气——足以在环境压力下注满5亿多个奥林匹克游泳池。
如今，超过95%的氢气来自化石燃料，每生产一千克氢气会排放近10千克二氧化碳。那么，为什么氢被认为是化石燃料的清洁替代品呢？
在我们之前的文章中，我们讨论了氢的用例。本文主要关注氢气的供应端：
氢彩虹的颜色
绿色：电解者的承诺
绿色氢成本：为什么风能和太阳能改变了等式
绿色氢成本：碳税将有助于绿色环保，但不会自行实现
氢彩虹的颜色
氢有许多不同的颜色。你可能遇到过蓝色、绿色、青绿色、灰色，甚至可能是金色氢以及其他颜色。如果这让你感到困惑，你并不孤单。
不同的颜色用于对不同类型的制氢技术进行分类。氢已经生产了几个世纪，对我们今天的世界至关重要。没有它，我们大多数人的餐桌上都不会有任何食物，因为氢是制造化肥的基本成分。
然而，历史上的生产一直来自化石燃料。今天的大部分氢气是灰氢，它是通过称为蒸汽甲烷重整（SMR）或煤气化的过程从天然气中产生的。使用烟煤（黑煤）或褐煤（棕煤），通过煤的气化产生的氢被称为棕氢或黑氢。
出现了许多能够产生无碳排放或碳排放很少的氢气的技术，包括蓝色、绿色和青绿色的氢气。
蓝色氢——暂时的权宜之计
蓝色意味着用碳捕获和存储（CCS）技术改造现有工厂。这可以在投资成本适中的现有基础设施上完成。CCS的起价约为每公斤氢0.20美元，只增加了产出氢的适度成本。
蓝色氢的一个主要问题是如何处理捕获的二氧化碳，因为许多地区不适合碳封存。此外，虽然高的碳捕获率（90-95%）是可能的，但是高的生产量会刺激降低捕获率。尽管如此，仍有许多重要的蓝氢项目，包括澳大利亚从煤气化生产蓝氢出口到日本的项目。由于它只能导致GHG排放量的部分减少，我们认为蓝氢主要是减少现有SMR设施的碳影响的临时解决方案。
绿松石——廉价天然气
绿松石是一种相对较新的工艺，其中甲烷热解用于生产氢气。输入是甲烷（或天然气），很容易获得。这个过程产生的副产品不是二氧化碳，而是炭黑。与二氧化碳不同，炭黑是一种固体产品，因此易于捕获和使用或隔离。炭黑反过来被用于生产轮胎橡胶以及其他应用，使其具有转售价值，而不是纯粹的废品。
虽然这一过程本身不会排放任何温室气体，但上游的排放会带来风险。过程中的甲烷泄漏会导致生命周期中的大量排放。只要这一点得到管理（我们知道如何去做，并得到金丝雀项目（Project Canary）等公司的验证），绿松石氢在短期内是以经济上有吸引力的价格生产清洁氢气的有力竞争者。
绿色氢
绿色氢是利用水电解和电力生产的。只要电力是可再生的，绿色氢就没有相关的碳排放。绿色氢生产今天面临的主要挑战是成本——随着成本下降，它将被越来越广泛地采用。尽管如此，只用水和绿色电力作为输入，没有温室气体排放的制氢前景非常光明。我们相信绿色氢将成为世界上大多数地区的主要生产途径，我们将在本文的剩余部分关注绿色氢技术及其经济性。
其余中最好的
在开始绿色制氢之前，还有一些其他的过程值得一提。
最近，人们开始谈论氢的天然储存库。所谓的“金氢”可以像今天提取天然气一样从地下提取出来。迄今为止，人们对金氢知之甚少，在我们大规模看到它之前，还需要更多的研究。
另一种制氢方式是废物制氢。它可以用来生产相对便宜的清洁氢气，而不是燃烧生物质废物或将其填埋。这是一个相对混乱和复杂的过程，但作为解决方案的一部分，经济学确实使其具有吸引力。我们不认为废物转化为氢气会成为主导，但我们认为在未来15-10年内，废物转化为氢气有可能在清洁氢气生产中占据相当大的份额。
比较主要制氢类型的表格
绿色：电解的希望
电解是一项十年前的技术，可以追溯到1800年。然而，到目前为止，它太贵了，无法与灰氢竞争。绿色氢的价格是灰色氢的两到四倍，而如今灰色氢的产量是一个舍入误差。那我们为什么要关心绿氢呢？
绿色氢是清洁的——它的生产过程中没有温室气体排放。如果太贵的话，这没有多大帮助，但是随着可再生电力成本的下降，绿色氢的成本也在迅速下降。此外，绿色氢可以在任何有（可再生）电源和水的地方生产，这使得它在地理上具有灵活性。今天，氢的最大成本构成之一是它的分配。如果电解装置能够在离使用地点更近的地方进行生产，就可以节省大量成本，部分抵消目前分布式承购商的较高生产成本。
绿色氢的成本曲线一直在快速下降。美国能源部的氢能项目（Hydrogen Shot）等计划正在加速这一成本下降，其目标是在10年内（到2030年）每公斤氢能达到111-1美元。我们预计，2030年以后，当成本接近灰色氢时，绿色氢将成为氢制造的首选途径。鉴于电解需要大量的水输入，一个主要的遗留问题是水的可持续性问题。
我们确定了四种主要类型的电解槽。在不深入技术细节的情况下，了解它们的相对优势和劣势是值得的。今天，碱性燃料仍然是最常见的，但大多数新项目是质子交换膜。质子交换膜电解槽具有独特的优势，能够快速上升和下降，使其有可能在可再生能源过剩时打开（阳光明媚或风力超过需求），并在没有可再生能源时关闭。
绿色氢成本：为什么风能和太阳能改变了等式
绿色氢对脱碳工业的贡献程度和速度将取决于其生产成本的变化。生产成本（也称为绿色氢气生产的平准化成本，或LCOH）取决于两个主要因素。其中之一是上面讨论的电解槽的资本成本。第二个也是通常更重要的因素是廉价可再生电力的可获得性，这可以分为两个部分：电价和容量因素。
容量因子表示在给定时间段内利用的电解槽的最大生产容量的百分比。容量系数远低于100%的主要原因是电力的可用性和成本。当将电解槽连接到电网时，容量因数可以高达100%，尽管可以更低以避免在最贵时购买电力。当将电解槽直接连接到可再生电源时，容量因数的范围可以从太阳能的约25%到风能的约35%到使用非间歇电源时的约100%。
为了更好地理解LCOH（不同的组成部分），我们基于三种不同的情景分析了成本（数字基于BloombergNEF最乐观的估计）:
阿拉伯联合酋长国的太阳能：约3ct/kWh，20%容量系数
巴西的陆上风力：约2ct/kWh，40%的容量系数
冰岛的水力发电：90%容量系数时约4 ct/kWh
下图显示了氢气成本及其在每种情况下不同成本区间的分解情况。如图所示，运营支出/资本支出的划分高度依赖于容量因素。在阿联酋，资本支出约占成本的60%，产能系数为20%，而在冰岛，只有约25%的LCOH与资本支出相关，产能系数为90%。
为了更好地了解容量因素和可再生电力成本的影响，我们对资本支出成本为1000美元/千瓦的100兆瓦质子交换膜电解槽在三种不同场景下的数字进行了计算（WACC为8%，BoP为35%，安装因素为1.1)。下面的灵敏度表代表了氢气生产的平准化成本，电力成本在1-8 ct/kwh之间，容量系数在10-100%之间。该成本仅代表生产，不考虑任何运输或储存成本。
该分析的一些关键要点是：
与容量因素相比，LCOH对电力成本更为敏感（容量因素由运营支出与资本支出的相对重要性决定）。随着电解槽变得越来越便宜，将它们与可再生能源资产（容量系数为30-50%）放在一起将是一种越来越具有经济吸引力的生产廉价绿色氢气的方式。
绿氢1.1-6.5美元/千克的LCOH范围很广，尽管与灰氢0.7-2.5美元/千克的LCOH部分重叠。绿色氢需要低至3 ct/kWh的电价才能在成本上与灰色氢竞争。拥有廉价可再生能源的地区将处于绿色氢应用的前沿。
值得注意的是，这些成本纯粹是孤立的生产成本。压缩、液化、储存和分配的额外成本对氢来说很重要，可能会改变绿色能源的竞争环境。将电解槽设在离氢气使用得更近的地方可以节省50%的成本。我们将在下一篇文章中对此进行更深入的探讨。
成本：碳税将有助于绿色环保，但不会自行实现
最后，如果重要的碳激励措施变得普遍，绿色氢相对于灰色氢的成本竞争力将显著提高。由于灰氢生产每生产1千克氢会排放9千克二氧化碳，如果计入碳税，灰氢将变得更加昂贵。下图说明了碳税对灰色氢气价格的影响，并与2022年和2030年绿色氢气生产成本进行了比较，假设使用100%可再生电力，绿色氢气生产成本与碳价格无关。假设2022年和2030年电解槽资本支出分别为1000美元/千瓦和400美元/千瓦。虽然碳税将有助于提高绿色氢的经济可行性，但我们需要在电解槽成本、效率、寿命以及增加绿色氢的廉价可再生电力的可用性方面取得进展，以扰乱行业。
总结
从长远来看，绿色氢是最有前途的无碳制氢方法。这种转变将会如何，不同的技术可能会在不同的应用中胜出，目前还没有定论。
廉价可再生能源的出现将推动绿色氢的采用。电解槽预计将灵活操作，以（1）与可再生能源直接连接，无需电力存储（避免使用公共电网配电的高成本），或（2）在连接到电网时利用电力市场价格的波动。
碳价格将有助于绿色而非灰色，但不会自行改变现状。电解槽成本的降低和技术的改进以及可再生能源的持续使用对于绿色氢产业实现零净经济是不可或缺的。
最后，在本文中，我们孤立地研究了生产成本。以分布式方式部署电解槽的能力，将它们定位在地理上靠近需求区域，可以显著降低分配成本，有可能将输送氢气的成本降低多达50%。
