全面下滑！氢的八个未来领域，悲观的2100年需求预测

日期：2023-10-24 来源：CHC氢能大会

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2023

10/24

16:34

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关键词：脱碳制氢绿氢产业氢燃料电池技术

大约两年前，我们发表了第一份关于到2100年每十年氢需求的预测。我们的预测随着时间的推移而改变，但已经有一段时间没有更新它了，现在是时候这么做了。

到2100年的氢需求，图表由TFIE Strategy Inc.首席战略官Michael Barnard绘制

这一切的导火索是Michael Liebreich在两年内发布了他的第一个有用的氢阶梯的更新，5.0版本。我们建议读者也仔细研究一下，因为Liebreich对氢的立场已经相当坚定了，尽管数据看起来仍然比较悲观。现在预测图表上有8个领域，它们全都排在厄运之列，似乎没有任何需求上升的希望。

作为这个讨论的框架，重要的是要记住，今天的氢气制造是一个温室气体排放问题，是关于气候变化的问题，与世界各地所有航空排放一样，相当于大约15亿吨温室气体。脱碳制氢是一项必然的要求。

脱碳制氢带来了显著的额外成本——实际上是目前每吨氢成本的3-5倍。蓝色氢是由天然气制造的，其碳捕获和封存过程是固定的，它具有显著的资金和运营成本，以及更多的能源需求，并且在此过程中仍会泄漏甲烷和二氧化碳，从而增加了碳定价。绿色氢的资金和电力成本曲线意味着它不太可能低于每公斤6美元，这些都是非常昂贵的。

这些成本成为一个重要的因素，我们将在下面讨论所有使用氢作为能源的问题。

钢铁：一个罕见的增长领域

在讨论每个需求类别之前，让我们从钢铁开始。我最初的预测是钢铁制造业的新需求约为4000万吨氢气。铁矿石中含有过多的氧气，必须以某种方式加以减少。这是通过鼓风炉完成的，用合成气体直接还原，现在HYBRIT在冶炼过程中使用绿色氢。这种工艺每生产一吨新钢需要大约55公斤氢气。

我预测，随着中国大规模基础设施建设和城市建设接近尾声，未来几十年钢铁需求增长将大幅趋平，而其他发展中地区的增长将放缓。需求仍在从目前的水平上升，但更多的钢铁需求将通过电弧炉加工现有的废弃钢铁来满足，美国在过去20年左右的时间里一直在这样做，满足了高达70%的需求。大多数化石燃料基础设施将在未来几十年被废弃，因此将有大量废钢可供使用。

这意味着该领域的氢气使用将从今天的零吨增加到2100年的3000万吨。我最初的估计是4000万吨，增长速度较慢，但钢铁需求预测既降低了总需求，又把需求峰值提前了。

运输：电池和生物燃料主导未来

也许，只需要少量的氢气用于运输，无论是直接使用、还是通过由电解氢或蓝氢与捕获的二氧化碳结合而成的合成燃料，增长都是不可能的。我花了9年的时间研究交通再生能源并分析生物燃料、电池、氢和合成燃料，它将被电网连接，电池出现在地面上，电池和生物燃料将出现在空中和水面。

将氢转化为能量的动力与蓝色氢有关。碳原子是组成天然气的碳和氢的一部分，占混合物中能量载体的45%。蓝色氢采用天然气，去除了45%的能源，但在捕获和隔离二氧化碳方面需要更多的资金成本和运营成本，最终单位能源的成本要高得多。不仅氢气的单位成本翻了一番，氢气所含的能量也只有天然气的一半。这并不是一个很好的权衡。

在未来的几十年里，所有的内河航运和大多数短途海运都将由电池供电。散货航运将急剧下降，因为散货化石燃料占总量的40%，我们将不再像今天这样提取、加工、精炼和分销大约180亿吨化石燃料。同样，占散货运输15%的原铁矿石将减少，因为更多的加工是在矿山附近用电力和氢气，而不是依靠煤炭进行。只有跨洋航线和较长的沿海航线需要液体燃料，它们大部分将是生物燃料。

在我看来，大陆内部的大多数航空也将成为电池供电的。也许跨大西洋航空和跨太平洋航空也将变得可行。我的航空预测是，所需的液体燃料在2060年之后数量会减少，它们将是可持续的航空生物燃料(SAF)。

每年液体生物燃料的总需求量在2亿吨左右，我们已经生产了1亿吨，其中约有7000万吨是生物柴油。我们把大部分浪费在地面运输上，所有这些都将电气化(通过电池)，因为我们已经拥有相关的能力。

废弃的生物质拥有制造柴油和喷气燃料所需的所有能量，它们只是生物质中氢、氧和碳的不同组合。林业、农业、畜牧业和食品加工业每年产生数百亿吨生物质废弃物。每一吨干燥的生物质可以转化为大约0.4吨的液态生物燃料。

所有这些废弃的生物质在分解时会产生大量的甲烷，所以将生物质废物转化为生物燃料是一个非常有利于气候的良性循环，而且有了碳定价和碳边界调整机制，这是一个非常经济合理的方法。

氢在炼油厂的主要用途是加氢裂化，从重质原油中分离出较轻的馏分油。较少量的用途是加氢处理和脱硫。加氢处理是生物燃料所需的主要方法。这意味着每吨生物燃料大约需要5公斤氢气。

每年2亿吨生物燃料，意味着大约100万吨用于加氢处理的氢气，主要是新的需求。有一些生物燃料的过程会添加一些氢气，但随着氢气成本的增加，我怀疑它们的竞争力将不如不需要氢气的过程。我再给你一百万吨。

在我最初的氢预测计划中，我预留了400万吨用于生物燃料加工，这是我的猜测，显然这已经十分慷慨。

脱硫加氢处理：需求急剧下降

炼油厂仍然是氢的最大需求领域。大约4000万吨，约占目前全球氢需求总量的三分之一，用于加工和提炼石油。其中最大的一部分(约75%)用于加氢裂化，将原油分离成较轻和较重的馏分。加氢处理除去多余的水。硫是一种严重的污染物，是形成大气污染和酸雨的主要因素。

对氢需求最大的原油是重质、高硫原油。那是来自艾伯塔省，委内瑞拉和墨西哥的东西。这些产品每桶约7.7公斤的要求意味着，质量折扣将随着氢的价格增加而增加，因为氢需要脱碳。

蓝氢或绿氢将使每桶重质油的加工和提炼成本增加25至77美元。

我们正处于化石燃料需求高峰的十年。50年前几乎完全以化石燃料机构的形式成立的国际能源署(International Energy Agency)最近宣布，所有化石燃料的需求，不仅是石油和煤炭，都将在本十年达到峰值。中国的石油和天然气炼制和分销巨头中石化宣布，汽油需求将在2023年达到峰值，比预期提前了两年。预计，中国的煤炭需求将在2024年达到峰值，比预期提前一年。

随着高峰而来的是衰退。随着需求的下降，市场经济也发生了重大变化。在市场下滑的情况下，最便宜的石油将赢得客户，而且这种石油质轻、含硫量低。因此，第一批退出市场的原油将是那些加工和提炼成本越来越高的原油，也就是那些需要最多氢气的原油。

这种全球市场经济的平衡行为意味着，我最初对炼油厂氢需求下降的预测不够激进。因此，我把这些部分的氢的下降曲线变陡了。

肥料：养活80亿人并不需要那么多

制造肥料有多种原料需求，但对氢来说最重要的是氨。那种物质是一个氮原子和三个氢原子。植物由高达5%的氮组成。这是它们结构中质量最大的元素。

向植物输送氮是农业的重要组成部分。我们过去常常让田地休耕，每四年种一次三叶草。现在我们从天然气和煤中制造氢气，并将其与工业化工厂空气中的氮结合，制成氨，然后以各种方式进一步处理氨以供应用。

我们每年在这个过程中使用大约3000万吨氢气。这就是为什么我们能够不断生产足够的卡路里来匹配人口增长，这也是每公顷作物产量成倍增加的重要原因。

我们今天浪费了大量的农业养分。我们过度使用它们。我们从直升机和飞机上向农田上空喷洒农药，将大量农药吹出农田边界，进入水道，造成严重的下游污染问题。

当氨与土壤中的水分接触时，其中一些会变成一氧化二氮，其全球变暖潜能值是二氧化碳的265倍。

化肥是农业气候变化的一大问题，而这个问题将被定价。加拿大的碳排放价格已经包括了所有温室气体，包括一氧化二氮和甲烷。欧盟的排放交易计划和碳边界调整机制将从2026年开始将它们包括在内。对于问题的严重性而言，每吨二氧化碳或当量的预计价格已经足够高了，按2022年的美元价值计算，到2030年将达到约203美元。

这意味着氨气会变得越来越贵。每生产一吨氨气所产生的约6吨碳债将被定价，否则蓝色或绿色氢的成本将被增加。一氧化二氮的排放将被定价。

这两家公司的合并将意味着氨气需求面临巨大的下行压力，并将促使人们寻找替代产品。我们已经有了可以拉动的杠杆。Pivot Bio对土壤中正常的固氮微生物进行了基因工程改造，去掉了它们的“开关”，这样它们即使在有肥料的情况下也能继续工作，并在一个基本上是啤酒桶的东西里酿造它们。几年前，他们将100万英亩美国玉米的氨肥需求减少了25%，并制定了到2030年将玉米、小麦和水稻的氨肥需求减少100%的目标。许多人都在研究同样的问题，所以会取得好的结果。精准农业，包括重型无人机喷洒，正在减少相同作物产量下的肥料用量。

保罗·马丁(Paul Martin)对我的第一次预测提出的批评是恰当的。我在2030年将需求减少了几百万吨，这个时间表太激进了。除此之外，预测保持不变，减少但不消除需求面积。

供暖：零氢需求

现在有大约45项严肃的研究都说氢在商业或住宅的水或空气加热中没有作用，而热泵将是最好答案。45%的工业供热低于200摄氏度，而现代热泵正在提供这种供热，所以这也不是一个市场。

即使在工业温度超过200摄氏度的领域。我看过无数的工业供暖案例和技术，还没有发现一个不能用电力来解决的。没有任何温度范围是电及其热技术如电阻加热、感应加热、电动势、微波、电弧和电气等离子体所不能达到的。电弧炉的温度已经可以高达3000摄氏度。

我们今天没有用电加热高温的唯一原因是因为化石燃料是一种非常便宜的高温来源，尤其是过去20年左右的天然气。但到2030年，欧盟的碳排放交易体系和碳减排计划意味着，每千兆焦耳的天然气热量将增加约14美元的成本。从2009年到2021年，天然气的平均价格约为每千兆焦耳5美元。

一个现实的碳价格，一个欧盟对所有过境商品、所有在其境内制造的商品适用的价格，一个美国环保署和加拿大的碳社会成本与之密切相关的价格，意味着天然气供热的价格将在2030年翻4倍，到2040年翻6倍。加拿大的碳价格、加州的限额与交易价格和中国的限额与交易价格将趋向于相同的点，部分原因是这是经济现实，部分原因是为了使各经济体的交易价值保持一致，以避免缺乏竞争力。

碳定价本身就意味着大规模转向电供暖解决方案，这在大多数司法管辖区都更便宜、更高效。但氢气总是比天然气贵得多。

记住，蓝色氢消耗的能量是天然气中45%的能量，而且成本更高。绿色氢的成本将是液化天然气的5到10倍，液化天然气是目前大多数经济体使用的最昂贵的能源形式。

从经济角度来看，每一次使用氢气供热的尝试都无法与直接使用电力相竞争。在我看来，这里不可能有氢的位置，如果有的话，这是一个舍入误差，几乎可以忽略它。

我的预测之一是电网储能的需求和技术。我的预测是抽水蓄能——特别是具有高水头高度和小水库的闭环、离河抽水蓄能——继续主导着电网储能，就像自1907年第一个站点投入使用以来一样。在那之后，氧化还原液流电池将和锂电池争夺第二的位置，氧化还原液流电池可能会处于领先地位，因为它们提供的动力和能量是分离的。另外，可能还有100GW的“失败者”，包括压缩空气、液态空气、蓄热发电和氢气将争夺剩余的储能空间。

这就解决了所有的问题，除了10年到100年一遇的重大事件，当非常大的地理区域连续几周没有阳光或风的时候。10年是个孤岛问题，这就是克里斯·卢埃林-史密斯爵士为英国设计的模型所展示的。在有更多空间和更多连接网格的大陆上，这很难发生。在很多热带地区，总是有阳光，所以这不会成为问题。

这些罕见的情况将需要一些战略储备。很多人似乎认为把氢放在盐洞里是一种解决办法。我认为这是以假设氢是答案并寻找案例为前提。

氢没有什么能让它成为长时储能的选择。按体积计算，它的能量密度仍然是可替代能源中最低的。用能源或化石燃料制造二氧化碳的成本仍然高于其他替代品。它仍然是替代品中最容易泄漏的分子，也是金属和电子产品中最难去掉的分子之一。

就我个人而言，我的赌注是从我们没有消除或扩散的废弃生物质中捕获和转移而来的生物甲烷，也没有将其用于其他目的，并将其投入战略储备，在联合循环燃气轮机中燃烧。这就把当前的主要气候问题变成了一个具体过渡问题的解决方案，与氢相比，控制和监测甲烷相对来说容易得多。

我也不是特别关心这个部分，我认为争论太多只会分散注意力。在我们达到最后百分之几的脱碳之前，我们还有很多繁重的工作要做。有人在思考这个问题，这很好，但这对我们在未来10到15年要做的事情不会有什么影响。

这意味着我认为一些氢气将用于电网储能，但从2040年开始每年只有100万吨左右。在过去的两年里，我所看到的一切都没有改变我对这个问题的看法。

氢化：人造黄油

反式脂肪会减少我们现在用大量的氢来制造不健康的食品。部分氢化反应产生反式脂肪，这几乎是我们能吃到的最不健康的东西，但它不是一种毒药。随着氢成本的显著增加和全球健康意识的增强，我认为到2100年，用于食品氢化的氢气需求将略有下降。

这部分自第一次预测以来没有变化，从现在的每年800万吨到2100年的500万吨。

甲醇：行业出现小幅下滑

我最初的预测是，全球市场上约1.7亿吨甲醇的年氢需求保持在900万吨左右不变。我不认为它有上升或下降的理由，但在过去的两年里，我花了很多时间研究甲醇。

甲醇工业是一个主要的气候问题。甲醇制造，加上氢气的挑战，增加了更多的温室气体排放，最终每年产生5至7亿吨温室气体当量。这是一个非常大的数字，约占全球温室气体排放量的1.5%。

甲醇是一个气候变化问题，它依赖于氢。甲醇是由天然气、煤或一些废弃的合成气体制造的。这取决于它的原料非常便宜，并且能够将大气视为开放的下水道来维持其商品价格。

它被用于各种工业用途，包括一些即将消失的东西，比如作为汽油添加剂，柴油添加剂，以及可燃燃料二甲醚。它被用来制造甲醛、塑料和溶剂。

清洁甲醇是一项重要的要求，单是碳定价就会使其成本飙升。随着其对终端消费者的价格大幅上涨，翻倍、三倍甚至更多，在许多情况下，替代品将会出现。还有其他溶剂。还有其他的化学物质也能起到同样的作用。人们使用甲醇是因为它既实用又便宜。当它不再便宜时，其他不那么贵的东西就会加入其中。

这意味着甲醇的自然途径实际上是需求的下降，这是我没有预料到的。这就是我目前的模型所显示的，到2100年将从900万吨减少到700万吨。不是很多，但肯定不是很大的增长。

我一直在关注甲醇，因为这个行业正在努力说服海运业，甲醇是他们目前使用的化石燃料的替代品。正如我所指出的，他们正在进行诱饵转换操作，今天以可能的折扣价出售黑色甲醇，并承诺未来以高价出售绿色甲醇。马士基也相信了这个故事，并在双燃料船舶和低碳甲醇合同上花费了数千万美元，这些合同不会使目前的甲醇脱碳，而且可能根本不会大量使用。

在世界范围内，甲醇每单位能源的平均成本已经是柴油的1.6倍。当甲醇脱碳的成本倍增时，生物燃料和电池的竞争力将大大增强。我认为马士基的双燃料船将使用比甲醇更多的生物柴油。

我甚至不认为甲醇在海运方面有什么好处。从经济学角度来看，这是行不通的。但正如我所说，这是最好的落选者，所以如果行业、政府和IMAO出于一些令人挠头的原因强迫绿色甲醇进入海洋能源的圆孔，我将耸耸肩，继续前进。至少海上运输将会去碳化，即使付出不必要的昂贵代价。

2022联合国工发组织全球方案征集活动在沪诞生4条赛道的7项冠军，其中在绿色增长赛道上，“内河及沿海水域绿色航运示范工程——基于船电分离的700teu纯电集装箱船、箱式电源和港口充换电网络的应用与推广”摘得绿色桂冠。（译注）

但是，这艘装有700个集装箱的船，现在正带着集装箱电池和它的姊妹船在长江上行驶，其1000公里的常规航线告诉我，我更有可能是对的。

其他：氢用于很多东西

氢最常见的比喻之一是它是一把瑞士军刀。它可以做很多事情，但它不能把大多数事情做得特别好。当它便宜的时候，大气可以作为一个开放的下水道而不需要成本，这通常是一堆事情的“最佳”经济选择。它比其他替代品便宜。

在过去的几年里，我发现了一个有趣的使用案例，那就是在水坝、煤电厂和核电站的大型发电涡轮机上使用它，因为它的特性使它成为一种很好的冷却剂，不会增加摩擦。像Nine Mile Point核反应堆这样的GW级核电站每天使用几百公斤的氢气。当然，随着煤炭的消失，这些大型涡轮机的数量并没有增加，而是在数量和使用量上有所减少。当风能和太阳能如此便宜、快速、低风险和可靠时，我们不会去建造成千上万的新核电站。

当终端消费者购买氢燃料的价格因为所有这些偶然的用例而大幅上涨时，他们大多会环顾四周，看看是否有更便宜的替代品。他们在很多情况下都能找到。在很多过程中，氢并不是神奇的，也不是不可替代的，它只是在经济上正确的选择，在它的“黑氢”价格点上。

一开始，我不考虑这个需求部分，把它保持在每年三千万吨不变。但是，寻找影响化肥和甲醇的替代品的经济压力同样影响着这一领域。我现在让产量慢慢下降到每年2500万吨。