氢能中心在美国兴起Engineering

本文来自微信公众号： Engineering ，作者：Mark Peplow，原文标题：《氢能中心在美国兴起 Engineering》

2024年7月，美国首个“氢能中心”（H2Hub）正式启动[1]。该中心位于加利福尼亚州，是全美七个以氢能为重点的基础设施项目之一（表1），这七个被选中的项目将共同获得拜登-哈里斯政府于2023年10月拨出的70亿美元资金[2]。此次投资旨在加速美国将氢能作为燃料和化工原料来生产和使用。由于氢气燃烧仅产生水，因此许多人认为，通过在交通、化工和其他经济领域用氢气替代化石燃料，可以帮助减少导致气候变化的二氧化碳的排放。

表1被选中的以氢能为重点的基础设施项目（“氢能中心”）将共同获得美国政府70亿美元的资金支持

名为“可再生清洁氢能系统联盟”（ARCHES）的新H2Hub宣布，其获得的12亿美元的政府资助资金已撬动了额外的114亿美元公共和私人融资，用于启动氢气基础设施的建设[1]。ARCHES计划建设至少十个氢气生产站点和60多个为装有氢燃料电池的卡车和公共汽车（图1）提供加氢服务的加氢站[3]。加州大学圣地亚哥分校的斯克利普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）还将使用一艘由氢燃料电池驱动的新型研究船，以证明氢气作为航运燃料的可行性[4]。

图1一些H2Hub将提供配备氢燃料电池的卡车和公共汽车。如上图所示的氢动力公共汽车将有助于降低公共交通的温室气体排放，改善城市空气质量。图片来源：Jason Lawrence/Wikimedia Commons（CC BY 2.0）。

氢气的生产方法多种多样，通常通过分配颜色代码的方式来区分（图2）[5]。目前，全球大部分氢气是通过煤炭气化和蒸汽甲烷重整等能源密集型工业过程中的化石燃料制得，这些过程分别产生棕色和灰色氢气[6]。这些方法向大气中排放了大量的二氧化碳，估计这些排放量占全球排放总量的3%[7]。

图2氢气根据其生产方法进行了颜色编码。新的H2Hub将专注于生产蓝色、绿色和粉色氢气，这些都比传统的灰色氢气更清洁。CCUS：碳捕集、利用与封存。图片来源：Innovate UK Knowledge Transfer Network，已获许可。

相比之下，一些H2Hub将利用可再生电力电解水来生产绿色氢气，其他H2Hub则将使用天然气生产氢气，同时捕集并封存生产过程中释放的二氧化碳，从而生成蓝色氢气。这七个H2Hub预计每年将共同生产超过3×10⁶t各种形式的清洁氢气，这是朝着实现美国能源部到2050年生产5×10⁷t清洁氢气的目标迈出的一小步，但却是重要的一步[8]。

但H2Hub面临一些重大挑战。首先，必须刺激市场对氢气的更多需求。美国纽约州纽约市哥伦比亚大学全球能源政策中心的能源政策研究员Anne-Sophie Corbeau表示：“从供应角度来看，无疑存在巨大的需求。但问题在于：谁愿意购买氢气？”

成本是另一个主要障碍。据英国伦敦市场研究提供商BloombergNEF跟踪氢能行业的高级分析师Adithya Bhashyam介绍，灰色氢气的成本低于更清洁的替代能源，为1~3美元/kg。相比之下，蓝色氢气的成本为2~5美元/kg，而绿色氢气的成本为5~15美元/kg，具体取决于电力成本。Corbeau表示：“绿色氢气价格昂贵，这就是其发展非常缓慢的原因。”Bhashyam指出，绿色氢气价格高昂的部分原因是电解水所需的设备昂贵且运行这些设备需要消耗大量电力。“电解槽系统的成本远高于许多人几年前所预期的水平。”

氢燃料电池汽车市场相较于纯电动汽车市场仍然规模较小，而成本障碍只是原因之一[9]。近年来，一些汽车制造商和重型运输设备制造商对开发氢燃料电池驱动的卡车、公共汽车和火车表现出越来越浓厚的兴趣[3,10]，这主要是因为与汽车相比，这些重型运输设备的加氢需求更容易预测和满足。然而，更清洁的氢燃料电池的最大益处实际上可能并非来自交通领域，而是来自能够减少重工业的碳足迹。

例如，钢铁制造商使用大量焦炭来冶炼铁矿石，该行业的二氧化碳排放量估计占全球化石燃料二氧化碳排放总量的7%~9%。一些钢铁制造商已开始使用基于氢气的冶炼工艺来生产“绿色”钢材[11]。清洁氢气还可以大幅减少生产氨（化肥的主要原料）的碳排放[12]，甚至可以用来将工业过程中捕集的二氧化碳转化为燃料和大宗化学品（如甲醇[13]）。

然而，尽管全球都在努力推动清洁氢能经济[5]，但氢能经济发展仍然缓慢。在有足够的氢气客户之前，潜在的清洁氢气生产商不愿投资建设大规模制造厂。而在廉价且可靠的氢气供应体系建成之前，客户也会对使用氢气持谨慎态度[14]。

H2Hub旨在通过将清洁氢气的供应商和消费者聚集在一起来解决这一市场难题。其中一个明显的益处是，氢气无需长途运输。Bhashyam表示：“将氢气生产与工业集群相结合，有可能最大限度地减少运输和降低运输成本，同时在一个地点拥有多个潜在买家。这带来了巨大的益处。”

在同一地点拥有多个生产者和消费者可以降低双方的商业风险，Nabil Bennouna表示。他是位于美国科罗拉多州巴萨尔特的落基山研究所气候相关产业项目的负责人，该研究所是一家专注于能源可持续性的智库，曾为美国多个规划中的H2Hub提供无偿顾问服务。例如，如果一家生产商的供应出现中断，客户仍可放心地从另一家生产商那里获得所需的氢气。Bennouna表示，企业还可以共享专业知识、基础设施甚至员工培训。所有这些都有助于更容易地为新的氢能源相关商业项目筹集资金。而且，随着H2Hub的发展，氢能成本应该会下降，因为生产商将受益于规模经济[15]。Bennouna说：“最终，每个中心几乎都像是整个氢能经济的缩影。”

利用当地丰富的水电可再生能源，Pacific Northwest H2Hub将是唯一一个专注于生产绿色氢气的氢能中心。另有两个H2Hub计划使用核电站的电力来运行其电解槽，从而生产粉色氢气。但总体而言，“大多数氢能中心都专注于生产蓝色氢气，而非绿色氢气”，Bhashyam表示。为该过程提供所需的天然气意味着需要开采更多的化石燃料，这引起了当地一些社区和环保组织（如总部位于美国加利福尼亚州奥克兰的塞拉俱乐部）的担忧[16]。

蓝色氢气固有的二氧化碳捕集步骤意味着，其产生的二氧化碳排放量应低于灰色氢气，尽管环境效益的真实规模仍有争议。各种估算表明，相对于灰色氢气，蓝色氢气可捕集5%~75%的温室气体排放量[17]。这种差异的部分原因在于，在天然气开采和处理过程中，甲烷（一种比二氧化碳更强的温室气体）的泄漏存在不确定性[18]。Bhashyam表示：“只要对蓝色氢气的生产方式制定严格的标准，就能发挥其减排的作用。”BloombergNEF预计，到2030年，蓝色氢气将占美国氢气总产量的近80%，这将使美国成为世界上最大的清洁氢气生产国[19]。

尽管蓝色氢气具有明显的成本优势，但随着电解槽制造规模的扩大，设备成本可能很快会降低，进而降低绿色氢气的价格[20]。美国能源部计划到2031年将绿色氢气的直接成本降至1美元/kg[21]。

但与蓝色氢气相比，绿色氢气还面临另一个劣势——它必须与可再生能源电力的其他用途竞争。“可再生能源电力的最佳用途是使电力系统脱碳。”Corbeau说。她表示，为了增加绿色氢气的产量，各国需要进一步加快风能和太阳能的推广使用。

一些绿色氢气拥护者认为，电解槽可以仅在可再生能源充足时运行，即在需求出现低谷或在特别晴朗或多风的日子里出现能源供应过剩时才运行电解槽。但Corbeau表示，这种策略会使电解槽在部分时间处于闲置状态，导致系统盈利能力下降，从而使生产的氢气成本升高。

美国并非唯一一个为刺激氢能经济而进行大规模公共投资的国家[5,22]。约有58个国家制定了国家氢能战略和路线图，澳大利亚、印度、英国等国也在开发类似的氢气中心[23]。与此同时，欧盟正在建设一个名为“欧洲氢能骨干网”的管道网络，该网络将在整个欧盟范围内分配氢气[24]。氢能专家认为，美国也需要一个类似的网络，以便在H2Hub之外以及全国各地分配氢气[25]。

除基础设施外，最终决定H2Hub成败的将是经济因素。为刺激供应，美国正在实施一项名为45V的税收抵免政策，该政策为清洁氢气生产商提供补贴——那些采用二氧化碳排放量较低的生产工艺的企业将获得更高额的税收抵免。蓝色氢能生产商则可以选择申请45Q税收抵免，该税收抵免针对二氧化碳的捕集和封存[26]。这些税收抵免的具体细节仍在制定中[27]。Bennouna表示，最终的方案将对清洁氢气生产商产生重大影响。“人们热切期待着相关规定的出台，以便他们知道应该设计什么样的设施。”

与此同时，美国已向“氢能需求倡议”（Hydrogen Demand Initiative）额外拨款10亿美元，以开发旨在促进氢气应用的经济手段[28]。Bhashyam表示，“弄清楚需求端的情况可能是美国当前面临的最大问题。”美国的七个H2Hub不足以解决这一特定问题，他补充道，“但这毕竟是一个开端，而且无疑是一个令人鼓舞的进展。”

参考文献

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[24]European Hydrogen Backbone.Implementation roadmap—cross border projects and costs update[Internet].Utrecht:Guidehouse;2023 Nov[cited 2024 Aug 12].

[25]An urgency for connective hydrogen infrastructure[Internet].Basalt:RMI;2024 Jan 3[cited 2024 Aug 12].

[26]45V or 45Q?How tax credits will influence low-carbon hydrogen’s development[Internet].Washington,DC:Center for Strategic and International Studies;2024 Feb 15[cited 2024 Aug 12].

[27]Plumer B.Biden administration awards$7 billion for 7 hydrogen hubs across the U.S.[Internet].New York City:New York Times;2023 Oct 13[cited 2024 Aug 12].

[28]MIT Energy Initiative.EFI Foundation-led group selected by Department of Energy for hydrogen market demand project[Internet].Cambridge:MIT Energy Initiative;2024 Jan 17[cited 2024 Aug 12].

引用本文：

Mark Peplow.Hydrogen Hubs Arise in the United States.Engineering,2024,42(11):3-6 DOI:10.1016/j.eng.2024.09.008