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氫氣有很大的前途—但不會像你認(rèn)為的最強(qiáng)助推器那樣。低碳?xì)浜拖嚓P(guān)合成燃料將成為全球經(jīng)濟(jì)大部分區(qū)域脫碳的關(guān)鍵，使其成為將全球變暖限制在2°C以下的關(guān)鍵組成部分。
但除了這個(gè)非常真實(shí)的潛力之外還有一些危險(xiǎn)的炒作。公司和納稅人冒著燃燒數(shù)十億美元的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)通常被稱為“氫能經(jīng)濟(jì)”的宏偉愿景，即氫能在整個(gè)能源領(lǐng)域的廣泛部署，作為脫碳的核心驅(qū)動力—包括在沒有經(jīng)濟(jì)意義的領(lǐng)域。
如果公司和政府沒有實(shí)施低碳?xì)涞膽?zhàn)略，他們將浪費(fèi)大量資金，并可能使雄心勃勃的氣候目標(biāo)更難實(shí)現(xiàn)。
為了釋放這種高度通用且可能零排放的能源載體的巨大潛力，企業(yè)和政府都必須加快步伐。公司需要將氫能投資集中在不適合使用更便宜技術(shù)的用例上，以及使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模部署低碳?xì)錃獾那闆r。就政府而言，政府需要制定一項(xiàng)監(jiān)管制度，鼓勵在規(guī)模和適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)部署低碳?xì)洹?
基于BCG專有的H2成本模型和我們評估數(shù)百個(gè)機(jī)會的經(jīng)驗(yàn)，我們確定了未來十年最有前景的低碳?xì)鋺?yīng)用：氨、鋼和化學(xué)制造等工業(yè)流程，以及潛在的重型運(yùn)輸。
如果公司和政府做對了，到本世紀(jì)中葉，低碳?xì)浜拖嚓P(guān)合成燃料的市場可能達(dá)到1萬億美元—這是從炒作到現(xiàn)實(shí)的明顯轉(zhuǎn)變。
大規(guī)模應(yīng)用低碳?xì)?/strong>
作為能量載體，氫具有固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從好的方面來說，它是多功能的：氫氣可以與氧氣一起燃燒產(chǎn)生熱量，就像柴油和汽油一樣，它可以在燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生無排放的電力，它可以直接用于化學(xué)過程。
但它有一些相當(dāng)大的麻煩：氫是一種難以控制的微小分子，它的能量密度低于碳基燃料，運(yùn)輸和儲存相對昂貴。由于目前可用的兩種技術(shù)缺乏成熟度和規(guī)模，低碳?xì)涞纳a(chǎn)成本也很高：藍(lán)H2和綠H2。（參見附文“氫氣基礎(chǔ)知識”。）
對于低碳?xì)錃鈦砜朔@些缺點(diǎn)，參與者必須確定哪些材料的氫需求將證明在大型生產(chǎn)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施（以及藍(lán)色H2，大型二氧化碳物流和存儲基礎(chǔ)設(shè)施）中的投資是合理的。他們必須避開低碳?xì)洳惶赡芫哂谐杀靖偁幜Φ膽?yīng)用。后一類包括用于乘用車，供暖和發(fā)電。
由于其更高的能量轉(zhuǎn)換效率和利用已建立的基礎(chǔ)設(shè)施的能力，電池電動汽車已經(jīng)在個(gè)人移動性方面發(fā)展成本優(yōu)勢，而燃料電池車輛不太可能實(shí)現(xiàn)。因此，氫可能仍然是用于乘用車的小眾技術(shù)。在空間供暖和溫水生成中，各種潛在的低碳技術(shù)，如電加熱器，熱泵，太陽能熱，生物質(zhì)和綠色區(qū)域供熱，很可能比低碳?xì)溥€便宜得多。最后，氫可以說是當(dāng)今最低成本效益的發(fā)電方案之一。即使人們采取經(jīng)常被吹捧的方法設(shè)置電解槽，只有在有可再生能源過剩的情況下才能運(yùn)行，因此也是如此。
氫的基礎(chǔ)知識
氫可以以各種方式生產(chǎn)和部署。在生產(chǎn)方面，有3種技術(shù)：
黑色H2。通過天然氣或礦物油的蒸汽重整產(chǎn)生，釋放二氧化碳到大氣中。這是目前最主要和最具成本效益的生產(chǎn)方法。
藍(lán)H2。通過蒸汽重整生產(chǎn)，但捕獲了80~90％的二氧化碳排放量。二氧化碳被壓縮或液化，然后運(yùn)輸和儲存。
綠色H2?？稍偕茉从糜跒樗娊馓峁﹦恿Α獙⑺纸鉃闅浜脱酢@一過程可產(chǎn)生零碳排放。
氫可以在各種轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮作用：
化學(xué)鏈中的原料。氫是塑料和化肥等產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)組成部分。
直接燃燒中的燃料。氫氣可用于簡單燃燒，產(chǎn)生熱量，運(yùn)動，最終產(chǎn)生電力，不會產(chǎn)生碳排放。
氫燃料電池中的燃料。氫燃料電池是將氫和氧轉(zhuǎn)化為電和水的電化學(xué)裝置，沒有排放。燃料電池可用于固定裝置或車輛中。
合成燃料中的成分。像汽油和柴油一樣，合成燃料也是碳?xì)浠衔?。但是，盡管化石碳?xì)浠衔锸菧厥覛怏w排放的重要來源，但合成燃料是由非化石碳（如來自生物量和沼氣廠或空氣的碳）以及導(dǎo)致溫室氣體凈排放量低或?yàn)榱愕牡吞細(xì)渲瞥傻摹?
重要的是要注意，雖然低碳?xì)湓谶@些用途中具有固有的缺點(diǎn)，但這些應(yīng)用在某些國家可能是可行的。例如，堅(jiān)持采用氣體加熱系統(tǒng)的國家可能決定采用低碳?xì)錃饣旌蠚怏w來限制排放。
低碳?xì)涞拇笠?guī)模使用將主要應(yīng)用于幾乎沒有其他可行的脫碳選擇以及技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施障礙可控的應(yīng)用中。在接下來的十年中，我們看到兩個(gè)主要用途：工業(yè)流程和重型運(yùn)輸。
工業(yè)流程。由于幾個(gè)原因，低碳?xì)涞墓I(yè)用途是最有希望的。首先，黑H2已經(jīng)用作生產(chǎn)氨和甲醇以及用于加氫裂化和加氫處理的石油精煉廠中的輸入。由于這些市場對氫氣的需求已經(jīng)很穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向低碳?xì)錃獾倪^程相對簡單，只需要在氫氣生產(chǎn)方面取得進(jìn)展。其次，這些市場的消費(fèi)集中在工業(yè)區(qū)的許多大型終端用戶中，限制了對新的氫存儲和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的投資需求。第三，大多數(shù)工業(yè)過程公司運(yùn)行大型資本投資計(jì)劃來取代和升級現(xiàn)有的氫生產(chǎn)設(shè)施—這樣的投資周期提供了使原料脫碳的機(jī)會。由于類似的原因，低碳?xì)溆锌赡苁逛撹F生產(chǎn)脫碳，盡管這需要對鋼鐵生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行大量再投資。
工業(yè)應(yīng)用的潛在規(guī)模是巨大的：如果全球目前的所有黑色H2消費(fèi)量都被綠色H2替代，則所需的可再生能源數(shù)量將大致相當(dāng)于歐盟目前每年產(chǎn)生的總電量（約3,500TWh）。
重型運(yùn)輸。遏制重型運(yùn)輸—陸地，海洋和空氣的碳排放—是我們面臨的最大的脫碳挑戰(zhàn)之一。
對于重型公路運(yùn)輸而言，低碳?xì)渑c燃料電池相結(jié)合可能會在未來十年內(nèi)成為可行的應(yīng)用。在范圍很重要的區(qū)域，壓縮氫具有比鋰電池更高能量密度的優(yōu)點(diǎn)（但低于柴油）。成功部署將取決于燃料電池成本和效率的顯著進(jìn)步，以及沿主要運(yùn)輸動脈的大規(guī)模開發(fā)加油和配送基礎(chǔ)設(shè)施。燃料電池卡車的前景也將部分取決于一個(gè)不可預(yù)測的因素：電動卡車的范圍和充電速度的重大飛躍將嚴(yán)重限制氫氣在該應(yīng)用中的競爭力。
對于空運(yùn)和海運(yùn)而言，氫基合成燃料具有相當(dāng)大的前景，但在更長的時(shí)間范圍內(nèi)（超過2030年）。盡管這種碳中性燃料的生產(chǎn)是昂貴的，但它們可以用于普通內(nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)中，因此可以成為航空和海運(yùn)等高排放應(yīng)用中汽油和柴油的可行替代品。合成燃料將主要與先進(jìn)的生物燃料競爭，例如來自藍(lán)藻或有機(jī)廢物的燃料，這些燃料仍處于商業(yè)開發(fā)的早期階段。
不確定性和重大機(jī)遇。雖然低碳?xì)渥罹呶Φ那罢靶詰?yīng)用是工業(yè)過程和重型運(yùn)輸，但潛在用途范圍很廣，氫技術(shù)不斷發(fā)展。活躍在該領(lǐng)域的公司，如氫氣設(shè)備制造商，公用事業(yè)公司以及可在運(yùn)營中使用氫氣的工業(yè)公司，應(yīng)密切關(guān)注市場。鑒于我們在低碳?xì)涫袌霭l(fā)展的早期階段，監(jiān)管發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步可能很快導(dǎo)致在其他領(lǐng)域部署氫的機(jī)會。
但即使低碳?xì)涞氖褂眉性诠I(yè)過程和重型運(yùn)輸中，其潛力也是巨大的。我們的模型表明，如果在最合適的應(yīng)用中部署低碳?xì)?，并且全球排放量符合巴?°C的目標(biāo)（一個(gè)巨大的“如果”），那么到2050年，低碳?xì)浜蜌浠铣扇剂系娜蚴袌鰧⑦_(dá)到1萬億美元。
低成本低碳?xì)涞耐緩?/strong>
如果沒有可靠的，具有成本效益的生產(chǎn)方式，確定低碳?xì)涞恼_用途幾乎沒有意義。為了提供有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的見解，我們建模并確定了使綠色和藍(lán)色H2成本具有競爭力所需的條件。雖然這不容易實(shí)現(xiàn)，并且需要監(jiān)管幫助（包括有效的碳價(jià)格），但我們看到了好消息：有一條明確的途徑可以使其與黑色H2競爭。
正確地得到比例方程。綠色和藍(lán)色H2都面臨挑戰(zhàn)，需要不同的規(guī)模才能具有競爭力。
雖然綠色H2可以零排放生產(chǎn)，但今天的生產(chǎn)過程并不具有成本效益，因?yàn)榇蠖鄶?shù)配置的設(shè)備都是分量表并且運(yùn)營成本很高。具有成本效益的運(yùn)營取決于兩個(gè)發(fā)展：
? 電解槽技術(shù)需要成熟，與目前部署的典型5~10兆瓦機(jī)組相比，單元尺寸需要增加到100~300兆瓦。這樣的開發(fā)將使電解槽成本降低50％以上（安裝系統(tǒng)降至500歐元/kWel以下）并將效率（生產(chǎn)H2單位所需的電量）提高5個(gè)百分點(diǎn)，超過70％。
? 氫氣生產(chǎn)裝置應(yīng)使用可再生能源配置，允許高電解槽利用—每年大約5,000小時(shí)或更長時(shí)間。
最終，符合此處所述要求的綠色H2生產(chǎn)設(shè)施將達(dá)到一定的規(guī)模，以減少每年數(shù)十萬噸的二氧化碳排放量。
藍(lán)色H2面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。第一個(gè)問題涉及實(shí)現(xiàn)高二氧化碳捕集率和低每噸存儲成本的技術(shù)障礙。解決這些問題需要利用蒸汽重整過程的不同部分并進(jìn)入長期儲存場所—例如，那些處于枯竭的海上天然氣田的儲存場所。第二個(gè)挑戰(zhàn)是公眾對儲存設(shè)施發(fā)展的抵制—這是大多數(shù)歐洲國家爭論不休的主題。
公司正在投資回收捕獲的二氧化碳的技術(shù)，包括塑料制造—這種努力可以消除對儲存的需求。雖然這些技術(shù)將增強(qiáng)碳捕獲的商業(yè)案例，但這些技術(shù)的可行性和適用性仍然不確定。
藍(lán)色H2項(xiàng)目比綠色H2項(xiàng)目需要更多的基礎(chǔ)設(shè)施，包括二氧化碳捕集，物流和最終存儲。因此，藍(lán)色H2設(shè)施必須達(dá)到比綠色H2更大的規(guī)模才能具有成本效益。我們預(yù)計(jì)藍(lán)色H2設(shè)施需要能夠每年減少數(shù)百萬噸的二氧化碳排放量，才能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在這個(gè)規(guī)模下，我們估計(jì)總碳捕獲和儲存成本可降至100歐元/噸以下，可能低至50歐元/噸，具體取決于捕獲率，二氧化碳物流和儲存地點(diǎn)的位置。
長期技術(shù)權(quán)衡。雖然每個(gè)項(xiàng)目都有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)效益，但商品價(jià)格將是所有技術(shù)生存能力的關(guān)鍵決定因素。使用我們的模型，假設(shè)到2030年藍(lán)色和綠色H2的成本效益部署如上所述，我們可以評估在各種情況下，3種類型的黑色、藍(lán)色和綠色氫氣如何相互對應(yīng)。（見圖表）。
低碳?xì)涞拈L期可行性
黑色和藍(lán)色氫氣之間的競爭取決于碳捕獲和儲存的進(jìn)展以及碳的成本。綠色與黑色的競爭力取決于電解技術(shù)的進(jìn)步和3種商品的成本：可再生能源、天然氣和碳。藍(lán)氫和綠氫的競爭力取決于碳捕獲、儲存和電解方面的相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，以及可再生能源和天然氣的成本。（因?yàn)樗{(lán)色和綠色都是低碳的，所以碳價(jià)格的影響可以忽略不計(jì)。）當(dāng)我們觀察西歐過去十年的天然氣和電力價(jià)格時(shí)，我們可以看到，在許多情況下，我們上面概述的大規(guī)模綠色H2業(yè)務(wù)將與黑色H2競爭。
我們的分析表明，存在具有成本競爭力的低碳?xì)涞目尚型緩?。在藍(lán)色和綠色之間做出選擇的公司需要考慮技術(shù)進(jìn)步和商品價(jià)格的前景。無論他們選擇何種技術(shù)，他們都需要一個(gè)以智能和監(jiān)管支持為特征的環(huán)境。
建立正確的監(jiān)管制度
公共部門在氫氣中的作用與私營公司一樣重要。
在過去的十年中，在各種應(yīng)用和行業(yè)中已經(jīng)有數(shù)百個(gè)低碳?xì)湓圏c(diǎn)項(xiàng)目—其中大多數(shù)都獲得了大量的公共補(bǔ)貼。國際能源署估計(jì)，僅在歐洲就有150個(gè)公共資助的氫氣示范項(xiàng)目，每年約有7億美元的公共研究資金流向氫氣。資金分散在過多的使用案例中，其中許多用例的長期可行性有限，而且工作量通常是次級量表。
監(jiān)管機(jī)構(gòu)現(xiàn)在應(yīng)該進(jìn)入下一階段，支持?jǐn)U大低碳?xì)錃?。他們需要向能夠真正發(fā)揮作用的領(lǐng)域提供支持，而不是機(jī)會性地在整個(gè)市場上提供補(bǔ)貼。要做到這一點(diǎn)，他們應(yīng)該首先確定低碳?xì)涫菧p少碳排放的最佳經(jīng)濟(jì)選擇的應(yīng)用。一旦確定了這些“排放痛點(diǎn)”，政府就應(yīng)該激勵公司投資一系列初始項(xiàng)目。該監(jiān)管制度應(yīng)該有三個(gè)重要組成部分：
? 一般而言，二氧化碳排放量，特別是黑色H2產(chǎn)生的二氧化碳排放量應(yīng)該定價(jià)。
? 對于可用于低碳?xì)涞牡貐^(qū)，政府應(yīng)提供贈款以支持對大型設(shè)施的投資。這種支持將是碳減排的關(guān)鍵且最終具有成本效益的驅(qū)動因素。
? 為了促進(jìn)綠色H2的發(fā)展，政府應(yīng)該建立支持性的電力監(jiān)管。這應(yīng)該包括免除使用電網(wǎng)費(fèi)和征稅的可再生能源的大型電解槽，類似于鋁，紙和氯等能源密集型行業(yè)經(jīng)常享有的豁免。
與此同時(shí)，各公司需要提出比其他無碳替代品成本最低的大型低碳?xì)漤?xiàng)目。作為雄心勃勃的氣候保護(hù)議程的一部分，這些項(xiàng)目將有最好的機(jī)會獲得公眾支持。
企業(yè)如何在氫氣行業(yè)中取勝
我們相信，在未來十年內(nèi)，我們將看到第一個(gè)大規(guī)模，低碳?xì)鋺?yīng)用。為了塑造這些機(jī)會，并使自己定位以從中獲益，氫氣參與者應(yīng)該將幾個(gè)因素整合到他們的戰(zhàn)略中：
? 堅(jiān)持長期生存。尋求快速、單一資產(chǎn)措施以減輕其碳足跡的公司最好使用諸如能源效率、電氣化和可再生能源采購等策略，而不是低碳?xì)?。低碳?xì)漕I(lǐng)域的成功參與者將從長遠(yuǎn)的角度出發(fā)，投資于資產(chǎn)、技術(shù)和能力，這些資產(chǎn)、技術(shù)和能力在今天是一個(gè)合理的商業(yè)案例，但在長期內(nèi)有潛力提供具有吸引力的大規(guī)模投資機(jī)會。
? 合作使經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)揮作用。今天很少有低碳?xì)漤?xiàng)目單獨(dú)由一方執(zhí)行時(shí)可能產(chǎn)生有吸引力的回報(bào)。因此，公司必須在氫能和能源價(jià)值鏈上合作。例如，公用事業(yè)和技術(shù)專家可以與擁有和運(yùn)營排放基礎(chǔ)設(shè)施但缺乏電力市場和低碳?xì)浼夹g(shù)的工業(yè)公司一起開發(fā)低碳?xì)錂C(jī)會。如果做得好，沒有一個(gè)合伙人會在這些項(xiàng)目上獲得超額回報(bào)—但沒有人會遭受沉重的損失。
? 評估端到端系統(tǒng)價(jià)值。低碳?xì)涫袌錾系墓拘枰趶脑系阶罱K用途的整個(gè)價(jià)值鏈上優(yōu)化其系統(tǒng)。例如，風(fēng)電場和太陽能發(fā)電廠的業(yè)主在某些情況下可以將其可再生能源資產(chǎn)直接與電解槽相連，從而在兩端產(chǎn)生效益：可再生能源公司通過簽訂長期合同來降低市場風(fēng)險(xiǎn)，而低碳?xì)潆姀S則以低成本、綠色電力鎖定市場。
? 建立在競爭優(yōu)勢的基礎(chǔ)上。降低低碳?xì)錃獠⒉贿m合所有人。在資產(chǎn)和能力方面具有競爭優(yōu)勢并且能夠以這些優(yōu)勢為基礎(chǔ)的公司將占上風(fēng)。例如，追求藍(lán)色H2的公司應(yīng)該確保他們能夠利用地下儲存設(shè)施，天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和石化專業(yè)知識網(wǎng)絡(luò)，并且能夠獲得產(chǎn)量。擁有或訪問這些資產(chǎn)和功能可以實(shí)現(xiàn)更快的擴(kuò)展，并有助于降低技術(shù)和商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。
? 讓監(jiān)管機(jī)構(gòu)保持開放和誠實(shí)。擴(kuò)大和部署低碳?xì)浣鉀Q方案并非易事。這需要私營部門全身心投入的支持這些項(xiàng)目。公司應(yīng)該與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行基于事實(shí)的對話，監(jiān)管機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注實(shí)現(xiàn)足夠規(guī)模的重要性，并對未來的挑戰(zhàn)保持誠實(shí)。例如，一家綜合公用事業(yè)公司與鋼鐵公司合作，與國家政府進(jìn)行討論，以推動鋼鐵在20年內(nèi)減少碳排放。這種對話最終導(dǎo)致政府支持在鋼鐵生產(chǎn)中使用低碳?xì)涞捻?xiàng)目—這些努力符合政府減少碳排放和促進(jìn)該國鋼鐵部門長期競爭力的目標(biāo)。
從炒作到現(xiàn)實(shí)
低碳?xì)錃馐且粋€(gè)巨大的商機(jī)。如果各國兌現(xiàn)承諾將全球變暖限制在2°C，那么低碳?xì)淇赡軙蔀橐粋€(gè)萬億美元的市場。即使這種需求只占其中的一小部分，但潛在的商業(yè)機(jī)會對公司來說太大了，特別是在能源領(lǐng)域，從旁觀看。
這就是為什么大型工業(yè)公司，設(shè)備公司，公用事業(yè)公司和投資者必須在今天采取行動，發(fā)展對低碳?xì)浼夹g(shù)的系統(tǒng)性理解—成本、可能的發(fā)展軌跡以及他們在某些目標(biāo)應(yīng)用中與其他技術(shù)的競爭地位。通過深入了解低碳?xì)湓诮?jīng)濟(jì)意義上的位置，他們可以開發(fā)出合適的技術(shù)和投資組合，以便將資源用于風(fēng)險(xiǎn)最低的最佳機(jī)會。
那些了解何處以及如何利用低碳?xì)淠茉吹娜藢⒃诳焖僭鲩L的市場中為自己創(chuàng)造一個(gè)位置—并且在此過程中將成為應(yīng)對氣候變化的重要推動力。這并不容易，但對于獲勝者而言，這將是值得的。
