本文旨在介紹氫及其衍生物在能源轉型中的作用以及在商業領域的潛在益處。

首先，我們簡要介紹目前的氫能源現狀和可獲取的氫能種類——灰氫、藍氫和綠氫。接下來，我們評估氫能發電在發展中所面臨的挑戰。這涉及運輸、現有基礎設施的使用以及工業各領域的角色。在考慮了背景和各種挑戰后，我們提供一份簡短的氫能和/或合成天然氣的投資決策指南。

灰氫、藍氫和綠氫

世界上許多國家已經承諾或正在討論實現零碳目標。大多數工業化國家均致力于在2050年前完成零碳目標，如西班牙和英國。最近，許多國家和地區，尤其是歐洲、北美和東亞地區已經發布了氫能戰略來支持脫碳。根據國家/地區的不同，這些戰略不僅關注來自電解水的綠氫，還關注來自化石能源或核能的藍氫和灰氫。

當將零碳目標和氫能戰略描繪在一張地圖上時，一方面可以看出各國經常發表零碳目標和氫能戰略的信息。然而，這并不一定意味著氫能是零碳的一部分。在國家層面，必須要分開看待脫碳目標和氫能戰略，例如，各國可以通過逐步淘汰煤炭來實現其目標排放水平。

另一方面，沒有制定零碳排放目標且具有相當大可再生潛力的新興國家會依賴氫能。根據國際間比較預測，這些國家的綠氫生產成本將會更低并且因此成為一種極具吸引力的出口商品。客戶則將是可再生能源潛力較小但氫能需求不斷增長的工業化國家。例如，德國和摩洛哥計劃在氫能領域進行合作。

目前，綠氫比藍氫貴，價格約為3~8美元/公斤，藍氫則在1.5~4美元/公斤。據預測，隨著可再生能源成本和電解成本的下降，以及碳價格的上漲，到2030年，大多數地區綠氫和藍氫的成本將持平，均為2美元/公斤。到2050年，綠氫將比藍氫甚至灰氫便宜，達到1美元/公斤。造成這種現象的主要原因是太陽能成本的下降。

由于氫能在許多國家被視為能源轉型的關鍵，因此需求將急劇上升。英國石油公司（BP）預計到2035年會在5~7.5艾焦。這相當于40Gt（總噸位）或63Gt的氫能，其中綠氫、藍氫和灰氫各占三分之一。到2050年，灰氫將幾乎完全被綠氫和藍氫所取代。

目前，得益于豐富的可再生能源和天然氣儲量，一些地區和國家還是能夠生產綠氫和藍氫來實現其脫碳目標并將其出口到其他國家。

藍氫的優勢在于它不受可再生能源的擴張速度的影響。即使在那些已經制定雄心勃勃綠氫戰略的國家，藍氫也將滿足各行業不斷增長的氫能需求并發揮重要作用。例如美國、加拿大、澳大利亞和挪威。氫能需求最高的將是中國、北美和歐洲。然而，從長遠來看，使用低價藍氫的方式為綠氫的使用鋪平了道路，例如，基礎設施的擴張。

通往綠氫道路上的挑戰

資源、融資、運輸、基礎設施和消費是實施氫能戰略和生產綠氫的關鍵因素。

綠氫及其衍生物，如合成天然氣(SNG)和合成甲醇都需要可再生的電力。通過質子交換膜(PEM)電解水生產1公斤綠氫需要約53度的電力。1公斤合成天然氣需要總共約27.3度電。

可再生電力和熱能的供應對于脫碳的成功和向綠氫的過渡至關重要。國際能源署（IEA）預測，到2040年，風能、太陽能光伏（PV）和CSP等波動的可再生能源發電能力將增長435%，達到11764吉瓦，其中增長幅度最大的將達到7970吉瓦。到2040年，高利用率的水力發電廠預計將增長55%，達到2029吉瓦。這種大規模擴張的先決條件是，制定對運營商和投資者有吸引力的國家法規以及有強制性的政府目標。

即使可再生能源的擴張率很高，電解槽的容量很低，仍需要3%的可再生能源電力。截至目前，全球范圍內已宣布將于2030年前實施的項目（進入規劃、建設或運行）超過64吉瓦。

可以設想，國家層面氫能戰略計劃的容量將超過115吉瓦。這意味著需要更多的可再生電力來運行電解槽。如果可再生能源的擴張繼續受到一定限制，同時電解槽容量大幅增加，氫能將占可再生能源發電量的9%。這可能會導致氫能和綠色電力之間的競爭，尤其是在大型項目中。

目前，數百兆瓦的大型項目出現在在丹麥和澳大利亞等諸多國家的新聞報道中。從長遠來看，對于擁有大量可再生電力的國家來說，這些氫能需求將代表一種有趣的商業模式，因為它是一種具有很大增長潛力的出口商品。另一方面，從電解槽制造商的眾多新聞稿中看出，目前，只有幾兆瓦的小型項目更容易落實并被給予充足的可再生電力供應。

綠氫及其衍生物的運輸

氫氣可以通過氫氣管道（新建或改造以前的天然氣管道）輸送到目的地，并作為混合燃料進入天然氣電網，或者作為氫氣衍生物以合成天然氣、氨或甲醇的形式通過大型輪船、火車或卡車的儲罐來運輸。

2016年，全球氫氣管道超過4540公里。其中，約2600公里在美國，約610公里在比利時，380公里在德國。這些管道主要由天然氣生產商運營。氫氣管道可以有效地長距離輸送可再生氫氣。它們可以傳輸10倍的能量，成本只有輸電線路的八分之一。管道運輸確實是最具有成本效益的備選方案，但目前的挑戰不僅在于現有管道公里數相對較少并且缺乏全面的運輸網絡，還要考慮可以注入的氫氣量。為了滿足2030年歐洲氫能主干網絡的綠色氫能需求，需要13吉瓦的電解能力。在每年5000小時的滿負荷利用條件下，這相當于生產1.95公噸的氫氣，也是當今歐洲計劃電解產能的三分之二。為了給這些管道提供綠氫，需要大量的大型項目，其中一些還處于規劃階段，仍面臨各種各樣的障礙。可以推測的是，由于電解和可再生能力，2030年向這些管道輸送綠氫是不現實的。在這個過渡期，藍氫在初期也將被注入。

總的來說，可以推測未來將建造更多的氫氣管道，現有的天然氣管道將轉化為氫氣管道。特別是在格羅寧根（荷蘭）等地區，該地區計劃到2022年完全淘汰天然氣。為了更廣泛地配送氫氣，天然氣輸送管道在初期也將不只運輸天然氣。

將氫氣注入天然氣管網的可能性因國家或管網而異。美國目前可以使用5%~15%的天然氣管網混氫，而不會對客戶和管道造成嚴重影響；德國允許使用高達10%的天然氣管網混氫，并且可以通過現有的管網輸送。由于歐洲的天然氣網絡非常密集，因此到注入點的運輸距離更短，對于許多地方的生產商來說，將氫氣直接注入天然氣管網比注入純氫管道更具吸引力。對于不允許混氫輸送的國家，氫衍生物合成天然氣將是一個不錯的選擇。

船舶運輸氫氣是一種經濟的方式，但挑戰在于氫氣的低能量密度。最有希望的是液化氫、液態有機氫載體(LOHC)、氨和甲醇。

氫及其衍生物，如合成天然氣、氨和甲醇，在工業、交通、電力和供熱供應中提供了大量的應用案例。

以前在工業工藝中使用的來自化石能源的氫氣、氨和甲醇等均可以用綠色替代品替換。例如用綠氫生產綠色鋼，其二氧化碳排放量比傳統工藝的鋼低30%~40%。在電力和熱力供應方面，越來越多燃氣輪機和大型發動機的制造商使其產品與可再生燃料兼容。中速發動機目前可以摻燒高達25%的氫氣。然而，將20%的氫氣與天然氣混合僅能減少7%的二氧化碳排放，因此預計這只會是一個過渡。從2025年起，制造商將推出使用100%氫氣的機組。

投資決策指南

轉向合成天然氣是保持行動力的短期和中期措施。生產過程和基礎設施不需要做根本改變，或者只需要進行很小的改變。在向氫燃料轉換的過程中，需要很大的改變，因而大量的投資是非常必要的。

以下三個不同工業領域的案例闡明了氫能的可觀前景。

應用案例1：食品和飲料行業

食品和飲料行業的工藝流程非常獨特。對此感興趣的潛在工業客戶有很多，主要包括乳制品廠、罐頭廠、釀酒廠和啤酒廠。需要說明的是，對于這些客戶而言，部分或全部電氣化是不可能的，而且氫或者合成天然氣也無法提供額外的收入來源。

使用合成燃料脫碳的基本要求是企業內部可獲得/已經安裝足夠的綠色電力，例如，光伏或電網來電用于電解。兩者的結合提高了利用率從而改善了整體可行性。

在生產過程中，如發酵過程或在蒸汽鍋爐中燃燒天然氣，所產生的副產品二氧化碳會因稅收或證書價格上漲而導致成本增加。在許多情況中，生產過程會產生生物殘留物。兩者在甲烷化反應中與氫結合，合成天然氣并利用之前的廢液流來產生額外的收益。

還有一種選擇是，通過購買其他地方產出的二氧化碳，用于一個閉環二氧化碳循環工藝，該工藝也包含甲烷化。特別是對“歷史上成長的”工業流程，并沒有實現不同工藝流程間價值鏈的整合。

蒸汽鍋爐通常通過燒天然氣來生產工藝用熱。這些鍋爐無需任何改裝就可以使用合成天然氣。此外，通過生產飽和蒸汽(270°C)來提供熱量的甲烷，可在工業過程中循環使用，從而減少蒸汽鍋爐的負荷和排放。例如，多余的天然氣可以被輸送到天然氣網，或者用來為公司的天然氣車隊提供動力。

應用案例2：海運業

海運行業也需要脫碳，目前正在考慮使用各種類型的未來無碳和碳中性燃料。這些燃料在成為主流并且評估安全風險之前，還需要一段時間。一艘船的平均壽命約為30年，改造成本以及國際海事組織對于減排的壓力卻越來越大，因此急需一種過渡性的解決方案。

合成天然氣可作為實現運輸業碳中和轉型中一種很有吸引力的解決方案，同時，它也適用于已經使用液化天然氣并需要或希望節省額外排放的船舶。可以使用現有的基礎設施，無需進行設施的更新換代。集裝箱船ElbBLUE（以前稱為Wes Amelie）是用合成天然氣作為過渡方案的最新案例。該船最初于2019年轉換為液化天然氣，并于2021年9月首次使用液化合成天然氣。

以貨物運輸為例，可以證明合成天然氣作為過渡方案的好處。基于大量產品和物流運輸，最終消費者只需要額外支付幾美分。隨著綠色交通方式的大量使用，公眾對碳中和運輸產品的認知也肯定會提高。

應用案例3：航空業

綠色煤油可以通過三種基于二氧化碳的途徑生產。通過甲烷化結合蒸汽重整和費托合成并不是最有效的方法，但卻是目前技術上唯一成熟的方法。它需要水和一氧化碳作為原料。

首先，通過電解和甲烷化生產合成天然氣。加入蒸汽后，會產生水煤氣，這是費托工藝所必需的。水煤氣為1:2的一氧化碳和水。該產品由費托合成碳氫化合物分子(C20+)，在煉油過程中轉化為煤油、汽油和柴油。

一個示例計算表明，盡管生產過程更復雜，但客戶的票價變化很小。一張價格為500歐元且含100%化石煤油的機票，到2040年，如果混合5%的綠色煤油，價格將上漲75歐元。

結論

氫對于能源轉型變得越來越重要。它還需要幾年的時間才能實現高效運輸，并在工業、運輸和發電領域得到全面應用。

但即使是不可能實現電氣化的行業，也已經開始對其業務進行脫碳了。在所有的工業生產能完全接受氫氣前，合成天然氣是天然氣的碳中和替代品，其中最大的優勢是使用現有的基礎設施。

在一到兩位數兆瓦范圍內的小型工廠都有這個機會，因為除了可再生電力的充分可用性外，審批過程中存在的障礙也在減少。這不光減少了二氧化碳的排放，其營銷效果也有利于運營商，因為從現在起他們可以宣傳綠色生產或綠色運輸的產品。

（Katrin Renter系MAN Energy Solutions市場分析經理，Florian Gruschwitz系MAN Energy Solutions高級商務拓展經理）

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