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氢能+绿电,人类的终极能源?

作者:彭宁科 来源:不止十一人 财经十一人 发布时间:2021-11-14 浏览:
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文|彭宁科

地球今天面临的现实是,为了保证地球大气里温室气体的浓度不高于450PPM,避免升温2摄氏度以上,按照联合国气候变化专门委员会(IPCC)的研究结果,也是现在的共识,人类的排放总余额大约在7000亿吨。

2020年,全球基于化石能源的二氧化碳排放总量是323亿吨,下降6.3%。中国排放99亿吨,增长0.6%,美国排放45亿吨,下降11.6%。OECD国家总共下降11.5%,发展中国家总共下降3.5%。按照这个排放速度,余额大概还可以再排20年。

地球的未来到底是洪水滔天还是绿水青山,取决于人类使用什么能源,如何使用能源。

天然气利在当下,功在千秋

人类生活的奢侈追求也许可以降低,总体的舒适追求却无法降低,发展中国家人民提高生活水平的愿望也必须得到尊重。2020年美国人均消费能源265吉焦,中国101吉焦,OECD国家平均159吉焦,发展中国家53吉焦。能源消费仍会增加,因此而来的排放却必须减少,怎么办呢?

尽管所有的减排努力都值得肯定和探索,但既能整体保持经济平稳增长,又能提高我们生活水平,还能实现减排的办法就是尽可能使用天然气替代煤炭和石油。

在同等热值下,煤炭,石油和天然气的排放比大概是1∶0.8∶0.4,若用天然气大规模替代煤炭和石油,获得10亿吨级别的减排将是显而易见的事实。但煤制气不能算天然气,因为它只是改变了排放的地点而已,总体的排放是增加而不是减少。

天然气在中国的市场空间毋庸多言,居民用工业用自不必说,大型燃气轮机发电,以天然气为主的冷热电三联供等等都可以用天然气。那么,大家可能担心天然气供气的安全和价格。

首先看安全。全球天然气的探明储量在2020年是188万亿立方米,近年来一直维持在这个水平。而储采比在2020年是49,2010年大概是50,2000年前后储采比大概是50左右。也就是说,经过这么多年的开采,天然气的储量没有什么明显减少;或者就算从现在开始,勘探活动全部停止,已经探明的天然气,按照现在的年产量,假如可采比按60%计算,也能开采近30年。所以简单说,天然气是用不完的。

再说价格。在全球减排的努力下,作为化石能源的天然气从总量上也将明显而且长期供大于求,很难再长期维持高价位。何况,天然气也面临水电,核电和可再生能源的竞争。市场肯定有起伏,但是任何担心天然气价格会长期高位的都是杞人忧天。

中国天然气目前的高价,主要是因为低价的国际气源囿于种种原因难以进入,而且市场还要消化已签的长协高价气。

2021年中,欧洲天然气价格也震荡到高位,但这很难成为长期趋势。而价格的短期波动,将随着更多天然气基础设施的建设运营,特别是大型地下储气库的建设运营,得到大幅度缓和。

事实上,全球天然气市场是买方市场,取决于消费国的意愿。中国国内还有近2000亿方的产量,还有众多其他气源来平衡市场,天然气被卡脖子,可能性微乎其微。

所以,在氢能经济到来之前,中国应该大力发展天然气经济。

天然气经济无非就是上游勘探开发,中游运输,下游使用。下游有广阔空间,新亮点在于天然气管网和储藏设施。2020年中国天然气消费3306亿方,长距离高压管线7万多公里,地下储气库大概160亿方。假如到2040年中国消费1万亿方气,那么对于天然气管网的需求也将同步上升。按照国际经验,每公里长输高压管线的投资在100万到300万美元之间。假如中国需要再新建管线10万公里,按平均每公里1000万元计算,总投资将在1万亿元以上,这还不包括低压配气管线和其他相关设施比如加压站等。

管线的建成和使用将激发更多的天然气需求,通过消费来促进经济。储气库也是同样的道理。特别是地下储气库,在保证供气的安全性方面将担负重大使命。中国最近几次所谓的冬天气荒,从本质上讲,都是因为储运设施的限制而使得市场短时失衡的表现,并非真的没有气源。

我还要特别指出的是,天然气的基础设施将和氢能有重大协同效应,氢能的发展将大大延续天然气管网和储藏设施的商业价值。

尽管尚待更多的实验和可行性论证,意大利国家天然气管网公司已经做了天然气管线掺氢10%的试验,非常成功。15%和更高比例的掺混正在试验之中,地下储气库的掺混也在可行性论证之中。

通过天然气储运设施为氢气提供同样的储运服务,将彻底打通氢能中间环节的瓶颈,使得绿氢(就是可再生电力电解水而生产的氢气)能够从可再生能源丰富的地方以很低的成本到达负荷中心。

这样,2050年以后,在天然气逐步退出能源主角的时候,天然气基础设施仍将继续为氢能发挥重大作用。

所以说大力发展天然气是利在当下,功在千秋。“十四五”和2030远景规划天然气消费量是6000亿方,我认为这个比较谨慎,远景可以看到1万亿方甚至更高。

氢能+绿电,人类的终极能源

天然气终究是化石能源,甲烷分子当中还是有一个碳原子,排放是必然的,它终究要被更清洁的能源,也就是太阳能和风能所替代。但是,由于太阳能风能的间歇性,绿色能源的存储就变得不可或缺,而氢能具有规模,效率,便利性特点,将承担电力以外主要的能源责任。

绿色氢能,是基于绿色电力(太阳能风能)的二次能源,近乎零排放。因此说到人类的终极能源,绿色电力和氢能将是两个主要形态。

锂电池也是很好的一种形态。氢能燃料电池和锂电池最终能够解决所有交通领域的燃料问题包括重卡,物流车,乘用车,各种工具车,船舶甚至航空器航天器等等。但是从规模生产的角度来看,储存同样的能量,锂电池成本远远高于氢能成本。氢的高能量密度将大大降低储存成本,氢的衍生物氨和甲醇也会扩大氢能的适用范围。最重要的是,氢能将基本解决高耗能行业的转型问题,钢铁,水泥,化工,陶瓷等行业的燃料基本都可以用氢来替代。

在可以预见的将来,能源的主体将是电力和绿色气体。我们暂且把天然气(包括生物甲烷)和氢气都称作绿色气体能源。电力基础设施除了发电设施之外,就是电力输送网络。而天然气网络,主要就是天然气运输管网和储气库网。基于欧洲和美国目前的特点,供气网络具有几个显著特点:

第一,输气网更大。在欧洲美国,天然气网络非常发达,在寒冷的意大利北部,输气网提供的能量是电网的4倍-5倍。

第二,输气网更加灵活。电网必须实时平衡供需,并始终保持频率稳定。而输气网的注入和提取可以分离。

第三,输气网就能保存大量的能量,基本零损耗,而且成本便宜。而长距离输电资本开支和损失都很惊人。

基于欧洲已经成功的试验,可以在天然气管道掺氢,从而可以实现氢的运输。这使得目前最大的两块能源基础设施得以连接。氢可以使电网和气网成为一个真正的能源互联网,再加上储能电池,氢能燃料电池,地下和地面储气库的支持,一个能充分满足各种能源需求的网络将展现在我们面前。

事实上,在这个大的能源互联的骨架之上,微型或者局域能源互联网将更能获得生机。目前尚处在相互隔离状态的智能微电网,燃气管网,热力管网,分布式用能终端等等都可以一步步耦合互通;网联电动车,或者自动驾驶电动车都将促进能源互联网的发展。许多新的技术比如即插即用的分布式电力系统,各种节能和独立能源系统比如地热等,都将在互联互通的能源网中找到自己角色。

国际碳价将是全球化的新标志

全球化其实是古典经济学发展的自然结果。亚当·斯密关于分工的理论,是现代经济学的开端。从延续几千年的农业和手工业经济向现代工业经济转型,分工举足轻重,提高效率,这是现代经济的核心所在。而分工不仅体现在不同行业之间的互相补充,体现在一个行业内部的细分,更体现在不同国家因为资源禀赋结构不同而发展的不同的产业结构。从全球的角度看,全球化是经济最有效率的安排,而贸易就是全球化的最佳体现。

现在,氢能就是全球化的新机会,既是新的催化剂,也是新的载体。因为气候变化是人类面临的最大挑战,它不再是一个或者几个国家的问题,而是整个人类面临的问题。

氢能将为世界经济的再平衡提供新的机会,也会为中国这样幅员辽阔但是发展不平衡的国家提供新机遇,因为可再生能源的产地,将在价值分配上占有更大份额。

和历史上所有的技术和产业革命一样,氢能的大规模实施将主要取决于其经济性,制造成本特别是绿氢的成本是最为关键的。而绿氢成本主要有两部分组成,绿电成本和电解槽成本。

绿电成本已经很具竞争力,挑战是电解槽。电解槽成本又和其规模直接相关。另外就是氢能基础设施比如加氢站的建设,这关系到绿氢是否能够真正走向市场。这里虽然也有技术因素,但主要还是规模,这从CNG加气站,LNG加气站的经验都可以得到证明。因此,对于氢能补贴,电解槽的规模是一个重点。

即便绿氢的成本能够稳步下降,大规模走向市场还有另外一个至关重要的因素,那就是碳的价格。如果没有这个压力,一切对氢的展望可能永远只是一个憧憬。就像今年以来发生的事情,能源价格在世界各地都是高涨之势。原因很简单,碰到一点困难,回到熟悉的化石能源是如此的简单,以至于没有任何国家任何人能够拒绝。

但这只是化石能源的回光返照而已,绿色能源制造成本的下降和碳价格的上升将是不可逆转的。氢的世界,正在不远处向我们招手。

我们要做的是,尽早给碳一个价格,让这个价格深入人心。

尽管全世界现在已经有120多个国家承诺在2050年到2060年前后实现碳平衡,但是各个国家的具体算盘和计划是千差万别的。首先,各国的努力都是自愿性质,约束力不够。

比较好操作,也算比较公平的办法是给碳一个价格。你消费的东西有碳排放,你为它付出代价,这样可以避免国家间为此互相征税。互征碳税将为国际贸易制造新的巨大障碍,在发达国家和发展中国家之间继续挖掘鸿沟。

为使各国的努力能产生最大协同效应,使一国的成就能为他国所用,国际化的碳价将是一个非常重要的参照物,而碳汇或者碳指标(carbon credit),将是新的金融流动性的重要载体。

其实,早年在《京都议定书》的清洁发展机制下,跨国碳汇交易已有实践,但是那只是一个小试点。如果能把全球每年300亿吨碳排放都纳入市场交易,会是个天量市场。如何使这个市场能够公平公正且符合市场规则,将检验各国政府的良知和能力。

(作者资深能源从业者,在多家跨国能源化工企业担任高管;编辑:马克)

关键字:氢能

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