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2023年2月3日 星期五
氢的不可承受之轻
所属分类:技术前沿
来源: 国际能源小数据
更新日期:2023-01-05

彭博新能源财经创始人迈克尔·列布雷奇(Michael Liebreich)日前发表了一篇文章,题目是:The Unbearable Lightness of Hydrogen(氢的不可承受之轻),摘要如下:

两年前,彭博新能源财经发表了我的关于氢能的文章。在氢能供应方面,我持乐观态度:随着时间的推移,绿色氢(由可再生能源生产)将比蓝色氢(由天然气生产,但碳捕获)便宜,最终比灰色氢(由没有碳捕获的天然气生产)便宜。在需求方面,我比较怀疑。虽然清洁氢气将需要在工业中的许多使用情况下脱碳,并且可能用于长期储能,但作用也有限。如果我当时的意图是为氢能热注入一些冷静考虑的话,我显然失败了。这两年关于氢的宣传变得越来越夸张。

乐观情绪

据游说团体氢能委员会(Hydrogen Council)援引麦肯锡报告称,预计氢能为全球实现净零排放所需的减排贡献超过20%。德国总理奥拉夫·朔尔茨称氢是“未来的燃气”,将“带来巨大繁荣”。日本首相岸田文雄宣布,“转向和发展氢社会对实现脱碳至关重要。”,今年,英国能源大臣干脆称氢气为无所不能的“银色子弹”。

我们看到公共资金开始注入。欧盟已经批准了其2020年氢能战略承诺的4300亿欧元中的前130亿欧元,目前正在努力建立“氢能银行”。美国《通胀削减法案》(IRA)为绿氢提供十年退税(3美元/公斤),补贴将超过生产成本本身。

氢进口作为主要工业化经济体脱碳的一种方式的想法极具吸引力,以至于德国和日本都将其作为其脱碳战略的核心。日本首相岸田文雄再次表示:“日本的目标是通过在拥有丰富可再生能源和海上运输基础设施的国家以低成本批量生产氢气,实现国际氢气供应链的商业化。” 朔尔茨总理正在推动氢进口,认为这不仅是德国经济脱碳的一种方式,也是俄罗斯天然气的替代品。

氢的不可承受之轻

今年2月,川崎重工(Kawasaki Heavy Industries)的Suiso Frontier运载着世界上第一批来自澳大利亚的液态氢货物抵达日本神户。这一重大事件是否如新闻报道所示,预示着液态氢贸易新世界的开始?不会。不说5亿澳元(3.34亿美元)的项目成本,也不说船上大部分氢气是由煤炭制成的事实, Suiso Frontier号运载的1250立方米氢气仅占一艘大型液化天然气运输船的0.2%。

Suiso Frontier靠岸

氢气具有非常好的重量能量密度——每单位重量携带的能量。根据这一衡量标准,氢比柴油、汽油和喷气燃料高出约三倍,液化天然气高出2.7倍——这就是为什么这是一种优秀的火箭燃料。然而,氢气的体积能量密度非常低,即每单位体积携带的能量。一立方米的水重达1000公斤;但一立方米氢气只有71公斤重。

按体积计算,氢气的能量密度是航空煤油的四分之一,仅为液化天然气的40%。由于船只数量有限(由于苏伊士运河、巴拿马运河等瓶颈),这不可避免地意味着更长的运输行程。即使川崎重工要将其氢运输船的规模扩大到与液化天然气货轮相同的规模,它也需要交付2.5次,才能运送与一批液化天然气相同的能量。显然,2.5倍的旅行将花费2.5倍的费用。

液态氢运输船将不可避免地比液化天然气运输船更昂贵。液态氢的温度需要-253℃,所有管道、阀门、泵和储罐都必须抗氢脆。由于液态氢比液化天然气更冷、更轻,因此液态氢船在途中的蒸发量将多达九倍,除非增加更多的隔热层或复杂的低温循环系统。总的来说,氢贸易海运部分的成本约为每单位能源液化天然气成本的四倍。

但这只涉及海运部分,还有液化和再气化。

氢的液化是一个非常消耗能量的过程,由于氢物理特性的“怪癖”而变得复杂——比如它的负焦耳-汤姆逊效应(不像大多数气体,氢膨胀时会变热,压缩时会变冷)和邻位异构体转化(没有这种转化,液态氢会重新蒸发,无论绝热层如何)。氢气液化过程目前消耗30-40%的能量,而液化天然气消耗不超过10%。

至于再气化设施也比液化天然气更昂贵,需要在较低的温度下工作;所有阀门、泵、管道和储罐必须抗氢脆;并且压缩机必须具有更大的容量,因为加压氢气比加压天然气需要更多的能量。欧洲国家正在争先恐后地建造新的接收液化天然气的接收站,以取代俄罗斯的天然气,他们建议将这些接收站重新用于接收氢气或其衍生物。这真是胡说八道。事实上,使用码头和基础设施的话,部分配送管道都可以升级,但70%的设施都必须报废。

液化天然气的成本大约是管道输送天然气的两倍,但运输液态氢的成本将是液化天然气成本的四到六倍。换言之,我们无法依靠进口液态氢为经济提供动力,这不是仅因为规模、技术、资本成本等因素,而是因为潜在的物理因素:体积密度、液化温度以及与其他材料的相互作用。

结论:经济地输送氢气的唯一途径是通过管道,忘掉液态氢吧:它将很难在未来的能源或运输系统中找到任何角色,因为它的体积能量密度低,处理困难,将完全没有作为商品交易的未来。令人担忧的是,在这一过程中,人们将在错误的氢气使用案例和错误的基础设施上浪费大量资金。比浪费钱更糟糕的是,我们还将浪费时间——这是我们所没有的。

让我们更聪明一点吧。


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