在未来的净零排放背景下，氢气会扮演一个非常重要角色，但仍然会有来自于传统化石能源蓝氢的挑战，我们从以下几个层面来阐述整个氢气来源问题以及蓝绿氢的竞争问题。
一、在净零排放背景下的制氢途径
鉴于人们对未来的各种观点和愿景，在2017年至2020年发表的净零能源系统研究中，水电解在氢气整体生产中的作用差异很大。下表列出了说明水电解在整体氢生产中的份额研究状况：
在探索完全脱碳途径的背景下，水电解生产的绿氢是唯一相关的大规模生产途径。但在不知道如何减少二氧化碳可能发生的情景下，通常会看到来自化石能源的蓝氢的部分作用。
虽然在Shell-Sky和IEA-2017-B2DS研究报告中，所选择的产氢途径仍然有些不清晰，但其他研究提供了他们的假设：在IEA-2020-SDS中，2070年生产的520Mt(百万吨）氢气中，近60%来自电解水路线，40%多一点来自化石燃料，几乎所有这些都将配备CCUS。在Teske等人《2°C和LUT&EWG-100%RE》报告中在2050年所有能源使用的氢气都来自使用可再生能源的水电解。后一项研究还量化了合成燃料的生产规模(费舍尔-浓缩、甲烷化以及电子燃料生产所需的DAC和临时二氧化碳储存作为合成燃料生产的一部分)、氢气液化能力以及所需的氢气和甲烷储存能力等的规模。 BNEF，因为它的强烈的氢能政策方案，概算了2050年基于水电解生产所有696吨氢的必要要求，即31320TWh的电力。作者认为，电解产生的绿氢将在成本上击败化石来源的蓝氢，但基于地缘政治的考虑仍可能在某些地区化石蓝氢可能比进口水电解的生产的绿氢更具有优势。能源过渡委员会(ETC-2020-MMP)认为，2050年水电解占580-9008Mt/年，占氢总产量的60%-65%，届时情景达到净零。剩下的是来自经过CCS的石化蓝氢。在爱尔兰的全球可再生能源展望的转换能源方案(Irena-2020-GRO[48])中，到2050年，来自水电解的绿氢160Mt，以及80Mtd 来自天然气的蓝氢。目前还不清楚灰氢在哪个时间是否会被完全取代，由于IRENA这一情景是在2050年之前发布的，而且只是在2060年达到净零，故它没有被包括在上表的比较中。
二、净零排放情境下电解槽的需求容量
产氢量与安装的电解槽容量（基于所需的电力输入能量）之间的联系是转换效率和全年运行的全负荷小时数（FLH）。一般来说，低负荷数导致电解槽设备利用率低，因此增加了电解槽成本在总氢气生产成本的一部分的份额。
专门的可再生氢气项目，直接由附近的太阳能和风能设施提供动力，负荷运行时数依赖于地理位置，也就是说，现场的太阳能和/或风能潜力越好，负荷时数就越高。这里根据以往大多数情况显示，电解槽运行的全球平均负荷时数值范围为每年3300至4400小时。负荷时数与氢气的需求在很大程度上决定了所需的电解槽容量。各研究报告中对电解槽效率的不同假设只起次要作用。下表概述了回顾研究的FLHs和电解槽容量，范围从1.7TW（ETC-2020-MMP）到13TW（LUT和EWG-100%RE）。
说明：1TW=1000GW 、1GW=1000MW
这些研究中的高负荷时数表明，产氢量将主要位于具有良好太阳能和风能潜力（特别是海上风能）的地区，然后运输到需求中心。如果产氢量发生在负荷时数不太理想的地区，所需的电解槽容量将按比例增加。此外，如果电解槽仅仅是给定电力系统的组成部分，因此会由该系统的剩余负载（例如，过量的太阳能和风能）供电，以德国为例FLH每年只有2500小时。总的来说，这一举例表明，在特定的氢需求下，电解槽的容量将根据其安装的地区和环境而会发生很大的变化。
对于三种审查方案，有足够的数据可以绘制安装的水电解能力以及每5年或10年间隔每年的平均添加量，如下图所示。
总的来说，基于100%可再生能源方案(LUT&EWG-100%RE，Teske等人，2°C)对电解槽需求要高于IEA-2020-SDS的预测，在IEA-2020-SDS中，2070年净零年中40%的氢需求将来自具有CCS(蓝色氢)的化石资源。在这种情况下，考虑到要比其他两种情况多20年才能达到净零，电解槽容量的年度净增加也更温和，而其他两种情况已经在2050年达到了零。
三、太阳能和风能的装机部署是否有限制？
多太瓦规模的水电解部署将构成对太阳能和风能发电的巨大需求。在能源辩论中，一个常见的问题是100%可再生能源系统在实际中是否可行。从根本上说，答案很简单:太阳传输的能量大约是全球最终能源需求的1万倍。从理论上讲，在太阳资源丰富的地区，占地1000倍于1000公里的光伏发电设施就足以满足目前的能源需求。如果这种能量需要以氢或电子燃料(“分子”)的形式而不是电能的形式存在，那么换算成转换损失所需的面积大约要翻倍。
然而，部署和整合太阳能装置的实际潜力(以及基础设施、时间需求-供应的不匹配、到能源需求中心的距离和关键材料的可用性[59,60]，仅举几个例子。Teske等人，在2°C和LUT&EWG-100%RE的情景下，基于可再生能源潜力建模、负荷持续时间曲线和成本，得出100%覆盖能源需求是可能的。为了便于比较，下表列出了其他研究中太阳能和风能的潜力范围。即使太阳能和海上风能的最低估计加在一起也足以满足世界的最终能源需求，即使社会对能源的需求继续增长。
如果总体潜力没有受到限制，那么部署速度可能会受到限制？在LUT&EWG-100%可再生能源这一雄心勃勃的100%可再生能源方案中，到2050年，风力发电装机容量将达到8 TW，光伏发电装机容量将达到63 TWp。简言之，近6 GWp或30 km²的面板在2020年至2050年间每天都需要制造和安装。虽然与今天的光伏产业（约100 GWp/年，或0.3 GWp/天）相比，这仍然是一个20的放大系数，但自21世纪初以来，该产业已经证明，它可以快速提升，降低成本，并在全球部署发电能力。相关的金属以及其他需求原料也有被预测。
太阳能和风能的发电量从2000年的32太瓦时增长到2018年的1825太瓦时。2000年至2012年期间的平均年增长率为28%，而在2012年至2018年期间，如下图所示，其平均年增长率为19%。
在2050年达到100%可再生能源系统的情况下，每年约19%的增长率将需要持续保持到2030年（Teske等人，2°C），或在最激进的情景（LUT&EWG-100%RE）中预测需要约28%的年增长率以便为为全球能源需求的大幅增长留出空间。其他经过审查的方案则需要较低的增长率才能实现其目标，然而，在2020年代，太阳能和风能的部署越多，气候效益越大，因为化石发电的排放可以在早期避免。
风能和太阳能技术本质上是模块化的，这意味着个别项目和投资具有吸引力的“规模”，在许多司法管辖区部署的监管障碍较低。全球供应链发展良好，在光伏发电方面，模块生产的高自动化性使进一步扩大规模更容易。鉴于准备情况、部署速度和可伸缩性对应对气候危机很重要，因为在应对气候危机中，无法提供进一步的延误。鉴于太阳能和风能已经处于的快速增长轨迹，它们可能发挥越来越大的主导作用。
风能和太阳能技术本质上是模块化的，这意味着单个项目和投资的“规模”具有吸引力，风险相对可预测，在许多司法管辖区部署的监管壁垒较低。全球供应链发展良好，在光伏集成电路方面，模块生产的高度自动化使得进一步扩大规模变得容易。考虑到准备就绪、部署速度和可扩展性对应对气候危机至关重要，在这场危机中，进一步的延迟是无法承受的。考虑到太阳能和风能已经处于快速增长期，它们可能会发挥越来越大的主导作用。
四、绿氢和蓝氢——可再生能源和化石能源
出于地缘政治原因，政府和工业利益相关者出于经济利益，可能会决定追求化石衍生的蓝色氢，而不是水电解的绿色氢，或者两者同时使用。虽然太阳能和风力发电已经大规模、低成本提供，但第一个千亿瓦的水电解厂尚未建成。尽管这一项目预计将在2025年之前建成(例如，沙特阿拉伯的NEOM项目)，但含有CCS的化石氢有时也被认为是2030年、在水电解产生的绿氢长期广泛使用之前的“过度技术”，。
然而，到2030年，将大量的化石氢和CCS工厂投产可能也同样有困难，目前运营很少，建设时间长，需要正确的基础设施和碳汇位置。如果建成，这类工厂可能会在很远的将来锁定化石燃料的使用，而且随着投资者寻求对化石路线的多元化，可能不会很容易获得融资。气候影响不仅包括现场剩余的二氧化碳排放，还包括天然气开采和基础设施造成的甲烷排放。因此，虽然短期内可能有益，但基于化石的蓝氢生产能力最终可能成为阻碍实现净零排放，因为它们剩余的温室气体排放需要通过额外的CDR措施来补偿。
然而，许多国家认为CCS即使在长期（到2050年），包括传统天然气生产商（俄罗斯、挪威、英国）和煤炭商（中国、澳大利亚），以及开放进口化石氢的国家（日本、韩国、法国）。尤其是对俄罗斯来说，欧盟和其他国家的净零承诺对其碳氢化合物出口业务构成了严重威胁，因此提出了以化石为基础的脱碳氢，以此为了证明与西欧的历史性能源伙伴关系，这种关系可以追溯到20世纪70年代威利·勃兰特治下的西德政府的倡议。
总之，太阳能和风能潜力不是限制因素，电解槽行业似乎能够以足够快的速度扩展，以满足预期需求。从长远来看，技术经济角度也可能更倾向于水电解制氢而非化石路线。然而，政府和行业在现实世界中的考虑可能仍然倾向于基于化石的路线，因此水电解产生的可再生氢的份额只会随着项目的建设而变得更加明确。
原文始发于微信公众号（氢眼所见）：全球视角下绿氢和蓝氢的互补与竞争
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