該草案?jìng)?cè)重于用途、降低成本和區(qū)域氫燃料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)——并設(shè)定新的長(zhǎng)期生產(chǎn)目標(biāo)

2021年6月首次宣布，名稱為 "氫氣目標(biāo)"。連同80億美元的聯(lián)邦資金，在去年11月成為法律的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》中明確闡述。

該文件還設(shè)定了美國(guó)的目標(biāo)，即到2050年每年生產(chǎn)5000萬(wàn)噸清潔氫氣，中期目標(biāo)是到2030年生產(chǎn)1000萬(wàn)噸，到2040年生產(chǎn)2000萬(wàn)噸--而目前的目標(biāo)是 "幾乎為零"。美國(guó)目前每年從未減少的化石燃料中生產(chǎn)約1000萬(wàn)噸灰色氫氣。

順便提一下，《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》要求美國(guó)能源部長(zhǎng)珍妮弗-格蘭霍姆 "在法律頒布之日起180天內(nèi) "向國(guó)會(huì)提交清潔氫氣戰(zhàn)略和路線圖。該法案于2021年11月15日由總統(tǒng)喬-拜登簽署成為法律。

高影響力的用途

這份長(zhǎng)達(dá)121頁(yè)的文件為 "氫氣的戰(zhàn)略性、高影響力用途 "提出了以下論點(diǎn)--它可能會(huì)讓很多人失望。

"雖然氫氣的多功能性使其能夠用于許多應(yīng)用，但能源部的重點(diǎn)將是清潔氫氣，用于工業(yè)和重型運(yùn)輸?shù)入y以電氣化的領(lǐng)域的脫碳。在這些領(lǐng)域內(nèi)，使用化石燃料作為化學(xué)原料[如氨和甲醇]的工藝，或在產(chǎn)生高溫?zé)崃炕蜷L(zhǎng)期可調(diào)度的電力方面，將需要清潔燃料，如氫，以實(shí)現(xiàn)脫碳。"

它說(shuō)，一半的工業(yè)排放是由于燃燒化石燃料來(lái)生產(chǎn)熱能和電力。

"雖然較低等級(jí)的發(fā)熱通常是可行的電氣化，但工業(yè)中使用的大約30%的熱量是在300℃以上的溫度，很可能需要清潔燃料來(lái)脫碳。"

但這表明對(duì)選項(xiàng)缺乏了解。正如當(dāng)時(shí)德國(guó)智庫(kù)Agora Energiewende的分析師Gniewomir Flis去年告訴Recharge的。"高溫工藝熱能只能用氫氣進(jìn)行脫碳的想法是一種營(yíng)銷策略。在大多數(shù)情況下，電加熱也是可行的，甚至可以比氫氣更有效地使高溫工業(yè)熱能脫碳。"

正如最近的一篇科學(xué)論文所指出的那樣，今天的重工業(yè)已經(jīng)有了全電加熱的解決方案，可以提供超過(guò)1000℃的高溫?zé)崃?，包括紅外線和微波加熱器、感應(yīng)爐和電阻爐，以及美國(guó)鋼鐵行業(yè)常見(jiàn)的電弧爐。

該戰(zhàn)略草案說(shuō)："燃燒純氫或氫氣與天然氣混合的爐子是這些應(yīng)用的關(guān)鍵選擇。"

多項(xiàng)研究表明，燃燒氫氣和天然氣的混合物是一種極其昂貴和無(wú)效的使用高價(jià)值H2的方式。由于體積能量密度較低，大約需要三個(gè)單位的氫氣才能產(chǎn)生與一個(gè)單位的天然氣相同的熱量，因此20%的氫氣混合物只能減少7%的碳排放。

然而，文件中的一張圖表（上圖）表明，到 2050 年，每年將使用約 300 萬(wàn)噸清潔氫來(lái)“混合天然氣供熱”。

能源儲(chǔ)存

該文件補(bǔ)充說(shuō)，它認(rèn)為使用氫氣進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)能是 "使各部門使用清潔電力增長(zhǎng)的關(guān)鍵"。

"在燃料電池或低NOx渦輪機(jī)中使用氫氣是一個(gè)領(lǐng)先的選擇，可以向電網(wǎng)提供多天的可調(diào)度電力。在電氣化率高的情況下，可能需要更多的清潔氫氣和其他清潔燃料來(lái)提供可靠的電力，并將可變的可再生能源納入電網(wǎng)，以獲得穩(wěn)定的可調(diào)度的電力"。

在電解器中把電轉(zhuǎn)化為氫氣，再在燃料電池中轉(zhuǎn)化為氫氣，會(huì)導(dǎo)致大約65-72%的能量損失，這取決于氫氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和分配。許多專家認(rèn)為，因此，只有當(dāng)可變的可再生能源在電力組合中占了很高的比例，而便宜的選擇又不夠時(shí)，才應(yīng)該將氫氣用于能源儲(chǔ)存。

氫氣在運(yùn)輸中的使用

戰(zhàn)略草案說(shuō)："在運(yùn)輸方面，氫氣在卡車運(yùn)輸部門有很強(qiáng)的價(jià)值主張，特別是對(duì)于擁有重型車輛、長(zhǎng)途（>500英里）路線或需要快速加油的多班作業(yè)的車隊(duì)。氫氣也是生產(chǎn)液體燃料的基本原料，這些液體燃料將是大規(guī)模能源應(yīng)用所必需的，如航空、鐵路和海運(yùn)。"

它補(bǔ)充說(shuō)，清潔的氫氣可以取代煉油中用于裂解重質(zhì)原油和去除硫磺的灰氫，以及用于從生物質(zhì)中生產(chǎn)生物燃料，并作為化學(xué)上與石油或航空燃料相同的合成燃料的基本成分。

該文件表明，氫氣將被直接用作中型和重型卡車和巴士的燃料。

"燃料電池在重型卡車等應(yīng)用中特別可行，這些卡車需要與今天的柴油相當(dāng)?shù)目焖偬畛鋾r(shí)間，或超過(guò)500英里[805公里]的長(zhǎng)距離行駛。"

該文件沒(méi)有指出，使用綠色氫氣的車輛的運(yùn)行成本將是全電動(dòng)電池供電的同類車輛的兩到三倍，或者像特斯拉Semi這樣的電動(dòng)卡車也將能夠在一次充電中行駛500英里。氫氣將對(duì)航空業(yè)的去碳化非常重要。

"開(kāi)發(fā)SAF[可持續(xù)航空燃料]，如可替代傳統(tǒng)噴氣燃料的生物燃料和動(dòng)力轉(zhuǎn)液體燃料，對(duì)該行業(yè)的去碳化至關(guān)重要。"

氫氣可以與捕獲的二氧化碳相結(jié)合，生產(chǎn)出理論上至少是碳中性的合成噴氣燃料。氫氣也可以直接用作短途飛行的燃料，ZeroAvia等公司開(kāi)發(fā)的飛機(jī)單程可行駛1800公里。

第一、第二和第三波

在戰(zhàn)略文件的后面，它談到了清潔氫氣應(yīng)用的 "第一波"，這將是在 "除清潔氫氣外幾乎沒(méi)有替代品的現(xiàn)有市場(chǎng)"。

它列出了這些應(yīng)用是叉車、煉油廠、合成氨生產(chǎn)、公共汽車、長(zhǎng)途重型卡車，以及采礦、建筑和農(nóng)業(yè)中需要快速加油和遠(yuǎn)離電網(wǎng)運(yùn)行的重型機(jī)械。

戰(zhàn)略文件中的圖表顯示了清潔氫使用的預(yù)期浪潮。照片：美國(guó)能源部

在第二波浪潮中--"清潔氫氣提供了一個(gè)日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值主張，并得到行業(yè)承諾和政策勢(shì)頭的支持--應(yīng)用將是鋼鐵生產(chǎn)、能源儲(chǔ)存和發(fā)電、航空、中型卡車、區(qū)域渡輪、"某些工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)"，如塑料。

隨后是第三波，應(yīng)用將 "隨著清潔氫氣生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、成本的下降和基礎(chǔ)設(shè)施的普及而變得有競(jìng)爭(zhēng)力"。

在這里，它列出了集裝箱船、甲醇生產(chǎn)、水泥、與現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)的混合，以及在醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵的全天候設(shè)施中取代柴油發(fā)電機(jī)的備用和固定電源。

清潔氫氣的定義

基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案--也被稱為兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法（BIL）--要求能源部制定清潔氫氣生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，即每公斤氫氣的二氧化碳當(dāng)量（CO2e）低于2公斤--這一點(diǎn)在氫氣戰(zhàn)略草案中得到重申。

然而，在昨天發(fā)布的另一份文件中，能源部表示建議將該標(biāo)準(zhǔn)提高一倍，即每公斤氫氣含4公斤二氧化碳。

這與上個(gè)月的《減少通貨膨脹法案》一致，該法案對(duì)生命周期內(nèi)溫室氣體排放量為4kgCO2e/kgH2的清潔氫氣項(xiàng)目給予稅收抵免。

能源部為這一增長(zhǎng)提供的理由是："這個(gè)目標(biāo)也有可能被那些在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到BIL對(duì) "清潔氫氣 "定義的

該戰(zhàn)略文件--沒(méi)有提到新的4公斤標(biāo)準(zhǔn)--指出，通過(guò)蒸汽甲烷重整（SMR）和碳捕集與封存（CCS）生產(chǎn)的藍(lán)色氫氣的生命周期排放 "可能在3-5公斤CO2e/kgH2之間，這取決于逃逸性排放的程度、捕獲率和電網(wǎng)的碳強(qiáng)度"。

它補(bǔ)充說(shuō)："當(dāng)電力供應(yīng)是100%無(wú)碳污染時(shí)--正如政府在2035年之前的目標(biāo)--電解的井-門排放接近于零，但當(dāng)使用目前美國(guó)平均電網(wǎng)組合時(shí)，電解的排放可能是SMR的兩倍。"

該文件還指出，從廢物或生物質(zhì)產(chǎn)生的氫氣也可以滿足標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)途徑加上CCS可以產(chǎn)生碳負(fù)的H2。

降低成本

去年6月宣布的 "氫氣射擊"，尋求在十年內(nèi)將清潔氫氣的成本降低到1公斤1美元，它稱之為 "1 1 1"。新的戰(zhàn)略文件增加了一個(gè)中期目標(biāo)，即到2026年達(dá)到2美元/公斤。 這一挑戰(zhàn)的一個(gè)關(guān)鍵部分是降低電解器的成本，它說(shuō) "這將需要大批量的制造，電解器堆棧和工廠組件平衡的創(chuàng)新，以及電解器在下一代系統(tǒng)中的整合。"

對(duì)于藍(lán)氫，"二氧化碳運(yùn)輸和儲(chǔ)存、可變[運(yùn)營(yíng)和維護(hù)]成本以及資本成本的降低可以幫助實(shí)現(xiàn)氫氣拍攝目標(biāo)"。

區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

BIL呼吁建立至少四個(gè)生產(chǎn)清潔氫氣的區(qū)域中心，在化石燃料、可再生能源和核能這三條生產(chǎn)路線中，每條路線至少有一個(gè)中心提案--由80億美元的資金支持。 每個(gè)中心應(yīng)展示清潔氫氣的不同用途：發(fā)電、工業(yè)制造、住宅和商業(yè)加熱以及運(yùn)輸，同時(shí)法案還希望每個(gè)區(qū)域中心位于美國(guó)的不同地區(qū)，使用 "該地區(qū)豐富的 "能源。

然而，這些標(biāo)準(zhǔn)并不是一成不變的，因?yàn)樵摲ò钢皇且竽茉床块L(zhǎng) "在實(shí)際可行的最大范圍內(nèi) "滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。BIL將區(qū)域清潔氫氣中心定義為一個(gè)由清潔氫氣生產(chǎn)商、消費(fèi)者和連接基礎(chǔ)設(shè)施組成的網(wǎng)絡(luò)，彼此 "相距不遠(yuǎn)"。

該戰(zhàn)略文件指出："氫氣供應(yīng)和需求的共同定位可以減少對(duì)新的長(zhǎng)距離基礎(chǔ)設(shè)施的需求，降低早期市場(chǎng)增長(zhǎng)的成本，直到大規(guī)模、穩(wěn)定的需求在區(qū)域和全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)展。80億美元的資金 "將推動(dòng)清潔氫氣的生產(chǎn)、加工、交付、儲(chǔ)存和最終使用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和公平的區(qū)域利益以及市場(chǎng)吸收。從中心收集的數(shù)據(jù)將用于未來(lái)的分析，以確定市場(chǎng)啟動(dòng)的最佳方法，如使用差價(jià)合約，將生產(chǎn)與承購(gòu)商相匹配，與主要租戶一起創(chuàng)造有針對(duì)性的大規(guī)模需求，以及在適用情況下使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略，包括CCS和其他管道基礎(chǔ)設(shè)施。"

結(jié)論

該文件最后指出，清潔氫氣 "將是國(guó)家去碳化道路上的一個(gè)重要因素"。

"盡管仍有許多不確定因素，但氫氣的潛力是明確的。需要在近期、中期和長(zhǎng)期進(jìn)行重點(diǎn)投資和行動(dòng)，以便為更廣泛地采用清潔氫氣奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)成本下降，并以可持續(xù)和全面的方式擴(kuò)大規(guī)模。通過(guò)有效和高效的合作與協(xié)調(diào)，以及正確的戰(zhàn)略和實(shí)施計(jì)劃，美國(guó)能夠而且必須成功地發(fā)展一個(gè)可持續(xù)的、有彈性的和公平的清潔氫氣經(jīng)濟(jì)。"