在未來的凈零排放背景下，氫氣會扮演一個非常重要角色，但仍然會有來自于傳統化石能源藍氫的挑戰，我們從以下幾個層面來闡述整個氫氣來源問題以及藍綠氫的競爭問題。
一、在凈零排放背景下的制氫途徑
鑒于人們對未來的各種觀點和愿景，在2017年至2020年發表的凈零能源系統研究中，水電解在氫氣整體生產中的作用差異很大。下表列出了說明水電解在整體氫生產中的份額研究狀況：
在探索完全脫碳途徑的背景下，水電解生產的綠氫是唯一相關的大規模生產途徑。但在不知道如何減少二氧化碳可能發生的情景下，通常會看到來自化石能源的藍氫的部分作用。
雖然在Shell-Sky和IEA-2017-B2DS研究報告中，所選擇的產氫途徑仍然有些不清晰，但其他研究提供了他們的假設：在IEA-2020-SDS中，2070年生產的520Mt(百萬噸）氫氣中，近60%來自電解水路線，40%多一點來自化石燃料，幾乎所有這些都將配備CCUS。在Teske等人《2°C和LUT&EWG-100%RE》報告中在2050年所有能源使用的氫氣都來自使用可再生能源的水電解。后一項研究還量化了合成燃料的生產規模(費舍爾-濃縮、甲烷化以及電子燃料生產所需的DAC和臨時二氧化碳儲存作為合成燃料生產的一部分)、氫氣液化能力以及所需的氫氣和甲烷儲存能力等的規模。 BNEF，因為它的強烈的氫能政策方案，概算了2050年基于水電解生產所有696噸氫的必要要求，即31320TWh的電力。作者認為，電解產生的綠氫將在成本上擊敗化石來源的藍氫，但基于地緣政治的考慮仍可能在某些地區化石藍氫可能比進口水電解的生產的綠氫更具有優勢。能源過渡委員會(ETC-2020-MMP)認為，2050年水電解占580-9008Mt/年，占氫總產量的60%-65%，屆時情景達到凈零。剩下的是來自經過CCS的石化藍氫。在愛爾蘭的全球可再生能源展望的轉換能源方案(Irena-2020-GRO[48])中，到2050年，來自水電解的綠氫160Mt，以及80Mtd 來自天然氣的藍氫。目前還不清楚灰氫在哪個時間是否會被完全取代，由于IRENA這一情景是在2050年之前發布的，而且只是在2060年達到凈零，故它沒有被包括在上表的比較中。
二、凈零排放情境下電解槽的需求容量
產氫量與安裝的電解槽容量（基于所需的電力輸入能量）之間的聯系是轉換效率和全年運行的全負荷小時數（FLH）。一般來說，低負荷數導致電解槽設備利用率低，因此增加了電解槽成本在總氫氣生產成本的一部分的份額。
專門的可再生氫氣項目，直接由附近的太陽能和風能設施提供動力，負荷運行時數依賴于地理位置，也就是說，現場的太陽能和/或風能潛力越好，負荷時數就越高。這里根據以往大多數情況顯示，電解槽運行的全球平均負荷時數值范圍為每年3300至4400小時。負荷時數與氫氣的需求在很大程度上決定了所需的電解槽容量。各研究報告中對電解槽效率的不同假設只起次要作用。下表概述了回顧研究的FLHs和電解槽容量，范圍從1.7TW（ETC-2020-MMP）到13TW（LUT和EWG-100%RE）。
說明：1TW=1000GW 、1GW=1000MW
這些研究中的高負荷時數表明，產氫量將主要位于具有良好太陽能和風能潛力（特別是海上風能）的地區，然后運輸到需求中心。如果產氫量發生在負荷時數不太理想的地區，所需的電解槽容量將按比例增加。此外，如果電解槽僅僅是給定電力系統的組成部分，因此會由該系統的剩余負載（例如，過量的太陽能和風能）供電，以德國為例FLH每年只有2500小時。總的來說，這一舉例表明，在特定的氫需求下，電解槽的容量將根據其安裝的地區和環境而會發生很大的變化。
對于三種審查方案，有足夠的數據可以繪制安裝的水電解能力以及每5年或10年間隔每年的平均添加量，如下圖所示。
總的來說，基于100%可再生能源方案(LUT&EWG-100%RE，Teske等人，2°C)對電解槽需求要高于IEA-2020-SDS的預測，在IEA-2020-SDS中，2070年凈零年中40%的氫需求將來自具有CCS(藍色氫)的化石資源。在這種情況下，考慮到要比其他兩種情況多20年才能達到凈零，電解槽容量的年度凈增加也更溫和，而其他兩種情況已經在2050年達到了零。
三、太陽能和風能的裝機部署是否有限制？
多太瓦規模的水電解部署將構成對太陽能和風能發電的巨大需求。在能源辯論中，一個常見的問題是100%可再生能源系統在實際中是否可行。從根本上說，答案很簡單:太陽傳輸的能量大約是全球最終能源需求的1萬倍。從理論上講，在太陽資源豐富的地區，占地1000倍于1000公里的光伏發電設施就足以滿足目前的能源需求。如果這種能量需要以氫或電子燃料(“分子”)的形式而不是電能的形式存在，那么換算成轉換損失所需的面積大約要翻倍。
然而，部署和整合太陽能裝置的實際潛力(以及基礎設施、時間需求-供應的不匹配、到能源需求中心的距離和關鍵材料的可用性[59,60]，僅舉幾個例子。Teske等人，在2°C和LUT&EWG-100%RE的情景下，基于可再生能源潛力建模、負荷持續時間曲線和成本，得出100%覆蓋能源需求是可能的。為了便于比較，下表列出了其他研究中太陽能和風能的潛力范圍。即使太陽能和海上風能的最低估計加在一起也足以滿足世界的最終能源需求，即使社會對能源的需求繼續增長。
如果總體潛力沒有受到限制，那么部署速度可能會受到限制？在LUT&EWG-100%可再生能源這一雄心勃勃的100%可再生能源方案中，到2050年，風力發電裝機容量將達到8 TW，光伏發電裝機容量將達到63 TWp。簡言之，近6 GWp或30 km2的面板在2020年至2050年間每天都需要制造和安裝。雖然與今天的光伏產業（約100 GWp/年，或0.3 GWp/天）相比，這仍然是一個20的放大系數，但自21世紀初以來，該產業已經證明，它可以快速提升，降低成本，并在全球部署發電能力。相關的金屬以及其他需求原料也有被預測。
太陽能和風能的發電量從2000年的32太瓦時增長到2018年的1825太瓦時。2000年至2012年期間的平均年增長率為28%，而在2012年至2018年期間，如下圖所示，其平均年增長率為19%。
在2050年達到100%可再生能源系統的情況下，每年約19%的增長率將需要持續保持到2030年（Teske等人，2°C），或在最激進的情景（LUT&EWG-100%RE）中預測需要約28%的年增長率以便為為全球能源需求的大幅增長留出空間。其他經過審查的方案則需要較低的增長率才能實現其目標，然而，在2020年代，太陽能和風能的部署越多，氣候效益越大，因為化石發電的排放可以在早期避免。
風能和太陽能技術本質上是模塊化的，這意味著個別項目和投資具有吸引力的“規模”，在許多司法管轄區部署的監管障礙較低。全球供應鏈發展良好，在光伏發電方面，模塊生產的高自動化性使進一步擴大規模更容易。鑒于準備情況、部署速度和可伸縮性對應對氣候危機很重要，因為在應對氣候危機中，無法提供進一步的延誤。鑒于太陽能和風能已經處于的快速增長軌跡，它們可能發揮越來越大的主導作用。
風能和太陽能技術本質上是模塊化的，這意味著單個項目和投資的“規模”具有吸引力，風險相對可預測，在許多司法管轄區部署的監管壁壘較低。全球供應鏈發展良好，在光伏集成電路方面，模塊生產的高度自動化使得進一步擴大規模變得容易。考慮到準備就緒、部署速度和可擴展性對應對氣候危機至關重要，在這場危機中，進一步的延遲是無法承受的。考慮到太陽能和風能已經處于快速增長期，它們可能會發揮越來越大的主導作用。
四、綠氫和藍氫——可再生能源和化石能源
出于地緣政治原因，政府和工業利益相關者出于經濟利益，可能會決定追求化石衍生的藍色氫，而不是水電解的綠色氫，或者兩者同時使用。雖然太陽能和風力發電已經大規模、低成本提供，但第一個千億瓦的水電解廠尚未建成。盡管這一項目預計將在2025年之前建成(例如，沙特阿拉伯的NEOM項目)，但含有CCS的化石氫有時也被認為是2030年、在水電解產生的綠氫長期廣泛使用之前的“過度技術”，。
然而，到2030年，將大量的化石氫和CCS工廠投產可能也同樣有困難，目前運營很少，建設時間長，需要正確的基礎設施和碳匯位置。如果建成，這類工廠可能會在很遠的將來鎖定化石燃料的使用，而且隨著投資者尋求對化石路線的多元化，可能不會很容易獲得融資。氣候影響不僅包括現場剩余的二氧化碳排放，還包括天然氣開采和基礎設施造成的甲烷排放。因此，雖然短期內可能有益，但基于化石的藍氫生產能力最終可能成為阻礙實現凈零排放，因為它們剩余的溫室氣體排放需要通過額外的CDR措施來補償。
然而，許多國家認為CCS即使在長期（到2050年），包括傳統天然氣生產商（俄羅斯、挪威、英國）和煤炭商（中國、澳大利亞），以及開放進口化石氫的國家（日本、韓國、法國）。尤其是對俄羅斯來說，歐盟和其他國家的凈零承諾對其碳氫化合物出口業務構成了嚴重威脅，因此提出了以化石為基礎的脫碳氫，以此為了證明與西歐的歷史性能源伙伴關系，這種關系可以追溯到20世紀70年代威利·勃蘭特治下的西德政府的倡議。
總之，太陽能和風能潛力不是限制因素，電解槽行業似乎能夠以足夠快的速度擴展，以滿足預期需求。從長遠來看，技術經濟角度也可能更傾向于水電解制氫而非化石路線。然而，政府和行業在現實世界中的考慮可能仍然傾向于基于化石的路線，因此水電解產生的可再生氫的份額只會隨著項目的建設而變得更加明確。
原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：全球視角下綠氫和藍氫的互補與競爭
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