拜登的困境：你如何定義“綠色”氫？

 

只有當(dāng)購(gòu)買(mǎi)綠電不僅與制氫的電量相等，且“綠電發(fā)電時(shí)間和制氫時(shí)間達(dá)到小時(shí)級(jí)別匹配”，即什么時(shí)候發(fā)綠電什么時(shí)候制氫，才有可能是“綠氫”。

 

沒(méi)錯(cuò)，這種“小時(shí)匹配”原則在歐洲的法案里被廢除了——原因是不想落后于“慷慨寬松”的美國(guó)政策，然而最近美國(guó)方面也開(kāi)始了“小時(shí)匹配”的爭(zhēng)論。

 

 

IRA定義“綠色”氫的方法是采取美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的GREET工具計(jì)算碳排放，該模型的計(jì)算基于制氫所用電力的碳排放。

 

然而如果電網(wǎng)不是綠色的，但生產(chǎn)商采取采購(gòu)綠電或綠證的模式進(jìn)行“抵消”，定義綠氫和碳排放將是個(gè)復(fù)雜和棘手的問(wèn)題。

 

目前，美國(guó)財(cái)政部正在權(quán)衡如何對(duì)“綠色”氫生產(chǎn)進(jìn)行定義和要求，以避免在能源集團(tuán)之間對(duì)“綠氫”的定義產(chǎn)生分歧。財(cái)政部的結(jié)果可能對(duì)氫氣作為氣候工具的可信度產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響——一些電網(wǎng)建模者、智囊團(tuán)和環(huán)保人士警告說(shuō)，“靈活”的定義可能會(huì)在未來(lái)幾年抹殺“綠色”氫的氣候可信度。

 

最容易被定義為綠氫的是可再生能源耦合的“離網(wǎng)”電解項(xiàng)目，直接使用100%的可再生電力，而不與來(lái)源復(fù)雜的電網(wǎng)電力牽扯。只要不離網(wǎng)且從電網(wǎng)取電，就很難定義和追蹤其“綠色”來(lái)源。

 

 

1-電網(wǎng)非靈活制氫：電解槽始終使用電網(wǎng)電力，滿(mǎn)負(fù)荷利用率高達(dá)95%以上，該模式不僅是碳排放的問(wèn)題，還涉及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題——比如我國(guó)電網(wǎng)高峰電價(jià)可以高達(dá)一兩塊錢(qián)每度。

 

2-電網(wǎng)靈活制氫：與“1”同樣使用電網(wǎng)電力，但選擇低電價(jià)時(shí)段來(lái)降低用電成本，高電價(jià)時(shí)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，滿(mǎn)負(fù)荷利用率遠(yuǎn)低于“1”。

 

3-共址（孤島）：完全離網(wǎng)型，off-grid，完全綠色，電解槽與電網(wǎng)不相連，僅依賴(lài)可再生發(fā)電設(shè)施；電力成本低、利用率低、波動(dòng)性高，可再生發(fā)電設(shè)施功率即便在最優(yōu)匹配下也需要遠(yuǎn)大于電解槽功率（以保障高電解槽利用率），可能會(huì)導(dǎo)致大量棄電的產(chǎn)生。

 

4-共址（電網(wǎng)）：與完全離網(wǎng)的孤島模式相比，該模式連接電網(wǎng)，增加了電解槽的靈活性；該模式既產(chǎn)出氫，也向電網(wǎng)售出可再生電力，盡管出售電力意味著電解槽利用率的降低（制氫成本的提高）。該模式類(lèi)似于“表后”behind-the-meter，比如屋頂光伏送出電力首先經(jīng)過(guò)家庭或企業(yè)自用，之后才通過(guò)電表；當(dāng)無(wú)太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)候，家庭或企業(yè)可以通過(guò)電表連接的電網(wǎng)取電。

 

唯一能夠直接保障“綠色”的，只有3；我國(guó)目前存在類(lèi)似1和2模式的項(xiàng)目，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)制氫消耗等量的綠電，來(lái)間接“漂綠”氫氣，這種做法的碳減排效果存在爭(zhēng)議。

 

很多美國(guó)的氫氣生產(chǎn)商希望將這個(gè)爭(zhēng)議變?yōu)檎呱系亩ㄕ?，即他們希望通過(guò)購(gòu)電協(xié)議PPA或者能源屬性證書(shū)(EAC，比如可再生能源證書(shū)REC)來(lái)漂綠其“電網(wǎng)制氫”并獲得補(bǔ)貼，而不是建造自己的風(fēng)力或太陽(yáng)能設(shè)施來(lái)獲取綠色電力——允許使用高比例火電電網(wǎng)全天候制氫，只是其購(gòu)買(mǎi)的綠電電量與其制氫使用的電量相當(dāng)（盡管綠電發(fā)生時(shí)間與制氫時(shí)間并不對(duì)應(yīng)），他們希望這樣做其產(chǎn)品依然被定義為綠氫。

 

支持此種“漂綠”手段的主要論據(jù)是，“隨著時(shí)間的推移，電網(wǎng)將變得更清潔，這意味著氫氣將變得越來(lái)越綠色。”

 

 

小時(shí)匹配、額外性和可交付性，一個(gè)不能少

 

《環(huán)境研究快報(bào)》（Environmental Research Letters）發(fā)表了一篇同行評(píng)議的論文，普林斯頓大學(xué)零實(shí)驗(yàn)室（ZERO Lab）的研究人員考慮到2030年前美國(guó)西部的情況，研究了與電網(wǎng)發(fā)電（結(jié)合購(gòu)買(mǎi)綠證抵消）產(chǎn)生的綠色氫相關(guān)的排放，結(jié)論是該模式導(dǎo)致其“綠色”氫氣可能比“灰色”氫氣的碳排放更糟糕，特別是如果當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)依賴(lài)煤炭的話(huà)。論文作者及其ZERO實(shí)驗(yàn)室同事已經(jīng)提交給財(cái)政部公開(kāi)評(píng)論，建議對(duì)“電網(wǎng)制氫”+“綠證”模式進(jìn)行嚴(yán)格限制，限制條件見(jiàn)下文。

 

該研究使用宏觀能源系統(tǒng)建模來(lái)評(píng)估2030年美國(guó)西部基于電網(wǎng)+綠證制氫模式的碳排放，包含三種要求情形：

 

a） 無(wú)任何要求

 

b） 每小時(shí)/每周/每年將電解槽電力消耗量與采購(gòu)的清潔發(fā)電量進(jìn)行匹配，以及

 

c） 協(xié)調(diào)采購(gòu)/消費(fèi)，以在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)凈零短期邊際排放net-zero short-run marginal emissions（SRME）

 

這些政策下的所有清潔電力采購(gòu)都必須是額外的（即來(lái)自新建資源），并且必須實(shí)際交付（位于與電解槽相同的模型區(qū)）。

 

碳排放包括兩種情況，直接歸于制氫的歸因性排放Attributional和間接的由制氫導(dǎo)致的后果性排放Consequential:

 

1-歸因性碳排放：測(cè)量與非清潔電網(wǎng)電力直接消耗相關(guān)的排放

 

2-后果性碳排放：測(cè)量氫生產(chǎn)所帶來(lái)的全系統(tǒng)排放的總體變化

 

對(duì)應(yīng)如上3種情形的結(jié)果如下：

 

1. 由于沒(méi)有清潔能源采購(gòu)的要求，基于電網(wǎng)的氫氣生產(chǎn)非常骯臟，是蒸汽甲烷重整的2倍；

 

2. 要求每小時(shí)匹配可導(dǎo)致零直接排放（因?yàn)殡娊獠巯牡墓β视肋h(yuǎn)不會(huì)超過(guò)采購(gòu)的清潔資源同時(shí)產(chǎn)生的功率），并在某些情況下（但不是所有情況下）顯著減少間接排放。

 

3. 每周/年度匹配和凈零SRME減少但不消除直接排放（因?yàn)殡娊獠塾袝r(shí)消耗的功率比采購(gòu)資源同時(shí)生產(chǎn)的功率更多），但間接排放與不要求采購(gòu)清潔能源的情形一樣。

 

為什么這些表現(xiàn)如此糟糕？答案是額外性的失敗。盡管氫氣生產(chǎn)商正在采購(gòu)大量的清潔發(fā)電，但我們發(fā)現(xiàn)這些采購(gòu)實(shí)際上并未增加系統(tǒng)中的清潔發(fā)電總量：

 

每小時(shí)匹配的情形會(huì)好得多；然而，研究者仍然觀察到，在每小時(shí)匹配的情況下，會(huì)產(chǎn)生較大的后果性碳排放，原因是對(duì)有限清潔資源的競(jìng)爭(zhēng)，即使氫氣更綠和使電網(wǎng)更綠產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)。

 

例如，如果只有一些新的風(fēng)力開(kāi)發(fā)項(xiàng)目質(zhì)量足夠高，能夠與現(xiàn)有的煤炭進(jìn)行經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)，那么采購(gòu)這些項(xiàng)目用于制氫將導(dǎo)致系統(tǒng)的其他部分依靠煤炭來(lái)填補(bǔ)缺口。盡管這意味著即使在每小時(shí)匹配要求下，基于電網(wǎng)的H2生產(chǎn)仍會(huì)產(chǎn)生顯著的實(shí)際排放影響，但應(yīng)注意的是，在表后制氫模式可能會(huì)產(chǎn)生完全相同的結(jié)果。

 

這只是將H2生產(chǎn)優(yōu)先于電網(wǎng)脫碳的結(jié)果，而這正是大型IRA清潔氫PTC的有效作用。這也不一定是壞事，因?yàn)樗梢栽谖覀冋嬲枰臅r(shí)候幫助擴(kuò)大美國(guó)的氫工業(yè)。

 

無(wú)論怎樣，“小時(shí)匹配”都是必須的，并盡可能的帶來(lái)了更低的碳排放，這些顯著的減排對(duì)氫氣生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)也沒(méi)有太大的代價(jià)。我們發(fā)現(xiàn)，在每小時(shí)匹配要求下，氫氣生產(chǎn)成本通常增加不到1美元/千克。

 

另外兩個(gè)要求，即額外性和采購(gòu)清潔發(fā)電的實(shí)際交付能力，同樣非常重要，違反任何一個(gè)都會(huì)完全消除每小時(shí)匹配的好處。

 

因此，簡(jiǎn)而言之，將美國(guó)電網(wǎng)制氫的排放影響降至最低的方法是通過(guò)以下要求：

 

1. 小時(shí)匹配

 

2. 額外性

 

3. 可交付性

 

即使有了這些，結(jié)果也不是完美的，但少了一點(diǎn)就更糟糕了。

 

普林斯頓大學(xué)的研究人員表示，這種被稱(chēng)為“每小時(shí)匹配”的做法可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)施的氫氣產(chǎn)量減少，但這是確保氫氣產(chǎn)量不會(huì)增加電網(wǎng)排放量的唯一途徑。在每小時(shí)匹配的情況下，只有當(dāng)可再生能源發(fā)電時(shí)，你才能消耗電力。這將有效地模擬當(dāng)生產(chǎn)商直接從自己的電表后behind-the-meter風(fēng)能和太陽(yáng)能項(xiàng)目中獲取電力時(shí)綠色氫氣生產(chǎn)的工作原理。

 

 

支持方，往往是“環(huán)保主義”者團(tuán)體。目前有幾個(gè)團(tuán)體支持ZERO實(shí)驗(yàn)室，敦促財(cái)政部要求每小時(shí)進(jìn)行一次配對(duì)，包括國(guó)際清潔運(yùn)輸委員會(huì)的研究人員和自然資源保護(hù)委員會(huì)的支持者；RMI；以及非營(yíng)利性的清潔能源購(gòu)買(mǎi)者協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)為企業(yè)提供無(wú)碳目標(biāo)方面的建議。

 

反對(duì)方，往往是氫氣生產(chǎn)商/貿(mào)易商或間接關(guān)聯(lián)方，包括愛(ài)迪生電力研究所（EEI）、美國(guó)清潔電力協(xié)會(huì)（American Clean Power Association）和美國(guó)可再生能源委員會(huì)（America Council on Renewable Energy）等貿(mào)易組織，以及殼牌石油公司（Shell PLC）等石油和天然氣巨頭，以及插頭電源股份有限公司（Plug Power Inc.）等燃料電池公司，都在反對(duì)這一概念。

 

EEI在12月2日給財(cái)政部的一份評(píng)論中表示，每小時(shí)匹配規(guī)則將“大幅提高所生產(chǎn)氫氣的價(jià)格”70%至170%，并“嚴(yán)重限制綠色氫氣的使用”。EEI表示，如果財(cái)政部將該法律的稅收抵免取決于每小時(shí)的匹配要求，那么氫生產(chǎn)商將不得不在可再生能源最不可用且最昂貴的情況下購(gòu)買(mǎi)可再生能源補(bǔ)償。報(bào)告補(bǔ)充道，在沒(méi)有此類(lèi)可再生能源補(bǔ)償?shù)臅r(shí)期，生產(chǎn)商將不得不完全停止生產(chǎn)氫氣，以遵守此類(lèi)規(guī)則。

 

該組織指出，今年早些時(shí)候，歐盟投票廢除了自己對(duì)綠色氫的每小時(shí)匹配要求，“因?yàn)閾?dān)心這類(lèi)要求過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)施，阻礙了綠色氫行業(yè)的發(fā)展……并推動(dòng)了對(duì)美國(guó)的投資。”。

 

EEI、ACORE和美國(guó)清潔能源協(xié)會(huì)認(rèn)為，應(yīng)該允許氫能開(kāi)發(fā)商在給定電網(wǎng)上使用與太陽(yáng)能和風(fēng)能項(xiàng)目年產(chǎn)量相同的電量。大公司早就達(dá)成協(xié)議，每年購(gòu)買(mǎi)與一年內(nèi)消耗電量相等的可再生電力，并將這些協(xié)議計(jì)入碳中和目標(biāo)。在過(guò)去十年中，這種做法為可再生能源的增長(zhǎng)提供了資金支持。ACORE的政策主管表示，氫生產(chǎn)商在符合《通脹削減法案》的信貸條件的同時(shí)，也應(yīng)該能夠做到這一點(diǎn)。

 

ACORE政策副總裁Allison Nyholm表示：“我們不想在行業(yè)規(guī)模擴(kuò)張的同時(shí)阻礙他們。這是我們?cè)u(píng)論的關(guān)鍵。”。“我們需要為我們的行業(yè)提供可用的工具來(lái)建設(shè)。”ACORE電力政策主管Elise Caplan表示，新的輸電和可再生設(shè)施將使電網(wǎng)足夠清潔、快速，從而消除對(duì)與綠色氫生產(chǎn)相關(guān)的電網(wǎng)排放的長(zhǎng)期擔(dān)憂(yōu)。她說(shuō)：“這是綠化網(wǎng)格的一部分。你要確保有足夠的靈活性和問(wèn)責(zé)制。”。

 

這種爭(zhēng)議有它的必然性：綠氫在規(guī)模化之前，大家一致的嚴(yán)格的倡導(dǎo)“綠色”概念，因?yàn)檫@個(gè)是“合理性”之本。然而當(dāng)綠氫在補(bǔ)貼政策刺激下準(zhǔn)備規(guī)模化的時(shí)候，大家更為關(guān)注的是“財(cái)務(wù)”數(shù)字，是否夠“綠”，成為了“通融”的選項(xiàng)。

 

 

2019年，斯坦福大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，許多公司的可再生能源目標(biāo)沒(méi)有達(dá)到實(shí)際的無(wú)碳承諾（Climatewire，2019年5月28日）。研究發(fā)現(xiàn)，要保證公司排放量100%減少，就需要每小時(shí)將可再生能源發(fā)電量與公司的電力消耗量相匹配。

 

2021年，一些大公司，如谷歌和微軟公司，已經(jīng)接受了100%的電力消耗每小時(shí)匹配。之前，谷歌通過(guò)購(gòu)買(mǎi)抵消年度用電量的可再生能源來(lái)實(shí)現(xiàn)自愿可再生能源目標(biāo)，而不是將這些購(gòu)買(mǎi)與用電時(shí)間匹配。而目前，谷歌將不依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)的可再生能源證書(shū)概念，而是依賴(lài)于每小時(shí)基于時(shí)間的能源屬性證書(shū)，稱(chēng)為T(mén)-EACS（ time-based energy attribute certificates）?！敬嬲铡抗雀栌?jì)劃將其每個(gè)小時(shí)的電力消耗都與可再生能源相匹配

 

對(duì)比一下，美國(guó)和歐洲關(guān)于綠氫綠電“小時(shí)匹配”之爭(zhēng)，充分反映了“綠氫”這一行業(yè)目前的“沒(méi)出息”。

 

參考：

 

https://www.eenews.net/articles/bidens-dilemma-how-do-you-define-green-hydrogen/

 

Minimizing emissions from grid-based hydrogen production in the United States原文及作者推文