拜登的困境：你如何定义“绿色”氢？

 

只有当购买绿电不仅与制氢的电量相等，且“绿电发电时间和制氢时间达到小时级别匹配”，即什么时候发绿电什么时候制氢，才有可能是“绿氢”。

 

没错，这种“小时匹配”原则在欧洲的法案里被废除了——原因是不想落后于“慷慨宽松”的美国政策，然而最近美国方面也开始了“小时匹配”的争论。

 

 

IRA定义“绿色”氢的方法是采取美国阿贡国家实验室的GREET工具计算碳排放，该模型的计算基于制氢所用电力的碳排放。

 

然而如果电网不是绿色的，但生产商采取采购绿电或绿证的模式进行“抵消”，定义绿氢和碳排放将是个复杂和棘手的问题。

 

目前，美国财政部正在权衡如何对“绿色”氢生产进行定义和要求，以避免在能源集团之间对“绿氢”的定义产生分歧。财政部的结果可能对氢气作为气候工具的可信度产生深远影响——一些电网建模者、智囊团和环保人士警告说，“灵活”的定义可能会在未来几年抹杀“绿色”氢的气候可信度。

 

最容易被定义为绿氢的是可再生能源耦合的“离网”电解项目，直接使用100%的可再生电力，而不与来源复杂的电网电力牵扯。只要不离网且从电网取电，就很难定义和追踪其“绿色”来源。

 

 

1-电网非灵活制氢：电解槽始终使用电网电力，满负荷利用率高达95%以上，该模式不仅是碳排放的问题，还涉及经济性问题——比如我国电网高峰电价可以高达一两块钱每度。

 

2-电网灵活制氢：与“1”同样使用电网电力，但选择低电价时段来降低用电成本，高电价时低负荷运转，满负荷利用率远低于“1”。

 

3-共址（孤岛）：完全离网型，off-grid，完全绿色，电解槽与电网不相连，仅依赖可再生发电设施；电力成本低、利用率低、波动性高，可再生发电设施功率即便在最优匹配下也需要远大于电解槽功率（以保障高电解槽利用率），可能会导致大量弃电的产生。

 

4-共址（电网）：与完全离网的孤岛模式相比，该模式连接电网，增加了电解槽的灵活性；该模式既产出氢，也向电网售出可再生电力，尽管出售电力意味着电解槽利用率的降低（制氢成本的提高）。该模式类似于“表后”behind-the-meter，比如屋顶光伏送出电力首先经过家庭或企业自用，之后才通过电表；当无太阳能发电时候，家庭或企业可以通过电表连接的电网取电。

 

唯一能够直接保障“绿色”的，只有3；我国目前存在类似1和2模式的项目，通过购买制氢消耗等量的绿电，来间接“漂绿”氢气，这种做法的碳减排效果存在争议。

 

很多美国的氢气生产商希望将这个争议变为政策上的定论，即他们希望通过购电协议PPA或者能源属性证书(EAC，比如可再生能源证书REC)来漂绿其“电网制氢”并获得补贴，而不是建造自己的风力或太阳能设施来获取绿色电力——允许使用高比例火电电网全天候制氢，只是其购买的绿电电量与其制氢使用的电量相当（尽管绿电发生时间与制氢时间并不对应），他们希望这样做其产品依然被定义为绿氢。

 

支持此种“漂绿”手段的主要论据是，“随着时间的推移，电网将变得更清洁，这意味着氢气将变得越来越绿色。”

 

 

小时匹配、额外性和可交付性，一个不能少

 

《环境研究快报》（Environmental Research Letters）发表了一篇同行评议的论文，普林斯顿大学零实验室（ZERO Lab）的研究人员考虑到2030年前美国西部的情况，研究了与电网发电（结合购买绿证抵消）产生的绿色氢相关的排放，结论是该模式导致其“绿色”氢气可能比“灰色”氢气的碳排放更糟糕，特别是如果当地电网依赖煤炭的话。论文作者及其ZERO实验室同事已经提交给财政部公开评论，建议对“电网制氢”+“绿证”模式进行严格限制，限制条件见下文。

 

该研究使用宏观能源系统建模来评估2030年美国西部基于电网+绿证制氢模式的碳排放，包含三种要求情形：

 

a） 无任何要求

 

b） 每小时/每周/每年将电解槽电力消耗量与采购的清洁发电量进行匹配，以及

 

c） 协调采购/消费，以在一年内实现净零短期边际排放net-zero short-run marginal emissions（SRME）

 

这些政策下的所有清洁电力采购都必须是额外的（即来自新建资源），并且必须实际交付（位于与电解槽相同的模型区）。

 

碳排放包括两种情况，直接归于制氢的归因性排放Attributional和间接的由制氢导致的后果性排放Consequential:

 

1-归因性碳排放：测量与非清洁电网电力直接消耗相关的排放

 

2-后果性碳排放：测量氢生产所带来的全系统排放的总体变化

 

对应如上3种情形的结果如下：

 

1. 由于没有清洁能源采购的要求，基于电网的氢气生产非常肮脏，是蒸汽甲烷重整的2倍；

 

2. 要求每小时匹配可导致零直接排放（因为电解槽消耗的功率永远不会超过采购的清洁资源同时产生的功率），并在某些情况下（但不是所有情况下）显著减少间接排放。

 

3. 每周/年度匹配和净零SRME减少但不消除直接排放（因为电解槽有时消耗的功率比采购资源同时生产的功率更多），但间接排放与不要求采购清洁能源的情形一样。

 

为什么这些表现如此糟糕？答案是额外性的失败。尽管氢气生产商正在采购大量的清洁发电，但我们发现这些采购实际上并未增加系统中的清洁发电总量：

 

每小时匹配的情形会好得多；然而，研究者仍然观察到，在每小时匹配的情况下，会产生较大的后果性碳排放，原因是对有限清洁资源的竞争，即使氢气更绿和使电网更绿产生了竞争。

 

例如，如果只有一些新的风力开发项目质量足够高，能够与现有的煤炭进行经济竞争，那么采购这些项目用于制氢将导致系统的其他部分依靠煤炭来填补缺口。尽管这意味着即使在每小时匹配要求下，基于电网的H2生产仍会产生显著的实际排放影响，但应注意的是，在表后制氢模式可能会产生完全相同的结果。

 

这只是将H2生产优先于电网脱碳的结果，而这正是大型IRA清洁氢PTC的有效作用。这也不一定是坏事，因为它可以在我们真正需要的时候帮助扩大美国的氢工业。

 

无论怎样，“小时匹配”都是必须的，并尽可能的带来了更低的碳排放，这些显著的减排对氢气生产商来说也没有太大的代价。我们发现，在每小时匹配要求下，氢气生产成本通常增加不到1美元/千克。

 

另外两个要求，即额外性和采购清洁发电的实际交付能力，同样非常重要，违反任何一个都会完全消除每小时匹配的好处。

 

因此，简而言之，将美国电网制氢的排放影响降至最低的方法是通过以下要求：

 

1. 小时匹配

 

2. 额外性

 

3. 可交付性

 

即使有了这些，结果也不是完美的，但少了一点就更糟糕了。

 

普林斯顿大学的研究人员表示，这种被称为“每小时匹配”的做法可能会导致设施的氢气产量减少，但这是确保氢气产量不会增加电网排放量的唯一途径。在每小时匹配的情况下，只有当可再生能源发电时，你才能消耗电力。这将有效地模拟当生产商直接从自己的电表后behind-the-meter风能和太阳能项目中获取电力时绿色氢气生产的工作原理。

 

 

支持方，往往是“环保主义”者团体。目前有几个团体支持ZERO实验室，敦促财政部要求每小时进行一次配对，包括国际清洁运输委员会的研究人员和自然资源保护委员会的支持者；RMI；以及非营利性的清洁能源购买者协会，该协会为企业提供无碳目标方面的建议。

 

反对方，往往是氢气生产商/贸易商或间接关联方，包括爱迪生电力研究所（EEI）、美国清洁电力协会（American Clean Power Association）和美国可再生能源委员会（America Council on Renewable Energy）等贸易组织，以及壳牌石油公司（Shell PLC）等石油和天然气巨头，以及插头电源股份有限公司（Plug Power Inc.）等燃料电池公司，都在反对这一概念。

 

EEI在12月2日给财政部的一份评论中表示，每小时匹配规则将“大幅提高所生产氢气的价格”70%至170%，并“严重限制绿色氢气的使用”。EEI表示，如果财政部将该法律的税收抵免取决于每小时的匹配要求，那么氢生产商将不得不在可再生能源最不可用且最昂贵的情况下购买可再生能源补偿。报告补充道，在没有此类可再生能源补偿的时期，生产商将不得不完全停止生产氢气，以遵守此类规则。

 

该组织指出，今年早些时候，欧盟投票废除了自己对绿色氢的每小时匹配要求，“因为担心这类要求过于复杂，难以实施，阻碍了绿色氢行业的发展……并推动了对美国的投资。”。

 

EEI、ACORE和美国清洁能源协会认为，应该允许氢能开发商在给定电网上使用与太阳能和风能项目年产量相同的电量。大公司早就达成协议，每年购买与一年内消耗电量相等的可再生电力，并将这些协议计入碳中和目标。在过去十年中，这种做法为可再生能源的增长提供了资金支持。ACORE的政策主管表示，氢生产商在符合《通胀削减法案》的信贷条件的同时，也应该能够做到这一点。

 

ACORE政策副总裁Allison Nyholm表示：“我们不想在行业规模扩张的同时阻碍他们。这是我们评论的关键。”。“我们需要为我们的行业提供可用的工具来建设。”ACORE电力政策主管Elise Caplan表示，新的输电和可再生设施将使电网足够清洁、快速，从而消除对与绿色氢生产相关的电网排放的长期担忧。她说：“这是绿化网格的一部分。你要确保有足够的灵活性和问责制。”。

 

这种争议有它的必然性：绿氢在规模化之前，大家一致的严格的倡导“绿色”概念，因为这个是“合理性”之本。然而当绿氢在补贴政策刺激下准备规模化的时候，大家更为关注的是“财务”数字，是否够“绿”，成为了“通融”的选项。

 

 

2019年，斯坦福大学的一个团队得出结论，许多公司的可再生能源目标没有达到实际的无碳承诺（Climatewire，2019年5月28日）。研究发现，要保证公司排放量100%减少，就需要每小时将可再生能源发电量与公司的电力消耗量相匹配。

 

2021年，一些大公司，如谷歌和微软公司，已经接受了100%的电力消耗每小时匹配。之前，谷歌通过购买抵消年度用电量的可再生能源来实现自愿可再生能源目标，而不是将这些购买与用电时间匹配。而目前，谷歌将不依赖于标准的可再生能源证书概念，而是依赖于每小时基于时间的能源属性证书，称为T-EACS（ time-based energy attribute certificates）。【存照】谷歌计划将其每个小时的电力消耗都与可再生能源相匹配

 

对比一下，美国和欧洲关于绿氢绿电“小时匹配”之争，充分反映了“绿氢”这一行业目前的“没出息”。

 

参考：

 

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