艾瑞纳:大规模开发氢能的时候到了

最近，国际可再生能源机构(IRENA)发布了报告《氢能:可再生能源的前景》，该报告详细分析了氢能用于能源脱碳的潜力。该报告指出，可再生能源产生的氢(即“绿色氢”)将在全球能源转型中发挥核心作用，到2050年，绿色氢预计将占全球能源消耗的8%，尤其是在钢铁、化工、航运、卡车和航空等难以脱碳的行业。与此同时，绿色氢也将有助于增加发电对可再生能源的需求。到2050年，世界发电量的16%将用于生产氢，大约4-6太瓦的太阳能和风力发电能力将用于生产绿色氢和氢基产品。该报告认为，大规模部署氢能将是一个长期的过程，并就如何挖掘氢能的潜力提出了政策建议。具体内容如下:

1。氢能大规模开发的时代已经到来。氢能将在能量转换中发挥关键作用

(1)氢能的发展将有助于应对各种关键的能源挑战。氢能的发展可以为碳密集型行业(如交通、化工、钢铁等)提供极具发展潜力的脱碳方法。)氢气还有助于改善空气质量和提高能源安全。此外，可以提高电力系统的灵活性

(2)氢气可以以多种方式供应和使用氢是一种自由能量载体，可以由多种能源产生。

(3)发展氢能可以促进可再生能源的利用氢气有潜力帮助解决太阳能光伏等可再生能源的产量波动问题氢是储存可再生能源的一个好选择，并且有望在几天、几周甚至几个月内成为储存大量电力的最经济的方式。氢和氢基燃料可以实现可再生能源的中长距离运输。

2，氢能在世界范围内迅速发展

(1)清洁氢能正在带来前所未有的政治和商业发展机遇世界上与氢能相关的政策和项目正在迅速增加。许多国家正在部署利用可再生能源电解水制氢的示范项目和早期商业项目，并注意改进电解槽技术和扩大电解制氢的生产能力。电解槽制氢项目的规模呈指数级增长(图1)氢能的商业应用正在增加。截至2018年底，全球已安装了225，000个家用燃料电池(其中98%在日本)，建成了380多个加氢站。燃料电池汽车的总数为11，200辆，2018年的销量约为4，000辆

图1 2000-2023年世界新电解制氢项目变化(左轴:项目数；右轴:新项目平均规模)

(2)氢能应用领域逐步扩大随着可再生能源成本的持续下降和全球减少温室气体排放的紧迫性的增加，许多国家已经开始采取行动促进氢能脱碳。它的应用已经从汽车工业转移到难以脱碳的行业，如能源密集型行业、卡车、航空、航运和供暖。在由电生产燃料的新概念中，将电解产生的氢转化为液体燃料已经成为氢能的一种新的潜在应用。氢气也可以用作合成氨、钢铁和炼油的原料。2018年，全球直接还原炼铁产量达到1亿吨。对柴油和航空煤油需求的增加增加了炼油厂对加氢裂化用氢气的需求，对低硫柴油的需求也增加了炼油厂对脱硫用氢气的需求。

(3)将低碳化石燃料制氢作为过渡选择化石燃料制氢是目前成本最低、最重要的制氢方法，但其排放量相对较高。配有碳捕获和储存(CCS)系统，可从化石燃料生产氢气，低碳氢生产(即“蓝色氢”)可以实现，并可作为一种过渡方式，以非排放可再生能源发电制氢(即“绿色氢”)碳捕集效率预计将达到85%-95%，但目前一些项目的碳捕集效率并不理想，如果捕集的CO2用于提高石油采收率(EOR)或生产石化产品或合成燃料，最终将会排放CO2。因此，大规模蓝氢的实现必须以大大提高碳捕获率和确保在有效的监测、报告和核实系统下长期储存为基础。

(4)可临时利用天然气基础设施作为氢气运输设施尽管输送纯氢的管道在技术上是可行的，但还没有大规模部署。世界上一些地方已经拥有完善的天然气输送和分配基础设施。氢气以低比例混入天然气，无需重大技术变革和大量投资。此外，将氢气合成甲烷可以直接使用现有的天然气管道，但这增加了氢能利用的成本。此外，有必要仔细评估终端设备(锅炉、燃气轮机和炊具)是否适合混合氢气和天然气。然而，可以确定的是，如果使用纯氢，需要对天然气基础设施和终端设备进行重大升级。对于氢气的混合比例以及如何逐步改变现有的天然气基础设施，以100%的氢气运输，各方需要一致确定共同的目标和设定明确的路线图，还需要制定相应的监管条例和安全标准

(5)绿色氢作为新商品的潜力绿色氢可以转化为合成天然气(利用生物能源燃烧或直接捕获空气中的二氧化碳)，并利用现有基础设施运输到市场。天然气也可以通过蒸汽甲烷重整和二氧化碳捕获和封存转化为低碳氢，这为加拿大、伊朗、挪威、卡塔尔、俄罗斯联邦和美国等天然气生产国提供了前景。由于氢可以在偏远的沙漠地区以低成本生产并运输到市场，这为中东和北非等地区以及阿根廷、澳大利亚、智利和中国等国家提供了新的机会。因此，向氢经济的转变为现在依赖化石燃料出口作为国民收入重要来源的国家和地区提供了新的经济前景，也可能为拥有丰富可再生能源资源的国家创造新的出口机会。然而，输送氢气需要大量的能量来液化氢气或将氢气转化为其他载体，如氨、甲醇和液态有机氢载体，这带来了巨大的损失如果氢能在现场生产并用于生产清洁产品，如氨、甲醇、直接还原炼铁或通过电力转化为燃料，这种损失就可以减少。

2、氢能与可再生能源的关系

1、氢能可以促进可再生能源的加速部署

氢能(或氢衍生燃料和商品)的大规模部署可以促进可再生能源发电需求的显著增加国际可再生能源机构估计，到2050年，19%的焦化氢气将来自可再生能源发电，占终端能耗的5%和发电的16%然而，氢的运输过程会造成巨大的能量损失，这可能会使氢所提供的电力需求增加一倍。因此，大规模部署氢气将对电力行业产生重大影响，并为可再生能源的部署带来更多机遇。

2可通过制氢提高动力系统的灵活性，

电解槽可在几分钟甚至几秒钟内增加或减少产量。新兴的质子交换膜电解槽比碱性电解槽具有更快的响应速度。因此，电解槽可用于缓解电网拥堵，这有助于减少不稳定的可再生能源。与此同时，来自可再生能源的电力可以通过制氢来输送。

3年，氢可用于季节性储存挥发性可再生能源电力

到2050年，高比例风能和太阳能的并网将显著增加对能量储存的需求，可再生能源的氢生产和氢储存的结合可为能量系统提供长期的季节性灵活性。氢气储存可以以多种方式进行，例如高压压缩、低温液化、固体氢气储存、转化为液体燃料或与天然气混合储存在天然气基础设施中。从2030年起，可再生能源电力的季节性储能需求将显著增加，但氢相关的基础设施和法规应从现在开始规划

3。清洁氢的成本竞争力

可再生能源制氢的成本与电解槽的资本支出、可再生能源电力的水平化成本(LCOE)和电解槽的运行率(即年运行时间的比例)密切相关目前，碱性电解槽的资本支出通常为840美元/千瓦时，许多地方公用事业规模的太阳能光伏和陆上风力发电成本已经达到2-3美分/千瓦时电解槽的运转率越高，每单位氢气的生产成本越低，并且运转率应确保超过50%目前，可再生能源制氢的成本高于化石燃料(煤和天然气)。在最好的情况下，采用成本最低的风力发电(23美元/兆瓦时)和成本最低的电解装置(200美元/千瓦，预计到2040年将扩大规模)，绿色氢的成本预计相当于蓝色氢的成本(如图2所示)

图2各种制氢技术的成本状况(单位:美元/千克)

国际可再生能源机构预测，到2050年，全球能源部门将消耗19艾焦的“绿色氢”，这意味着到2030年，全球将安装约700吉瓦的电解槽，到2050年将达到1700吉瓦考虑到技术的发展，到2050年电解槽的成本将下降到375美元/千瓦，而由装有二氧化碳捕获系统的化石燃料生产氢气的成本将基本保持不变。因此，在未来五年内，由低成本风力发电和光伏发电产生的氢气将具有与化石燃料制氢相当的成本竞争力，特别是与装有二氧化碳捕获和储存系统的天然气相比从2030年到2040年，所有绿色氢的成本将低于蓝色氢。到2035年，基于可再生能源平均成本的制氢成本也将开始与“蓝色氢”竞争。碳价格将进一步增强绿色氢的竞争力。在一些地区，绿色氢将在未来3-5年内具有成本竞争力。

图3风力和光伏发电制氢成本发展趋势(单位:美元/千克)

4，关于扩大氢能部署规模的政策建议

1，理解氢能在能源系统改造中的战略作用

(1)将氢能作为能源系统改造的关键环节尽管氢能在未来十年内不会发挥作用，氢能的成本需要进一步降低，但氢能将在此后迅速增长，并在2050年前做出重大贡献。政府和私营部门必须加紧努力实现这一前景

(2)采用绿色氢气作为长期供氢方式从长远来看，利用可再生能源生产氢气是唯一可持续的氢气供应方式。在未来，绿色氢将具有成本竞争力。应注意降低可再生能源电力和电解槽的成本，提高电解槽的效率，并整合电力系统。装有二氧化碳捕获和储存系统的化石燃料制氢也可以发挥过渡作用，特别是在化石燃料储量成本低、碳储存条件好、天然气管道系统可以过渡到氢气运输的地区。

(3)将氢经济纳入巴黎气候协议的国家独立贡献目标(NDC)气候目标是氢经济转型的主要驱动力，因此能源系统在气候承诺中反映这一潜力至关重要。绿色氢作为一项重要的温室气体减排方案，需要提高认识。

(4)采取措施增加清洁氢在能源市场的应用例如，可持续氢生产的强制性目标，氢与天然气的强制性混合，或实施可再生能源指令以促进氢在运输中的使用等。

2、制定强制性政策促进清洁氢的推广和利用

(1)制定无碳氢供应认证制度和法规确保未来的氢气供应与气候目标一致是非常重要的，特别是对于在偏远地区运输的氢气，其来源需要确定。

(2)记录和交流国际最佳实践，以确保信息共享氢能领域正处于快速发展阶段。技术、监管框架和标准都需要进一步发展。

(3)确保高效的氢气供应和使用氢气的挥发性意味着在转化、运输和储存过程中的巨大能量损失。需要技术改进以确保更高的整体效率。

3，重视氢气供应基础设施建设，探索切实可行的过渡方式

(1)评价天然气管道系统材料和终端气体设备，以更好地了解其输送氢气的潜力。各种研究表明，以天然气管道系统作为过渡是可行的，但只有实践才能证明技术和经济的可行性。

(2)开展技术合作，协调法律、法规和标准天然气管道系统、地下储存和燃烧设备中混合气体的使用标准通常是根据天然气中氢含量很低的标准设计的，因此需要修订。国家标准化机构和国际组织可以在这一过程中发挥关键作用。就标准变更达成共识是一个漫长的过程。因此，现在需要采取紧急行动，以避免成为中期行动的障碍。

(3)鼓励发展氢能基础设施，同时通过研发和示范降低绿色氢的供应成本。尽管绿色氢在技术上是可行的，但它需要在未来几十年大规模推广，以确保氢能在能源转换中发挥重要作用。

4，开发氢利用新市场

(1)将氢能应用于碳密集型产业低成本氢气的可用性是卡车运输的一个关键因素。在工业领域，基于绿色氢的氨生产在技术上是可行的。钢铁生产需要开发更多的工艺，这可以大大减少碳排放。铁路、航运和航空也有很大的应用前景。新的氢商品贸易不仅能使氢能源在能源转换中发挥作用，而且能为当今主要的石油和天然气生产国创造经济前景。

(2)为航空、航运、化工和石化行业开发可再生能源、电力转换化学品和燃料技术虽然这种技术目前的成本很高，但它们具有降低成本的巨大潜力，并能为碳密集型产业提供技术上可行的低成本解决方案。关键是要有一个可长期使用的可持续的CO2源，例如生物质燃烧或直接空气捕获CO2。

(3)认为氢是在向未来能源系统过渡的过程中促进部署更具挥发性的可再生能源的关键因素氢能具有增强系统灵活性、增加电力需求和可再生能源份额的优势，因此应被视为能源转换的重要解决方案。

(4)在制氢和氢气利用相结合的地区启动示范项目例如炼钢、氨合成和合成燃料项目，从而消除了氢运输的成本。

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