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奥地利林茨的Voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施。 信用:voestalpine AG
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2020年11月30日8:00

深度问答:世界是否需要氢来解决气候变化问题?

必威手机官网碳短文员工

多个作者

11.30.20
必威体育在线注册 深度问答:世界是否需要氢来解决气候变化问题?

氢气长期被认为是化石燃料的替代品,以及用于解决气候变化的潜在有价值的工具。

现在,随着国家的净零策略与国际气候目标保持一致,氢气再次将澳大利亚和英国的议程提升到德国和日本。

从最乐观的角度来看,氢很快就能成为卡车、飞机和轮船的动力。它可以为家庭供暖,平衡电网,帮助重工业生产从钢铁到水泥的一切产品。

但是用氢来做这些事情需要惊人数量的燃料,而燃料的清洁程度取决于生产氢的方法。此外,对于氢的每一个潜在的革命性应用,都有必须克服的独特挑战。

在这个深度问答——包括一系列的图表,地图和交互式图表,以及数十名专家的观点——碳简要探讨了大问题“氢经济”,看着周围的程度可能有助于避免危险的气候变化的世界。必威手机官网

什么是氢?它如何帮助应对气候变化?

氢是宇宙中最轻、最丰富的元素。它也是一种爆炸性和清洁燃烧的气体,每单位重量比化石燃料含有更多的能量。必威体育在线注册

在氢气经济中,将使用氢气代替目前提供的化石燃料四分之五世界上的必威体育在线注册能源供应并发出散装全球温室气体排放。

这可能有助于实现气候目标,因为氢只在燃烧时排放水,而且可以在制造过程中不释放二氧化碳。(其产品目前在排放8.3亿吨二氧化碳[MtCO2]。)

氢经济可能是包罗万象的。或者,它可以根据氢的可用性、成本和相对于替代能源的性能,填补一系列潜在的应用领域。

在这两个极端之间,仍有潜力在达到净零排放方面发挥着非常重要的作用,需要戏剧性扩大其生产和使用。

“你是赞成还是反对氢?”这似乎是个错误的问题。我认为问题是:你真的需要在哪里使用它?”Jan Rosenow博士监管援助项目

氢气可以帮助解决“批判”难以减少的钢和长距离运输帖木儿居尔巴黎负责人为基础国际能源局必威体育在线注册(IEA)能必威体育在线注册源技术司并领先其主要2019年报告关于氢的未来。他讲碳简短:必威手机官网

“我认为氢有它的位置,有一个相当重要的位置……但我认为,如果你的目标是净零排放,你不会寻求建立一个氢经济,你会寻求一个脱碳的能源部门。”必威体育在线注册这是达到目的的一种手段。”

氢可以通过用电分解水——电解——或通过加热或蒸汽分解化石燃料或生物质能来制造。改革”或“热解”。任何二氧化碳都可以被捕获和储存。

氢可以储存,液化和通过管道,卡车或船舶运输。它可用于制造肥料,燃料,热室,发电或驱动重工业。

这种潜在的氢“经济”如下图所示。这些插图,从一到三的编号说明,展示了氢是如何被制造、移动和使用的。

氢气可以是储存

转换了合成

燃料或运送经过

卡车、船舶或管道

氢经济

2.

网格

存储

出口

如何进行低碳氢气,

移动和使用

电解

供应和分配

太阳能

行业

加热

最终用途

生产

氢气可以是

制成从电力,

生物能必威体育在线注册源或化石燃料

二氧化碳捕获与封存

运输

1。

改革

CCS

肥料

生产

气体

二氧化碳

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运输,行业,

发电、

化肥或加热

3.

煤炭

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图文:Tom Prater

一些对氢经济的倡导者描述了未来的广阔愿景,其中它取代了现在占据了化石燃料所占据的大多数社会,经济和地缘职位。

现代汽车燃料电池部门负责人金世勋博士告诉英国能源必威体育在线注册网络研讨会7月:

“在过去,我们的技术和行业都是关于收集油,交付油和使用石油。现在,在未来,它将收集阳光,提供阳光和使用阳光 - 以及可能的是氢气。“

这种愿景将看到太阳的能量 - 以太阳辐射和风力的形式变成氢气,使必威体育在线注册用电解,然后在世界各地运输。

作为一种全球交易的大宗商品,氢可以改写地缘政治版图,结束对化石燃料出口国的依赖,改善进口国的能源安全。必威体育在线注册

在2019年的报告中,国际能源署将工业发展和技术岗位列为氢能源的潜在优势。该公司表示,氢是灵活和多用途的,可以作为燃料,以及在不同地点和一天或一年的不同时间之间通过存储作为能源载体。必威体育在线注册

它还可以延长化石燃料和相关基础设施的寿命,例如天然气管道,IEA 2019年氢报道说:

“CCUS(碳捕获、使用和存储)用于降低化石燃料氢生产的二氧化碳强度,这将使一些化石燃料资源继续被使用。”

城市地下燃气管道维修。
城市地下燃气管道维修。资料来源:Andor Bujdoso / Alamy Stock Photo。

此外,氢经济可以帮助平衡使用可变的可再生能源来发电。电解可以吸收过剩的供应,当风和太阳很少的时候,氢可以在燃气轮机中燃烧确保电力需求得到满足。IEA解释道:

“通过生产氢气,可再生电力可用于化学燃料更好地服务的应用中。低碳能量可以在很长的距必威体育在线注册离上供应,并且可以存储电力以满足每周或每月的供需不平衡。“

这意味着氢可以帮助加强和连接很大程度上独立的能源系统,这些系统现在用于供热、电力、工业和交通,这个想法被称为“必威体育在线注册部门的耦合”。

制作和使用氢气所需的技术有可能受益于可再生能源的政策和降低成本经验变得廉价

鉴于所有这些优势,国际能源署的报告称,“未来设想一个包罗万象的低碳氢经济可能很诱人”。但它补充道:

“然而,其他清洁能源技术机会最近大大提高,最必威体育在线注册重要的是直接使用电力的解决方案,这意味着氢气的未来可能更像集成到多样化和互补的能量网络中的一个。特别是因为在某些最终用途的氢气中使用氢以面临与其他(低碳)竞争对手相比的技术和经济挑战。“

在类似的静脉中,Micheal Liebreich是Bloombergnef的高级贡献者,写在一个最近的文章:“在表面上,[氢气]似乎是每个能源问题的答案。”必威体育在线注册但他补充说:“可悲的是,氢气显示出同样令人印象深刻的缺点列表。”

氢的优点

  • 干净地燃烧,只释放水和能量。必威体育在线注册
  • 每单位重量比大多数其他燃必威体育在线注册料储存更多的能量。
  • 可以由低碳来源制成。
  • 可以用作燃料,将能量从一个地方传送到另一个地方,作为能量储存的形式或作为必威体育在线注册化学原料。
  • 可用于几乎没有替代方案的“难以削减”行业的脱碳。
  • 为能源安全,工业战略和空气质量提供更广泛的益处。必威体育在线注册

氢的缺点

  • 今天几乎所有生产都来自高碳来源。
  • 目前要生产的成本和降低成本是不确定的。
  • 体积庞大,运输和储存费用昂贵。
  • 生产效率低下,提高成本,需要更大的整体能源供应,清洁能源生产的规模甚至更快。必威体育在线注册
  • 其使用的供应链和价值链是复杂的,需要协调。
  • 需要新的安全标准和社会认可。

IEA表示挑战包括高成本,这使得今天的氢不竞争,具有不确定性的不确定性如何随着时间的推移发展(见下文).它补充说:

“氢气配有安全风险,高前期基础设施成本和化石燃料供应和分配的一些工业动态,特别是当与CCU配对时[碳捕获,使用和存储].目前还不清楚民众将如何应对氢的这些方面。”

IEA还表示,由于氢的复杂性,患有鸡蛋和鸡蛋的风险供应和价值链,这使得逐渐部署更加困难。

例如,更换用于建筑物的化石气将依赖于大量低碳氢的可用性,并且适当地升级基础设施以分配和安全地燃烧燃料。

对氢气的政府和政策支持也有不确定性,尽管各国名单正在开发专用的氢策略(见下文).

低效率是另一个重大挑战,在生产和使用氢的每一步中,浪费的能源比许多替代能源都要多。必威体育在线注册

国际能源署表示:“基于氢的燃料可以利用现有的基础设施,价值链的变化有限,但代价是效率损失。”

经济学家说氢是“不可避免的低效”,而必威体育在线注册能源技术研究所总工程师在2018年写道“根据目前对相关技术的了解,在整个经济体中强制采用氢的战略看起来非常低效。”

下图显示了为什么电动汽车比氢燃料电池汽车或那些使用氢合成燃料的汽车效率高几倍。

这是一个类似的故事什么时候比较带氢气锅炉的电热泵,或者在效率时存储多余的电力以氢气的形式存在以供以后使用。

IEA解释道:

“全部必威体育在线注册能源公司包括化石燃料在内的美国能源公司在每次生产、转换或使用时都会遇到效率损失。就氢而言,这些损失可以在价值链的不同步骤中累积。在将电能转化为氢气,运输并储存,然后在燃料电池中再转化为电能之后,所输送的电能可能低于最初输入电能的30%。必威体育在线注册

“这使得氢比电力或用于生产氢的天然气更‘昂贵’。它也为最小化任何价值链中能量载体之间的转换数量提供了一个理由。必威体育在线注册也就是说,在能源供应不受限制的情况下,只要二氧化碳排放受到重视,效率在很大程度上可以是一必威体育在线注册个经济问题,需要在整个价值链的层面上加以考虑。”

实际上,基于化石燃料的传统能量系统是必威体育在线注册已经高度效率低下,燃烧发动机汽车返回汽油中的能量的20%作为有用的前进运动。必威体育在线注册同样,平均效率在燃煤电厂中,这一比例仅为33%。

这表明低效率不是使用氢的根本障碍。相反,低效率可以通过更高的成本和对更大的能量供应来阻止氢。必威体育在线注册

最后,虽然成本,效率和技术性能是氢气地址的重要因素,但“超越技术经济学”的一些真正关键的驱动因素“托马斯空白,负责工业和重型运输的高级主管落基山研究所

提到欧盟最近公布的氢策略(见下文),他讲碳简介:必威手机官网

“最终为欧盟而言,它不一定是由成本驱动的,它是通过能源供应的安全驱动,减少了弗拉基米尔普京[俄罗斯石油和天然气进口],就业创造。必威体育在线注册氢气机会的那些方面在此时被忽视,而且它们是将要推动的东西前进。“

哪些国家正在探索使用氢气?

去年,国际能源局必威体育在线注册(IEA)制作了关于该报告氢的未来,注意到它是“目前享有前所未有的政治和商业势头”。

它将2019年描述为能源承运人的“批判年份”,并概述了支持其在能源应用中使用的政策和研究的稳步必威体育在线注册增加。

包括国际能源机构在内的一些有影响力的组织氢委员会英国石油公司,都揭示了其对未来的意义和其他愿景her2020年代作为“氢十年”。

利用可再生电力生产“绿色”氢的管道正在迅速扩大,几乎是三倍在今年早些时候的五个月内。然而,这些项目仍然对全球能源系统进行了边际贡献。必威体育在线注册

只有197个缔约方中的六个到2015年巴黎协议在他们的第一个提到“氢”国家决定捐款到这笔交易,但兴趣正在作为一个国家的浪潮,鼓励净零目标,阐述国家氢策略。

一种最近的评论世界能源委员必威体育在线注册会德国章节发现,20个国家介绍了这种战略或“濒临依赖”。

下图是基于安理会与碳简介共享的更新分析。必威手机官网它显示另外33个国家朝着这个方向移动。这导致小组得出结论,到2025年,这些战略可能会涵盖占全球GDP超过80%的国家。

选定国家支持氢的程度,包括国家战略、试点和示范项目以及政策讨论。这一数据来自Ludwig-Bölkow-Systemtechik GmbH (LBST)和世界能源理事会(World Energy Council)德国分会的一份报告。必威体育在线注册地图由乔·古德曼为碳简报。必威手机官网

最重要的公告之一是欧盟委员会的“氢策略该计划包括一个雄心勃勃的目标,即到2030年,欧洲电解产能达到4000亿瓦,以生产“绿色”氢。

从背景来看,2000年到2019年,全球部署的绿色氢项目总能力只有0.25GW,根据咨询Wood Mackenzie。

在一个新闻发布会在启动这一战略时,欧盟委员会副主席弗朗斯·蒂默曼斯称“清洁的”氢对欧盟的“可持续发展”至关重要。绿色交易“,将净零排放量目标为2050。

“大部分能源过渡将专注于直必威体育在线注册接电气化,但在钢铁,水泥,化学品,空中交通,重型运输,运输等领域,我们需要别的东西。”

这一雄心得到了几个欧洲国家的支持,其中包括德国葡萄牙荷兰,释放自己的氢策略,有些是在一个“绿色复苏“从Covid-19大流行。

迫于追赶欧洲邻国的压力,英国的部长们讲过了他们将很快宣布一项“世界领先”的氢战略,以帮助实现它2050年零的目标.国家电网说氢将“需要”满足这个目标。

承认最近国家氢战略的“旋风”环境审计委员会听力英国商业秘书Alok Sharma表示,政府预计将在明年的早期发布自己[2021]“。

鲍里斯·约翰逊首相的10分计划“绿色工业革命”提及在氢上的支出“高达5亿英镑(6.67亿美元)”,包括在未来10年实现5千兆瓦低碳氢生产能力的目标。

这是显着少比其他一些欧洲国家。德国人士表示,在清洁氢生产和出口海外技术,达到2030年的目标,在2030年的目标容量相同的情况下,将花费9亿欧元。

下面的地图展示了世界各地目前和计划中的氢容量,并显示了欧洲目前在未来生产计划中是如何领先的。

(使用左上角的开关在两个之间切换。)

电流和计划低碳氢气产能,数千吨。请注意,基于捕获和存储的二氧化碳排放的比例,额定来自CCS的化石燃料的生产能力被评为零碳的量。计划的项目可能并非全部才能继续,因为它们处于各种发展阶段,包括没有明确的时间表或企业投资决策的计划。资料来源:可公开可用的更新版本IEA氢工程数据库,由国际能源署碳简报提供。必威手机官网汤姆·普拉特为碳简报绘制的地图。必威手机官网

但是,在他的演讲中,Timmermans表示,虽然欧洲一直在领先,但其他国家正在追赶,参考计划对于沙特阿拉伯的大型氢气工厂,由4GW风和太阳能供电。“[氢]已成为全球所有新能源的摇滚明星,”他说。

在这个市场上的竞争以及对新项目的资金投入被一位能源专业人士称为“氢之战”必威体育在线注册彭博

特别是日本以来,一直探索氢气作为20世纪70年代以来的能源以来的能源必威体育在线注册2017年氢战略宣布计划建立第一个“基于氢气社会”。

在活动因新冠肺炎而推迟之前,日本政府有意展示它的进步在2020年东京奥运会上,他使用氢气为奥运圣火和100辆为奥运会服务的公共汽车提供动力。韩国已经另一个早期的采用者。

其他国家,包括澳大利亚新西兰美国已公布计划,动员其丰富的可再生资源,成为绿色氢的主要出口国亚洲部分地区和欧洲。

欧盟绿色协议专员蒂默曼斯在欧盟委员会总部举行的新闻发布会上发表讲话。
欧盟绿色协议专员蒂默曼斯在欧盟委员会总部举行的新闻发布会上发表讲话。信用:路透社/ alamy股票照片。

然而,当中国氢技术和两大权力之间的竞争时,中国被视为欧洲最大的竞争对手有帮助降低价格。

已经是世界的最大作为氢的生产者和使用者,中国发展氢燃料电池已有近20年的历史。前科技部部长万biwei6868工是中国电动汽车战略的先驱它“应该研究建立一个氢社会”。

必威体育在线注册能源公司,如英国石油公司此外,还具有氢计划,致力于将低碳氢项目部署为其净零排放目标的组成部分。

同时,美国曾经考虑过氢技术的领导者,已经近年来落后了。

(虽然上面的地图显示了相当大的计划氢气容量,但它是偏斜的一个大项目该计划是由能源公司SGH2提出的必威体育在线注册,该公司表示,计划在2023年之前建成一个利用生物质生产氢气的设施。)

一种最近的报告由几个国家的石油公司和汽车制造商支持氢气,氢气有“在维持美国全球能源领导方面发挥关键作用”:必威体育在线注册

“其他国家,如德国,日本和中国,正在开发氢基础设施,并投资氢气经济的基础。美国不应该落后。“

限制气候变化需要多少氢气?

在为这篇文章进行的20多个采访中,人们普遍认为,为了避免危险的气候变化,需要使用氢,实现净零排放。对于世界需要多少氢以及将用在哪些领域,人们还没有达成一致。

像电力一样,氢是“必威体育在线注册能源承运人“或”能量向必威体育在线注册量“。简单来说,这意味着它是存储,移动和使用从其他来源提取的能量的便捷方式。必威体育在线注册

最重要的是,电力和氢气的生产都可以脱碳。(请看:哪些国家正在探索氢的使用?)这些零碳能源载体对于实现净零排放至关重必威体育在线注册要。

电气化播放领头人途径确定政府间气候变化小组(IPCC),它目前无法解锁一些扇区,例如远程传输。

这使得氢是达到净零排放的“必要条件”大卫·约菲博士他是英国碳预算咨询机构的负责人气候变化委员会.他讲碳简短:必威手机官网

“在我们看来,您应该在任何地方都能看到电动。在那里,这是一个非常昂贵的,或者在哪里是不可行的,这是您正在寻找氢的角色。“

与电不同的是,储存在氢中的能量是通过相对稳定的化必威体育在线注册学键而不是更短暂的电荷来传递的。这意味着它的能量更容易储存、运必威体育在线注册输和转化为其他分子作为燃料或化学原料。

“总会有一些不适合电气化的应用,”他说梅瑞迪斯附件,作用铅和加热和冷却头彭博堡

“这可能是因为你需要一个分子的燃料来[更高的]必威体育在线注册能量密度,或者为了化学反应,或者为了储存的持久性。因此,我们认为氢燃料和低碳燃料是一个整体,对于净零经济是不可或缺的。”

尽管在实现净零排放方面,氢的作用预计不如电力,但从今天开始,氢的生产和使用仍需大幅扩大。

氢气的迅猛发展取决于政策决定、社会选择、相对成本和技术性能,以及这种燃料的每一种潜在应用。

对未来的低碳氢气成本的成本也有不确定性以及在经济的多个部门中成功部署燃料的容易。

因此,在途径中,在途径中存在广泛的氢气,这是如何削减他们的排放来避免危险的气候变化。

必威手机官网碳简短分析了一系列深脱碳情景中的氢气用途,以衡量整体和特定最终使用部门的采用水平。

下面的图表显示了最后的能源必威体育在线注册到2050年,世界(顶部)、欧盟(中部)和英国(底部)都将深度脱碳。

每行都显示单个报告或组织的结果,灯蓝杆适当地为不同场景指示的一系列氢共享。中央估计和最大电位分别显示为中蓝和深蓝色圆圈。

氢在最终能源中所占的百分比必威体育在线注册
氢气提供的最终能量份额%。必威体育在线注册2019年全球份额(顶部)与2050年为2050年的股票(上部),欧盟(中央)和英国(下)。范围(浅蓝色条)表示相关方案的传播。中央估计(中蓝点)也显示出最大的采用(深蓝色)。资料来源:碳简介必威手机官网上市研究及分析由欧盟委员会的联合研究中心.看联系表为引用。图表由乔·古德曼为碳简报使用必威手机官网高级园林

在图表顶端的全球研究中,到2050年,氢在最终能源中所占比例在零到30%之间。必威体育在线注册上限是理论上的最大值,而不是现实的潜力。

欧盟覆盖欧盟的场景,欧洲委员会的2050个通路最多是净零的最多23%联合研究中心

值得注意的是,对本文分析的英国途径包括氢的2050年最终能量的一半,远高于欧盟和全球研究的份额。必威体育在线注册

必威手机官网碳简介了解新建议气候变化委员会(CCC)将于12月9日发布,届时氢气的份额将不到总份额的五分之一到三分之一。

重要的是,一种情况下的氢使用量取决于几个因素,包括莫德勒的假设,他们模型中的细节水平和模型路径的雄心壮志。

前英国政府顾问人韦具有认为“在许多方面,在英国将其雄心从2050%降至100%后,在英国雄心所以来下,氢气[是大奖赛的大奖赛。这是支持的研究显示了一种方案的野心和氢摄入量之间的关联。

在任何特定模型或场景中使用的低氢气利率可能反映了关于其成本或技术潜力的过时的假设,相对于每个最终使用的其他脱碳选项。

类似地,表现出广泛使用氢的情景可能反映了关于在氢生产和使用中可以实现的潜在成本降低的过度乐观假设,或者可能会以不切实际的快速速率看到其产出缩放。

据A表示,“[H] ydrogen在有影响力的全球能源情景中发挥了有限的作用。”必威体育在线注册研究Sheila Samsatli博士在巴斯大学,有国际同事。它补充说:

“从过度简化的模型获得的结果和结论可能是误导性和可能错误的。在的context of hydrogen, if a technology does not appear in the results then it is not possible to determine whether this is because of an inherent disadvantage of the technology or whether it is due to the inadequacy of the model to represent the technology’s benefits.”

从上图的全球研究来看,最低的氢使用量是IPCC的2018年特别报道1.5摄氏度.这种低吸收率可能在一定程度上反映了当时可用的建模文献的年代,氢可能被认为是昂贵的。

在英国石油公司的最新报告中,氢的特点更为突出必威体育在线注册能源展望,建立“更全面的氢气和生物能源在能源转换中发挥作用的综合建模”。必威体育在线注册

其“净零”途径 - BP所说的广泛符合1.5C场景 - 将氢气使用达到58个exajoules(ej)到2050年,占最终全球能源需求的15%左右。必威体育在线注册

BP注意到,在该路径中使用氢在IPCC场景的“顶端”,当排放达到Net-零时,需求在15-60ej之间。

该公司的展望补充说,这“可能反映出,IPCC的许多设想是在过去几年政策和私营部门对氢的兴趣增加之前编制的”。

在一个报告发表于2020年3月,彭博堡提出一个关于氢的更有力的理由。它确定了天然气最大的技术潜力,以满足2050年全球最终能源需求的30%。必威体育在线注册

BNEF将全球变暖限制在比工业化前水平高1.5摄氏度的范围内,能源消耗总体上要低得多。如上图所示,BNEF认为氢能满足全球最终能源需求的24%。必威体育在线注册

该公司最近的“新能源前必威体育在线注册景“预计到2050年将使用8亿吨氢(MtH2),以满足全球最终能源需求的四分之一,同时将升温幅度保持在远低于2摄氏度。必威体育在线注册

如果这一切都是用电解制成的,它将需要36,000特拉瓦(TWH)的电力。“当今的电力比在世界上产生的38%,”Bnef笔记。

BNEF的新能源前景预必威体育在线注册计产业部门(30%),工业(30%),运输(25%)和建筑物(15%)之间将分配氢气,如下图所示。

最近的另一个研究是国际能源机构(IEA)必威体育在线注册必威体育在线注册能源技术的角度,于2020年9月发布。这在2050年,这将在2050年的最终能源需求中达到少于7%的氢气会议,其中运输(44%),工业(28%),电力(19%)和建筑物(9%)。必威体育在线注册

国际能源署预计,到2070年,在全球变暖保持在2摄氏度以下的情况下,氢能满足最终能源需求的13%,而这一总需求在各个部门之间分布不均。必威体育在线注册如下图所示,在航运和航空领域,氢可以满足很大一部分能源需求,但在建筑领域必威体育在线注册却几乎无法满足需求。

最终能量需求必威体育在线注册氢气
左:IEA能源技术的氢气使用透视可持续发展场景,每年数百万吨必威体育在线注册(左轴)和作为最终能源(右轴),2019-2070的份额。右:每次最终使用部门2070年最终能量的氢份份额。必威体育在线注册资料来源:IEA必威体育在线注册能源技术观点2020

萨姆萨特利及其同事的研究得出结论,工业和重型运输为氢的使用提供了最大的机会。它补充说,如果大规模的氢基础设施为这些部门服务,那么天然气也可以为其他部门提供灵活性,比如电力部门。

艾玛冒牌的他是该行业集团的首席执行官必威体育在线注册英国能源他告诉碳简报:“必威手机官网使用氢最有力的商业理由是在替代能源很少的领域。”

Pinchbeck说,这可能包括航运、重工业或采暖,尽管她指出:“电气化将成为解决采暖问题的重要部分。”铜锌补充道:

“从根本上说,能源市场的未来价值主要体现在电子和灵活性上。必威体育在线注册因此,氢燃料需要考虑如何适应这种模式……氢燃料是一个非常有吸引力的解决方案,但挑战在于如何在商业上有吸引力,以填补经济中电力无法填补的空白。”

为什么现在再次“炒作”?

氢气被许多报纸编辑所引人注目的世界各国领导人为了解决今天的问题,从驾驶Covid-19大流行后的“绿色恢复”减少英国对中国电动汽车电池的依赖。

这种氢气作为能量解决方案的热情并不是新的。必威体育在线注册首先氢气内燃机是在1807年建造的,关于使用电解液中的氢来取代煤的争论一直存在出现早在1863年。

汤姆布朗博士他是一名能必威体育在线注册源系统建模师Karlsruhe工学院,概述了一些早期历史一个系列最近的Twitter线程。他讲碳简短:必威手机官网

“事实是......如果你足够聪明,那么任何基本上都可以用氢完成。人们基本上意识到很早,它保持重现为主题,但直到你有很低的力量,它并没有真正变得相关。“

一个早期的例子是20世纪20年代建造的超过100兆瓦(MW)的氢电解器,用于供应化肥工业,在挪威和印度等地使用廉价的水力发电。

随着其他行业的电力需求增加,以及廉价的化石燃料可以用于氢气生产,这些早期的努力被挤掉了。然而,从那以后,已经发生了几起"炒作循环“和政府驱动器让氢气接地。

“氢经济术语”是第一个创造在1970年由化学家John Bockris教授,谁有愿景由太阳能和核生成的氢气提供动力的世界。

在同一年,一篇论文以“朝向液态氢燃料经济经济性”的标题劳伦斯琼斯教授是密歇根大学的物理学家的结论:

“作为一种无污染的燃料,必须认真考虑[氢]作为21世纪碳氢化合物的合理替代品。”

氢的发展燃料电池对于商业应用开始后不久开始石油输出国组织(石油输出国组织)实施禁运美国,日本和西欧,提高价格并提示寻找替代燃料。

随着禁运举起的兴趣,新化石燃料被利用,油价下跌。下一个 ”虚假的黎明“氢经济”的概念1990年代当时,汽车制造商对这项技术投入了大量资金。

这一次,根据IEA,石油价格“仍然低于十年的下半年,扼杀了可能将这些项目移到主流的项目”。

美国总统乔治W·布什提供了2003年联盟地址的国家
美国总统乔治W·布什提供了2003年联盟地址的国家。信用:路透社/ alamy股票照片。

在担心“峰值油“2003年,美国总统乔治·沃斯布什宣布了1.2亿美元氢燃料计划在他的联盟地址希望“今天出生的孩子驾驶的第一辆汽车可以用氢气驱动”。

然而,这个炒作再次相对较短,随着下面的图表所示,在2008年的全球政府对氢气支出的峰值下降之后。(请注意,图表仅包括30个IEA成员国和欧盟。这不包括中国。)

氢和燃料电池技术的研发支出
研发支出氢气和燃料电池技术在30个国家,是国际能源机构和欧盟的成员。必威体育在线注册来源:IEA.图表由乔·古德曼为碳简报使用必威手机官网高级园林

“当氢经济在2000年代的下半年没有真正实现时,它再次放在后燃烧器上,”Gniewomir Flis.,Thin必威体育在线注册ktank的能源和气候顾问集市Energiewende,讲碳简短。必威手机官网

气候变化一直是氢能源讨论的一个主题,但对石油供应和价格的担忧一直占据主导地位,道路车辆被视为主要目标市场。

因此,在每一轮的利益中,每当石油成本下降或新的化石燃料供应被打开,围绕氢的兴奋就趋于消退。

Ad van Wijk教授他是加州理工大学未来能源系统的教授必威体育在线注册代尔夫特理工大学,讲述碳简介这次必威手机官网情况不同:

“当然,你现在看到的是一个非常不同的系统变化,那就是可再生能源变得非常便宜。这是主要驱动力。”

成本下降可再生能源带来了一种新鲜的热情,作为丰富,低成本的力量许多人认为作为氢成功的先决条件现在可以实现。

至关重要的是,气候目标巴黎协议2015年不太可能实现,除非脱碳实现到经济的每个角落,包括“hard-to-decarbonise钢铁生产、航运和航空等行业。

国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(Irena)建议氢气可能是全球能源系统中的“缺失的环节”,有助于削减难以通电的所有这些部门的排放。必威体育在线注册

苏塔塔斯塔帕塔尔,主任美国能源部必威体育在线注册氢办公室讲述碳简介,氢气的可用性意味着现在的利必威手机官网益远远超出公路运输:

“氢的一个主要好处是它可以为各种应用提供价值,并帮助整合扇区,”她说。

与此同时,Flis指出,石油和天然气巨头已经开始推动氢作为替代燃料。他说:“他们开始意识到,他们最终将不得不做出改变。”

来自世界上一些最大的石油生产商,以及汽车制造商和工业公司的首席执行官,形成了氢委员会2017年,国际能源署(IEA)和国际能源署(IRENA)等机构对氢燃料的兴趣推动了氢燃料的发展。

最近的推出可再生氢联合主要行业机构的表态表明,风能和太阳能行业也在支持氢能源。主要行业机构承诺,将帮助“开发将使可再生氢成为主流的商业模式和市场”。
本加拉格尔一位专门从事咨询木质麦肯尼的氢经济的分析师,据最终,最重要的是,这项技术只是“比以往任何时候都更具经济意义”。必威手机官网

如何产生低碳氢气?

几十年来,对氢的需求一直在稳步增长站在根据IEA的说法,大约70mt。绝大多数这是由化石燃料制成的,具有高二氧化碳排放。

该机构表示,要满足所有这些用电需求,需要3600太瓦时(TWh)的专用生产——“比欧盟每年的总发电量还要多”。

在与其他气体的混合物中,在工业中使用额外的45mt氢气,例如钢和甲醇生产。

几乎所有纯氢气都用于炼油和肥料生产等应用,而不是加热建筑物,驱动卡车或发电。

一份报告在2020年初发布行业的地位,木麦肯齐结论是,在过去的十年中,氢需求增长了28%,这一增长与许多其他新技术相比较少“。(风和太阳能输出有飙升在同一时期。)

“如果对低碳氢的需求增长,市场将出现大幅增长。但我们还没有看到这种爆炸,”伍德麦肯兹在一份措辞不幸的新闻稿中指出。

这里的“低碳氢”术语是必不可少的,因为所有氢气都燃烧而不产生温室气体排放,不同生产方法的气候影响很大。

氢气管道。信用:Thyssenkrupp钢铁欧洲/ alamy
氢气管道。资料来源:蒂森克虏伯欧洲钢铁公司/阿拉米。

氢生产通常是不同颜色的。出于脱碳的目的,两种最突出的品种是“绿色”和“蓝色”。(IEA.避免这些标签作为生产对环境的影响,在单一颜色类别中可以有很大的差异。)

产氢类型

  • 绿色:使用可再生电力的电解产生。
  • 蓝色:生产基于化石燃料,但捕获了二氧化碳排放。
  • 灰色:使用化石煤气制成,没有捕获排放。
  • 黑色:用煤制成。
  • 棕色:用褐煤制成。
  • 绿松石:热量用于在称为“热解”的过程中分裂化石气。
  • 紫色、粉色或黄色:核反应堆的电和热都可以用来生产氢气,但这种方法的颜色还没有得到广泛认可。
  • 没有商定:生物量生产。

绿色的氢它是通过电解产生的,利用可再生能源,利用电流将水分解成氢和氧的过程。这一标签有时被误导地用于来自电网电力的氢,因为它只会像电网本身一样“可再生”。

另一方面,蓝色氢通常通过使甲烷气体与蒸汽反应,然后捕获并储存所得的二氧化碳排放来制备。在蒸汽甲烷重整,最常见的方法,化石气体均燃烧以燃料加工并用作原料。

就目前而言,绝大多数氢不是绿色或蓝色的,而是用化石燃料制造的,没有任何碳捕获。以煤、褐煤和天然气为基础的无碳捕集和存储(CCS)的生产方法分别被称为“黑色”、“棕色”和“灰色”。

根据IEA,76%的氢气来自煤气和23% - 后者主要在中国 - 只有2%来自电解。小于0.7%的当前氢气产生来自低碳绿色或蓝色供应。

此外,氢气生产消耗了世界上6%的天然气和2%的煤炭,每年产生830mt的二氧化碳,略高于德国的年排放量。

在近期,灰色氢气可能仍然是最便宜,最广泛的生产路线,因为没有低碳生产方法目前对其具有成本竞争力。(比如:“How much is it going to cost?”

为了实现净零排放,氢生产将需要从灰色转向绿色和蓝色。这两个变种的作用将在下一节中讨论。'蓝色'氢气在零零的未来有一个地方?

除了基本的颜色调色板,还有一些其他的生产方法——其中一些是低碳的——可以促进未来的氢需求。

氢也可以通过核能产生来驱动电解。根据国际能源署的说法,通过核能生产氢气“还没有确定的颜色”,但有各种各样的报告称它为“黄色的“,”粉红色的“ 和 ”紫色的”。

此外,核反应堆的热量可以通过产生蒸汽来生产氢气更高效电解或化石气基蒸汽甲烷重整。

在长期内,先进的核反应堆的非常高的温度可以直接从水中提取氢气热化学分裂.这些项目仍处于非常早期的发展阶段。

教授罗宾·格里姆斯他最近撰写了一份英国皇家学会的报告在“核热电联产”上,在“难以脱碳”部门中的反应器中使用热量的过程,以及生产电力。

虽然迄今为止还没有任何地方建立过使用核能的大规模制氢设施,但格莱姆斯告诉碳简报,这两个行业将从更大程度的融合中受益:必威手机官网必威体育在线注册

“而不是核被孤立,作为只能产生基准电力的东西,实际上是核心是解决方案的一部分,因为...它的热量可以直接在电力不需要时使用。这是这个热电联产的想法。“

在氢气研究的早期使用核电来产生氢气是一个流行的想法,是还是存在所倡导的法国,俄罗斯美国这些国家的大部分电力供应已经依赖于核能。

Civaux核电站,维也纳,普伊特 - 夏乐园地区,法国。信用:imagebroker / alamy股票照片
Civaux核电站,维也纳,普伊特 - 夏乐园地区,法国。信用:imagebroker / alamy股票照片

一种报告由咨询公司清醒的催化剂辩称,达到国际气候目标所需的氢气量是“远远超过可再生能源”,使核心氢气成为必要性。

Lucid Report争议廉价核能的明显途径,这与廉价的高温电解仪相结合,将使核驱动的生产成为最便宜的方式来制造氢气,部分是由于更高的转换必威体育在线注册效率。

然而,根据国际能源署的说法,使用核热制造电解氢所需的固体氧化物电解电池(soec)要比其他品种贵得多。它他们今天每千瓦的成本高达5,600美元,比其他电解仪高出三到五倍。

原子能机构也笔记在其氢气报告中,soec是“最不发达的电解技术”,尚未商业化。

氢也可以用生物质生产,尽管国际能源署结束需要复杂的加工,缺乏足够的便宜和可持续生物质这使得它不如其他“低碳”技术那么吸引人。没有颜色分配从生物质到氢气。

还有"绿松石“氢,作为甲烷的副产物产生的热解,利用热量将化石气体分成氢气和碳。

这仍然是一个利基战略这只是小规模的,但是已经工业利益考虑到其潜在有用的碳副产品。

如果该过程由可再生能源或核能提供动力,则绿松石氢气具有低排放选项。储存所得碳。

但是,A.最近的研究得出的结论是,就像蓝氢一样,它仍然会产生大量的排放,因为它会产生用于提供过程所需热量的气体。

'蓝色'氢气在零零的未来有一个地方?

关于蓝氢对实现净零排放的贡献存在相当大的争论。一些人看到了它的重要作用,而另一些人说,它最多应该作为一个临时解决方案,而绿色氢的规模扩大。

与此同时,某些人活动人士科学家们已认为蓝色氢锁定国家变成了化石燃料使用的未来和甲烷排放泄漏,这意味着它应该完全避免。

正如下图所示,目前有计划在全球范围内迅速扩大绿色和蓝色的产能。(请注意,并不是所有的方案都能实现,图表中大约一半的计划容量来自于三个主要的方案:建议在美国,在图表中标注“其他”;的H21蓝氢方案在英国;和亚洲可再生能源中心必威体育在线注册计划在澳大利亚。)

估计每年的氢气产量为数千吨
估计全球氢生产能力,每年数千吨,分为采用可再生电解(黄色)生产的绿色氢气,使用化石气体制成的蓝色氢气与碳捕获和储存(蓝色)和使用其他技术(灰色)产生的氢气制成。右侧的列表示未分配完成日期的项目。并非所有项目建议都将继续。资料来源:可公开可用的更新版本IEA氢工程数据库,由国际能源署碳简报提供。必威手机官网图表由乔·古德曼为碳简报使用必威手机官网高级园林

上图中项目的流水线大致反映了在净零情况下设想的生产方式的分裂英国石油公必威体育在线注册司的能源展望到2050年,美国16%的最终能源消耗来自氢——一必威体育在线注册半是绿色,一半是蓝色。

并非只有石油巨头为蓝色氢描绘了未来。气候变化委员会(CCC)指示性途径对于英国的净零主要依赖于蓝色氢气,尽管碳简介了解12月预期的更新指导,将指出更大的绿色份额。必威手机官网

蓝氢的支持者争辩说,净零是必要的,因为它既可立即可用,允许在短期内更好地利用可再生电力资源。它也可以融入现有的化石气体基础设施。

在能源前景推出必威体育在线注册,BP集团首席经济学家斯宾塞戴尔只专注于绿色氢将“限制氢经济的增长速度”。

能源贸易专家的报告必威体育在线注册拉尔夫绝对为了牛津能源研究所必威体育在线注册结论是,对绿色氢气的普遍促进意味着“蚕食电力部门可再生电力的成功......以及为什么?蓝色氢气可以从立即开始索取非电信部门的工作“。

政府至少在短期内表现出对蓝色氢的支持。朱利安克里特克洛,能源转型总干事和英国清洁增长必威体育在线注册商业,能源和产业战略部必威体育在线注册(Beis)曾说过它在“中世纪扮演了一个角色”。

一个地址关于欧盟委员会的氢策略副总裁Timmermans强调,绿色氢气将在欧洲优先考虑,但临时支持CCS生产将“帮助我们取代脏氢”。

欧洲环境局描述该委员会的P.港口为蓝氢作为“送给化石燃料工业的礼物”。

虽然委员会的自身分析支持Timmerman的评论,它还提到了保持蓝氢的关键问题之一:

“在脱碳的未来,使用脱碳电力从电解中获得的氢是更好的选择,包括从可再生能源中获得的‘绿色’氢。天然气蒸汽重整制得的‘蓝’氢与CCS结合也可能发挥作用,前提是解除CCS的固有约束。”

这些“固有的约束”由国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(IRENA),哪个笔记在其氢气报告中,CCS技术目前尚未达到其潜力,“在发电和工业方面仍处于脱轨状态”。

鉴于CCS通常L.y削减二氧化碳排放量80-90%。

更高的碳捕获率超过90%是可能的根据IEA,特别是如果被称为替代氢气生产方法自动改革使用代替更常规的蒸汽甲烷重整。

然而,即使甲烷生产过程中的排放,蓝色氢气也不会是零碳 - 即使在100%的捕获速率下也是如此。托马斯空白来自岩石山地学院讲述碳简介:必威手机官网

“在关于氢的初期讨论中,我认为人们已经假设蓝色氢是零碳的——就像生物燃料的假设一样——但它不是零碳燃料。”

他指出,虽然高碳捕获率可以实现,这使得这个过程更加昂贵。他表示:“我认为政策制定者正开始意识到这一现实。”

一种净零报告由英国必威体育在线注册能源系统弹射器他表示,虽然“投机性创新措施”能捕获99%的碳,但蓝氢“极具吸引力”,否则就会被排除在外:

“如果没有投机性的创新措施,95%的甲烷重整捕集率就太高了,无法实现净零碳排放。”

国际能源署的图表显示了与使用可再生能源或核能驱动的电解相比,使用CCS的化石燃料仍然产生的排放量。

使用不同方法的氢气产生的CO2强度。这包括使用不同电源来源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)生产氢气。来源:IEA。
使用不同方法的氢气产生的CO2强度。这包括使用不同电源来源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)生产氢气。来源:IEA。

但是,该图表仅显示CO2强度。它不考虑由气体生产和分配系统泄漏产生的上游甲烷排放,即使CCS能够捕获通过该过程释放的100%的CC2,也不一定避免。

Agora Energiewende的Gniewomir Flis告诉碳简介,当考虑蓝必威手机官网氢时,他是关于这些排放的“非常有关”。

“没有公布我的知识 - IEA或其他人 - 占这些上游排放量可靠,”他说。

上游排放可以显著改变蓝色氢对气候的影响,正如一份报告这些泄漏的原因是什么Pembina Institute智库。它的重点是加拿大正在进行中在富含化石富含艾伯塔省的富含石油生产的蓝氢生产。

报告估计,每千克蓝氢的二氧化碳排放量在2.3-4.1千克之间,这反映了全国上游甲烷排放量的变化。

CCC的零技术报告对于英国表示,低碳氢可以由化石气体产生,排放约0.3kgco2 / kg,捕获率为95%。相比之下,IEA每公斤氢气估计0.9kgco2,捕获率为90%,如上图所示。

然而,该委员会表示,如果将化石气体生产的上游排放计算在内,每千克氢的排放量将在0.7-2.5千克二氧化碳当量左右,达到95%的捕集率。

To put this in context, BNEF’s “new energy scenario” envisages 800m tonnes of global hydrogen use in 2050. If all of this were to be made from blue hydrogen at a 95% capture rate, it would be associated with lifecycle emissions of 600-2,000m tonnes of CO2 equivalent.

气候变化委员会碳预算主管大卫•约菲博士告诉《碳简报》,在英国的净零目标中,有一些蓝氢的空间,但不能满足大规模部门必威手机官网(如供暖和运输)的所有潜在需求。他说:

“没有具体的门槛,超过这个门槛肯定是不行的……(但)当你接近净零排放时,那些残留排放真的开始变得重要起来。”

最后,还有证据表明,从基础设施泄漏释放到大气中的氢气可能会对气候变化产生直接影响。

一份报告为英国政府准备指出的是,虽然氢气不是污染物本身,它可以通过加速甲烷和臭氧在低层大气中的积累来充当“间接温室气体”。

根据报告,一个模型研究评估了全球变暖潜力氢的值是4。3。它的结论是,虽然氢排放对气候的影响可能很小,但这个问题值得进一步研究。

低碳氢要花多少钱?

绿色和蓝色氢气将在脱碳中发挥的作用将在很大程度上取决于它们的两者成本。

这些形式的“低碳”氢必须彼此竞争,并且在没有CC的额外成本的情况下彼此竞争和衍生自化石燃料的氢,它们还需要与其他替代能源解决方案争斗,从电动车辆到生物燃料。必威体育在线注册

虽然生产氢的成本是一个重要组成部分,但它不是消费者支付的最终价格的唯一因素。

运输成本可能是一个重要因素,特别是如果氢从海外进口,以及在国内分配氢的成本。还有企业的利润,这些利润被计入最终价格。

IEA是直率的关于本课题周围的不确定性,并指出“从不同地区的不同来源生产氢的相对成本,以及它们将来将在未来竞争,尚不清楚”。

正如目前所处的那样,灰色氢是最便宜的选择,大约1美元/千克 - 如果来自中东气体,但在某些地区的价格高达3美元/千克。对于中国和印度,两者都进口其大部分天然气供应,煤氢往往是最便宜的选择。

如果使用CCS来转动最低价格的灰色氢气蓝色,则根据IEA的说法,它将成本为1.5美元/千克。

相比之下,原子能机构指出,使用太阳能或陆上风产生的绿色氢通常在2.5美元至6美元之间。(其他人估计较低,见下文。)

来自一些可再生来源的氢气可能已经在某些应用中具有成本竞争力,它仍然有很长的路要走,然后在它的化石燃料衍生的等价物中脱颖而出。

然而,人们普遍对绿色氢的竞争能力持乐观态度,可再生电力成本不断下降被认为是主要驱动力。

下面的图表显示,在BNEF的“乐观”假设下,到2030年,最便宜的可再生氢将超过最便宜的低碳氢。

未来氢成本的预测范围
预计到2050年,使用可再生电力制造的绿色氢(黄色)和使用具有碳捕获和存储功能的气体制造的低碳氢(蓝色)的氢成本为每公斤$。来源:BNEF..图表由乔·古德曼为碳简报使用必威手机官网高级园林

为了许多据报道,太阳能发电价格创历史新低沙特阿拉伯葡萄牙最近几个月支持,尽管其效率低,但潜在的高运输成本,但绿色氢气进口可能成为世界大部分地区的成本效益的解决方案。

另一个关键因素是用于生产绿色氢的电解槽的推出,这种电解槽的价格在过去十年中已经下跌了60%。根据欧洲委员会,价格“预计将在2030年与今天的规模经济相比减半”。

在中国,碱性电解槽已经达到了这样的规模经济,生产成本已经比欧洲和北美低80%,根据BNEF。欧洲生产者希望做同样的“创新”更新的电解槽模型。

一份报告作者,氢委员会的氢委员会得出结论,“低碳”氢气,包括绿色和蓝色,在22种氢应用中,包括在2030年的全球能量消耗约有15%的氢应用中具有竞争力。必威体育在线注册

与此同时,这是国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(Irena)有断言“绿色氢的未来成本将低于蓝色氢化石燃料的费用”。它表示,从5年内,来自低成本可再生能源的氢气将与来自化石燃料的蓝色氢相当。

尽管国际能源署承认存在不确定性,但它指出,绿色氢的成本正在明显下降,“由于可再生能源成本的下降和氢生产的扩大”,到2030年,绿色氢的成本可能下降30%。

一份最近由Jan Rosenow博士所做的成本研究评估监管援助项目显示了对绿色氢的估计范围,大多数集中在2美元到4美元/公斤。

有几个因素可以有助于氢生产成本的不同前景。

例如,如下图所示,IEA的突起 - 由蓝杆表示 - 通常比BNEF更保守,以红色显示。

预计氢成本的范围
根据国际能源署(蓝色,中央估计较深)和英国新能源基金会(红色)的工作,预计2030年氢成本范围,每公斤美元。资料来源:国际能源机构,BNEF。图表由乔·古德曼为碳简报使用必威手机官网高级园林

Agora Energiewende的Gniewomir Flis说,国际能源署和BNEF关于绿色氢的数据的主要区别在于,前者预估的电解装置成本是后者预估的两倍,而后者预估的电价略高。

为了使电解商的投资有价值,需要相对廉价的电力。

将电解器直接连接到可变可再生能源的问题是它们不会一直运行,导致所得氢的成本更高。

或许将它们与电网连接成本更低,因为电网的生产将是恒定的,但电力成本将更高,并将包括电网连接的费用。除非电网完全脱碳,这也意味着氢气不能被称为“绿色”。

即使电力是自由的,就像“缩减”从可再生能源的电力一样,需要有相当大的用法来使投资偿还。这就是为什么构建用于存储限制力量的电解器可能并不总是经济意义(见:“电器y“ 以下).

高电解器使用率有助于使氢生产的初始资本成本物有所值,尽管这必须与使用时的电力成本相平衡。

最终,燃料成本预计将对未来氢价格产生最大影响,这意味着绿色和蓝色氢相对成功的最重要驱动因素将是未来的电力和天然气成本。

一种报告由英国海上可再生能源(ORE)弹射器必威体育在线注册基于“保守的假设”,据估计,到2050年,绿色氢可能比蓝色氢更便宜。

然后,它指出了近海风和电解的指标可能比预期更快地迅速下降,并指出“决策者被风险和太阳能成本的意外迅速下降不断盲目”。必威体育在线注册

在这种情况下,矿石说,绿色氢气可能比2030便宜到蓝色,“我们预测提前20年”。

当考虑氢的成本时,另一个重要因素是运输,因为移动气体的气体更具挑战性,而不是移动甲烷。

从Sunny或Windy地区导入廉价氢是一些有吸引力的战略,即一些国家正在探索(S.ee:“氢将如何影响全球地缘政治?“ 以下).

然而,由于在特殊容器中运输世界各地的氢气成本的高成本,这些进口可能最终没有特别便宜在高压力和低温。

FLIS告诉碳简介,使必威手机官网用IEA估计,甚至使用日本研究机构的更乐观的运输成本假设Nedo.在美国,进口氢可能难以与国内供应的氢竞争。

例如,到2030年,英国制造的绿色氢的成本可能为每公斤3.20美元,而葡萄牙为每公斤1.70美元,沙特为每公斤1.30美元。但根据国际能源署的数据,这种燃料的运输成本约为每公斤2.7至4美元,这意味着进口燃料的价格仍将更高。

尽管如此,如果他们缺乏足够的可再生资源,各国可能需要进口氢以在自己的土壤上产生足够的。

运输成本也取决于在路线。通过管道运输氢气的成本随着距离的增加而迅速增加,而使用船舶时,启动成本要高得多,但随着距离的增加保持相对稳定。

IEA说,通过管道通过管道传递和分布氢气的距离更便宜,距离高达约1,500km。2020年初,一组欧洲天然气基础设施公司出现了通过计划与管道的“骨干”连接大陆。

然而,对于更长的距离,它使氢气转化为“液体载体”,例如氨。(有关运输氢气和氨的更多信息,请参阅:“航运和航空”以下。)

最后,供需也会对最终价格产生影响。一种报告经过极光能源研究必威体育在线注册结论是,在具有高氢需求的情况下,绿色氢气“明显比蓝色昂贵”。

相比之下,如果需求较低,主要基于绿色能源的氢燃料的推出成本“可以忽略不计”。

氢的使用将如何影响全球地缘政治?

几十年来,化石燃料,尤其是石油玩过在国际关系中的关键作用,推动了世界上许多重大冲突。

在他2002年的书中氢经济,社会理论家Jeremy Rifkin.想象一下这样一个世界,氢的大规模推出终结了这一切:

“全球安全的道路在于减少对中东石油的依赖,并确保地球上所有人都能获得维持生命所需的能源。必威体育在线注册氢经济是一个更安全的世界的应原因。“

Rifkin的书在对氢气热情的时候出来了,但这是之前水力压裂的繁荣,当它被想到了美国的石油储备将在10年内枯竭,因此迫切需要替代能源。(请看:“为什么氢能现在又被‘炒作’了?”

氢是目前是一个非常局部的行业,85%现场生产和使用,部分原因是运输成本高。因为大多数氢是“灰色”的,所以它确实是最便宜的在低气体价格的地区,如中东和北美。

在其最新的“快速”道路上必威体育在线注册能源展望英国石油(BP)表示,电力和氢气的作用越来越大,并补充称:“这些能源载体的运输成本高于传统碳氢化合物,导致能源市场变得更加本地化。”必威体育在线注册

然而,尽管里夫金对氢的乐观可能为时过早,但他确实是不是一个人将氢与石油进行比较,并推测其对地缘政治的影响。作为一篇论文于2020年6月发布的教授Thijs Van de Graaf根特大学同事们将其命名为“新石油?””所言:

“随着时间的推移,氢联的跨境海事贸易有可能从根本上重绘全球能源贸易的地理位置,营造新的能源出口国,并重塑各国之间的地缘政治关系和联盟”必威体育在线注册

绿色氢的扩大有可能改变现有的贸易平衡,使太阳能和风能丰富的国家,例如必威体育在线注册智利,澳大利亚和摩洛哥成为主要出口国。这经济学家将这些未来的能源发电站称为“电态”。必威体育在线注册

Ad van Wijk教授代尔夫特理工大学说,虽然许多国家计划扩大其氢气的国家会挣扎,但在自己的土壤上挣扎,却在全球范围内提供足够的可再生能源。必威体育在线注册

作为一个例子,他告诉碳简报必威手机官网覆盖太阳能电池板上约8%的撒哈拉沙漠可以产生全球能源需求。必威体育在线注册“当然,建造太阳和风需要时间,但最终没有限制。”

他说,缺乏足够的便宜可再生能源,最终将转向进口:

“这是我们今天所做的同样的事情。我们大量进口能源,至少在欧洲是这样,从那些生产必威体育在线注册廉价石油、天然气或煤炭的地方进口。”

这在现有的氢策略中是显而易见的,这表明前瞻性氢联网仅在本地看到它们的一部分供应。

在其策略,德国提出的一个温和的到2030年,中国国内对绿色氢的需求达到110太瓦时(TWh),其中的14太瓦时(TWh)。出于这个原因,德国也已拨出专项资金,支持在海外使用其电解设备,以制造供国内使用的氢气。

有限的国际贸易已经在进行中,日本最近收到“世界上第一个“从文莱和德国发货的氢气签署一笔交易与摩洛哥利用它的“理想的“绿色氢生产的条件。

今年早些时候,日本和澳大利亚的部长举行了会晤同意关于氢贸易的未来,为氢气提供资源贫困的亚洲国家。澳大利亚政府有以来的支持耗资530亿澳元(390亿美元)的“亚洲可再生能源中心”(Asian R必威体育在线注册enewable Energy Hub)将对此作出贡献。

德国也是看着在刚果民主共和国,一个主要的水电站正被考虑作为一个氢工厂的潜在地点“增加”。这样的交易担心van de Graf和他的合作者提起的新动态:

“在发展中国家被视为原材料的供应商,氢革命带来了”绿色殖民主义“的风险。”

氢贸易的未来——以及氢衍生燃料,如氨的贸易——将受到它们在世界各地运输成本的影响(查看:“低碳氢气要花多少钱?”).

IEA强调对国际氢能运输路线的需求,指出这种贸易“如果要对全球能源系统产生影响,就必须尽快开始”。必威体育在线注册Van Wijk告诉碳简报,至必威手机官网少在欧洲,另一个关键的组成部分将是扩大和改造从非洲运输氢气的天然气管道。

其他警告说“天然气市场的”缓慢和不完全全球化“表明氢贸易可能不会尽可能快地起飞。

Suiso Frentier是第一个液化氢载体,在其发射仪式上。
Suiso Frentier是第一个液化氢载体,在其发射仪式上。信贷:自然资源和能源机构。必威体育在线注册

如果出口市场正在增加,它将无法保证rifkin提出的“更安全的世界”。一份报告哈佛大学的2020年3月发布福利科学与国际事务中心biwei6868结论是,而不是扰乱石油富国的“霸权”,绿色氢经济可能以与现有的化石燃料为基础的方式相似:

“未来的市场动态可能类似于今天的区域天然气市场——具有相应的地缘政治冲突的潜力。”

在一篇对外政策,在2020年10月发布,Jason Bordoff教授他描述了氢和氨海运贸易可能面临的风险。

他此外,他说,沙特阿拉伯和俄罗斯等国家可能是最终主导市场的国家。沙特能源部长必威体育在线注册阿卜杜勒拉齐兹·宾萨哥尔曼王子最近概述了他计划确保美国成为“地球上最大的氢气出口国”。

博尔多夫写道:“为了挑战传统智慧……考虑一下,一些今天的石油国家可能会成为明天的电州。”

氢气如何帮助不同的部门达到净零?

理论上,氢气有可能从钢铁中脱碳,用于使某人的汽车加热他们家的气体。

然而,在实践中,氢气不可能普遍地占用。此外,满足低碳氢的所有可能应用所需的体积可能远远超过可用的量,即使生产明显缩放。

本节分解了如何在运输,工业,加热和电力领域应用氢气,以帮助他们实现净零排放。

运输

在交通运输中使用氢作为化石燃料的替代品的关注可以追溯到最早的一波热情,当时氢被提倡作为石油的替代品。

这是明显从所带来的政策中,支持氢,这主要是针对汽车,加油站和公共汽车。

然而,流动性目前是最小的整个氢气市场的组成部分,占全球需求的不到0.1%。

热情来自许多行业参与者的氢气将在运输部门取得成功,它已经在一些利基市场应用。例如,大约25,000辆叉车现在有功来使用氢。

然而,电池电动汽车的兴起意味着它们被广泛视为未来的净零汽车。英国的气候变化委员会总结2018年,电动汽车是“现在很好地为汽车和货车提供了大部分脱碳”。

从长途卡车到飞机,氢可能仍在较难脱碳的交通运输中发挥着重要作用,但这些领域的许多进展仍处于早期阶段。

道路运输

截至2019年,有只是11200辆使用氢燃料电池的乘用车正在运行,主要分布在加利福尼亚、欧洲和日本。作为一个比较,全球的电池电动汽车车队超过7米,到达一百万就在五年前。

氢燃料电池汽车工业一直受到“先有鸡还是先有蛋“ 问题。没有足够的汽车制作了降低价格下降,并且缺乏需求意味着富含富有氢的站,尚未被广泛安装。反过来,这有助于限制需求。

最近的氢委员会报告得出结论,将在每年增加100万辆汽车的“激进”增加,以使燃料 - 细胞车辆竞争。

与此同时,电动汽车在燃料 - 电池汽车的早期昂贵的电动汽车已经看到成本降低,大量的充电基础设施推出。

氢气动力丰田Mirai成本与电池电动特斯拉模型3相比,66,000英镑(88,015美元)大约£45,000(60,010美元),或中型传统的英国汽车往往在2.2万英镑至3.6万英镑(29338 -48,008美元)之间。

氢气燃料电池有一些声音折断剂,直言不讳的特斯拉首席执行官Elon Musk打电话给他们“傻瓜细胞”并将技术视为“思想令人沮丧的愚蠢”。

Ferdinand教授Dudenhöffer.,杜伊斯堡大学 - 埃森大学主任汽车研究中心他告诉Carbo必威手机官网n Brief,他一直对氢燃料汽车持怀疑态度:

“I don’t believe in hydrogen and fuel-cell vehicles as passenger cars at all, because the technology is very cost intensive…If you want to sell a car for €30,000 or so it makes no sense to increase the price very sharply by [using] fuel cell technologies.”

虽然已经有尝试让燃料电池汽车进入大众市场,Dudenhöffer说,现在人们普遍认为这不太可能发生。

今年,梅赛德斯 - 奔驰有取消它的燃料电池计划在三十年后由于高昂的成本和大众已经公布一份声明总结:“所有的东西都在支持电池,但几乎没有东西在支持氢气。”

Jenny Nelson教授他与人合著了一份最近的研究报告欧洲学院的科学咨询委员会biwei6868(EAC)评论他告诉碳简报,交通是氢对可再生能源低效利用的必威手机官网一个很好的例子:必威体育在线注册

“它将需要大约2.5倍的电力,以便使用可再生氢气和燃料电池的电池运行相同的车辆,并且电力大约五倍的电力,以与可再生氢制成的合成燃料一起运行相同的车辆。”

然而,氢分析师GNiewomir Flis表示仍然有很多兴趣取得这项技术:

“这么多年来,我们投入了这么多钱,如果我们承认,经过这么多年,纯电动汽车才是更好的解决方案,那就太尴尬了。”

日本宣布了计划在2030年和韩国将80万氢燃料电池车辆达到其道路上它将与1.8米更高。

燃料电池确实具有优于电池的优点,并非最不重要的加油时间。有些人认为居住在人口密集的东亚城市的人们不太可能有足够的空间在晚上给电动汽车充电,而是会选择氢燃料。

日本和韩国汽车制造商丰田和现代宣布雄心勃勃的计划扩大他们的生产规模。丰田最近推出了它的新版本Mirai.——日语中“未来”的意思——尽管低销售额以前的模型。

丰田Mirai(第二代概念车)。信贷:丰田
丰田Mirai(第二代概念车)。信贷:丰田

然而,有迹象即使是这些行业领导者也正在进行“转弯“因为他们揭示了他们生产电池电动车的计划。

丰田有计划2025年将全球电动和混合动力汽车的销量扩大至550万辆,而氢燃料汽车的销量仍保持在数万辆。

乔恩狩猎他是该公司的替代燃料经理丰田他告诉碳简报,虽必威手机官网然他们也在推动电动汽车,但最终他们认为燃料电池汽车“和混合动力车一样容易实现”。

亨特说,随着生产缩放,价格将下降。他还强调,虽然电池昂贵并且寿命有限,但氢气汽车中的燃料堆栈“将继续运行和运行”,这意味着它们可以重新销售。

重要的是,他还指出,Mirai的燃料堆栈(使用氢和氧来发电的燃料电池的组装)大约是所需能量的两倍。他说,这让它更贵了,但也让我们看到了丰田的动机:

“这样做的原因是您可以在卡车中标准化本机,并且可以在卡车中使用,因为我们正在做,或者在我们正在做的车辆中,或者在我们正在做的船只中,它’t need to be changed very much.”

在某种程度上,燃料电池汽车的命运将与更大的道路车辆捆绑在一起,在那里可能会有更大的氢需求。

对于普通公共汽车,电动汽车已经将远离化石燃料的过渡统治。根据Thinktank.碳跟踪器去年,中国公交车销量的59%都是电动的。

然而,对于具有高功率需求并且需要覆盖长距离的重型卡车和跨度教练,使用电池的直接电气化更具挑战性。因此,燃料电池可以对这些车辆具有竞争优势。

亨特告诉碳简介,对于这必威手机官网些应用成功,特别是对于商用车,必须证明“超越怀疑”的技术。“你不能再向[拖运公司] Eddie Stobart并说'看,你能扔几辆燃料电池卡车,绕着你的货物运送,只是为了尝试它,”他说:

“战略是,在路上得到汽车,因为汽车是一个易于渗透的易于市场......我们知道我们可以向特定用户销售足够的汽车,以展示技术的工作,帮助基础设施的发展。”

然而,尽管重型车辆是排放的重要来源,而且也是“艰难到脱碳”扇区,开关到燃料电池不是上面的结论。

Patrik akerman.Siemens ehighway的业务开发主管,将这些车辆视为“冒险下注”,如果您认为电池电动汽车有“赢得燃料电池汽车的比赛”。

他讲碳简短说,如果必威手机官网你“采取现代和其他人”,那么燃料电池市场的规模将太小,无法在卡车内实现规模经济:

“那意味着,不仅燃料对于卡车来说太昂贵,而且车辆也不会以价格竞争而贬低。”

根据彭博新能源(BloombergNEF)表示,尽管氢燃料仍可能在长途卡车中发挥作用,但未来的公交车、轻型卡车和汽车市场很可能主要是电动的,到2030年,燃料电池行业的起步将需要1050亿美元的补贴。

根据Akerman的说法,清晰的替代方案是安装他公司类型的开销充电电缆已经试图了在德国。

一种文献综述对气候友好型卡车的研究发现,几乎每一项包括这些“链”线的研究都得出结论,这是更好的脱碳技术,优于氢燃料电池。

下面的图表,来自白皮书国际清洁交通委员会(ICCT)的研究表明,在德国,氢燃料电池(以紫色条为代表)比悬链线更昂贵,也比其他传统化石燃料的替代品更昂贵。

四种不同减排方案的额外成本
与基于化石燃料使用的参考案例,四种不同排放场景的额外成本与德国长途省电,重型货运部门的辅助燃料使用相比。来源:国际清洁, 基于Kasten等人(2016)

也是潜力为不依赖围网电线的电动卡车的开发,尽管尽管如此,这可能是可行的担心关于所需电池的大小和重量。

奥克霍克斯特拉是一位智能行动性的高级顾问埃因霍温科技大学,发现在一个场景中,将其成本与其他选项进行比较国际能源机构的报告在卡车上,电动车出来。

一个关键问题是始终存在的低碳氢可用性问题。根据IEA,如果目前运行的每辆车,卡车和公共汽车都被燃料电池换成了燃料电池,则氢需求每年需达到300MT,所有用途的电流水平超过四倍。

由于车辆所有权增加,由于车辆所有权增加,低碳氢气的供需设定有限,以继续上升,因此Akerman讲述了碳简介,在可能的情况下,它更好地通电:必威手机官网

“[西门子使]电解器[氢]。我们很乐意向市场提供这一点,但我们看到这是一个巨大的承诺,只是为了处理现有需求。“

他补充说,有一些部门,如长途运输,这不太可能切换到电池,使其需要更大的绿色氢。“你可以在[直接]使用电力的地方......你应该,”他总结道。

运输和航空

航空和运输负责大约5%全球排放,也难以通用。氢或氢气燃料,如因此,这对净零目标至关重要。

过去一年见过日本发射第一个海洋液体氢载体,被称为氢气前沿,看到第一个氢气动力的小客机乘飞机。

但是,这些演示项目,两者都使用过氢气最终衍生的从化石燃料,目前是氢在这些领域的进步的上限。

一架氢动力Piper Malibu从英国克兰菲尔德机场首次起飞,启动了ZeroAvia在2023年底前进入服务的努力。
氢气动力吹笛者Malibu从英国的Cranfield机场举行了第一次航班,以便在2023年底之前推出Zerovia的努力来实现服务条目。ZERED:ZEROVIA。

小丽毛,一个海事研究员国际清洁交通委员会(ICCT),她告诉碳简报,必威手机官网她认为没有氢,航运不太可能脱碳,但有障碍阻止它取代化石燃料:

“该行业表示,氢是他们感兴趣的主要选择之一,但没有专门的资金,进展不大。”

到达国际海事组织的(imo)目标与2008年,行业数据相比,2050年划分的50%的50%排放量已经同意商业上可行的零排放船舶必须在2030年前进入全球舰队。

然而,尽管各种各样早期的项目根据a的说法,在运输中使用基于氢气燃料的运输燃料,通过“死锁”抓住了“死锁”报告壳。

海事组织的另一份报告劳埃德银行注册2019年总结称,“在选择一种燃料、一种技术和一条路线时仍存在不确定性”。

船舶中的氢气可以在发动机中燃烧或用于在燃料电池中产生电力,但两种选择需要昂贵的新基础设施来运输和存储船上的气体。

需要比油基燃料和那里更多的存储量至少五倍是担忧它可以进食进入货物储存,因此,利润。

但是,毛泽东举行了建模研究今年早些时候发现99%的集装箱船舶在中国和美国之间的繁忙路线旅行可以由氢气提供动力“只有燃料能力或运营的微小变化”。

尽管如此,Ole Graa Jakobsen.世界上最大的集装箱运输公司Maersk的舰队技术负责人讲述碳简介,虽然它可以在较小的船只中使用,但他们“不要指望氢气成为相关燃料”。必威手机官网

我们相信将氢转化为甲醇或氨并将其用作燃料将更有意义,并将其用作燃料,“他说。

虽然它仍然需要比化石燃料更多的空间,但是氨比氢气更致密,并且已经在船上周围运输。必威体育在线注册甲醇也是正在考虑作为氢的更实用替代品。

如下图所示,在长途运输中,氨尤其可能比氢便宜,这主要是由于较低的存储成本(如图绿色所示)。氢很难液化,而氨很容易在温和的压力和温度下以液体的形式储存。

大型运输船不同燃料和动力系统的当前和未来成本,包括极低硫燃油(vllsfo)和液化天然气(LNG)的化石燃料选择,以及以氢和氨为动力的内燃机(ICE)。来源:IEA。
大型运输船不同燃料和动力系统的当前和未来成本,包括极低硫燃油(vllsfo)和液化天然气(LNG)的化石燃料选择,以及以氢和氨为动力的内燃机(ICE)。来源:IEA

和氢一样,氨和甲醇都是低碳的,但目前的大部分需求是由化石燃料(S.ee:“产业”).

一份报告1920年9月20日由壳牌通过80个行业数据的访谈确定了绿色氢气和氨作为脱碳运输的热门选择,65%和55%的受访者表示他们将它们视为未来混合的一部分。甲醇是“很少提及”,只有10%的人说他们对未来这么重要。

但是,该报告还得出结论,其他行业认为氨作为未来的燃料,有“几乎证据”:

“因此,如果航运选择氨气作为主要燃料,基础设施成本很可能将完全由该行业承担。”

最终,需要船舶削减排放,有效碳定价和低碳燃料标准的任务是可能需要使这些替代品具有竞争力的建议之一。

航空是脱碳的另一个困难的行业,并且说,氢气可能具有关键作用的难度行业艾哈迈德博士Baroutaji他是麻省理工学院的一名工程师伍尔弗汉普顿大学他发表概述去年这个主题。他讲碳简短:必威手机官网

“航空业有一个目标到2050年,在2005年的水平上实现二氧化碳净排放量减少50%的目标,只有在行业中部署更多的氢技术,才能实现这样一个雄心勃勃的目标。”

气体可以直接燃烧,用于电燃料电池或与CO2结合使用,以产生类似于煤油的液体合成燃料,这需要相对较少的现有基础设施的变化。

氢气在平面中使用的一个问题是它在燃烧时产生的水蒸气水的贡献高海拔地区的温室效应。

这个问题导致了英国的气候变化委员会完全驳回此选项,陈述2018年,“因此,在脱碳航空中似乎并不似乎是氢气的作用”。

最近的评估更积极。一份报告今年5月,欧盟委员会(European Commission)提出了2035年和2040年引入氢动力中短程飞行的目标。目前飞机排放的三分之二来自氢动力中短程飞行。

同样的报道得出结论,氢燃烧可以将每次飞行的整体气候影响降低50-75%,核算客座率的影响包括水蒸气,烟灰和氮氧化物(NOx)。燃料电池推进将具有更大的益处,介于75-90%之间。

根据这份报告,氢燃料电池产生的水蒸气足够冷却,可以在飞机上捕捉和储存,从而避免气候影响。虽然这对氢燃烧来说是不可能的,但它对气候的影响仍然低于煤油。

Baroutaji说,尽管燃料电池有望在试飞中得到应用,但它们仍然“只适合为轻型和小型飞机提供动力”。尽管如此,他说工业对氢技术有相当大的兴趣。

空中客车公司已经发布了“世界上第一个零排放商业飞机”的三个概念,公司希望在2035年进入服务。飞机将依靠氢气燃烧与氢燃料电池的一些支持。

Zeroe空中客车概念飞机。信贷:空中客车
Zeroe空中客车概念飞机。信贷:空中客车

据航空网站(Aviation网站)表示,在启动空中客车的2035个目标之后,波音产品开发商迈克尔·斯诺特表示,他并不认为氢飞行是“围绕角落的东西”。FlightGlobal

虽然波音本身推出了2008年的第一个氢气飞机,Sinnett将氢气生产和储存限制为商业应用的障碍。液化氢需要是煤油储存量的四倍。

从短期来看,是公司可以使用尽管生产成本高,由氢气和二氧化碳制成的合成燃料替代煤油。它们还将具有发射二氧化碳的主要缺点。

然而,如果在发电厂中捕获用于制造燃料的二氧化碳,因此理论上可以削减整体排放,因为每种二氧化碳分子都将被使用两次。如果使用二氧化碳生产,它们甚至可以是净零从空中捕获

与航运一样,欧盟委员会的报告也提到了这一点总结这对于任何用于扩大和竞争生物燃料等替代方案的选项,将需要长期政策框架和大量研究资金。

铁路

最后一种可以受益于氢燃料的交通方式是铁路。氢动力列车正在缓慢推出,共有两列操作在德国进行试验英国奥地利.法国和日本也有类似的计划。

铁路已经是世界上最电气化的运输方式。四分之三发生在电力列车上的旅客运输。

然而,IEA说,根据“燃料电池成本减少的乐观假设”,与其他一些形式的运输不同,氢气可能对铁路实际上可能具有竞争力,特别是对于不经常使用的线条和大型长途列车,如这种类型用来携带运费。

伯明翰大学的原型氢燃料电池动力Hydroflex列车
伯明翰大学的氢燃料电池驱动的Hydroflex列车原型在昆顿铁路技术中心进行测试运行。图片来源:g.p.e塞克斯/ Alamy Stock Photo。

尽管如此,一个最近的报告由英国铁路网所有者网络的铁路得出结论,氢技术“不适合长途高速和货运”。

具体来说,报告引用与柴油相比,氢燃料的存储容量需要8倍,而且到目前为止,没有氢动力货运或高速列车可用。

相反,报告框架氢气主要是农村地区低速客车线的解决方案,或处理“离线”部分,如隧道和桥梁,这很难通过架空电线通电。

一些建议在某些位置安装架空电线的高成本使氢在某些情况下具有更经济的选择。

另一份报告这本书去年由英国铁道部长出版铁路工业脱碳工作小组,注意到“氢的未来成本是不可预测的,特别是赋予生产资料缺乏确定性”。

在英国,火车的二氧化碳排放已经被削减了在过去的十年中,在过去的十年中,通过电气化并且电力系统被脱碳,在过去的十年中达到50%。

国家铁轨设想电气化作为该国剩余统一铁路剩余的至少四分之三的解决方案。氢被鉴定为仅5%的最佳选择。

其报告还指出,即使在技术上可以使用电池或氢气的情况下,电气化仍然可能“代表最合理的选项”。

行业

氢的灵活性意味着它在工业上有广泛的现有和潜在应用,包括化肥、钢铁和水泥的生产。它可以是化学原料,可燃燃料或去除杂质的反应物。

所有这一致意味着行业,特别是石油精,氨和甲醇生产,目前弥补了大部分氢需求。这种氢气从化石燃料完全是完全的。

然而,这种需求已经存在的事实意味着,这些部门中的一些可能是相对“low“对于脱碳。为了达到这个目标,他们使用的气体必须被低碳来源的氢气取代。

由于所需的纯粹量,单独缩放这些现有需求来源的低碳氢气产量将是一项重要的事项。

一直是这次讨论的重点的行业是炼钢。根据我们的数据世界,钢必威体育在线注册铁制造的能量相关排放占全球温室气体排放量的约7%。

亚历山大·弗莱斯德博德博士是工程公司技术官员Primetals技术他告诉《碳简报》必威手机官网,钢铁制造商一直在努力通过优化工艺来减少排放,但这些努力只能到此为止:

“有一定的物理限制可以去...... [但]达到目标成为净碳零[这些变化]不够。你必须切换到氢气。“

钢铁生产。信用:原始。
钢铁生产。信用:原始。

而直接电气化炼钢则使用一种叫做电解沉积可能是未来的一种选择,但迄今为止,它只在试点规模进行了演示。

一些钢是已经回收从废料废料,炉子供电,哪个可能是无碳化。然而,弗莱尚德尔表示,如果要达到足够高的品位,用于汽车工业等行业,大多数钢材仍需要来自原始铁矿石。

这依赖于一个多世纪以来大致保持不变的进程。铁矿石在高炉中与焦炭一起熔炼,焦炭既是燃料,也是去除氧气和留下纯金属的还原剂,排放二氧化碳。

氢气可以作为燃料注入这些熔炉,削减排放量最多20%。这个技巧被测试由德国钢铁生产商Thyssenkrupp仍然依赖于煤炭来减少矿石。

一个较新的生产方法直接重新寿铁(DRI)使用氢气作为还原剂。这不需要熔炉来熔化矿石并且仅排出水。

当它站立时,大约7%使用DRI制造钢,足以使钢制造氢的第四大用户。缩放此过程将帮助行业脱碳如果使用低碳氢代替来自化石燃料的氢气,则为Fleischanderl解释:

“技术上,没有一个大问题。大多数事情已经解决了......真正的障碍是有足够量的可用性以及绿色氢的价格。“

根据如果用DRI和电炉取代所有炼钢行业,该行业的氢需求将增长15倍。

试点项目欧洲正在将低碳氢整合到炼钢中,但“绿色钢铁”何时能具有竞争力仍是一个悬而未决的问题。

瑞典钢铁公司SSAB.正在运行HYBRIT项目据悉,这将从2026年实现“无化石钢铁产品”,并使其能够将化石燃料从2045年删除。

Ad van Wijk教授代尔夫特理工大学说他对与其他部门相比如何迅速起飞时持怀疑态度:

“人们认为,绿色氢将首先取代工业上的灰色氢,但我怀疑这是否真的会发生……最终会发生,但一开始很难,因为价格和(所需的)数量。”

一个est一世伴侣彭博堡,表明到2030年,绿色氢可以与最昂贵的煤基钢竞争,假设氢的成本约为每公斤2美元。这种估计依赖于电解槽成本的大幅下降和可再生能源的广泛部署。

使用氢气和煤制成的钢成本
使用氢气(紫色线)和使用煤(黑块)制造的钢制成本,不包括碳价格,不包括碳价格。来源:BNEF.

一份报告关于主题,咨询麦肯锡欧洲的“纯氢钢生产”将在2030年至2040年之间具有成本竞争力,而欧洲的绿色钢预计将占多数。

然而,绿钢可能仍需要各国政府的相当长,可能包括排放交易计划支持绿色钢铁的开关和配额。

Fleischanderl也强调了碳边界调整欧洲机制使绿钢竞争与中国廉价进口竞争世界上最大的钢铁制片人。

“否则,您无法管理它,因为它很明显,绿钢将花费更多。必须被接受,“Fleischanderl说。

落基山研究所(Rocky Mountain Institute)的托马斯•布兰克(Thomas Bla必威手机官网nk)告诉《碳简报》(Carbon Brief),由于许多政策制定者热衷于保护钢铁制造业作为一个战略行业,价格远非唯一考虑的因素。

他指出,尽管最具成本效益的绿色钢铁生产地点可能是干燥的澳大利亚西北部,那里有铁矿石开采,可再生电力可能廉价而充足,但如果这意味着保持本地生产,欧盟和印度可能会接受更昂贵的钢铁。

另一个“难以脱碳”的部门可以受益从氢的引入就是水泥。水泥生产过程中产生的二氧化碳全球排放量的3%,尽管这还不包括能源投入的排放量。必威体育在线注册

燃烧氢可以达到制造水泥所需的高温,避免了化石燃料的燃烧,目前化石燃料的排放占水泥排放总量的三分之一。

然而,该领域的进展目前非常有限,更换化石燃料将需要整个新的基础设施,因为现有的水泥窑不适用于纯氢。

英国政府可行性研究去年出版地研究了生物质和氢气的混合物,以制造“净零”水泥,注意到在这种情况下氢气“从未被测试过”。一个专案获得了600万英镑(800万英镑的资金来测试这个想法。

其他工业部门,如玻璃,纸和铝的制造,也依赖于热源进行各种过程,包括熔化,干燥和驾驶化学反应。

氢可以燃烧或用于燃料电池,以满足部分热量需求,尽管可能需要一个强有力的政策框架来与廉价的化石天然气竞争,并弥补对新的加热设备的需求一篇论文称为“一些新兴解决方案的中等技术准备水平”。

由于它掌握了“几乎没有专门的氢气产生的发电机”,预计将与生物量和CCS“竞争”,根据IEA。

该机构表示,它可以竞争工业热的电气化,尽管电力已经更加开发。一项研究发现78%的欧洲行业的能源需求使用已建立的技术已经是可透水的。必威体育在线注册

至于已经依赖于氢气的工业过程,而效率改善可能会遏制它们的一些需求,总体而言预计会增长。这意味着企业需要寻求低碳氢气来源以脱碳。

单个部门最大的需求是油精,其中氢气用于去除硫和其他杂质。

虽然石油使用可能符合气候行动,但收紧燃料中硫含量的规定意味着在该行业中仍然可能对氢气进行大量需求。

氢也是化学工业的主要原料,特别是用于制造化肥的氨和用于溶剂、粘合剂和其他各种物质的甲醇。

预计对这些物质的需求将在未来几十年中增长。然而,如果这些化学物质建立了长距离运输氢的方式,或者作为它们自己的替代燃料,它可能会进一步增长。

尽管有毒性,但特别是氨在某些应用中讨论了氢气中的替代品,特别是送货(见:“运输”).它可能储存和运输

它比氢气更容易,因为它是一种液体,在相对较低的压力下,既可以转化回氢气,也可以燃烧而不产生二氧化碳。

最近决议事件,欧洲委员会能源顾问必威体育在线注册都铎王朝Constantinescu他说,他看到这种氢衍生的燃料在一个完全脱碳经济中发挥“一个非常重要的作用”。

低碳氢可能是所有这些应用脱碳的关键,但它的成功将取决于与使用CCS和生物质的天然气的竞争,这两种技术也可以用于减少工业排放。

汤姆布朗博士Karlsruhe工学院他告诉碳简报,这必威手机官网有助于解释为什么会出现这种情况如此多的变化在氢气使用的突起中。“我认为任何人都不知道哪一个会成为最前沿的人,”他说。

哪个解决方案在顶部出来,IEA说明了迅速扩大规模以解决工业排放问题的紧迫性。

在其氢报道根据该机构的计算,为了满足未来对氨和甲醇的需求,同时将使用化石气体的升温控制在远低于2摄氏度的范围内,从现在到2030年,必须以每月4个月的速度建造每年捕获100万吨二氧化碳的CCS装置。

如果用绿色氢来实现同样的目标,到2030年,每周必须建造6到7个100兆瓦的电解槽。
根据IEA,2021年是当前设置看到越来越相当于四个100MW电解器在整个年度运作。

氢的多功能性意味着它可以在电力部门有多种应用,包括在改造发电厂和提供电力在偏远的岛屿上使用燃料电池。

特别是,氢气可以在电力系统中发挥的两个有价值的角色。

首先,已经提出了潜在低碳电力的灵活来源,可用于补充由可变可再生能源的栅格,例如风和太阳能。

其次,电解器可用于使用“缩减“当可再生供应超过需求时,”在特别晴朗或有风的时期将浪费的发电即可。

在德国Madfeld的多云早晨光的风农场
在德国Madfeld的多云早晨光的风农场。信用:毛里求斯图片GmbH / Alamy股票照片。

随着可再生能源为世界提供越来越多的电力,氢倡导者将气体视为“深脱碳“,在太阳和风不足以提供电力。

在这种情况下,氢可以作为一种有用的能源储存形式,覆盖电池不足时可再生能源系统的季节性变化。必威体育在线注册

可再生电力可以转化为氢气,这些电力有时来自家庭电网,而且价格便宜。或者,也可以从风力或日照过剩的国家进口(请参阅:“氢气将如何影响全球地理位置?”

氢可以通过将其压缩到地下盐洞或枯竭的化石燃料场所来储存,与化石气体混合或用于生产其他燃料。当需要时,它可以被转换成电能,或者用于能源系统中的其他用途,比如运输燃料。必威体育在线注册

在短期内,电池倾向于提供一个卓越的存储系统,有往返效率(能量与能量的比例)必威体育在线注册超过80%,相比35-41%为氢。

然而,当能量需要储存数天或数周时,氢可以被使用必威体育在线注册自销售在更长的时间内。

这对于更大规模的存储需求也更有意义,与氢存储所占用的空间相比,这将需要“巨大”数量的电池,根据IEA。

尽管这些应用程序,汤姆布朗博士Karlsruhe工学院,他有模仿他说,电力部门不太可能成为大规模推出氢燃料的首要目标。他讲碳简短:必威手机官网

“如果你要去除一吨二氧化碳,把氢放在钢铁或氨气部门比担心最后10%的电力需求脱碳更有意义。”

布朗说,在使用电解和绿色氢之前,尽可能多地使用可再生能源发电是“更经济的”。

他说,在生产和存储基础设施为其他部门(如工业)提供氢气之后,用于备用发电的氢气自然也会随之而来:“你基本上可以免费获得氢气,以及这个100%可再生世界的最后10-20%。”

根据A.报告欧洲大学学院,使用氢气储存是“大幅高估”的只是因为,在欧洲至少,没有太阳或风的时期实际上并不是很常见:

“在冬天,冬季的海上风多大程度远远超过夏季,传输网格相当有效地连接欧洲。”

然而,利用缩减权力已提出作为一种策略,不仅是削减排放,而且省钱。

一种报告英国电力行业的净零机会国家基础设施委员会(NIC)得出结论,从缩减电力生产氢气“有助于降低高度可再生混合物的系统成本”。

Irena这“可以显著帮助改善氢气生产的经济性”,也为可再生资产所有者提供收入。

随着可再生能源的普及,这些时期变得越来越普遍。Wood Mackenzie公司的本•加拉格尔(Ben Gallagher)告诉《碳简报》(Carbon Brief):必威手机官网

“[in]加利福尼亚,德国,西部和西德克萨斯州,削减频率和负电价事件随着氢通过电解,非常类似于储能,被认为是有助于管理网格灵活性的潜在工具。“必威体育在线注册

虽然这是一个有希望的想法,它可能并不实用,即使在未来几年内推出了重新启动的重要推出。NIC.笔记由于其生产波动性,“由于其生产波动而低成本,”这将挑战所有缩减的可再生生成。

太阳能阵列在希尔峡谷污水处理厂
加州希尔峡谷污水处理厂的太阳能阵列,它提供了该设施大约15%的能源需求。必威体育在线注册资料来源:星球公民/ Alamy Stock Photo。

专门用来利用这一否则浪费的电力的电解槽只有Irena Notes的10%左右运营。这是由于削减是偶尔的事件,当条件特别晴天或刮风时。

这种低利用率意味着由于与电解器本身相关的成本,它们产生的氢可能不会竞争。

另一方面,正如Agora Energiewende的Gniewomir Flis所指出的,电解成本的下降可以帮助减少电力中的氢与化石燃料氢竞争。

此分析基于质子交换膜PEM (PEM)电解液,与更广泛使用的碱性电解液不同,它能够快速增加并捕获减少的能量。必威体育在线注册

虽然中国是世界上最大的电解商生产商,已开创了相对便宜的碱性电解器的生产,但目前的PEM电解仪太贵了利用有限的电力生产具有成本竞争力的氢气。

但随着欧盟的洪水,它是氢策略,它已经承诺了投资于PEM等“创新技术”的生产,以保持经济竞争力并降低价格。

大厦的热量

建筑的空间供暖和热水供应是潜在氢使用中最具争议的领域之一,也是经常被讨论的主题加热辩论。

许多必威体育在线注册专家驳斥氢在建筑热量的脱碳中扮演着重要的角色,因为它比电热泵的效率低得多,使得它的运行成本更高。

其他人则认为它可以处理脱碳热的问题在不影响人们的生活,以较低的前期成本,同时重复利用有价值的天然气分销资产。他们还指出了电网的限制,电网可能需要升级以应对完全通电的热量。

总体而言,效率和电气化是脱碳热的主要途径,说珍妮山他是英国咨询公司建筑与国际行动主管气候变化委员会,但氢可能扮演一个重要的次要角色。她告诉碳简报:必威手机官网

“效率是关键的第一步,否则热问题就会变得太严重。虽然电气化具有首要的战略重要性,但氢可以在达到峰值方面发挥极其有用的作用——无论是在电力部门,还是通过使用混合热泵(见下文)——以及在地区中发挥作用。”

建筑供热是需要解决的主要问题。根据IEA,在建筑物中的热量使用占全球最终能源需求的20%以上,包括空间加热,热水和烹饪。必威体育在线注册

该20%的份额可以与上面所示的深脱碳情景中的氢吸收进行比较(S.EE:需要多少氢气来限制气候变化?),到2050年,最高24%的最终能源由氢气提供,供所有用途。必威体育在线注册

此外,这些研究中的大多数氢用于工业,运输或功率,而不是建筑物。这表明使用氢气与脱碳的大部分建筑物热需求都不会是最佳的。尽管如此,可能需要替代品不可行。

一些国家已经在使用电力或地区供暖,脱脂了脱脂的脱脂速度。但是,在许多其他人中,有过有限的进步。

解决热量排放问题被普遍认为是一项挑战,特别是对于那些隔热性能较差的现有建筑而言。IEA称,到2050年,这些建筑仍将占全球存量的五分之二。

在全球范围内,IEA表示,约有41%的建筑物热量来自燃气燃气,从国家到国家的广泛变化。这在下面的图表中显示,气体(深灰色)在荷兰和英国提供大约80%的热量,但在北欧国家更接近零。

由燃气(深灰色)、电力(蓝色)、区域供热(橙色)和其他燃料提供的建筑供热份额,%,在一系列国家。资料来源:鲜明的经济学2017年英国政府的报告,如2019年的查塔姆屋所引用。
由燃气(深灰色)、电力(蓝色)、区域供热(橙色)和其他燃料提供的建筑供热份额,%,在一系列国家。来源:生动的经济学2017英国政府的报告,引用于查塔姆研究所2019

燃气加热的广泛使用是氢气的机会,倡导者说,因为它可以充当“像样的“更换燃料。氢气可以在氢气中燃烧修改后的燃气锅炉或者滚刀,燃料由重新浏览网络气体分配管道。

联盟公司在英国一直在努力测试这个想法几年这样做的目的将“英国气体栅格的重要部位转化为100%氢”。政府最近的气候计划旨在将整个城镇的氢热试于2030。

在国际上,有至少有37个项目测试氢气将氢气混合到现有的气体网格中,认为持续高达20%的体积,而不会改变消费者。这被视为一种“低遗憾”,减少加热和扩大氢气的二氧化碳。

英国的天然气输送管道网络——历史上由易泄漏和易腐蚀的铁制成——已经被替换为“含氢”塑料管,尽管压缩机和网络的其他部分也需要更换以应对100%的氢气使用。

替换铁电源将完成2032年,说马修·辛德他是该公司的汽油主管必威体育在线注册能量网络协会,代表英国的天然气和配电公司。

锅炉制造商首席执行官Carl Arntzen伍斯特博世,讲碳简介认为,必威手机官网在他看来,氢是目前用化石气体加热的85%的85%的最佳解决方案。

他指出了热泵面临的实际挑战,包括需要升级建筑能效,更换散热器,为热水箱和热泵设备寻找空间。必威体育在线注册

Carl Arntzen,伍斯特博世首席执行官和瑞利斯岛,校长,带有备用锅炉。信用:伍斯特博世。

家庭和行为发生破坏性变化的想法常常是为人们思考关于热量的未来,恩娜的钟声说。(最近,英国气候大会发现对氢气,热泵和热网络的强大支持,以解决热脱碳。​​)

但是,尽管重大能效升级可能具有破坏性,但无论如何都可能需要它们。理查德博士洛斯博士埃克塞特大学,讲述碳简介:“必威手机官网在我见过的每一点分析中,无论是氢还是电气化,你必须做效率让事情成本效益。”

在成本上,最近的分析显示热量的氢气比气体贵三倍,而热泵是廉价奔跑在某些情况下作为燃气锅炉。

BNEF的Meredith Annex表示,使用氢气热量是一个“昂贵的用例”,燃料相对于热泵“奋斗”,即使是总体拥有成本。

对于广泛使用热泵的另一个经常引用的问题是它将显着提高电网的峰值需求,特别是在高纬度国家,例如英国。

这一点经常陪同根据下面图表的不同版本,显示了目前英国电力(蓝线)和燃气(红线)满足的半小时能源需求的季节性变化。必威体育在线注册(必威手机官网Carbon Brief了解到,天然气行业一些人的名片上也有类似的图表。)

对英国的热量和电力需求
半小时对英国的热量和电力的需求,千兆瓦。热需求是估计。来源:管理热系统脱碳化帝国理工学院能源政策与技术中心。必威体育在线注册

这张图表表明,要满足用电高峰的热需求,可能需要电力系统的规模大幅增加,峰值用电需求增长了五到六倍。

最近的证据表明,对热能的需求比思想低约40-50%,更接近170必威体育在线注册千兆瓦(GW),而不是上图中图表中所示的300GW的峰值。这将是进一步降低了通过道路上所需的能必威体育在线注册量效率改进到净零。

此外,热泵通过从外部空气绘制温暖,将用于运行它们的能量乘以两三次,这取决于器件性能和环境温度。必威体育在线注册这可能是削减最高峰在热能再次下降。必威体育在线注册

即便如此,寒冷冬季夜晚期间电热的剩余额外的峰值需求可能会突出电网。虽然有可能覆盖这些峰,但它可能是昂贵的。

根据包括CCC和BNEF的分析师,这是氢气可以介入的地方。他们指出了使用大多上电力的“混合”热系统,但在最冷的日子里使用氢锅炉“充值”,与碳捕获和储存或储存的气体或燃烧的峰值电厂都可以使用填补风和太阳能输出的差距。

另一种选择是用氢气加热的某些方案,特别是在区域“集线器”周围使用燃料和相关基础设施 - 是普遍的。

研究在八月份出版的一份报告中,Lowes和他的同事们认为供热行业“在职者们为了保护他们的利益而向政策制定者们过度兜售‘绿色气体’,从而削弱了电气化的重要性和价值。”他们的论文中说:

“由学术界的技术经济分析,英国政府及其顾问一再建议,热量需求的电气化,主要用热泵与热需求的降低,代表了最低的成本途径接近完全脱碳的加热。”

一种审查来自的选择英国能必威体育在线注册源研究中心(UKERC)的结论是,“电气化和能效仍然是建筑业脱碳的两个主要策略”。必威体育在线注册如果“显着的不确定因素”解决了,氢气可能发挥作用。

虽然Lowes和其他人支持大型氢试验来评估燃料的潜力,但他们警告这项工作不应被用作避免使用其他选择取得进展的借口。

在最近的博客中,Stian西湖,英国创新基金会执行董事巢滩,讨论了“仿生浮萍”的更广泛,相关问题,在此,将来的新技术解决方案的承诺用于阻碍现有选项的使用。他写了

“虽然我不怀疑氢气家庭加热有一些善良的爱好者,但我想知道很多热情是关于部署一个温暖的未来主义,阻止热泵的当今威胁。”

Jan Rosenow博士来自监管援助项目告诉碳简要:必威手机官网

“我认为一个合理的方法是逐步进行,即先测试氢的使用情况,然后逐步推出基础设施,而不是制定一个全是关于氢的宏伟计划……在我看来,这似乎是误入歧途。”这是一个非常危险的战略,可能会彻底失败——然后在10年的时间里,你什么都没做。”

必威手机官网由Tom Prater和Joe Goodman设计的碳简报地图,图表,图形和交互。

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