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奥地利林茨voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施。 信贷:钢联股份有限公司
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2020年11月30日8:00

深度问答:世界需要氢来解决气候变化问题吗?

多个作者

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

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,随着各国采取净零战略以配合其国际气候目标,从澳大利亚、英国到德国和日本,氢再一次被提上了议程。

在最乐观的前景中,氢气可能很快动力卡车,飞机和船只。它可以热,平衡电网,帮助重工业,使一切从钢到水泥。

但是,用氢做所有这些事情将需要惊人数量的燃料,而燃料的清洁程度仅与生产方法相同。此外,对于氢的每一个潜在的变革性应用,都有必须克服的独特挑战。

在这种深入的Q&A中 - 包括一系列信息图表,地图和互动图表,以及数十名专家的观点 - 碳简短检查“氢经济”周围的大问题,并看起来它可以必威手机官网帮助世界避免危险的气候变化。

氢是什么?它如何帮助解决气候变化问题?

氢是宇宙中最轻最丰富的元素。它也是一种爆炸性的、清洁的气体,每单位重量的能量比化石燃料还要多。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五分之四of必威体育在线注册能源供应并发出大部分全球温室气体排放的比例。

这可以帮助气候目标,因为氢气仅在燃烧时发射水,并且可以在不释放CO2的情况下进行。(其生产目前发出830亿吨二氧化碳[MTCO2]每年。)

氢气经济可能是全部包资的。或者它可以填充一系列利基,这取决于每个潜在应用的氢可用性,成本和性能相对于替代品。

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。

“你是不是还是反对氢?这似乎是错误的问题。我认为这个问题是:你真的需要在哪里使用它吗?“说Jan Rosenow博士监管援助项目

氢可以帮助解决“关键的”难以减少的行业,如钢铁和长途运输,说TimurGül.他是总部位于巴黎的世界卫生组织的负责人国际能源机构必威体育在线注册(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,它有相当重要的位置……但我认为,如果你的目标是净零排放,你就不会寻找建立一个氢经济,你会寻找一个脱碳能源部门。”必威体育在线注册这是达到目的的一种手段。”

通过用电解 - 电解 - 或通过用热量或蒸汽分裂化石燃料或生物量来制造氢气,使用“改革“ 或者 ”热解“。可以捕获并存储任何CO2。

氢气可以通过管道、卡车或船舶进行储存、液化和运输。它可以用来制造化肥、燃料汽车、取暖、发电或推动重工业。

这种潜在的氢“经济性”如下图所示。这些插图的编号从1到3,展示了氢是如何被制造、移动和使用的。

氢气可以是存储

转换合成

燃料或运送通过

卡车,船舶或管道

氢经济

2.

网格

贮存

出口

如何制造低碳氢气,

移动和使用

电解

供应与分销

原子能的

太阳能

行业

加热

最终用途

生产

氢气可以是

使从电力,

生物能必威体育在线注册源或化石燃料

碳捕获

运输

1。

改革

CCS.

肥料

生产

气体

二氧化碳

二氧化碳

氢气可以是用过的

运输、工业、

发电、

肥料或加热

3.

煤炭

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石油

生物量

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图片由Tom Prater绘制。

一些氢经济的倡导者描绘了一个广阔的未来愿景,在那里它将取代目前由化石燃料占据的大部分社会、经济和地缘政治地位。

现代汽车燃料电池部门负责人Saehoon Kim博士向Energy UK表示必威体育在线注册网络研讨会7月:

“过去,我们的技术和行业都是收集石油、输送石油和使用石油。而现在,在未来,它将收集阳光,传递阳光和利用阳光——而使之成为可能的是氢。”

在这个构想中,太阳能——以太阳辐射和风能的形式——通过电解转化为必威体育在线注册氢气,然后在世界各地运输。

作为全球交易商品,氢气可以重拍地缘政治地图,结束对化石燃料出口国家的依赖,提高进口商的能源安全。必威体育在线注册

在其2019年报告中,国际能源署将工业发展和技术工作列为氢的潜在优势。该公司表示,氢具有灵活性和多用途性,可以作为燃料,也可以作为地点之间的能源载体,以及通过存储在一天或一年的不同时间之间的能源载体。必威体育在线注册

根据IEA的2019年报告,它还可能延长化石燃料和天然气管道等相关基础设施的寿命氢报道说:

“CCUS(碳捕获、使用和储存)被用于降低化石燃料制氢的二氧化碳强度,这将使一些化石燃料资源能够继续被使用。”

城市燃气管在地面维修。
城市燃气管在地面维修。信誉:安德尔·布吉斯诺/ alamy股票照片。

此外,氢经济有助于平衡各种可再生能源发电的使用。电解可以吸收多余的供给,当没有风或太阳的时候,氢也可以在燃气轮机中燃烧确保满足电力需求。IEA解释说:

“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目前用于供热、电力、工业和交通的很大程度上独立的能源系统,这个想法被称为“必威体育在线注册部门的耦合“。

而且,制造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成本降低经验变得廉价

考虑到所有这些优势,国际能源署的报告称,“在未来,设想一个全面的低碳氢经济是很诱人的。”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。“

同样,彭博财经网的资深撰稿人Micheal Liebreich在一篇文章中写道最近的一篇文章“从表面上看,(氢)似乎是所有能源问题的答案。”必威体育在线注册但他补充道:“遗憾的是,氢也有同样令人印象深刻的缺点。”

氢的优点

  • 干净地燃烧,只释放水和能量。必威体育在线注册
  • 每单位重量能储存比大多数必威体育在线注册其他燃料更多的能量。
  • 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,作为一种能量储存形式或作必威体育在线注册为化学原料。
  • 可以用少数替代品拆除脱碳“难以减少”扇区。
  • 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。
  • 笨重和运输和商店昂贵。
  • 效率低,生产,提高成本并要求更大的能量供应,甚至更快地扩大清洁能源生产。必威体育在线注册
  • 供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:

“氢有安全风险,高昂的前期基础设施成本和一些化石燃料供应和分配的工业动态,特别是与CCUS配合使用时[碳捕获、使用和储存].目前还不清楚市民对氢的这些方面会作何反应。”

国际能源机构还说,由于氢的复杂性,存在“先有鸡还是先有蛋”的风险供应链和价值链,这使得逐步部署更加困难。

例如,用化石天然气替代建筑供暖将依赖于大量低碳氢的供应,以及适当升级的基础设施来分配和安全燃烧燃料。

政府和政策对氢的支持也存在不确定性,尽管越来越多的国家正在制定专门的氢战略(见下文).

低效率是另一个重大挑战,在生产和使用氢气中的每一步都浪费了更多的能量比许多替代品。必威体育在线注册

IEA说:“基于氢气的燃料可以利用现有的基础设施,其价值链的有限变化,但牺牲了效率损失。”

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首席工程师写在2018年:“基于对相关技术的了解,对经济的全面采用氢气进行全面采用的战略看起来严重效率。”

下面的图表显示了为什么电动汽车比氢燃料电池汽车或那些使用从氢中提取的合成燃料的汽车效率高几倍。

这是一个相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的形式,供以后使用。

IEA解释说:

“所有必威体育在线注册能源载体,包括化石燃料在内,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、运输和储存后,再将其在燃料电池中转化为电能后,输送的能量可能会低于最初输入电能的30%。必威体育在线注册

“这使得氢气比电力或用于生产它的天然气更为”昂贵“。它还进行了最小化任何价值链中能量载流子之间的转换次数的情况。必威体育在线注册也就是说,在没有对能源供应的限制的情况下,只要有二氧化碳排放,效率就在很大程度上是经济学必威体育在线注册问题,在整个价值链的水平上被视为经济学。“

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效率低下了,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,平均效率燃煤电厂的比例仅为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,尽管成本、效率和技术性能都是需要解决的重要因素,但“除了技术经济之外,还有一些真正关键的驱动因素,”他说托马斯·布兰克,工业和重型运输的高级负责人岩石山研究所

谈到欧盟最近发布的氢战略(见下文),他告诉《碳简报》:必威手机官网

“最终,对欧盟来说,驱动它的不一定是成本,而是能源供应安全,减少(俄罗斯石油和天然气进口)对普京的影响,以及创造就业机会。必威体育在线注册目前,氢能源机遇的这些方面被低估了,而它们将推动事情向前发展。”

哪些国家正在探索使用氢气?

去年,国际能源机构必威体育在线注册(IEA)编写了一份关于未来的氢他指出,该公司“目前正享受着前所未有的政治和商业势头”。

报告称2019年是能源载体的“关键一年”,并概述了支持能源应用的政策和研究的稳步增长。必威体育在线注册

有影响力的组织,包括国际能源机构,氢委员会BP.,所有人都揭示了他们未来的重要性和其他人的愿景预示2020年代作为“氢十年”。

使用可再生电力生产的“绿色”氢气管道正在迅速扩张,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

仅有的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”国家决定的捐款到这笔交易,但兴趣正在作为一个国家的浪潮,鼓励净零目标,制定国家氢能战略。

一种最近的评论由这件事世界能源理事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。

选定国家对氢的支持程度,包括国家战略、试点和示范项目以及政策讨论。这是根据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得出的数据。必威体育在线注册乔·古德曼(Joe Goodman)为Carb必威手机官网on Brief绘制的地图。

最重要的声明之一是欧盟委员会的“氢策略2020年7月发布的《欧洲气候中性》,其中包括到2030年欧洲电解槽产能达到40千兆瓦(GW)的宏伟目标,以生产“绿色”氢气。

对于上下文,2000年至2019年,全球部署了0.25gW绿色氢工程的总容量,根据咨询Wood Mackenzie。

在一个新闻发布会上推出战略,欧洲委员会副总裁Frans Timmermans将“清洁”氢气作为欧盟的“至关重要”绿色协议“,目标是到2050年实现净零排放。

“大部分能源转型将集中于直必威体育在线注册接电气化,但在钢铁、水泥、化工、航空交通、重型运输、航运等行业,我们需要其他东西。”

这种野心被几个欧洲国家挥霍,包括德国葡萄牙荷兰,释放自己的氢策略,一些在“中的背景”绿色恢复“来自2019冠状病毒疾病。

在压力下与欧洲邻居,英国部长讲过了他们很快将宣布一项“世界领先”的氢战略,以帮助实现这一目标2050年零的目标.国家电网说氢将“需要”满足这个目标。

近期承认最近国家氢策略的“势力”环境审计委员会听力英国商务大臣阿洛克·夏尔马(Alok Sharma)表示,政府预计将在“明年初(2021年)”发布自己的产品。

首相鲍里斯·约翰逊的10点计划“绿色工业革命”提到在氢气上的“高达500米(667米)”的支出,包括未来十年的5GW低碳生产能力的目标。

这是大大减少比其他一些欧洲国家更重要。仅德国一国就表示将投入更多资金€90亿美元用于清洁氢气生产,并将技术出口到海外,但同样的目标是到2030年实现5GW国内产能。

下面的地图展示了世界各地目前和计划中的氢气产能,并显示了欧洲目前在未来生产计划方面的领先地位。

(使用左上角的开关在两者之间切换。)

目前和计划中的低碳氢生产能力,数千吨。请注意,根据捕获和储存的二氧化碳排放量的比例,使用CCS技术生产化石燃料的能力将被列为零碳排放。计划中的项目可能不会全部进行下去,因为它们处于不同的开发阶段,包括没有明确时间表或确定投资决策的项目。资料来源:公开提供的最新版本IEA氢工程数据库,如IEA的碳简介所提供的。必威手机官网汤姆普拉特地图碳简介。必威手机官网

然而,在他的演讲中,蒂默曼斯表示,虽然欧洲一直领先,但其他国家正在迎头赶上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。

最近,一位能源专业人士将这个市场的竞争和对新项目的资金争夺称为“氢战”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氢策略宣布了建立第一个“氢基社会”的计划。

在活动延期之前由于Covid-19,日本政府打算展示它的进步在2020年东京奥运会上,使用氢气为奥运火焰和100辆车供应游戏的巴士。韩国一直另一个早期的采用者。

其他国家,包括澳大利亚新西兰,发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还有欧洲。

负责欧洲绿色协议的欧盟专员弗朗斯·蒂莫曼斯在欧盟委员会总部的新闻发布会上发表讲话。
负责欧洲绿色协议的欧盟专员弗朗斯·蒂莫曼斯在欧盟委员会总部的新闻发布会上发表讲话。图片来源:路透社/ Alamy Stock Photo。

然而,在绿色氢技术和两国之间的竞争方面,中国被视为欧洲最大的竞争对手有帮助降低价格。

已经是世界上最大作为氢的生产者和使用者,中国已经开发氢燃料电池近20年了。前科技部部长万biwei6868功是中国电动汽车战略的先驱它“应该调查建立氢社会”。

必威体育在线注册能源公司,例如贝壳BP.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,曾被视为氢技术领先者的美国,,一直近年来逐渐落后。

(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型项目由能源公司SGH2提出,该公司表必威体育在线注册示,它打算在2023年通过生物量产生一种生产氢气。)

一种最近的报告由该国几家石油公司和汽车制造商支持的声明称,氢“在保持美国全球能源领导地位方面发挥着关键作用”: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?

在这篇文章的两次面试中,通过达到净零排放来避免危险的气候变化,需要广泛共识。关于世界需要多少氢气的达成一致性以及将使用哪些部门。

和电一样,氢也是一种必威体育在线注册能量载体或“能量矢量必威体育在线注册”。简单地说,这意味着它是一种存储、移动和使用从其他来源提取的能量的方便方式。必威体育在线注册

至关重要的是,电力和氢气的生产可以脱碳。(查看:哪些国家探索使用氢气?)这些零碳能源载体对于实现净零至关重要。必威体育在线注册

电气化播放领头人在里面路径识别由这件事政府间气候变化小组政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告显示,目前还无法解锁某些领域,比如长途运输。

这使得氢气“必需”向达到净零点表示大卫·约菲博士他是英国咨询公司碳预算主管气候变化委员会.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,储存在氢中的能量是以相对稳定的化学键传必威体育在线注册递的,而不是更短暂的电荷。这意味着它的能量更容易储存、运输和转化为其他分子用作燃料或化工原料。

“总有一些应用场合不适合电气化,”他说梅雷迪思附件,作用于氢气和加热和冷却的头部BloombergNEF

“这可能是因为你需要一个燃料分子[更高]必威体育在线注册能量密度,或用于化学反应,或用于储存的持久性。因此,我们认为氢燃料和低碳燃料对净零经济是不可或缺的。”

尽管预计氢在实现净零排放方面的作用要小于电力,但从今天开始,氢的生产和使用仍需要大幅增加。

氢燃料的急剧扩张将取决于政策决定、社会选择、相对成本和技术性能,以及每种燃料的潜在应用。

未来制造低碳氢气的成本以及在多个经济部门大规模成功部署燃料的难度也存在不确定性。

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《碳简报》分析了一系列深度脱碳情景下的氢使用情况,以衡量整体的采用水平和特定的最终用途部门。

下图显示了……的比例最终能量必威体育在线注册到2050年,全球(顶部)、欧盟(中间)和英国(底部)将实现深度脱碳。

每一行显示单个报告或组织的调查结果,浅蓝色条表示不同情况下的氢气份额范围(视情况而定)。中心估计值和最大电位分别显示为中蓝色和深蓝色圆圈。

氢气提供的最终能量的份额份额必威体育在线注册
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欧盟委员会的联合研究中心. 看见联系表参考。Joe Goodman进行碳简介的图表必威手机官网高级园林

对于图表顶部部分的全球研究,氢气在2050年在最终能量的零率和30%之间达到任何东西。顶端是理论最大而不是逼真的潜力。必威体育在线注册

覆盖欧盟的方案也有类似的范围,根据欧盟委员会的方案,到2050年净零排放的上限为23%联合研究中心

值得注意的是,本文分析的英国途径包括2050年最终能源的一半由氢气提供,远远高于欧盟和全球研究中的份额。必威体育在线注册

必威手机官网碳简报了解来自气候变化委员会(CCC),12月9日到期,将有氢的股票的场景,以少于总数至三分之一。

重要的是,场景的氢气用途取决于几个因素,包括建模者的假设,模型中的细节水平和建模途径的野心。

前英国政府顾问Guyey.争辩“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场景与氢气摄取之间的相关性。

在任何特定的模型或场景中,氢的使用率较低,这可能反映出与每个最终用途的其他脱碳方案相比,对其成本或技术潜力的过时假设。

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。

“从历史上看,在有影响力的全球能源情景中,氢的作用是有限的。必威体育在线注册学习希拉博士Samsatli在巴斯大学,有国际同事。它补充说:

“从一个过于简化的模型中得到的结果和结论可能具有误导性,甚至可能是错误的。在氢的情况下,如果一项技术没有出现在结果中,那么就不可能确定这是由于该技术的固有缺点,还是由于模型不能充分反映该技术的好处。”

在图表中查看全球研究,上面,最低水平的氢气使用是IPCC的2018年关于1.5摄氏度的特别报道.这种低摄取可能部分反映当时可用的建模文献的年龄,氢气可能被认为是昂贵的。

BP最新的氢气功能更强烈必威体育在线注册能源展望它建立在“氢和生物能源在能源转型中可能发挥作用的更全面模型”的基础上。必威体育在线注册

其“净零”路径——英国石油公司称其大致符合1.5摄氏度的情景——预计到2050年氢的使用量将达到58埃焦耳(EJ),满足全球最终能源需求的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”。

在一个报告出版于2020年3月,BloombergNEF为氢气奠定了更强烈的情况。它确定了2050年满足最终全球能源需求的最大技术潜力。必威体育在线注册

在将预热至1.5℃的途径中,总体上限和能量使用总体的能量使用远低得多,BNEF看到氢会满足最终全球能源需求的24%,如上图所示。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,同时将气温升幅控制在远低于2摄氏度的水平。”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的新能源展望预必威体育在线注册计,氢的使用量将在电力部门(30%)、工业(30%)、交通(25%)和建筑(15%)之间划分,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月出版。这表明,到2050年,氢的使用只满足不到7%的最终能源需求,其中交通(44%)、工业(28%)、电力(19必威体育在线注册%)和建筑(9%)。

到2070年,如果全球变暖保持在2摄氏度以下,国际能源署预计氢将满足最终能源需求的13%,各部门之间的总需求分布不均。必威体育在线注册如右图所示,氢将满足航运和航空的大部分能源使用,但几乎不用于建筑。必威体育在线注册

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2020年能源技术展望

Samsatli及其同事的研究得出结论,行业和重型运输为氢气提供了最大的机会。它补充说,如果建造大规模的氢基础设施来服务这些行业,那么气体也可以在其他地方提供灵活性,例如电力部门。

艾玛捏合他是美国贸易集团首席执行官必威体育在线注册英国能源,讲述碳简介:“必威手机官网氢气最强的商业案例是少数替代品的行业。”

这可能包括运输,重工业或暖气,虽然她注意到:“电气化将不得不成为热量答案的重要组成部分。”Pinchbeck补充说:

“从根本上,能源市场的许多未来的价值将是电子和灵活性。必威体育在线注册S.o hydrogen needs to work out how it’s going to fit into that model…Hydrogen is a really attractive solution, but the challenge is about how it can be commercially attractive to fit into the gaps in the economy, where electricity can’t do it.”

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领袖为了解决今天的问题,从开车2019冠状病毒疾病后的“绿色复苏”减少英国对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动力内燃机是在1807年建造的,关于使用电解液中的氢来取代煤的争论不断出现早在1863年。

汤姆布朗博士该公司的能必威体育在线注册源系统模型师卡尔斯鲁厄理工学院,概述了一些早期历史一系列的最近的Twitter线程。他讲碳简短:必威手机官网

“事实是……只要你足够聪明,基本上任何事情都可以用氢做。人们在很早的时候就意识到了这一点,并且它一直作为一个主题反复出现,但只有当你拥有非常低成本的电力时,它才会真正变得重要。”

这一点的一个早期的例子来自20世纪20年代的100多兆瓦(MW)的氢电解器,以供应肥料行业,在挪威和印度等地方使用廉价水电。

随着其他行业的电力需求增长,以及廉价化石燃料可用于制氢,这些早期的努力逐渐被淘汰。然而,自那以后,出现了几起”炒作周期政府也在努力让氢气脱离地面。

“氢经济术语”是第一个创造1970年由化学家约翰教授Bockris,谁有幻象一个由太阳能和核能产生的氢气驱动的世界。

同年,一篇论文标题为“走向液氢燃料经济”劳伦斯琼斯教授,密歇根大学的一位物理学家总结道:

“作为一种无污染的燃料,(氢)必须被认真考虑为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,在石油输出国组织(opec)强加了一个石油禁运美国,日本和西欧,推高价格,促使人们寻找替代燃料。

随着禁运的解除,新的化石燃料的开发和石油价格的下跌,人们的兴趣减弱了。下一个“虚假的黎明“氢经济进展了1990年代,当汽车制造商特别倾倒投资这项技术。

这次,根据在国际能源署(IEA)看来,油价“在这十年的后半段一直处于低位,扼杀了本可以推动这些项目向主流靠拢的支持”。

美国总统乔治W·布什提供了2003年联盟地址的国家
美国总统布什发表2003年国情咨文。图片来源:路透社/ Alamy Stock Photo。

在担心“石油峰值“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国情咨文希望“由今天出生的孩子推动的第一辆车可以由氢气提供动力”。

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。)

在氢和燃料电池技术上的研发支出
国际能源署和欧盟的30个成员国在氢和燃料电池技术上的研发支出。必威体育在线注册来源:IEA..Joe Goodman进行碳简介的图表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,”格尼沃米尔飞行,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

气候变化一直是氢讨论中的一致主题,但对石油供应和价格的担忧已经被视为主要目标市场。

因此,在每一轮的兴趣中,每当石油成本下降或新的化石燃料供应被释放时,围绕氢的兴奋往往会消退。

范威克教授他是一名研究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他告诉《碳简报》必威手机官网,这一次的情况不同:

“当然,你所看到的是一个非常不同的系统改变,那就是可再生能源变得非常便宜。这是主要的司机。“

下降成本可再生能源的发展带来了一股新的热情,因为它拥有丰富的、低成本的电力许多人看到作为氢成功的先决条件,现在看来是可以实现的。

至关重要的是,气候目标巴黎协议2015年,除非脱碳达到经济的每个角落,否则不太可能得到满足,包括“hard-to-decarbonise“钢铁生产,航空等部门。

国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(IRENA)建议氢可能是全球能源系统中“缺失的一环”,有助于减少所有这些难以实现电气化的部门的排放。必威体育在线注册

(Sunita Satyapal,主任美国能源部必威体育在线注册氢办公室的负责人告诉Carbon Brief,必威手机官网相对便宜的氢的可用性意味着人们的兴趣已经远远超出了道路运输:

“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将氢作为替代燃料推动。“他们开始意识到他们必须最终改变某事,”他说。

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)和国际可再生能源署(IRENA)等机构对氢的推广表示了兴趣,这有助于将其推向聚光灯下。

最近推出可再生氢联合按关键贸易机构展示了风和太阳能行业的支持方式,并承诺有重点贸易机构,以帮助“开发将使可再生氢主流的商业模式和市场”。
本·加拉格尔咨询公司Wood Mackenzie专门研究氢经济的分析师告诉《碳简报》,归根结底,最重要的因素是这项技术“比以往任何时候都更有经济意义”。必威手机官网

低碳氢是如何产生的?

几十年来,对氢的需求已经稳步上升站在根据国际能源署的数据,大约是7000万吨。其中绝大多数是由化石燃料制成的,二氧化碳排放量很高。

原子能机构表示,满足各种需求,使用电力需要3,600特拉瓦(TWH)的专用生产 - “超过欧盟的总发电总发电”。

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。

如今,几乎所有的纯氢都用于炼油和化肥生产等应用,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,木麦肯齐得出的结论是,尽管氢需求在过去十年中增长了28%,但这一增长“与许多其他新技术相比微不足道”(风能和太阳能的产量已经下降飞涨在同一时期。)

“如果对低碳氢的需求成长,市场将会看到增长的高潮。但我们尚未见过爆炸,“在不幸的措辞中,木头麦肯齐注释说,”Wood Mackenzie Notes。

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

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.避免了这些标签作为生产的环境影响可能在单一颜色类别中很大。)

制氢类型

  • 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:使用化石气体制造,没有捕获排放物。
  • 黑色:用煤制成。
  • 布朗:使用褐煤制成。
  • 绿松石:在一个被称为“热解”的过程中,热量被用来分解化石气体。
  • 紫色,粉红色或黄色:来自核反应堆的电力和热量均可用于生产氢气,但这些方法没有广泛商定的颜色。
  • 没有商定:生物量生产。

绿色的氢通过电解产生,使用从可再生能源产生的电力来使用电流将水分成氢气和氧气的过程。该标签有时会误导地应用于来自电网电力的氢,只能与网格本身一样“可再生”。

另一方面,蓝色氢气通常是由甲烷气体与蒸汽发生反应,然后捕获并储存产生的二氧化碳产生的。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。

就像它所说,绝大多数氢不是绿色或蓝色,而是使用化石燃料而没有任何碳捕获。基于煤,褐煤和没有碳捕获和储存(CCS)的生产方法分别称为“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,氢气生产消耗了全球6%的天然气和2%的煤炭,每年产生8.3亿吨二氧化碳,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。(看:“要花多少钱?”

为了实现净零排放,氢生产需要从灰色转变为绿色和蓝色。下一节将讨论这两种变体所扮演的角色。“蓝色”氢在净零的未来有一席之地吗?

除了基本的颜色,还有一些其他的生产方法——其中一些是低碳的——可能有助于未来的氢需求。

利用核能也可以产生氢气来驱动电解。根据国际能源署的说法,通过核能产生的氢“还没有确定的颜色”,但有报告称其为“黄色”、“粉红色的”和“紫色的“。

此外,核反应堆产生的热量可以通过产生蒸汽来生产氢气更高效的电解或化石基于汽油甲烷重整。

从长远来看,先进核反应堆的高温可以直接从水中提取氢热化学分裂.这些项目仍处于发展的早期发展阶段。

教授罗宾·格里姆斯他最近撰写了《皇家学会》(Royal Society)一书在“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。

虽然到目前为止,没有使用核能的大规模氢气生产设施在任何地方建立,但GRIMES告诉碳简介这两种行业将受益于更大的整合: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,是还在法国倡导,俄罗斯美国,已经依赖于核的大部分电力供应的国家。

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

一种报告通过咨询清醒的催化剂认为要达到国际气候目标所需的氢气量“远远超过可再生能源的产量”,这使得核能氢成为一种必需。

Lucid的报告认为,有一条通往廉价核能的清晰道路,再加上廉价的高温电解槽,将使核能驱动生产成为最便宜的制氢方式,部分原因是更高的转换效率。必威体育在线注册

然而,据IEA称,利用核热制造电解氢所需的固体氧化物电解电池(soec)比其他品种昂贵得多。它他们的成本高达每千瓦5600美元,大约是其他电解器的三到五倍。

该机构还笔记在其氢报告中指出,soec是“最不发达的电解技术”,尚未商业化。

也可以使用生物质生产氢气,虽然是IEA结束需要复杂的加工,缺乏足够的便宜和可持续生物量这使得它没有其他“低碳”技术那么吸引人。没有颜色分配从生物质到氢气。

还有“绿松石氢气,甲烷的副产品热解,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只存在于小规模上,但在那里一直工业利益给出其碳副产品的潜在有用的应用。

如果绿松石氢是由可再生能源或核能提供动力,并将产生的碳储存起来,那么绿松石氢就有潜力成为低排放的选择。

然而,一个近期研究结论是,由于蓝色氢气,它仍然会产生由于用于为该方法提供必要的热量的气体而产生的大量排放。

“蓝色”氢在净零的未来有一席之地吗?

关于蓝色氢对实现净零排放的贡献存在相当大的争论。一些人认为它将发挥重要作用,而另一些人则认为,当绿色氢的规模扩大时,它最多只能作为一种临时解决方案。

与此同时,一些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。

如下图所示,目前计划在全球范围内迅速扩大绿色和蓝色产能。(请注意,并非所有的提议都能实现,图表中大约一半的计划产能来自于三个主要方案:Solena的“等离子气化”方案。提议在美国,在图表中标记为“其他”;的H21蓝色的氢结构在英国;和亚洲可再生能源枢纽必威体育在线注册计划在澳大利亚。)

每年估计氢气产量数千吨
据估计,全球氢气生产能力为每年数千吨,分为使用可再生电解生产的绿色氢气(黄色)、使用含有碳捕获和储存的化石气体生产的蓝色氢气(蓝色)和使用其他技术生产的氢气(灰色)。最右边的一栏表示没有分配完成日期的项目。并不是所有的项目提案都会被采纳。资料来源:公开提供的最新版本IEA氢工程数据库,如IEA的碳简介所提供的。必威手机官网Joe Goodman进行碳简介的图表必威手机官网高级园林

上面的图表中的项目管道大致反映了在零场景中设想的生产方法中的分体式BP的能量必威体育在线注册前景到2050年,美国最终能源消耗的16%来自氢——一必威体育在线注册半是绿色,一半是蓝色。

石油专业在为蓝色氢气描绘出未来而不是单独的。气候变化委员会(CCC)指示途径英国的净零排放主要依赖于蓝色氢,尽管碳简报了解到,预计在12月更新的指南将指出绿色氢占更大的份额。必威手机官网

蓝色氢的支持者争辩说,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。

在能源展望发布必威体育在线注册会上,英国石油集团首席经济学家斯宾塞·戴尔只关注绿色氢将“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对于牛津能源研究所必威体育在线注册得出结论,过度依赖绿色氢将意味着“蚕食可再生电力在电力行业的成功……为什么?蓝色氢气可以从现在开始为非电力部门脱碳”。

各国政府至少在短期内对蓝色氢气表示支持。朱利安Critclow他是英国能源转型和清洁增长总干事必威体育在线注册商业,能源和工业战略部必威体育在线注册(贝)它有“中间的作用”。

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”。

欧洲环境局描述委员会是P.港口为蓝氢作为“送给化石燃料工业的礼物”。

虽然委员会的自己的分析支持Timmerman的评论,它也提到了保留蓝色氢的一个关键问题:

“在脱碳的未来,使用脱碳电解的电解获得的氢是优选的选择,包括从可再生能源获得的”绿色“氢。从与CCS耦合的天然气的蒸汽重整获得的“蓝色”氢也可能发挥作用,只要CCS的固有约束被提升。“

这些“固有的约束”被突出显示国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(IRENA)笔记在其氢报告中,CCS技术目前还没有发挥其潜力,“在发电和工业领域都偏离了轨道”。

它还指出,蓝色氢“并非天生不含碳”,因为一般CCS都是这样L.y削减二氧化碳排放量80-90%。

更高的碳捕获率可能超过90%根据特别是如果一种替代制氢方法被称为自动改革使用代替更常规的蒸汽甲烷重整。

然而,由于甲烷生产过程中的排放,即使是100%的捕获率,蓝色氢气也不会是零碳的。托马斯·布兰克来自落基山研究所的研究员告诉《碳简报》:必威手机官网

“在关于氢的初步讨论中,我认为人们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,这使得该过程更昂贵。“我认为政策制定者开始唤醒那个现实,”他说。

一种净零报告由英国的必威体育在线注册能源系统弹射器指出,虽然导致99%的碳捕获导致的“投机创新措施”将使蓝氢“高度吸引力”,但任何更少的东西都会有效地排除:

“没有推测的创新措施,95%捕获速率的甲烷重整太高,碳含量过高。”

下面的IEA图表明,与可再生能源或核电驱动的电解相比,通过使用化石燃料仍然出现的排放。

CO2强度的氢生产采用不同的方法。这包括使用不同电力来源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤炭(灰色)生产氢。来源:IEA。
CO2强度的氢生产采用不同的方法。这包括使用不同电力来源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤炭(灰色)生产氢。来源:IEA。

然而,这张图表只显示了二氧化碳的强度。它没有考虑天然气生产和分配系统泄漏导致的上游甲烷排放,即使CCS能够捕获工艺释放的100%二氧化碳,也不一定能够避免。

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。

上游排放可以显着改变蓝色氢气的气候影响,如图所示一份报告这些泄漏的原因是什么彭比纳研究所智库。它主要关注加拿大的计划正在进行中提高化石燃料丰富的阿尔伯塔省的蓝色氢气产量。

它估计每公斤蓝氢的2.3-4.1kgco2e的范围,报告称,该报告称反映了全国各地的上游甲烷排放的变化。

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,如果将化石天然气生产的上游排放计算在内,每千克氢气的排放约为0.7-2.5 kg2e二氧化碳,捕获率为95%。

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.

英国气候变化委员会碳预算负责人David Joffe博士告诉《碳简报》,在英国的净零目标范围内,仍有一些蓝色氢的必威手机官网空间,但数量并不大,无法满足供暖和运输等大规模行业的所有潜在需求。他说:

“没有特定的阈值,超出了它绝对不行的...... [但]当你更接近Net-零时,那些残留的排放真的开始。”

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的报告指出,虽然氢本身不是污染物,但它可以作为一种“间接温室气体”,加速低层大气中甲烷和臭氧的积累。

根据该报告,一个评估的一个模型研究全球变暖潜力氢的浓度达到了4.3。报告得出结论,尽管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。

低碳氢气要花多少钱?

绿色氢和蓝色氢在经济脱碳中的作用很大程度上取决于它们的成本。

这些形式的“低碳”氢不仅必须相互竞争,从化石燃料中提取的氢不需要CCS的额外成本,它们还需要与其他替代能源解决方案竞争,从电动汽车到生物燃料。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,特别是如果氢气从海外进口,以及在国家内分配氢的成本。公司还有公司的利润,增加到最终价格上。

国际能源署是直率的关于这个话题的不确定性,他指出“在不同地区从不同来源生产氢的相对成本,以及它们在未来将如何竞争,都还不清楚”。

目前,灰色氢气是最便宜的选择,成本约为1美元/公斤,如果从中东天然气中获取,但在一些地区高达3美元/公斤。对于中国和印度这两个天然气供应主要依靠进口的国家来说,煤制氢往往是最便宜的选择。

根据国际能源署的说法,如果利用CCS技术将成本最低的灰色氢变成蓝色,成本将达到每公斤1.5美元左右。

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。)

而氢气则来自可再生能源可能已经尽管在某些领域具有成本竞争力,但要想超越化石燃料衍生的同类产品,它仍有很长的路要走。

然而,随着可再生电力成本的不断下降,人们普遍对绿色氢的竞争能力持乐观态度。

下图显示,在BNEF的“乐观”假设下,到2030年,最便宜的可再生氢将超过天然气中最便宜的低碳氢。

预计未来的氢成本范围
绿色氢(黄色)和低碳氢(蓝色)的未来氢成本范围,每公斤$,到2050年。绿色氢使用可再生电力(黄色)和低碳氢使用气体碳捕捉和储存(蓝色)。来源:BNEF..Joe Goodman进行碳简介的图表必威手机官网高级园林

为了许多,关于太阳能的记录低价格报告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器的推出,在过去十年中已经以60%的价格下降了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,碱性电解槽已经实现了这种规模经济,生产成本已经比欧洲和北美低80%,根据BNEF。欧洲的生产商希望为“创新的”新型电解槽做同样的事情。

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,国际可再生​​能源机构必威体育在线注册(IRENA)断言“绿色氢的未来成本将低于蓝色氢化石燃料”。报告称,在五年内,来自低成本可再生能源的氢将与来自化石燃料的蓝色氢相当。

尽管存在承认不确定性,但IEA表示绿色氢的成本在明确的向下轨迹上,可能会在2030年下降30%“由于可再生能源的降低和氢气生产的扩大而下降”。

来自美国的Jan Rosenow博士对最近的成本研究进行了评估监管援助项目显示为绿色氢制成的估计范围,最为中心的约2至4美元/千克。

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。

预计氢成本范围
基于IEA的工作(蓝色,中央估计较暗)和BNEF(红色)的预计氢成本,$ / kg。资料来源:IEA,BNEF。Joe Goodman进行碳简介的图表必威手机官网高级园林

EAGORA Energiewende的GNiewomir Flis表示,IEA和绿色氢的IEA和BNEF图之间的主要差异是IEA预测中的两倍,以及该机构的电价假设略高。

为了使在电解槽上的投资有价值,需要有相对便宜的电力供应。

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。

或许将它们连接到网格中的更便宜,其中生产将是恒定的,但电力成本将更高,并将包括支付网格连接。除非网格完全脱碳,否则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:“Electricity“低于).

高电解器使用率可以帮助使氢气生产中的初始资本成本有价值,尽管这必须与使用的电力成本均衡。

最终,预计燃料成本将对未来的氢价格产生最大的影响,这意味着绿色和蓝色氢气的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。

一种报告由英国的海上可再生能源(矿石)弹射器必威体育在线注册基于“保守假设”估计氢气产生氢气的潜力 - 基于“保守假设” - 2050,绿色氢气比蓝色氢气便宜。

然后,报告指出,海上风电和电解槽成本的下降速度可能比预期更快,并指出“决策者一直对风能和太阳能成本的意外快速下降视而不见”。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?”见下文).

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《碳简报》必威手机官网,使用国际能源机构的估计,甚至使用日本研究机构更为乐观的运输成本假设Nedo,进口氢气可能努力与国内采购的供应竞争。

例如,到2030年,英国生产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,沙特阿拉伯为每公斤1.30美元。但燃料的运输成本(IEA的数据显示,每公斤约为2.7 -4美元)意味着,进口的选择仍将更加昂贵。

然而,如果各国缺乏足够的可再生资源在本国生产足够的氢,它们可能需要进口氢。

运输成本也取决于在路线上。通过管道运输氢气的成本随着距离的速度迅速增加,而使用船舶时,起始成本要高得多,但随着距离的增加,仍然保持相对稳定。

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前来计划用管道“主干”连接整个大陆。

然而,对于更远的距离来说,将氢转化为“液体载体”(如氨)更具经济意义(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,供求关系也会对最终价格产生影响。一种报告通过极光能源研究必威体育在线注册结论是,在氢需求高的情况下,绿色氢“明显比蓝色氢更贵”。

相比之下,如果需求较低,主要基于绿色源基于绿色源的氢卷嘴的成本达到“可忽略不计的额外费用”。

氢气会如何影响全球地理论家?

几十年来,化石燃料 - 特别是 -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,社会理论家杰里米·里夫金想象一个世界的批量推出的世界结束了:

“全球安全之路在于减少我们对中东石油的依赖,确保地球上所有人都能获得维持生命所需的能源。氢经济是一个更安全世界的期票。”必威体育在线注册

里夫金的书出版的时候,人们对氢非常热情,但那是在水力压裂的繁荣,什么时候被想到了美国的石油储备将在十年内枯竭,急需替代品(看到:“为什么氢气现在再次被”炒作“?”

氢气目前是一个非常本地化的行业,85%由于高运输成本,部分生产和使用。大多数氢是“灰色”,它是最便宜的在天然气价格较低的地区,如中东和北美。

在其最新的“快速”路径中必威体育在线注册能源展望,BP表示,电力和氢气具有日益增长的作用,加入:“这些能量载体比传统的碳氢化合物更昂贵,导致能量市场变得更加局部。”必威体育在线注册

然而,虽然里夫金对氢的乐观可能为时过早,但他确实如此不是一个人在将氢与石油与油和造型对地缘政治的影响时。作为一篇论文于2020年6月发表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

绿色氢的扩张有可能改变现有的贸易平衡,使太阳能和风能等丰富的国家必威体育在线注册智利美国、澳大利亚和摩洛哥成为主要的出口国。的经济学家已被称为这些未来的能源动力露水露水“静电”。必威体育在线注册

范威克教授代尔夫特理工大学他说,尽管许多国家计划扩大氢的使用,但在他们自己的土地上很难做到,世界范围内将有足够的可再生能源。必威体育在线注册

举个例子,他告诉《碳简报》必威手机官网覆盖大约占撒哈拉沙漠8%的太阳能电池板可以满足全球能源需求。必威体育在线注册“当然,建设太阳能和风能需要时间,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:

“我们今天也在做同样的事情。至少在欧洲,我们从石油、天然气或煤炭生产成本低必威体育在线注册廉的地区进口大量能源。”

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。

在它策略,德国提出的一个谦虚的到2030年,中国对绿色氢的需求为110太瓦时,其中14太瓦时(TWh)来自中国境内。出于这个原因,德国还拨出资金,支持其电解槽设备在海外的使用,以生产供国内使用的氢。

有限的国际贸易已经开始了,日本最近收到了“世界上第一个“从文莱和德国装运氢气签署一笔交易与摩洛哥共同利用其"理想的“绿色制氢的条件。

日本和澳大利亚部长今年早些时候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。澳大利亚政府有自支持以来一个530亿美元(390亿美元)的“亚洲可再生能源枢纽”,这将为这有贡献必威体育在线注册。

德国也是远至刚果民主共和国,那里的一个大型水电站正被考虑作为一个潜在的氢气厂“附加”地点。这样的交易提出了担忧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——以及氨等氢衍生燃料的贸易——的未来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?”).

国际能源署强调对氢的国际运输路线的需求,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”。Van Wijk告诉《碳简报》,至少在欧洲,另一个关键组成部分将是扩建和改造天然气管道,从非洲输送氢气。必威手机官网必威体育在线注册

其他人警告说天然气市场“缓慢而不完全的全球化”表明,氢贸易可能不会像一些人想象的那样迅速发展。

世界上第一艘液态氢运输船“Suiso Frontier”在下水仪式上亮相。
世界上第一艘液态氢运输船“Suiso Frontier”在下水仪式上亮相。资料来源:美国自然资源和能源署。必威体育在线注册

如果出口市场真的增加,就不能保证里夫金提出的“更安全的世界”。一份报告由哈佛大学的贝尔弗科学与国际事务中心biwei6868结论是,绿色氢经济不会破坏石油富国的“霸权”,而是可能以与现有的化石燃料经济类似的方式发挥作用:

“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潜力”。

在一篇文章中外交政策,于2020年10月出版,Jason Bordoff教授是美国国家安全委员会的前高级主任,描述了可能面对氢气和氨的海运贸易的风险。

他还说,沙特阿拉伯和俄罗斯等国可能会成为主导石油市场的国家。沙特能源部长必威体育在线注册阿卜杜勒·阿齐兹·本·萨勒曼王子最近概述了他计划确保美国成为“地球上最大的氢出口国”。

Bordoff写道:“为了挑战传统观点……考虑一下,今天的一些石油国家可能会成为明天的电州。”

氢如何帮助不同行业实现净零排放?

从理论上讲,氢有可能使一切物质脱碳,从用于制造汽车的钢材到加热家庭的燃气。

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历史可以追溯到最早的热情浪潮,当时它被推广为石油的替代品。

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。

尽管如此,移动性目前正在最小的整个氢气市场的组成部分,占全球需求的不到0.1%。

热情从许多行业参与者为氢在运输部门的成功,它已经被应用在一些利基市场。例如,大约25000辆叉车现在的使用氢气。

然而,纯电动汽车的兴起意味着它们被广泛认为是未来的“净零”汽车。英国的气候变化委员会结论2018年,电动汽车“现在处于有利地位,可以为汽车和货车提供大部分脱碳服务”。

对于从长途卡车到飞机等较难脱碳的交通运输而言,氢可能仍扮演着重要角色,但其中许多领域的进展仍处于初期阶段。

道路运输

截至2019年,有只是11,200个乘用车在运行中运行的氢气电池,主要在加利福尼亚州,欧洲和日本。作为一个比较,全球电池电动汽车舰队超过7m.,到达后第一个几百万就在5年前。

氢燃料电池汽车行业一直以来都受到一种鸡蛋“ 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他的结论是,要想让燃料电池汽车更具竞争力,就必须“彻底”地将产量提高到每年100万辆左右。

与此同时,在燃料电池汽车早期非常昂贵的电动汽车,成本大幅下降,并推出了广泛的充电基础设施。

氢气动力丰田Mirai成本相比之下,电池驱动的特斯拉Model 3售价为66000英镑(88015美元)周围4.5万英镑(6010美元),或一辆中型英国传统汽车往往在22000-36000英镑(29338-48008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-埃森大学主任汽车研究中心他告诉《碳简报》必威手机官网,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.”

虽然已经试图将燃料电池车辆进入大众市场,但Dudenhöffer表示现在广泛接受,这不太可能发生这种情况。

今年,梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)做到了取消了由于高成本和大众汽车发表了三十年后的燃料电池计划一份声明结论是:“一切都在支持电池,但几乎没有任何东西在支持氢。”

珍妮Nelson教授伦敦帝国学院,近期合作欧洲学院的科学咨询委员会biwei6868(EAC)评论在这个问题上,讲述碳简介,运输是氢的一个良好必威手机官网的例子,其使用可再生能源的低效:必威体育在线注册

“使用可再生氢和燃料电池驱动同一辆汽车所需的电力大约是使用普通电池的2.5倍,使用可再生氢合成燃料驱动同一辆汽车所需的电力大约是使用普通电池的5倍。”

然而,氢分析师GNiewomir Flis表示仍然有很多兴趣取得这项技术:

“多年来,这么多钱沉入其中,承认毕竟电池电动汽车只是一个更好的解决方案就会非常令人尴尬。”

日本宣布到2030年,韩国计划让80万辆氢燃料电池汽车上路它将与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。有些人建议居住在茂密的东亚城市的人们不太可能在一夜之间充电空间,而是将选择氢气。

日本和韩国的汽车制造商丰田和现代已经宣布雄心勃勃的计划扩大他们的生产。丰田最近推出了它的新版本Mirai.- 尽管如此,日语词为“未来”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

但是,有标志即使是这些行业领导者也正在进行“u-turn.,他们透露了增加纯电动汽车产量的计划。

丰田有计划将电气和混合动力汽车的全球销售扩大到2025年的5.5米,而氢气汽车的销售仍处于成千上万。

乔恩狩猎他是美国能源部替代燃料部门的经理丰田他告诉《碳简报》必威手机官网,虽然他们也在推动电动汽车,但最终他们认为燃料电池汽车“和混合动力汽车一样可以实现”。

亨特说,随着生产规模的扩大,价格将下降。他还强调,虽然电池价格昂贵且寿命有限,但氢动力汽车的燃料堆“将继续运行”,这意味着它们可以再出售。

至关重要的是,他还提到了Mirai燃料堆栈(使用氢气和氧气产生电力的燃料电池的组装是大约需要的两倍。他说:这使它更昂贵,但对丰田的动机提供了洞察力,他说:

“你这样做的原因是标准化的单元,单元进入Mirai可用于卡车,我们所做的,或在我们做公共汽车,或在船上我们所做的,它不需要太大的改变。”

在某种程度上,燃料电池汽车的命运与较大的道路车辆包裹,在那里可能对氢的需求有更大的需求。

对于普通公交车来说,电动汽车已经主导了从化石燃料的过渡。根据智库碳跟踪器在美国,去年中国59%的客车销量是电动的。

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,尽管重型汽车是一个重要的排放来源,也是一个“难以脱碳”的行业,但转向燃料电池并非已成定局。

帕特里克·阿克曼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”。

他告诉《碳简报》,必威手机官网如果你“相信现代和其他公司的话”,那么燃料电池市场的规模将太小,单靠卡车就无法实现规模经济:

“那就意味着,不仅燃料对卡车来说太贵了,而且汽车的价格永远不会降下来,无法具有竞争力。”

根据Bloombergnef,而氢气仍然可以为长途卡车的作用,未来的公共汽车,轻型卡车和汽车市场的大部分可能是电气的,并且在2030年之前将燃料电池产业从2030美元中获得1050亿美元。

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尝试在德国。

一种文献评论对气候友好型卡车运输的研究发现,几乎所有包括这些“悬链线”电线的研究都得出结论,这是一种更好的脱碳技术,优于氢燃料电池。

下面的图表,来自白皮书国际清洁运输理事会(ICCT)表明,由紫色杆表示的氢燃料电池比延长线更昂贵,以及德国卡车的传统化石燃料的其他替代品。

四种不同排放减少方案的额外成本
与基于德国长途重载货运部门使用化石燃料的参考案例相比,四种不同减排方案的额外成本。来源:国际清洁基于Kasten等人。(2016)

也可能为不依赖围网电线的电动卡车的开发,尽管尽管如此,这可能是可行的担忧电池的大小和重量。

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IEA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得性问题。根据根据国际能源署(IEA),如果目前运营的每辆汽车、卡车和公共汽车都换成燃料电池汽车,每年的氢需求量可能达到300吨,是所有用途当前水平的四倍多。

随着汽车保有量的增加,低碳氢气的供应和需求可能会持续增加,阿克曼告诉《碳简报》,只要有可能,最好通电:必威手机官网

“(西门子生产)(氢)电解槽。我们很高兴向市场供应这些产品,但我们也看到,仅满足现有需求就需要进行大规模的工作。”

他补充说,有些行业,如长途运输,不太可能转向电池,这使得它们对绿色氢的需求更大。”任何可以[直接]用电的地方……你都应该这样做,”他总结道。

航运和航空

航空和航运负责大约5%全球排放,也难以通用。氢或氢气燃料,如因此,可以对零零目标至关重要。

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,看到首先氢气动力的小客机乘飞机。

然而,这些示范项目,都使用氢最终衍生的来自化石燃料,目前是氢在这些部门进展的上限。

氢气动力吹笛者Malibu从英国的Cranfield机场制作了第一次飞行,以推出零日努力在2023年底到达服务条目。
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。

小玉毛,一个海事研究员国际清洁运输理事会(ICCT),讲碳简介她认为必威手机官网它不太可能运输将脱碳而没有氢气,但有障碍阻止它取代化石燃料:

“该行业表示,氢是他们对追求感兴趣的主要选择之一,但没有专门的资金,也没有太多。”

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年进入全球船队。

然而,尽管各种各样早期项目根据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”报告靠贝壳。

海事组织的另一个报告劳埃德银行注册结束于2019年,“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。

需要储存容量至少是石油燃料的五倍是担忧它可能会消耗货物储存,因此,利润。

然而,毛泽东进行了造型的研究今年早些时候,该公司发现,在中美之间繁忙的航线上,99%的集装箱船可以由氢气驱动,“只需要对燃料容量或运营进行微小的改变”。

尽管如此,Ole Graa雅各布森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,”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的替代品。

如下图所示,在远程运输中,特别是氨可能比氢气便宜,主要是由于较低的储存成本(以绿色显示)。虽然氢气难以液化,但在适度的压力和温度下,氨气容易储存为液体。

大型运输船不同燃料和动力系统替代品的当前和未来成本,包括极低硫燃料油(vlfo)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替代品的当前和未来成本,包括极低硫燃料油(vlfo)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,氨和甲醇都可以是低碳的,但目前的大部分需求是由化石燃料提供的(S.ee:“工业”).

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,要求船舶减少排放的规定、有效的碳定价和低碳燃料标准都可能是使这些替代方案更具竞争力的建议之一。

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Ahmad Baroutaji博士,工程师沃尔弗林大学谁发表了概要去年这个主题。他讲碳简短:必威手机官网

“航空工业有一个目标通过2050年实现净额二氧化碳排放量减少了50%,而2005年级别和这种雄心勃勃的目标仅通过将更多的氢技术部署到该部门。“

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。

在飞机上使用氢的一个问题是它燃烧时产生的水蒸气水的贡献在高海拔地区的温室效果。

这个问题导致了英国的问题气候变化委员会完全不考虑这个选项,声明因此,在2018年,“氢在航空脱碳方面似乎没有作用”。

最近的评估更为积极。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。

同一份报告得出结论,氢燃烧可以将每次飞行对气候的总体影响减少50-75%,占非二氧化碳影响包括水蒸气、煤烟和氮氧化物(NOx)。燃料电池推进的效益更大,在75-90%之间。

根据该报告,氢燃料电池产生的水蒸气温度足够低,可以捕捉并储存在飞机上,因此可以避免气候影响。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表示,尽管燃料电池的承诺和在测试航班中使用它们仍然是“仅适合发光和小型飞机”。尽管如此,他说,对氢技术有相当大的行业兴趣。

空中客车已发布“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。

零空中客车概念飞机。信贷:空客
零空中客车概念飞机。信贷:空客

据航空网站报道,在空客提出2035年目标后,波音产品开发人员迈克尔·辛尼特表示,他不认为氢燃料飞行是“即将到来的事情”Flightglobal.

尽管波音公司本身推出作为2008年第一架氢飞机,Sinett将氢的生产和储存限制列为商业应用的障碍。液化氢需要煤油的储存量四次。

从短期来看,是公司可以使用尽管生产成本高,但用氢气和二氧化碳来替代煤油的合成燃料。它们也有排放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

欧盟委员会报告称,与航运一样结论要想扩大这些方案的规模并与生物燃料等替代品竞争,就需要一个长期政策框架和大量研究资金。

轨道

可以从氢气中受益的最终运输方式是轨道。氢气动力列车慢慢地翻出来,有两个操作在德国和审判中进行英国奥地利.计划在法国和日本正在进行中。

铁路已经是世界上电气化程度最高的运输方式四分之三在电动火车上进行旅客运输。

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驱动的Hydroflex列车
伯明翰大学的原型氢气燃料电池供电的Hydroflex火车在Quinton Rail Tech Center进行测试运行。信用:g.p.essex / alamy股票照片。

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

具体地说,该报告引用与柴油相比,需要八倍的储存量的储存体积,以及迄今为止,没有提供氢气动力的货运或高速列车。

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。

另一个报告,去年为英国铁路部长制作铁路行业脱碳工作组他指出,“氢的未来成本是不可预测的,尤其是在生产方式缺乏确定性的情况下”。

在英国,火车排放的二氧化碳已经减少了被切断在过去十年中,随着更多的线路电气化和电力系统的脱碳,这一比例增加了50%。

国家铁路公司认为,电气化可以解决该国至少四分之三的未电气化铁路的问题。氢被认为是最好的选择,只占5%。

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

氢气的灵活性意味着它具有广泛的行业现有和潜在的应用,包括生产肥料,钢和水泥。它可以是化学原料,可燃燃料或反应物以除去杂质。

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相对“唾手可得“对于脱碳。为了达到这个目标,他们使用的气体必须用低碳来源的氢取代。

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。

钢铁制造业一直是讨论的焦点。根据我们的数据,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%。

亚历山大博士Fleischanderl他是一家工程公司的技术官员Primetals Technologies,讲述碳简介钢制必威手机官网造商一直在努力通过优化流程削减排放,但这些努力只能到目前为止:

“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。

而直接电气化的炼钢过程叫做电瓦宁“可能是未来的一个选择,到目前为止只在试点规模上进行了演示。”

一些钢是已经回收了来自使用电能炉的废料,这可能是脱碳。然而,根据Fleischanderl,大多数钢铁仍然需要来自Virgin Iron Ore,例如是在汽车行业中使用足够高的等级。

这依赖于一个多世纪以来基本保持不变的过程。铁矿石在高炉中与焦炭熔炼,焦炭既是燃料又是还原剂,用来除去氧气,留下纯金属,释放出二氧化碳。

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

一种新的生产方法称为直接重新寿铁(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。

目前,在7%左右大量的钢是用直接还原铁制造的,这足以使炼钢成为第四大氢用户。如Fleischanderl所解释的,如果使用低碳氢气代替化石燃料中的氢气,扩大这一过程将有助于行业脱碳:

“从技术上讲,这不是什么大问题。大部分问题都已经解决了……真正的障碍是是否有足够数量的氢以及绿色氢的价格。”

根据根据国际能源署(IEA)的预测,如果将所有炼钢行业都换成直接动力炼钢和电炉,该行业的氢需求将增加15倍。

试点项目正在欧洲正在进行将低碳氢融入炼钢中,但“绿钢”当“绿钢”将竞争仍然开放。

瑞典钢铁公司SSAB.正在运行混合项目该公司表示,将从2026年起实现“无化石钢铁产品”,并使其能够在2045年之前从所有业务中消除化石燃料。

范威克教授代尔夫特理工大学他说,与其他行业相比,他对这一进程的进展速度表示怀疑:

“人们认为绿色氢气首先将更换工业中的灰色氢气,但我怀疑如果这真的会发生的事情......最终它会,但起初它很难,因为价格和音量[必要]很难。”

一个美国东部时间一世伴侣BloombergNEF如下图所示,建议绿色氢气可以在2030年之前与最昂贵的煤钢竞争,假设氢气约为2美元/千克。这种估计依赖于电解器的成本和广泛的可再生部署的估计。

用氢和煤制造钢铁的成本
除碳价格外,氢制钢(紫色线)和煤制钢(黑色线)的成本持平。来源:BNEF.

一份报告关于这个话题,咨询麦肯锡当“纯净的氢气钢铁生产”在欧洲的“纯氢气钢铁生产”是成本竞争力的地方的地方,预计大部分绿钢部署都是如此。

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钢的开关和配额。

Fleischanderl还强调了a的重要性碳边境调整该机制旨在使绿色钢铁与来自中国的廉价进口钢铁竞争世界上最大的钢铁生产商。

“否则,你将无法管理它,因为很明显,绿色钢铁的成本将更高。这必须被接受,”弗莱申德尔说。

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炼钢这一战略产业,价格远不是唯一的考虑因素。

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,可再生电力可能既便宜又充足,但欧盟和印度可能会接受更昂贵的钢铁,如果这意味着保持本地生产。

另一个“难以脱碳”的部门可能会从中受益从引入氢气是水泥。来自水泥生产化学过程的二氧化碳弥补3%的全球排放,虽然这不包括所涉及的能源投入的排放。必威体育在线注册

燃烧氢气可以达到制造水泥所需的高温,避免化石燃料燃烧,目前占其排放的三分之一。

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发表的一篇文章研究了一种生物质和氢气的混合物来制造“净零”水泥,指出在这种情况下氢气“从未被测试过”。工程获得了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。

氢气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气竞争,并弥补对新加热设备的需求等等一篇论文被称为“一些新兴解决方案的适度技术准备水平”。

就目前的情况来看,“几乎没有专门用于产生热量的氢气生产”,预计它将与生物质和CCS“竞争不佳”,根据IEA。

该机构表示,尽管电力已经远远发展起来,但它可以与工业热电气化竞争。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

至于已经严重依赖氢的工业过程,虽然效率的提高可能会抑制一些需求,但总体上预计会增长。这意味着企业将需要寻找低碳氢源,以实现脱碳。

只有一个部门最大的需求就是炼油,用氢来除去硫磺和其他杂质。

虽然石油使用量可能会随着气候行动而下降,但收紧对燃料硫含量的监管意味着,该行业对氢的需求可能仍然相当大。

氢也是化学工业的主要原料,特别是对溶剂,粘合剂和各种其他物质进行肥料和甲醇的氨。

对这些物质的需求预计将在未来几十年增长。然而,如果这些化学物质被确定为长距离运输氢的方式,或其本身作为替代燃料,它可能会进一步发展。

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”).它可能是潜在的储存和运输

比氢气更容易,因为它在相对低的压力下是液体,并且在不产生CO 2的情况下转化回氢气或燃烧。

最近euractiv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,他认为这种氢衍生燃料在完全脱碳的经济中扮演着“非常重要的角色”。

低碳氢可能对所有这些应用脱碳至关重要,但其成功将取决于使用CCS和生物质的气体竞争,这两者也可用于切割行业的排放。

汤姆布朗博士卡尔斯鲁厄理工学院,讲述碳简介这有必威手机官网助于解释为什么这么多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。

不管哪个解在上面IEA说明了快速扩大它们以解决行业排放的紧迫性。

在它氢报道,原子能机构计算,以满足未来的氨和甲醇的需求,同时利用化石气体限制在低于2C的同时,每年捕获1MTCO2的CCS单位必须以每月4030之间的速度建造。

如果使用绿色氢来实现同样的目标,到2030年之前,每周必须建造6或7座新的100兆瓦电解槽。
根据国际能源署的数据,2021年才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扇区中具有各种应用,包括更换改装电厂中的化石气体提供电力在使用燃料电池的偏远岛上。

特别是,氢在电力系统中可以发挥两个有价值的作用。

首先,它被提议作为一种潜在的低碳电力的灵活来源,可用于补充由风能和太阳能等可变可再生能源主导的电网。

第二,电解槽可用于生产氢气,使用“减少“当可再生能源供大于求的时候,在阳光充足或多风的时期,发电就会被浪费掉。

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。

作为可再生能源提供更多世界的权力,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,氢气可以是有用的储存形式,涵盖电池不足时可再生系统的季节变化。必威体育在线注册

可再生电力,从国内网格中采购充足,廉价,可以转化为氢气。或者,它可以从有风或太阳盈余的国家进口(请看:“氢将如何影响全球地缘政治?”

通过将其压缩到地下盐洞穴或耗尽的化石燃料部位,可以将氢气储存,与化石气体混合或用于生产其他燃料。然后,它可以在需要时转换回电力,或者在能量系统中用于其他目的,例如运输燃料。必威体育在线注册

在短期内,电池倾向于提供一个优越的存储系统,与往返效率(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,随着电池的患有持续数天或数周时,可以使用氢气必威体育在线注册自放电超过较长的时间段。

与氢气储存的空间相比,它还需要更具更大的存储要求,这将需要“巨大”电池数量的电池。根据IEA。

尽管这些应用程序,汤姆布朗博士卡尔斯鲁厄理工学院, WHO已建模欧洲的深脱碳途径表示,电力部门不太可能成为广泛的氢卷展览的首要任务。他讲碳简短:必威手机官网

“如果你去除了一吨二氧化碳,将在钢铁或氨部门中放入钢铁或氨部门的氢气比令人担忧的是,它更有意义,而不是令人担忧的电力需求脱碳的最后10%。”

布朗表示,在使用电解和绿色氢气之前,尽可能多地利用可再生能源发电“更经济”。

在生产和储存基础设施到位后,供应其他部门,如工业,后备发电的氢可以自然跟进,他说:“基本上,你可以免费获得氢和100%可再生世界的最后10-20%。”

根据A.报告来自欧洲大学学院在美国,使用氢来储存电能被“很大程度上高估了”,原因很简单,至少在欧洲,没有太阳能或风能的时期实际上并不常见:

“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。

一种报告英国电力部门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“可以极大地帮助提高氢气生产的经济性”,并为可再生资产所有者提供收入。

随着Wood Mackenzie的Ben Gallagher讲述碳简介,这些时期与可再生渗透率上升越来越常见必威手机官网

“在加州、德国、中国西部和得克萨斯州西部,削减和减少温室气体排放的频率负电价赛事随着氢通过电解,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

虽然这是一个很有前途的想法,但它可能不现实,即使假设可再生能源在未来几年大规模推出。美国国家情报委员会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。

希尔峡谷污水处理厂的太阳能电池板
加州希尔峡谷污水处理厂的太阳能阵列,提供了该设施15%的能源需求。必威体育在线注册图片来源:地球公民/ Alamy库存照片。

电容器仅建立使用这种浪费的力量只有IRENA指出,大约10%的时间都在运行。这是因为,当天气晴朗或刮风时,减少温室气体排放是一种偶然事件。

如此低的利用率意味着,由于电解槽本身的成本,它们生产的氢气可能没有竞争力。

另一方面,随着Agora EnergiewEnde的GNiewomir Flis所指出的,电解槽的降低可能有助于缩减功率与化石燃料氢气竞争。

此分析基于质子交换膜(PEM)电解槽不同于更广泛使用的碱性电解槽,它能够快速提升并捕获被削减的能量。必威体育在线注册

虽然中国是世界上最大的电解槽生产商,率先生产相对便宜的碱性电解槽,但PEM电解槽目前仍在生产中太贵了利用减少的电力生产具有成本竞争力的氢气。

但随着欧盟继续推进其氢战略,它已承诺投资于“创新技术”的生产,如PEM,以保持其经济竞争力和降低价格。

大厦的热量

建筑物的空间加热和热水供应是最竞争的氢气使用领域之一,通常是主题加热辩论。

许多必威体育在线注册专家驳斥氢在建筑热量脱碳中扮演重要角色的想法,因为它的效率远远低于电热泵,使其运行成本更高。

其他人则认为可以处理脱碳热的问题在不影响人民的生命,较低前期成本,同时重用有价值的天然气分销资产。它们还指向电网上的约束,这可能需要升级以应对完全电气化的热量。

总的来说,效率和电气化是热量脱碳的主要途径珍妮山他是英国咨询公司(UK advisory)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

“效率是必不可少的第一步或热量问题变得太大。虽然电气化是初级战略重要性的,但氢气可以在电力领域的峰值 - 或通过使用混合热泵[见下文]以及区域地区的角色来发挥令人难以置信的有用作用。“

建筑供暖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

这20%的份额可以与上述深度脱碳情景下的氢吸收进行比较(S.ee:限制气候变化需要多少氢气?),到2050年,所有用途的最终能源中最多有24%是由氢提供的。必威体育在线注册

此外,这些研究中的大多数氢是用于工业、交通或电力,而不是用于建筑。这表明,用氢来降低世界上大部分建筑的热量需求,成本并不理想。然而,在替代方案不可行的地方可能需要它。

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。

解决热排放问题被普遍认为是一项挑战,尤其是对保温性能较差的现有建筑。IEA表示,到2050年,这些建筑仍将占全球存量的五分之二。

国际能源署说,目前全球约41%的建筑热量来自天然气燃烧,各国之间存在很大差异。如下图所示,在荷兰和英国,天然气(深灰色)提供了大约80%的热量,但在北欧国家则接近于零。

在许多国家,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热量份额,%。来源:英国皇家国际事务研究所2019年引用的英国政府2017年生动经济报告。
在许多国家,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热量份额,%。来源:生动经济学2017年为英国政府报告,如此引用查塔姆研究所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“一视同仁“更换燃料。氢气可以烧成一个修改后的燃气锅炉或滚刀,由a提供的燃料重新浏览网络气体分配管道。

联盟公司在英国,几年来一直在努力测试这一想法,其中目的将“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37个项目将氢气混合到现有天然气管网中进行测试,被认为在不改变用户需求的情况下,安全性高达20%(按体积计)。这被视为一种“低后悔”的方式,可以减少加热产生的二氧化碳,并扩大氢的使用。

英国的输气管道网络——历史上由易泄漏和腐蚀的铁制成——已经被“氢就绪”塑料管道取代,尽管压缩机和网络的其他部分也需要更换,以应对100%的氢使用。

替换铁电源将完成2032年,说马修呼啸声,天然气的头部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伍斯特博世他告诉《碳简报》必威手机官网,在他看来,对于目前使用化石天然气供暖的85%的英国家庭来说,氢是最好的解决方案。

他指出热泵的实际挑战,包括升级建筑能效,更换散热器并找到热水罐和热泵设备的空间。必威体育在线注册

伍斯特博世公司首席执行官卡尔·阿恩岑和财政大臣瑞希·苏纳克(Rishi Sunak)手拿一台备有氢气的锅炉。信贷:伍斯特博世。

对家庭和行为进行颠覆性改变的想法往往是他们的“首要考虑”人们思考关于未来的热量ENA的欣德尔说。(最近,英国气候组装为氢、热泵和热网提供了强有力的支持,以解决热脱碳问题。)

但虽然主要效率升级可能是破坏性的,但在任何情况下都可能需要它们。理查德博士洛斯博士埃克塞特大学,告诉《碳简报》必威手机官网:“在我所看到的每一点分析中,无论是氢气还是电气化,你都必须提高效率,才能使事情具有成本效益。”

在成本上,最近的分析显示热量的氢气比气体贵三倍,而热泵是运行起来很便宜在某些情况下作为燃气锅炉。

BNEF的Meredith附件表示,使用氢气供热是一个“昂贵的使用案例”,即使以总体拥有成本为基础,与热泵相比,这种燃料也“挣扎”。

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。

这一点是经常陪同通过下面的图表的版本,显示了目前通过电(蓝线)与气体(红色)相遇的半小时英国能源需求的季节性变化。必威体育在线注册(必威手机官网碳简介了解类似图表是在天然气行业内部的名片上。)

英国对热和电的需求
英国每半小时的热和电需求,千兆瓦。热量需求是一个估计。来源:管理热量系统脱碳,帝国学院能源政策和技术中心。必威体育在线注册

该图表表明,达到电力的峰值热需求可能需要大量增加电力系统的大小,电力需求达到5倍或六倍。

最近的证据显示,对热能的需求比预期低40-50%,接近170千兆必威体育在线注册瓦,而不是上图中峰值的300千兆瓦。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,在寒冷的冬季夜晚,剩余的额外用电高峰需求可能会给电网带来压力。尽管覆盖这些山峰是可能的,但成本可能很高。

包括CCC和BNEF在内的分析人士认为,这是氢气可能介入的领域。他们指出,使用“混合”供热系统主要运行在发电,但使用氢锅炉“补足”在最冷的日子里,就像气体与碳捕获和储存或hydrogen-fired峰值电力植物可以用来填补输出风能和太阳能。

另一种选择是在某些地区使用氢加热,特别是在广泛使用氢燃料和相关基础设施的区域“枢纽”附近。

研究8月份发表,低价和同事认为,供暖行业“现任者对政策制定者提供过销售”绿色天然气“,以保护他们的兴趣和减损电气化的重要性和价值。”他们的论文说:

“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。

虽然洛斯和其他人支持大型氢燃料试验,以评估这种燃料的潜力,但他们警告说,这项工作不应该被用作逃避其他选择取得进展的借口。

在最近的一篇博客中,斯明威斯拉特他是英国创新基金会(UK innovation foundation)的执行董事巢滩,讨论了“仿生浮萍”这一更广泛的相关问题,未来的新技术解决方案被用来阻止现有方案的使用。他写道

“虽然我不怀疑有一些真心实意的氢家庭供暖爱好者,但我想知道,他们的大量热情是否在于部署一种温暖的未来主义,以阻止当今热泵的威胁。”

Jan Rosenow博士来自监管援助项目讲碳简介:必威手机官网

“我认为一个合理的方法应该是循序渐进的,先测试氢的使用,然后逐步推出基础设施,而不是制定一个宏大的计划,说它将全部用于氢……对我来说,这似乎是误入歧途。”这是一个非常危险的策略,可能会完全失败——然后在10年的时间里,你什么都没做。”

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