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绿色氢气电解 - 设施 -  voestalpine-综合钢铁厂 - 奥地利州
奥地利林茨voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施。 信贷:Voestalpine AG
能量
2020年11月30日8:00

深度问答:世界需要氢来解决气候变化吗?

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多位作者

11.30.20
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多位作者

2020年11月30日上午8:00
能量 深度问答:世界需要氢来解决气候变化吗?

长期以来,氢气一直被认为是化石燃料的替代品,也是应对气候变化的一个潜在的有价值的工具。

现在,随着各国提出与国际气候目标相一致的净零排放战略,从澳大利亚和英国到德国和日本,氢再次上升到议事日程。

最乐观的前景是,氢很快就能为卡车、飞机和轮船提供动力。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所有产品。

但用氢气做所有这些事情需要惊人的燃料量,而燃料的清洁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。

在这一深度问答中,包括一系列信息图表、地图和互动图表,以及数十位专家的观点,《碳简报》探讨了围绕“氢经济”的重大问题,并探讨了它能在多大程度上帮助世界避免危险的气候变化。乐动体育下载app

氢是什么?它如何帮助应对气候变化?

氢是宇宙中最轻、最丰富的元素。它也是一种爆炸性的清洁燃烧气体,每单位重量比矿物燃料含有更多的能量。

在氢经济中,氢将被用来代替目前提供能源的化石燃料五分之四世界上能源供应发出大块头全球温室气体排放量。

这可能有助于实现气候目标,因为氢只有在燃烧时才会放出水,而且在制造过程中不会释放二氧化碳。(其生产目前排放8.3亿吨二氧化碳每年[MtCO2]。)

氢经济可能是包罗万象的。或者,它可以填补一系列的利基,这取决于氢的可用性,相对于替代品的成本和性能,为每个潜在的应用。

在这两个极端之间,氢气仍有可能在实现净零排放方面发挥巨大作用,这就需要大幅扩大其生产和使用规模。

“你是支持还是反对氢?这似乎是个错误的问题。我想问题是:你真正需要在哪里使用它?他说Jan Rosenow医生监管援助项目

他说,氢气有助于解决钢铁和长途运输等“关键”难以削减的行业帖木儿居尔,总部位于巴黎的国际能源署(IEA)能源技术司及其主要2019年报告关于氢的未来。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“我认为氢有它的地位,有相当重要的地位……但我认为,如果你的目标是实现净零排放,你不会寻求建立氢经济,而是寻找一个脱碳能源部门。这是达到目的的手段。”

氢可以通过电分解水-电解-或通过热分解化石燃料或生物质或蒸汽,利用改革“或”热解”. 任何二氧化碳都可以被捕获和储存。

氢气可以通过管道、卡车或轮船储存、液化和运输。它可以用来制造化肥、燃料汽车、取暖、发电或驱动重工业。

这种潜在的氢“经济性”如下图所示。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。

氢可以是存储

转换合成的

燃料或运输通过

卡车、轮船或管道

氢经济

2。

网格

保管部

出口

如何制造低碳氢气,

移动和使用

电解

供应与分销

核能

太阳能

工业

暖气

最终用途

生产

氢可以是

制造的来自电力,

生物能源或化石燃料

碳捕获

运输

1

改革

CCS系统

肥料

生产

煤气

二氧化碳

二氧化碳

氢可以是习惯于

交通、工业、,

发电,

施肥或加热

3。

转换

生物量

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图由汤姆普拉特。

一些氢经济的倡导者描述了未来的广阔前景,氢经济取代了目前化石燃料占据的大部分社会、经济和地缘政治地位。

现代公司燃料电池部门负责人金博士(saehoonkim)对英国一家能源公司表示网络研讨会七月:

“过去,我们的技术和工业都是收集石油、输送石油和使用石油。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。”

这一设想将看到太阳的能量——以太阳辐射和风的形式——通过电解转化为氢气,然后输送到世界各地。

作为一种全球贸易商品,氢可以重塑地缘政治版图,结束对化石燃料出口国的依赖,改善进口国的能源安全。

在2019年的报告中,国际能源署将工业发展和技术工作列入了氢的潜在优势名单。它说,氢是灵活和多功能的,能够作为燃料,以及能源载体之间的地点和-通过存储-之间的不同时间的一天或一年。

这也可能延长化石燃料和相关基础设施(如天然气管道)的使用寿命,国际能源机构的报告称氢报道说:

“[i] F ccus [碳捕获,使用和存储]用于减少化石燃料氢气生产的CO2强度,这将使一些化石燃料资源继续使用。”

城市地下燃气管道维修。
城市地下燃气管道维修。图片来源:Andor Bujdoso/Alamy Stock照片。

此外,氢经济有助于平衡使用各种可再生能源发电。电解可以吸收多余的供给,当没有风或太阳时,氢可以被吸收燃烧在燃气轮机确保电力需求得到满足。国际能源署解释说:

“通过生产氢气,可再生电力可以用于化学燃料更好的应用。低碳能源可以远距离供应,电力可以储存起来,以满足每周或每月的供需失衡。”

这意味着氢可以帮助加强和连接今天用于热能、电力、工业和交通运输的基本上独立的能源系统,这个想法被称为扇形耦合”.

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便宜

鉴于所有这些优势,IEA的报告称“它可能很容易预想在未来的全包低碳经济中”。但它补充说:

“然而,其他清洁能源技术的机会最近已经大大改善,最重要的是直接使用电力的解决方案,这意味着氢的未来可能更多地是融入多样化和互补的能源网络。尤其是因为与其他(低碳)竞争对手相比,在某些最终用途部门使用氢气面临着技术和经济挑战。”

与此类似,布卢姆伯格的资深撰稿人MichealLiebreich在一篇文章中写道最近的文章“从表面上看,[氢]似乎是每个能源问题的答案。”但他补充说:“不幸的是,氢显示出同样令人印象深刻的缺点。”

氢气的优点

  • 燃烧干净,只释放水和能量。
  • 每单位重量储存的能量比大多数其他燃料都多。
  • 可以用低碳原料制成。
  • 可以用作燃料,将能量从一个地方输送到另一个地方,作为能量储存的形式或作为化学原料。
  • 可以用来脱碳“难以消除”的部门,几乎没有替代品。
  • 为能源安全、工业战略和空气质量提供更广泛的好处。

氢气的缺点

  • 今天几乎所有的生产都来自高碳源。
  • 目前要生产的成本和降低成本是不确定的。
  • 体积大,运输和储存成本高。
  • 生产效率低下,成本上升,总体上需要更大的能源供应,清洁能源生产的扩大速度更快。
  • 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). 它补充道:

“氢气伴随着安全风险高的前期基础设施成本以及化石燃料供应和分配的一些工业动态,尤其是与CCU配套时[碳捕获、使用和储存]。尚不清楚公民如何对氢的这些方面作出反应。“

国际能源署还说,由于氢的复杂性,存在鸡和蛋的情况的风险供应链和价值链,这使得逐步部署更加困难。

例如,用化石气替代建筑供热将依赖于大量低碳氢气的供应和适当升级的基础设施来分配和安全燃烧燃料。

政府和政策对氢气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气战略(见下文).

低效率是另一个重大挑战,在生产和使用氢气的每一步中,浪费的能源比许多替代品都多。

国际能源署表示:“氢燃料可以利用现有的基础设施,但价值链的变化有限,但以效率损失为代价。”

这个经济学家他说氢气“不可避免地低效”,而能源技术研究所总工程师写在2018年“根据目前对相关技术的了解,在整个经济体中强制全面采用氢气的战略似乎效率极低。”

下图显示了为什么电动车辆比氢燃料电池车辆更有效,或者在源自氢的合成燃料上运行的那些。

它是一个相似的故事什么时候比较电热泵用氢气锅炉时,还是看效率的储存多余电力以氢的形式供以后使用。

国际能源署解释说:

“全部能量载体,包括化石燃料,每次生产,转换或使用时都会遇到效率损失。在氢的情况下,这些损失可以在价值链中的不同步骤中积聚。将电力转换为氢气后,将其运输并将其存放,然后将其转换回燃料电池中的电力,输送能量可以低于初始电力输入中的30%。

“这使得氢气比电力或用于生产氢气的天然气更‘昂贵’。这也为减少任何价值链中能源载体之间的转换次数提供了一个理由。也就是说,在能源供应不受约束的情况下,只要重视二氧化碳排放,效率在很大程度上可以是一个经济问题,可以从整个价值链的层面来考虑。”

事实上,基于化石燃料的传统能源系统已经非常低效了,内燃机汽车的能量仅为汽油的20%,作为有用的向前运动。同样地平均效率燃煤发电厂的比例仅为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。

最后,尽管成本、效率和技术性能都是氢气需要解决的重要因素,但他说:“除了技术经济之外,还有一些真正关键的驱动因素。”托马斯·布兰克,工业和重型运输高级负责人落基山研究所

谈到欧盟最近公布的氢气战略(见下文),他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“最终对欧盟来说,这不一定是由成本推动的,而是由能源供应安全、减少(俄罗斯石油和天然气进口)与弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)的接触、创造就业机会推动的。目前,氢气机会的这些方面被低估了,它们将推动事情向前发展。”

哪些国家正在探索使用氢气?

去年国际能源署(IEA)编写了一份关于氢的未来他指出,中国“目前正享受前所未有的政治和商业势头”。

报告称2019年是该能源载体的“关键一年”,并概述了支持其用于能源应用的政策和研究的稳步增长。

有影响力的组织,包括国际能源署,氢能委员会英国石油公司,都透露了他们对未来意义的憧憬和其他预告2020年代作为“氢十年”。

利用可再生能源生产的“绿色”氢气管道正在迅速扩张,几乎翻了三倍就在今年早些时候的五个月里。然而,这些项目对全球能源系统的贡献仍然微乎其微。

仅限197个缔约方中的六个到2015年巴黎协议他们第一次提到“氢”国家决定的捐款但在美国的鼓励下,随着一波国家的加入,人们的兴趣也在增长净零目标,制定国家氢能战略。

一个最近的评论世界能源理事会德国分会发现,已有20个国家推出了此类战略或“即将推出”。

下面的地图是基于理事会与碳简报分享的最新分析。它显示了另外33个国家乐动体育app苹果j朝着这个方向发展。这使得该组织得出结论,到2025年,这些战略将可能覆盖乐动体育下载app占全球GDP 80%以上的国家。

在各种国家的氢气支持范围,包括国家战略,试点和示范项目和政策讨论。基于Ludwig-Bölkow-SystemTechik GmbH(LBST)和世界能议会德国章节的报告的图。由Joe Goodman进行碳简介地图。乐动体育下载app

最重要的声明之一是欧盟委员会的氢气战略2020年7月发布的一项雄心勃勃的目标是,到2030年,欧洲电解槽产能达到40吉瓦(GW),以生产“绿色”氢气。

在2000年至2019年间,全球部署的绿色氢气项目总容量仅为0.25GW,根据咨询公司Wood Mackenzie。

在一个新闻发布会欧盟委员会副主席弗朗斯·蒂默曼斯(Frans Timmermans)在启动这一战略时,形容“清洁”氢气对欧盟的发展“至关重要”绿色协议,目标是到2050年实现净零排放。

“能源转型的重点将是直接电气化,但在钢铁、水泥、化工、航空运输、重型运输、航运等领域,我们还需要一些别的东西。”

这一雄心壮志得到了几个欧洲国家的支持,其中包括德国葡萄牙以及荷兰释放氢气的策略,有些是在绿色恢复“来自Covid-19大流行。

在与欧洲邻国保持一致的压力下,英国部长我说过他们将很快宣布一项“世界领先”的氢战略,以帮助实现其目标2050年净零目标. 国家电网称将是“必需的”满足这个目标。

承认最近几年国家氢能战略“风起云涌”环境审计委员会听力英国商务大臣夏尔马(aloksharma)表示,英国政府预计将在“明年(2021年)早些时候”公布自己的计划。

鲍里斯·约翰逊总理的10分计划为了“绿色工业革命”提到在氢气方面的支出“高达5亿英镑(6.67亿美元)”,包括未来十年5GW低碳氢气生产能力的目标。

这是显著减少比其他一些欧洲国家。仅德国一个国家就表示,将投入90亿欧元用于清洁制氢,并将这项技术出口到海外,但目标是到2030年实现5GW的国内产能。

下面的地图说明了世界各地目前和计划的氢气产能,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。)

目前和计划的低碳氢气生产能力,数千吨。请注意,根据捕获和储存的二氧化碳排放比例,使用CCS的化石燃料的生产能力被评定为零碳量。计划中的项目可能不会全部进行,因为它们处于不同的发展阶段,包括没有明确时间表或坚定投资决定的计划。资料来源:公开发行的最新版本国际能源署氢项目数据库,由国际能源署提供给碳简报。图由汤乐动体育下载app姆普拉特碳简介。

不过,蒂默曼斯在讲话中说,虽然欧洲一直处于领先地位,但其他国家正在迎头赶上,他提到计划沙特阿拉伯的一个大型氢工厂,由4千瓦的风能和太阳能发电。他说:“(氢)已经成为全世界新能源的摇滚明星。”。

一位能源专家最近在接受采访时称,围绕这一市场的竞争和为新项目提供资金的热潮是“氢战争”彭博社

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2017氢气战略宣布计划建立第一个“氢基社会”。

在活动因Covid-19推迟之前,日本政府打算展示它的进步在2020年东京奥运会上,使用氢气为奥运圣火和100辆公交车提供动力。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,已发布计划,动员其丰富的可再生资源,并成为主要的绿色氢气出口国,以满足能源需求亚洲部分地区还有欧洲。

欧洲绿色交易法国委员会委员会在欧洲委员会总部的新闻发布会上发言。
欧盟负责欧洲绿色协议的委员弗朗斯·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。图片来源:路透社/阿拉米股票图片。

然而,在绿色氢技术和两个大国之间的竞争方面,中国被视为欧洲最大的竞争对手能帮上忙吗降低价格。

已经是世界上最大的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。前科技部部长万功是中国电动汽车战略的先驱者乐动体育 英超它“应该考虑建立一个氢能社会”。

能源公司,如贝壳英国石油公司他们还提出了氢气计划,承诺部署低碳氢气项目,作为其净零排放目标的组成部分。

与此同时,曾被视为氢技术领导者的美国,已经最近几年落后了。

(虽然上面的地图显示了相当大的计划氢容量,但它被一个大项目由能源公司SGH2提出,该公司表示,计划在2023年前建成一个利用生物质生产氢气的设施。)

一个最近的报告在该国多家石油公司和汽车制造商的支持下,他们表示,氢气“在保持美国全球能源领导地位方面发挥着关键作用”:

“其他国家,如德国、日本和中国,正在发展氢能源基础设施,并在氢能源经济的基础上进行投资。美国不应落后。”

限制气候变化需要多少氢?

在这篇文章的二十多次采访中,人们达成了广泛的共识,即需要氢来达到净零排放,从而避免危险的气候变化。关于世界需要多少氢以及在哪些领域使用氢,人们的共识较少。

和电一样,氢也是一种能量载体或“能量矢量”。简单地说,这意味着它是一种储存、移动和使用从其他来源提取的能源的便捷方式。

最关键的是,电和氢的生产都可以脱碳。(看:哪些国家正在探索使用氢气?)这些零碳能量载体对于达到净零至关重要。

而电气化起着关键作用领导作用在里面确定的途径政府间气候变化专门委员会政府间气候变化专门委员会(IPCC)表示,它目前无法打开某些领域的大门,例如长途运输。

他说,这使得氢对于达到净零是“必不可少的”大卫·乔夫博士,英国咨询公司碳预算主管气候变化委员会. 他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“在我们看来,你应该在任何地方都可以通电。在成本过高或不可行的情况下,这就是氢的作用。”

与电不同,储存在氢中的能量是以相对稳定的化学键而不是短暂的电荷携带的。这意味着它的能量更容易储存、运输和转化成其他分子,用作燃料或化工原料。

“总有一些应用不适合电气化,”他说梅雷迪斯附件,作用于氢气上的铅和布隆伯格

“那可能是因为你需要一个分子的燃料来制造更高的燃料。”能量密度或是化学反应,或是储存的耐久性。因此,我们将氢和低碳燃料视为一种普遍的“包罗万象”,认为它们是净零经济不可或缺的

尽管预计氢在实现净零排放方面所起的作用不如电,但从今天起,氢的生产和使用仍需大幅增加。

氢的膨胀到底有多大,将取决于政策决定、社会选择、相对成本和技术性能,以及燃料的每一种潜在应用。

未来制造低碳氢气的成本有多高,以及在多个经济领域大规模成功部署这种燃料的难度有多大,也存在不确定性。

因此,在模拟世界以及个别国家或地区如何减少排放以避免危险的气候变化的途径中,氢的使用范围非常广泛。

乐动体育下载appCarbon Brief分析了一系列深度脱碳方案中的氢使用情况,以衡量总体和特定最终用途部门的采用水平。

下图显示了份额最终能量2050年,在世界(上图)、欧盟(中图)和英国(下图)的深度脱碳路径中,由氢气供应。

每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。中心估计值和最大电位分别显示为中蓝色和深蓝色圆圈。

氢气提供的最终能源的百分比份额
氢气提供的最终能源份额,%。2019年全球份额(顶部)与2050年全球份额(上部)、欧盟份额(中部)和英国份额(下部)对比。范围(浅蓝色条)表示相关场景的分布。中央估计(中蓝点)和最大采用(深蓝色)也显示。资料来源:碳简析乐动体育下载app乐动体育app苹果j乐动体育app苹果j由欧盟委员会联合研究中心. 看到了吗链接的工作表供参考。乔·古德曼的碳简图乐动体育下载app高级园林

在图表顶部的全球研究中,氢在2050年达到了最终能源的0%到30%。顶端是一个理论上的最大值,而不是一个现实的潜力。

覆盖欧盟的情景也有类似的范围,到2050年,欧盟委员会(europeancommission)的净零增长率最高可达23%联合研究中心

值得注意的是,本文所分析的英国路径包括2050年由氢气满足的最终能源的一半,远远高于欧盟和全球研究中的份额。

乐动体育下载appCarbon Brief了解来自气候变化委员会将于12月9日到期的CCC将出现氢气份额不到总量五分之一到三分之一的情况。

重要的是,一个场景的氢使用取决于几个因素,包括建模者的假设他们模型中的详细程度和模拟路径的目标。

前英国政府顾问盖伊·钮韦争论在英国将其减排目标从2050年的80%提高到100%之后,“在许多方面氢是大赢家”。这得到了研究显示场景的雄心壮志和氢吸收之间的关联。

在任何特定的模型或情景中,氢的使用率较低,这可能反映出对其成本或技术潜力的过时假设,相对于每个最终用途的其他脱碳方案而言。

同样,显示氢的广泛使用的情景可能反映出对氢的生产和使用可能实现的潜在成本降低的过于乐观的假设,或者可能看到其产量以不现实的速度增长。

“氢化物在有影响力的全球能源情景中的作用历来有限,”一位专家表示学习Sheila Samsatli博士在巴斯大学,与国际同行。它补充道:

“从过于简化的模型中得到的结果和结论可能会产生误导,甚至可能是错误的。就氢气而言,如果一项技术没有出现在结果中,则无法确定这是因为该技术的固有缺点,还是因为模型不足以代表该技术的优点。”

纵观上图中的全球研究,氢的使用量最低的是IPCC2018年1.5C专题报道. 这种低吸收可能部分反映了当时可用的模型文献的年代,氢可能被认为是昂贵的。

在英国石油公司最新发布的报告中,氢气的特征更加明显能源展望,建立在“氢和生物能在能源转换中可能发挥的作用的更全面的模型”之上。

它的“净零”路径(英国石油公司称其大致符合1.5摄氏度的假设)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。

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,布隆伯格提出了一个更强有力的氢的例子。它确定了2050年天然气满足全球最终能源需求30%的最大技术潜力。

在一个将气候变暖限制在比工业化前水平高1.5摄氏度、能源使用总体水平要低得多的途径中,BNEF认为氢能满足全球最终能源需求的24%,如上图所示。

公司最近的新能源展望“预计2050年将使用8亿吨氢气(MtH2)来满足全球最终能源需求的四分之一,同时将气候变暖控制在2摄氏度以下。

如果这些都是用电解法制造的,它将需要36000太瓦时的电能。BNEF指出:“这比当今世界的发电量高出38%。

BNEF的新能源展望预计氢的使用将分为电力部门(30%)、工业部门(30%)、交通部门(25%)和建筑部门(15%),如下表所示。

最近的另一项研究是国际能源机构(IEA)能源技术展望,于2020年9月出版。到2050年,氢的使用量不到最终能源需求的7%,其中交通运输(44%)、工业(28%)、电力(19%)和建筑(9%)。

到2070年,在将气候变暖保持在2摄氏度以下的情况下,国际能源署预计氢气将满足最终能源需求的13%,各部门之间的总需求分布不均。氢气将满足航运和航空业的大量能源使用,但几乎不能满足建筑业的需求,如右图所示。

最终能量需求氢气
左图:国际能源署能源技术展望可持续发展情景中的氢使用,百万吨油当量/年(左轴)和占最终能源的份额(右轴),2019-2070年。右图:2070年氢在最终能源中所占的份额,针对每个终端使用部门。资料来源:国际能源署2020年能源技术展望

Samsatli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,如果建立大规模的氢气基础设施来服务于这些行业,那么天然气也可以在其他领域提供灵活性,比如电力行业。

艾玛·平切贝克贸易集团首席执行官英国能源,告诉Carbo乐动体育下载appn Brief:“氢最有力的商业案例是在几乎没有替代品的行业。”

Pinchbeck说,这可能包括航运、重工业或供热,不过她指出:“电气化将成为解决供热问题的一个重要方面。”

“从根本上讲,能源市场的未来价值很大一部分将体现在电子和灵活性上。因此,氢需要研究出它将如何适应这种模式……氢是一种非常有吸引力的解决方案,但挑战在于它如何在商业上具有吸引力,以适应电力无法满足的经济缺口。”

为什么现在再次“炒作”?

氢气受到许多报纸社论和媒体的赞扬世界领导人为了解决今天的问题驱动Covid-19大流行后的“绿色复苏”减少英国在电动车电池方面对中国的依赖。

对氢作为能源解决方案的热情并不新鲜。第一个氢动力内燃机建造于1807年,围绕着用电解槽中的氢来代替煤的问题展开了争论出现早在1863年。

汤姆·布朗博士,一个能量系统制动器卡尔斯鲁厄理工学院,概述了这段早期的历史一系列最近的Twitter线程。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“事实是……只要你足够聪明,任何事情基本上都可以用氢来完成。人们基本上很早就意识到了这一点,而且它一直作为一个主题反复出现,但直到你拥有非常低成本的能力,它才真正成为相关的东西。”

这方面的一个早期例子来自20世纪20年代建造的超过100兆瓦(MW)的氢电解槽,用于供应化肥工业,在挪威和印度等地使用廉价的水电。

随着其他行业电力需求的增长,以及廉价的化石燃料可用于制氢,这些早期的努力逐渐被淘汰。尽管如此,从那时起,已经出现了几个炒作周期政府也在努力从地面获取氢气。

“氢经济”一词是最早出现的创造1970年由化学家John Bockris教授,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,一篇论文题为“走向液氢燃料经济性”的作者劳伦斯·琼斯教授密歇根大学的物理学家,总结道:

“作为一种无污染的燃料,[氢]必须被认真地视为21世纪碳氢化合物的合理替代品。”

氢的发展燃料电池商业应用开始不久后作为石油输出国组织(欧佩克)强制执行石油禁运美国、日本和西欧,推动价格上涨,促使人们寻找替代燃料。

随着禁运的解除、新化石燃料的开采和石油价格的下跌,人们的兴趣逐渐减弱。“下一个”假黎明“氢经济的发展20世纪90年代尤其是汽车制造商对这项技术的投资。

这次,根据在国际能源机构看来,油价“在本世纪后半叶一直处于低位,扼杀了本可以使这些项目更接近主流的支持”。

美国总统乔治W·布什提供了2003年联盟地址的国家
U、 美国总统布什发表2003年国情咨文。图片来源:路透社/阿拉米股票图片。

“在担忧中”石油峰值2003年,美国总统乔治W布什(georgew Bush)宣布了12亿澳元氢燃料倡议在他的国情咨文希望“今天出生的孩子驾驶的第一辆汽车可以用氢来驱动”。

然而,这种炒作又一次相对短暂,如下图所示,在2008年达到峰值之后,全球政府在氢方面的支出开始下降。(请注意,图表仅包括30个IEA成员国和欧盟。这不包括中国。)

氢气和燃料电池技术的研发支出
国际能源署(iea)和欧盟(eu)30个成员国在氢和燃料电池技术方面的研发支出。资料来源:国际能源署. 乔·古德曼的碳简图乐动体育下载app高级园林

“当氢经济在21世纪下半叶没有真正实现时,它又被放在了次要位置。”格尼沃米尔飞行,Thinktank的能源和气候顾问阿戈拉能源转型,告诉《碳简报》乐动体育下载app。

气候变化一直是氢能讨论中的一贯主题,但对石油供应和价格的担忧占据主导地位,公路车辆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解除时,围绕氢气的兴奋情绪往往会消退。

Ad van Wijk教授他是美国科学院未来能源系统教授代尔夫特理工大学,告诉Carbo乐动体育下载appn Brief这次情况不同:

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

成本下降可再生能源作为丰富、廉价的能源,带来了新一轮的热情许多人看到作为氢气成功的先决条件,现在看来是可以实现的。

最关键的是,全球气候目标巴黎协议除非脱碳覆盖到经济的每个角落,包括难以脱碳“钢铁生产、航运和航空等行业。

这个国际可再生能源机构(艾琳娜)暗示氢气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通电的部门的排放。

萨蒂亚帕尔,总经理美国能源部氢气办公室告诉Carbon Brief,相对便乐动体育下载app宜的氢气的供应意味着人们的兴趣已经远远超出了公路运输:

“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了推动氢作为替代燃料。他说:“他们开始意识到,他们最终必须做出改变。”。

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组成了这个组织氢能委员会2017年,国际能源署(IEA)和爱尔兰能源署(IRENA)等机构对氢能的兴趣推动了氢能成为关注焦点。

这个最近发布可再生氢联盟主要贸易机构的报告显示了风能和太阳能行业是如何支持氢的,主要贸易机构承诺帮助“开发商业模式和市场,使可再生氢成为主流”。
本·加拉赫咨询公司Wood Mackenzie专门研究氢经济的分析师告诉Carbon Brief,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”。乐动体育下载app

低碳氢气是如何产生的?

几十年来,氢的需求一直在稳步增长站在据国际能源署(IEA)称,大约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。

该机构表示,要满足所有这些用电需求,就需要3600太瓦时的专用发电量——“超过欧盟的年总发电量”。

另外45Mt氢气与其他气体混合用于钢铁和甲醇生产等工业。

如今,几乎所有的纯氢都被用于炼油和化肥生产等领域,而不是用来加热建筑物、驱动卡车或发电。

报告关于行业现状,于2020年初发布,伍德玛肯西得出的结论是,尽管过去十年中氢需求增长了28%,但这种增长“与许多其他新技术相比很小”。(风能和太阳能发电量火箭在同一时期。)

“如果对低碳氢气的需求增长,市场将迎来增长高潮。但我们还没有看到那次爆炸,”伍德·麦肯齐在一份措辞不妥的新闻稿中指出。

“低碳氢气”一词在这里是必不可少的,因为尽管所有氢气燃烧时不会产生温室气体排放,但不同生产方法对气候的影响却有很大差异。

氢气管。信贷:蒂森克虏伯钢铁欧洲/阿拉米
氢气管。信贷:蒂森克虏伯钢铁欧洲/阿拉米。

氢气的产生通常以不同的颜色来表示。为了脱碳,两个最突出的品种是“绿色”和“蓝色”。(国际能源署)避免由于生产对环境的影响,这些标签在一个颜色类别内可能会有很大差异。)

制氢类型

  • 绿色:利用可再生电力的电解发电。
  • 蓝色:生产以化石燃料为基础,但捕获了二氧化碳排放。
  • 灰色:使用化石气体制造,没有捕获到排放物。
  • 黑色:用煤做的。
  • 棕色:用褐煤制成。
  • 绿松石:热被用来分解化石气体的过程称为“热解”。
  • 紫色、粉色或黄色:来自核反应堆的电和热都可以用来生产氢气,但目前还没有广泛认可的这种方法的颜色。
  • 未商定:生物质生产。

绿色氢电解法是利用可再生能源产生的电能,通过电流将水分解成氢气和氧气的过程。这个标签有时被误导地应用于从电网电力中提取的氢气,而这种氢气只能像电网本身一样“可再生”。

另一方面,蓝色氢通常是通过甲烷气体与蒸汽反应,然后捕获和储存产生的二氧化碳排放来产生的。在蒸汽甲烷重整最常用的方法是燃烧化石气作为燃料和原料。

从目前的情况来看,绝大多数氢不是绿色或蓝色的,而是使用化石燃料制造的,没有任何碳捕获。基于煤、褐煤和天然气的无碳捕获和储存(CCS)生产方法分别被称为“黑色”、“棕色”和“灰色”。

根据在国际能源署,76%的氢气来自天然气,23%来自煤炭,后者主要来自中国,只有2%来自电解。目前不到0.7%的制氢来自低碳绿色或蓝色供应。

此外,制氢消耗了全世界6%的天然气和2%的煤炭,每年产生830MtCO2,略高于德国的年排放量。

在短期内,灰氢很可能仍然是最便宜和最广泛的生产路线,因为目前没有低碳生产方法具有成本竞争力。(看:“要多少钱?”

出于实现净零排放的目的,需要从灰色到绿色和蓝色的氢气产生。在下一节中讨论了这两个品种的作用 - ““蓝色”氢在净零未来有一席之地吗?

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——可能会促进未来的氢需求。

氢气也可以用核能来驱动电解。根据国际能源机构(IEA)的说法,通过核能生产的氢气“没有既定的颜色”,但有报道称其为“红色”黄色”, “粉红色“和”紫色”.

此外,来自核反应堆的热量可以通过生产蒸汽来具有氢气产生的应用效率更高电解或化石气为基础的蒸汽甲烷重整。

从长远来看,先进核反应堆的极高温度可以直接从水中提取氢气热化学裂解. 这些项目仍处于非常早期的发展阶段。

罗宾教授Grimes.,英国国防部的核领部顾问,最近撰写了皇家社会纸张在“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。

尽管迄今为止还没有任何地方建造利用核能的大型制氢设施,但格里姆斯告诉《碳简报》,这两个行业将从更大程度的整合中受益:乐动体育下载app

“核能不是孤立的只能产生基本负荷的电力,实际上核能是解决方案的一部分,因为……它的热量可以在不需要电力时直接使用。这就是热电联产的理念。”

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,这些国家的大部分电力供应已经依赖核能。

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

一个报告通过咨询透明催化剂他认为,达到国际气候目标所需的氢气量“远远超过可再生能源所能产生的量”,这使得核燃料氢气成为一种必需品。

这份清晰的报告认为,有一条通往廉价核能的明确道路,加上廉价的高温电解槽,将使核驱动生产成为制造氢气的最廉价方式,部分原因是转换效率更高。

然而,根据IEA的,使用核热量使电解氢的固体氧化物电解细胞(SOECs)需要比其他品种更昂贵。它如今,它们的成本高达每千瓦5600美元,大约是其他电解槽的3到5倍。

该机构还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。

尽管国际能源署结束需要复杂的加工和缺乏足够的廉价和廉价的可持续生物量这使得它比其他“低碳”技术更不吸引人。没有颜色分配从生物质中提取氢气。

“还有”绿松石氢气,作为甲烷的副产品而产生热解,利用热量将化石气体分成氢气和碳。

这仍然是一个问题利基战略这只存在于小范围内,但是已经鉴于其碳副产品的潜在有用应用,工业界对此很感兴趣。

绿松石氢有潜力作为一个低排放的选择,如果这个过程是由可再生能源或核能和由此产生的碳储存。

然而,一个最近的研究得出的结论是,与蓝色氢一样,它仍然会产生大量的排放物,因为产生的气体用于为该过程提供必要的热量。

“蓝色”氢在净零未来有一席之地吗?

围绕蓝氢对实现净零排放的贡献存在着相当大的争论。一些人认为这是一个重要的作用,而另一些人说,最多它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,一些竞选者科学家他们认为,蓝色氢将各国锁定在化石燃料使用和甲烷排放泄漏的未来,这意味着应该完全避免。

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产能。(请注意,并非所有方案都能实现,图表中约一半的计划产能仅来自三个主要方案:Solena的“等离子气化”建议在美国,在图表中标记为“其他”的H21蓝氢方案在英国;以及亚洲可再生能源中心计划在澳大利亚。)

每年估计产氢量(千吨)
估计的全球氢气生产能力,以每年数千吨为单位,分为利用可再生电解生产的绿色氢气(黄色)、利用化石气捕获和储存碳生产的蓝色氢气(蓝色)和利用其他技术生产的氢气(灰色)。最右边的一栏表示没有指定完成日期的项目。并非所有的项目提案都会进行。资料来源:公开发行的最新版本国际能源署氢项目数据库,由国际能源署提供给碳简报。乔·古乐动体育下载app德曼的碳简图高级园林

上图中的项目管道大致反映了英国石油公司的能源前景2050年,氢占最终能源消耗的16%——一半是绿色,一半是蓝色。

并非只有石油巨头在描绘蓝色氢的未来。气候变化委员会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12月份更新的指导意见将指出绿色氢的更大份额。乐动体育下载app

蓝色氢的支持者认为净零是必要的,因为它既可以更直接地获得,又可以在短期内更好地利用可再生电力资源。它也可以整合到现有的化石气基础设施中。

在能源展望发布会上,英国石油集团首席经济学家斯宾塞·戴尔专注于绿色氢气将“限制氢气经济的增长速度”。

能源贸易专家的报告拉尔夫·迪克尔对于牛津能源研究所得出的结论是,过度依赖绿色氢气将意味着“蚕食可再生电力在电力领域的成功……为什么?从现在开始,蓝氢可以完成非电力部门的脱碳工作”。

至少在短期内,各国政府已经表示支持蓝氢。朱利安·克里特克洛,英国能源转型和清洁增长部总干事商业、能源和工业战略部(贝斯)他说它具有“在中世纪的作用”。

地址关于欧盟委员会氢气战略,副总裁Timmermans强调,欧洲将优先考虑绿色氢气,但将暂时支持CCS生产,以“帮助我们更换肮脏的氢气”。

欧洲环境局描述委员会的P.港口蓝色氢作为“给化石燃料工业的礼物”。

而委员会自己的分乐动体育app苹果j析支持Timmerman的评论,它还提到了保留蓝色氢的一个关键问题:

“在脱碳的未来,利用脱碳电从电解中获得的氢气是更好的选择,包括从可再生能源中获得的‘绿色’氢气。如果取消了CCS的固有限制,从天然气蒸汽重整和CCS中获得的‘蓝色’氢也可能发挥作用。”

这些“固有的限制”被国际可再生能源机构(艾琳娜),哪个笔记在其氢气报告中指出,CCS技术目前尚未发挥其潜力,仍然“在发电和工业领域都偏离正轨”。

它还指出,蓝色氢“并非天生无碳”,因为CCS通常L.y形切口二氧化碳排放量减少80-90%。

更高的碳捕获率超过90%是可能的根据国际能源署,特别是如果一种替代制氢方法自热转化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,蓝色氢不会是零碳——即使是在100%的捕获率下。托马斯·布兰克洛基山研究所的研究人员告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“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——它不是零碳燃料。”

他指出,虽然碳捕获率很高可以实现,这使得该过程更加昂贵。“我认为决策者们开始意识到这一现实,”他说。

一个净零报告由英国的能量系统弹射器声明说,虽然“投机创新措施”导致99%的碳捕获将使蓝色氢“非常有吸引力”,但任何更少的措施都将有效地排除这种可能性:

“如果没有投机的创新措施,以95%的捕集率进行甲烷重整,碳含量过高,无法达到净零排放。”

下面的IEA图表显示了与可再生能源或核能驱动的电解相比,使用化石燃料和CCS产生的排放量。

不同制氢方法的CO2强度。这包括使用不同电源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)中产生氢气。资料来源:国际能源署。
不同制氢方法的CO2强度。这包括使用不同电源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)中产生氢气。资料来源:国际能源署。

然而,这个图表只显示了二氧化碳的强度。它没有考虑到由于天然气生产和分配系统中的泄漏而导致的上游甲烷排放,即使CCS能够捕获工艺释放的100%的CO2,也不一定能够避免这种情况。

Agora Energiewende的Gniewomir Flis告诉Carbon B乐动体育下载apprief,在考虑蓝色氢时,他“非常关注”这些排放物。

他说:“据我所知,没有一份出版物——国际能源署或其他机构——能够可靠地解释这些上游排放。”。

上游排放物可能会显著改变蓝色氢对气候的影响,这一点在本文中得到了强调报告这些泄漏的原因纳学会智囊团。它的重点是加拿大,在那里正在进行中在化石燃料丰富的阿尔伯塔省增加蓝色氢气的生产。

报告估计,蓝色氢气的排放量范围为每千克2.3-4.1kgCO2e,报告说,这反映了全国上游甲烷排放量的变化。

CCC的Net-Zero技术报告英国政府表示,低碳氢气可以从化石气体中产生,每千克排放量约为0.3kgCO2,捕获率为95%。相比之下,国际能源署估计每千克氢气的二氧化碳含量为0.9千克,捕获率为90%,如上图所示。

然而,如果将化石气生产的上游排放物计算在内,该委员会表示,以95%的捕获率计算,每千克氢气的排放量约为0.7-2.5kgCO2e。

为了说明这一点,BNEF的“新能源方案”设想2050年全球氢的使用量为8亿吨。如果所有这些都是由蓝色氢以95%的捕获率制成的,那么它将与6-20亿吨二氧化碳当量的生命周期排放量相关。

CCC的碳预算主管David Joffe博士告诉carbon Brief,在英国的净零目标范围内,有一些蓝色氢的乐动体育下载app空间,但不是满足大规模行业(如供暖和运输)所有潜在需求所需的非常大的数量。他说:

“没有具体的门槛,超过这个门槛肯定不行……(但是)当你接近净零排放时,那些剩余排放量真的开始变得重要了。”

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

报告为英国政府准备的报告指出,尽管氢本身不是一种污染物,但它可以加速甲烷和臭氧在低层大气中的积累,从而成为一种“间接温室气体”。

根据这份报告,一项模型研究评估了全球变暖潜力氢含量达到4.3。报告的结论是,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。

低碳氢气要多少钱?

绿色氢和蓝色氢在经济脱碳中的作用将在很大程度上取决于两者的成本。

这些形式的“低碳”氢不仅必须相互竞争,而且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。

虽然生产氢气的成本是一个重要组成部分,但它并不是影响消费者最终支付价格的唯一因素。

运输成本可能是一个重要因素,特别是如果氢气是从海外进口的,以及在一个国家内分配氢气的成本。还有公司获得的利润,这些利润被加到最终价格上。

国际能源署直率关于这一主题的不确定性,他指出,“在不同地区从不同来源生产氢气的相对成本,以及它们未来将如何竞争,尚不清楚”。

从目前的情况来看,灰色氢气是最便宜的选择,价格大约为1美元/公斤——如果来自中东天然气,但在某些地区价格高达3美元/公斤。对中国和印度来说,煤制氢往往是最便宜的选择,这两个国家的大部分天然气供应都是进口的。

根据国际能源署(IEA)的数据,如果用CCS将成本最低的产品变成灰氢蓝,成本将达到每公斤1.5美元左右。

相比之下,该机构表示,利用太阳能或陆上风能产生的绿色氢气一般在每公斤2.5至6美元之间。(其他人的估计较低,见下文。)

而氢气来自一些可再生能源可能已经为了在某些应用领域具有成本竞争力,它要想超越化石燃料的同类产品还有很长的路要走。

尽管如此,人们普遍对绿色氢的竞争能力持乐观态度,可再生能源发电成本的下降经常被认为是关键驱动因素。

下图表明,根据BNEF的“乐观”假设,最便宜的可再生氢气可以在2030到2030到2030的汽油中最便宜的低碳氢。

预计未来氢成本范围
到2050年,使用可再生电力生产的绿色氢气(黄色)和使用具有碳捕获和储存功能的气体生产的低碳氢气的预计未来氢成本范围(美元/千克)。资料来源:BNEF公司. 乔·古德曼的碳简图乐动体育下载app高级园林

为了许多,有报道称太阳能价格创历史新低沙特阿拉伯葡萄牙近几个月来,人们支持这样一种观点:尽管绿色氢气的效率低,运输成本可能高,但对世界大部分地区来说,进口绿色氢气可能成为一种成本效益高的解决方案。

另一个关键因素是用于生产绿色氢气的电解槽的推出,在过去十年中,绿色氢气的价格已经下降了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样的规模经济,生产成本已经比欧洲和北美低了80%,根据BNEF公司。欧洲生产商希望对“创新”的新型电解槽也要这样做。

报告根据行业组织氢理事会的结论,到2030年,“低碳”氢(包括绿色和蓝色)将在22种氢应用中具有竞争力,占全球能源消耗的15%左右。

与此同时国际可再生能源机构(艾琳娜)有断言“绿色氢的未来成本将低于蓝色氢化石燃料”。报告说,在五年内,来自低成本可再生能源的氢气将可与来自化石燃料的蓝色氢气相媲美。

尽管存在公认的不确定性,但国际能源机构表示,由于可再生能源成本的下降和制氢规模的扩大,绿色氢气的成本正在明显下降,到2030年可能下降30%。

来自美国的Jan Rosenow博士对近期成本研究的评估监管援助项目显示了对绿色氢的估算范围,大多数集中在每公斤2至4美元。

有几个因素可能导致对制氢成本的不同看法。

例如,如下图所示,国际能源机构的预测(以蓝色条表示)通常比BNEF的预测(以红色显示)更为保守。

预计氢气成本范围
根据国际能源署(IEA)(蓝色,中间估计值较暗)和BNEF(红色)的工作,预计2030年氢成本的范围,美元/千克。资料来源:IEA,BNEF。乔·古德曼的碳简图乐动体育下载app高级园林

Agora Energiewende的Gniewomir Flis说,IEA和BNEF的绿色氢气数据之间的主要差异是电解槽安装成本估算的结果,这是IEA预测的两倍,以及该机构对略高电价的假设。

为了使对电解槽的投资有价值,需要有相对便宜的电力供应。

将电解槽直接连接到各种可再生能源的一个问题是,它们不会一直运行,从而导致产生氢气的成本增加。

可能是将它们连接到电网更便宜,那里的生产将是不变的,但电力成本将更高,并将包括支付电网连接费用。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(看到了吗y“在下面).

电解槽的高使用率有助于使制氢的初始资本成本变得有价值,尽管这必须与使用时的电力成本相平衡。

最终,预计燃料成本对未来氢气价格的影响最大,这意味着绿色和蓝色氢气相对成功的最重要驱动力将是未来的电力和天然气成本。

一个报告由英国的海上可再生能源弹射器根据“保守的假设”估计,到2050年,绿色氢可能比蓝色氢便宜。

报告接着指出,有迹象表明,海上风能和电解槽成本的下降速度可能比预期的要快,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”。

在这种情况下,奥雷说,到2030年,绿色氢可能比蓝色氢便宜,“比我们的预测提前了大约20年”。

考虑氢气成本的另一个重要因素是运输,因为运输天然气比运输甲烷更具挑战性,成本也更高。

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:“氢气将如何影响全球地缘政治?“在下面).

然而,由于用特殊容器在世界各地运输氢气的成本很高,这些进口产品最终可能不会特别便宜在高压下还有低温。

Flis告诉carbo乐动体育下载appnbrief,使用IEA的估算,甚至使用日本研究机构更乐观的运输成本假设内多,进口氢气可能难以与国内供应的氢气竞争。

例如,2030年,英国生产的绿色氢气价格可能为3.20美元/千克,而葡萄牙和沙特阿拉伯分别为1.70美元/千克和1.30美元/千克。但根据国际能源署(IEA)的数据,这种燃料的运输成本约为每公斤2.70-4美元,这意味着进口燃料的成本仍然较高。

然而,如果国家缺乏足够的可再生资源在自己的土地上生产足够的氢气,它们可能需要进口氢气。

运输成本也取决于在路上。通过管道输送氢气的成本随着距离的增加而迅速增加,而当使用船舶时,启动成本要高得多,但随着距离的增加而保持相对稳定。

国际能源署表示,通过管道输送和分配氢气的成本较低,距离可达1500公里左右。2020年初,一批欧洲天然气基础设施公司站出来计划用一根“主干”管道连接非洲大陆。

然而,对于更远的距离来说,将氢转化为“液体载体”(如氨)更有经济意义。(有关运输氢气和氨的更多信息,请参阅:“航运和航空”下面。)

最后,供给和需求也会对最终价格产生影响。A报告通过极光能源研究得出结论,在氢需求量高的情况下,绿色氢“比蓝色氢贵得多”。

相比之下,如果需求较低,主要基于绿色能源的氢气推广成本“可以忽略不计的额外成本”。

氢的使用将如何影响全球地缘政治?

几十年来,化石燃料,尤其是石油玩过吗在国际关系中扮演着重要角色,并引发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,在这个世界里,大量的氢气的出现结束了这一切:

“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。”

里夫金的书是在人们对氢非常热情的时候出版的,但这是在水力压裂臂,当它被认为美国石油储备将在10年内枯竭,急需替代品。(看:“为什么现在氢气又被‘炒作’了?”

氢气目前是一个非常本地化的行业,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,所以它是灰色的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”路径能源展望英国石油公司说,电力和氢气的作用越来越大,并补充说:“这些能源载体比传统的碳氢化合物运输成本更高,导致能源市场变得更加本地化。”

然而,虽然里夫金对氢的乐观可能还为时过早,但他确实如此不孤单在比较氢和石油以及推测其对地缘政治的影响时。作为一篇论文出版于2020年6月Thijs Van de Graaf属于根特大学他的同事称之为“新石油?“他说:

随着时间的推移,氢的跨境海上贸易有可能从根本上改变全球能源贸易的地理格局,创造一个新的能源出口国阶层,并重塑国家间的地缘政治关系和联盟

绿色氢的膨胀有可能转变现有贸易平衡,使国家丰富的太阳能和风能,如智利澳大利亚和摩洛哥成为主要出口国。这个经济学家他把这些未来的能源发电厂称为“电州”。

Ad van Wijk教授属于代尔夫特理工大学他说,虽然许多计划扩大氢使用的国家在自己的土地上很难做到这一点,但全球范围内可利用的可再生能源将远远不够。

作为一个例子,他讲碳简短乐动体育下载app覆盖撒哈拉沙漠中约8%的太阳能电池板可以满足全球能源需求。“当然,建造太阳能和风能需要时间,但最终是没有限制的。”

他说,由于缺乏足够廉价的可再生能源,欧洲国家最终将转向进口:

“这是我们今天所做的一件事。我们至少在欧洲进口了很多能量,从您拥有廉价生产石油和天然气或煤炭的地点。“

这一点在现有的氢气战略中很明显,这些战略表明,未来的氢气领导者只看到其供应的一小部分在当地生产。

在它的策略德国提议谦虚的14 Terawatt小时(TWH)在2030年之前的绿色氢气的110TWH期限

有限的国际贸易已经开始,日本最近收到了世界第一“从文莱和德国运送氢气签署一笔交易与摩洛哥一起利用其理想的“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,向资源贫乏的亚洲国家提供氢。澳大利亚政府自支持以来一个530亿澳元(合390亿美元)的“亚洲可再生能源中心”将为此做出贡献。

德国也是远至刚果民主共和国,那里的一个主要水电站被认为是一个潜在的氢能发电厂“附加装置”的位置。这样的交易引起关注van de Graf和他的合作者提起的新动态:

“在某种程度上,发展中国家仅仅被视为原材料的提供者,氢革命带来了‘绿色殖民主义’的风险。”

氢气贸易的未来——以及氨等氢衍生燃料的贸易——将受到全球运输成本的影响(看:“低碳氢气要多少钱?”).

国际能源署强调对国际氢运输路线的需求,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”。vanwijk告诉carbonbrief,至少在欧洲,另一个关键的组成部分将是扩建和改造从非洲输送氢气的天然气管道。乐动体育下载app

其他已发出警告天然气市场“缓慢且不完全的全球化”表明,氢气贸易可能不会像一些人想象的那样迅速发展。

首艘液化氢航母“苏苏边疆”号在下水仪式上。
首艘液化氢航母“苏苏边疆”号在下水仪式上。信贷:自然资源和能源署。

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”。报告哈佛大学的贝尔弗尔科学与国际事务研究中心乐动体育 英超得出的结论是,绿色氢经济可能会以类似于现有化石燃料经济的方式出现,而不是破坏石油富国的“霸权”:

“未来的市场动态很可能类似于今天的区域天然气市场——相应地有可能发生地缘政治冲突”。

在一篇文章中外交政策,于2020年10月出版,Jason Bordoff教授曾任美国国家安全委员会(nationalsecurity Council)高级主任的他描述了氢和氨海运贸易可能面临的风险。

此外,他还表示,沙特阿拉伯和俄罗斯等国可能是最终占据市场主导地位的国家之一。沙特能源部长阿卜杜拉齐兹·本·萨勒曼亲王最近概述他计划确保美国成为“地球上最大的氢气出口国”。

博多夫写道:“为了挑战传统的观点……想想今天的一些石油国家可能就是明天的电子国家。”。

氢气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,从制造汽车的钢材到为家里供暖的煤气。

然而,在实践中,氢不太可能被普遍吸收。此外,满足低碳氢气所有可能应用所需的体积可能会远远超过现有的数量,即使生产规模显著扩大。

本节详细介绍了如何将氢气应用于交通、工业、供热和电力部门,以帮助它们实现净零排放。

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热情浪潮,当时氢作为石油的替代品得到了推广。

这是明显的从支持氢的政策来看,氢主要针对汽车、加油站和公共汽车。

尽管如此,流动性目前仍在增加最小的在整个氢气市场中占比不到全球需求的0.1%。

热情许多行业参与者希望氢气在运输领域取得成功,并且已经在一些利基市场得到应用。例如,大约有25000辆叉车正在使用现在通电了使用氢气。

然而,电池电动汽车的崛起意味着它们被广泛视为净零未来的汽车。英国的气候变化委员会结论在2018年,电动汽车“现在完全可以为汽车和货车提供大部分的脱碳”。

对于从长途卡车到飞机等较难脱碳的交通运输而言,氢气仍可能发挥重要作用,但其中许多领域的进展仍处于初期阶段。

公路运输

截至2019年,有只是使用氢燃料电池运行的11200辆乘用车,主要分布在加利福尼亚、欧洲和日本。作为比较,全球电池电动车车队超过7米,到达第一个百万就在五年前。

氢燃料电池汽车工业一直受到“瓶颈”的限制鸡肉和鸡蛋“问题。没有足够的汽车生产来降低价格,需求不足意味着昂贵的氢燃料加油站没有得到广泛安装。这反过来又有助于限制需求。

最近的氢能委员会报告得出的结论是,为了使燃料电池汽车具有竞争力,每年将汽车产量“大幅”提高到100万辆左右是必要的。

与此同时,在燃料电池汽车发展初期非常昂贵的电动汽车,其成本已经大幅下降,广泛的充电基础设施也已经铺开。

氢动力丰田Mirai成本6.6万英镑(88015美元),相比之下,特斯拉的电池电动车型3围绕45000英镑(60010美元),或者是一辆普通的中型英国车这倾向于在22000-36000英镑(29338-48008美元)之间。

氢燃料电池有一些声音诋毁,直言不讳的特斯拉首席执行官埃隆马斯克打电话给他们“愚弄细胞”并将这项技术斥为“愚蠢得令人难以置信”。

费迪南德·杜登霍教授杜伊斯堡-埃森大学汽车研究中心,讲述碳简介他一乐动体育下载app直对氢气汽车持怀疑态度:

“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.”

虽然有人试图让燃料电池汽车进入大众市场,杜德恩霍弗说,现在人们普遍认为这是不可能发生的。

今年,梅赛德斯-奔驰取消其燃料电池计划经过三十年后由于成本高昂而被大众汽车公司公布一个声明结论是:“一切都支持电池,实际上没有什么支持氢。”。

詹尼纳尔逊教授他与人合著了一本最近的欧洲科学院科学咨询委员会乐动体育 英超(欧洲航空航天局)评论关于这个问题,他告诉Carbon Brief乐动体育下载app,运输是一个很好的例子,说明氢气是一种低效的可再生能源:

“使用可再生氢和燃料电池运行同一辆车所需的电力大约是使用电池的2.5倍,使用可再生氢制成的合成燃料运行同一辆车所需的电力大约是使用电池的5倍。”

然而,氢能分析师Gniewomir Flis表示,人们仍然对利用这项技术取得成功感兴趣:

“这么多年来投入了这么多资金,如果承认这么多年后,电池电动车只是一个更好的解决方案,那将是相当尴尬的。”

日本已经宣布到2030年,韩国将有80万辆氢燃料电池汽车上路它将更高的1.8米。

燃料电池确实比电池有优势,尤其是它们的换料时间要短得多。有些人有研究表明,居住在人口稠密的东亚城市的人们不太可能有足够的空间为电动汽车充电,而是会选择氢气。

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生产规模。丰田最近推出新版本的itsMirai.——日语中“未来”的意思——尽管低销售额以前型号的。

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,有标志即使是这些行业的领导者也在经历掉头“因为他们揭示了他们生产电池电动车的计划。

丰田有计划吗到2025年,将电动汽车和混合动力汽车的全球销量扩大到550万辆,而氢动力汽车的销量仍保持在数万辆。

乔恩·亨特,替代燃料的经理丰田他告诉《碳简报》乐动体育下载app说,虽然他们也在推动电动汽车的发展,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,寿命有限,但氢燃料汽车的燃料堆“将继续运转”,这意味着它们可以再出售。

至关重要的是,他还指出了Mirai的燃料堆(利用氢气和氧气发电的燃料电池组件)的功率大约是所需功率的两倍。他说,这使得成本更高,但同时也让我们了解了丰田的动机:

“这样做的原因是你把单位标准化了,进入米莱的单位可以用在卡车上,就像我们现在做的那样,也可以用在公共汽车上,也可以用在轮船上,不需要做太多的改动。”

在某种程度上,燃料电池汽车的命运被更大的公路车辆所包裹,在那里对氢的需求可能会更大。

对于普通公共汽车来说,电动汽车已经成为摆脱化石燃料的主要过渡方式。智库认为碳追踪器去年,中国59%的公交车是电动的。

然而,对于电力需求高、需要长距离行驶的重型卡车和城际客车来说,使用电池进行直接电气化更具挑战性。因此,燃料电池可能对这些车辆具有竞争优势。

Hunt告诉Carbo乐动体育下载appn Brief,要使这些应用取得成功,特别是在商用车上,必须“毫无疑问”地证明这项技术。他说:“你不能直接到(运输公司)埃迪·斯托巴特(Eddie Stobart)跟前说:‘看,你能不能扔上几辆燃料电池卡车来运输你的货物,就为了试试看。’

“我们的策略是,让汽车上路,因为汽车是一个很容易进入的市场……我们知道,我们可以向特定用户销售足够多的汽车,以证明技术的有效性,并帮助基础设施得到发展。”

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

帕特里克·阿克曼西门子eHighway的业务开发负责人认为,如果你认为电池电动汽车“赢得了与燃料电池汽车的竞争”,那么这些汽车就是“冒险的赌注”。

他告诉Carbon乐动体育下载app Brief,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:

“那么这就意味着,不仅燃料对卡车来说太贵了,而且车辆的价格也永远不会降到有竞争力的水平。”

根据尽管氢气仍有可能在长途卡车上发挥作用,但未来公共汽车、轻型卡车和汽车市场的大部分将可能是电力市场,而到2030年,燃料电池产业的起步将需要1050亿美元的补贴。

根据阿克曼的说法,一个明显的选择是安装他公司的那种架空充电电缆已经在试用了在德国。

一个文献综述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)的研究表明,以紫色条为代表的氢燃料电池比悬链线以及德国卡车传统化石燃料的其他替代品更昂贵。

四种不同减排方案的额外成本
与基于德国长途重载货运部门化石燃料使用的参考案例相比,四种不同减排方案的额外成本。资料来源:ICCT公司,基于Kasten等人(2016年)

也有潜力对于不依赖悬链线的电动卡车的开发,尽管关注关于所需电池的尺寸和重量。

奥克霍克斯特拉,一位在智能移动领域的高级顾问埃因霍温理工大学,发现在一个场景中,从一个国际能源署报告在卡车运输中,电动卡车占了上风。

一个关键问题是一直存在的低碳氢气可用性问题。根据国际能源署表示,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3亿吨,是目前所有用途水平的4倍多。

随着汽车保有量的增加,低碳氢气的供应可能会受到限制,而需求将继续上升,阿克曼告诉carbon Brief,在可能的情况下,最好通电:乐动体育下载app

“[西门子]制造[氢气]电解槽。我们很高兴向市场供应这一产品,但我们看到,这是一项巨大的工程,只是为了满足现有的需求。”

他补充说,有些行业,如长途运输,不太可能转向电池,这使得他们对绿色氢气的需求更大。他总结道:“任何可以(直接)用电的地方……你都应该这样做。”。

航运和航空

航空和航运负责5%左右同时也很难通电。氢或氢基燃料,如因此,可能对实现净零目标至关重要。

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,看到第一个氢动力小客机起飞。

然而,这些示范项目,都使用氢气最终派生来自化石燃料,是目前氢气在这些领域进展的上限。

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。
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年底实现服务进入的努力。信贷:泽拉维亚。

毛小丽,一位海洋研究人员在国际清洁运输理事会她在接受《碳简报》采访时说,乐动体育下载app如果没有氢气,航运业不太可能脱碳,但有一些障碍阻止它取代化石燃料:

“业内人士曾表示,氢气是他们感兴趣的主要选择之一,但如果没有专门的资金,事情不会有多大进展。”

到达国际海事组织(海事组织)目标行业数据显示,到2050年,全行业的排放量比2008年减少了50%已经同意了商业上可行的零排放船舶必须在2030年进入全球船队。

然而,尽管早期项目一份报告称,在航运业使用氢燃料,这一资本密集型行业陷入“僵局”报告壳牌公司。

海事组织的另一份报告劳氏船级社2019年得出的结论是,“在选择一种燃料、一种技术和一条路线时仍然存在不确定性”。

船上的氢气可以在发动机中燃烧,也可以在燃料电池中发电,但这两种选择都需要昂贵的新基础设施来运输和储存船上的天然气。

要求储存量至少是石油燃料的五倍是关注点它可能会侵蚀货物储存,因此也会侵蚀利润。

然而,毛泽东模型研究今年早些时候,研究发现,在中美繁忙航线上行驶的集装箱船中,99%都可以使用氢燃料,“只需对燃料容量或操作进行微小的改变”。

尽管如此,雅各布森大学世界上最大的集装箱运输公司马士基的船队技术负责人告诉Carbon Brief,虽然氢可以在渡轮等小型船只上使用,但他们“不希望氢成为船只的相关燃料”。乐动体育下载app

我们…相信他说:“将氢转化为甲醇或氨并将其用作燃料将更有意义。”。

尽管氨仍然比化石燃料需要更多的空间,但它的能量密度比氢更高,而且已经用船运送到世界各地。甲醇也是正在考虑作为氢的更实用的替代品。

如下图所示,在长途运输中,氨尤其可能比氢便宜,这主要是由于较低的储存成本(以绿色显示)。虽然氢很难液化,但氨很容易在适当的压力和温度下储存为液体。

大型运输船上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(VLSFO)和液化天然气(LNG)以及氢和氨动力内燃机(ICE)的化石燃料选择。资料来源:国际能源署。
大型载体船舶中不同燃料和动力总成替代品的当前和未来成本,包括非常低的硫燃料油(VLSFO)和液化天然气(LNG)的化石燃料选择,以及由氢气动力的内燃机(冰)氨。资源:国际能源署

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”).

报告壳牌公司于2020年9月发布了一份报告,根据对80位行业人士的采访,确定绿色氢气和氨气是船舶脱碳的热门选择,65%和55%的受访者表示,他们将其视为未来组合的一部分。甲醇“很少被提及”,只有10%的人认为它对未来很重要。

不过,报告也得出结论,其他行业认为氨是未来燃料的“证据很少”:

“因此,如果航运业选择氨作为主要燃料,基础设施成本很可能完全由这一部门承担。”

最终,要求船舶减排、有效的碳定价和低碳燃料标准是使这些替代品具有竞争力可能需要的建议之一。

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,一位工程师伍尔弗汉普顿大学谁出版的概述去年这个主题。他讲碳简短:乐动体育下载app

“航空业有一个目标到2050年实现二氧化碳净排放量比2005年减少50%的目标,只有通过在该行业部署更多的氢气技术,才能实现这样一个雄心勃勃的目标。”

这种气体可以直接燃烧,用于燃料电池的动力,或者与二氧化碳结合,生成类似煤油的液体合成燃料,这对现有基础设施的改动相对较少。

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高海拔地区的温室效应。

这个问题导致英国气候变化委员会完全放弃这个选择,陈述2018年,“因此,氢在航空脱碳中似乎不起作用”。

最近的评估更为积极。报告欧盟委员会(europeancommission)在5月份提出了2035年和2040年的目标,以引入氢动力中短程飞行,这两项飞行总共造成了目前飞机排放量的三分之二。

同一份报告得出的结论是,氢气燃烧可以将每次飞行对气候的总体影响降低50-75%,占总影响的50%非二氧化碳影响包括水蒸气、烟尘和氮氧化物(NOx)。燃料电池推进将有75-90%的更大的好处。

根据报告,氢燃料电池产生的水蒸气足够冷,可以在飞机上捕获和储存,因此避免了气候影响。虽然氢气燃烧不可能做到这一点,但其对气候的影响仍低于煤油。

巴鲁塔吉说,尽管燃料电池的前景和在试飞中的使用,他们仍然“只适用于轻型和小型飞机的动力”。尽管如此,他表示,氢技术仍引起了业界的极大兴趣。

空中客车公司已发布“世界上第一架零排放商用飞机”的三个概念,该公司希望在2035年投入使用。这些飞机将依靠氢燃料电池提供的一些支持来进行氢燃烧。

ZEROe空中客车概念飞机。信贷:空客
ZEROe空中客车概念飞机。信贷:空客

据航空网站报道,在空客2035年目标启动后,波音产品开发商迈克尔·辛内特(Michael sinett)表示,他不认为氢燃料飞行“即将到来”环球飞行

尽管波音公司自己推出作为2008年第一架氢能飞机,辛内特将氢气生产和储存的限制列为商业应用的障碍。液化氢需要煤油储存量的四倍。

短期内,公司可以使用尽管生产成本很高,但用氢气和二氧化碳制成的合成燃料可以取代煤油。它们还有排放二氧化碳的主要缺点。

然而,如果用于制造燃料的二氧化碳被发电厂捕获,理论上可以减少总排放量,因为每一个二氧化碳分子将被使用两次。如果它们是用二氧化碳生产的,它们甚至可能是净零从空中捕获

与航运业一样,欧盟委员会的报告结论任何一种选择都需要一个长期的政策框架和大量的研究资金来扩大规模,并与生物燃料等替代品竞争。

铁路

从氢中获益的最后一种运输方式是铁路。氢动力列车正在缓慢推出,其中有两列操作在德国进行的审判英国奥地利. 法国和日本也在制定计划。

铁路已经是世界上最电气化的运输方式,拥有四分之三在电动火车上进行的客运。

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。

伯明翰大学的氢燃料电池驱动Hydroflex火车原型
伯明翰大学的氢燃料电池火车原型在昆顿铁路技术中心进行试运行。图片来源:G.P.Essex/阿拉米股票图片。

尽管如此最近的报告由英国铁路网络所有者英国国营铁路公司结论是氢技术“不适合长距离高速和货运服务”。

具体来说,报告引用与柴油相比,氢燃料的储存量是柴油的8倍,而且到目前为止,还没有氢动力货运或高速列车。

相反,该报告将氢主要用于解决农村地区的低速客运列车线路,或处理难以用架空线通电的“脱线”路段,如隧道和桥梁。

一些建议在某些地方安装架空电线的高成本使得氢气在某些情况下成为更经济的选择。

另一份报告去年由英国铁路部长铁路行业脱碳工作队他指出,“未来氢的成本是不可预测的,特别是考虑到生产手段缺乏确定性”。

在英国,火车排放的二氧化碳已经减少被切断在过去十年中,随着更多的线路通电和电力系统脱碳,增长了50%。

国家铁路公司(National Rail)预计,电气化将成为该国至少四分之三的剩余非电气化铁路的解决方案。氢被认为是最好的选择只有5%。

它的报告还指出,即使在技术上可以使用电池或氢气的情况下,通电仍然可能是“最明智的选择”。

工业

氢的灵活性意味着它在工业上有广泛的现有和潜在的应用,包括生产化肥、钢铁和水泥。它可以是化学原料、可燃燃料或除去杂质的反应物。

所有这些都意味着,工业,特别是炼油、氨和甲醇生产,目前占氢气需求的大部分。这种氢几乎全部来自化石燃料。

尽管如此,这种需求已经存在,这意味着其中一些行业可能会相对落后。”低垂的果实“用于脱碳。为了达到目的,他们使用的天然气必须用低碳来源的氢气来代替。

由于需求量巨大,仅为这些现有需求来源扩大低碳氢气生产规模将是一项重大任务。

钢铁制造业一直是讨论的焦点。根据我们的数据世界钢铁制造业的能源相关排放量约占全球温室气体排放量的7%。

Alexander Fleischanderl博士他是一家工程公司的技术官员普锐特科技,告诉Carbo乐动体育下载appn Brief,钢铁制造商一直在努力通过优化工艺来减少排放,但这些努力只能走得更远:

“你可以达到一定的物理极限……[但是]要达到净碳零的目标[这些变化]是不够的。你必须换成氢气。”

钢铁生产。信贷:普锐特。
钢铁生产。信贷:普锐特。

而炼钢的直接电气化过程称为电积“这可能是未来的一个选择,到目前为止只是在试点规模上进行了示范。

一些钢是已经回收了使用电能炉的废料可能是脱碳。然而,根据Fleischanderl的说法,大多数钢铁仍然需要来自原生铁矿石,例如,如果它要达到足够高的品位以用于汽车工业。

这取决于一个多世纪以来基本保持不变的进程。铁矿石是用焦炭在高炉中熔炼的,焦炭既是燃料又是还原剂,可以除去氧气,留下纯金属,排放二氧化碳。

氢气可以作为燃料注入这些熔炉,减少排放最多20%。这种技术正在测试由德国钢铁生产商蒂森克虏伯,仍最终依靠煤炭来减少矿石。

一种新的生产方法称为直接re淬火铁(DRI)使用氢气作为还原剂。这不需要一个熔炉来熔化矿石,而且只排放水。

就目前的情况来看,7%左右大量的钢是用直接还原铁生产的,这足以使炼钢成为第四大氢气用户。如果用低碳氢代替化石燃料中的氢,扩大这一过程将有助于工业脱碳,弗莱申德尔解释道:

“从技术上讲,问题不大。大部分问题都解决了……真正的障碍是是否有足够数量的氢,以及绿色氢的价格。”

根据国际能源署(IEA)宣布,用直接还原铁(DRI)和电炉取代所有炼钢,将导致该行业的氢气需求增长15倍。

试点项目欧洲正在将低碳氢气纳入钢铁生产,但“绿色钢铁”何时具有竞争力的问题仍然悬而未决。

瑞典钢铁公司SSAB公司正在运行HYBRIT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。

Ad van Wijk教授属于代尔夫特理工大学他说,与其他行业相比,他对这一进程的发展速度持怀疑态度:

“人们认为绿色氢气将首先取代工业上的灰色氢气,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一世伙伴布隆伯格,如下图所示,绿色氢可以在2030年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广泛的可再生能源部署。

用氢和煤制造的钢的成本
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。资源:BNEF公司

报告关于这个话题,咨询麦肯锡将欧洲“纯氢基钢生产”的成本竞争力定为“2030年至2040年之间”,预计大部分绿色钢将在欧洲部署。

然而,绿色钢铁仍可能需要政府的大力支持,其中可能包括排放交易计划支持绿色钢铁的转换和配额。

Fleischanderl还强调了碳边界调整欧洲的机制使绿色钢铁能够与从中国进口的廉价钢材竞争世界上最大的钢铁生产商。

“否则你将无法管理,因为很明显,绿色钢铁的成本将更高。这必须被接受。

洛基山研究所的ThomasBlank告诉CarbonBrief,由于许多决策者热衷于保护炼钢这一战略性乐动体育下载app产业,价格远不是唯一的考虑因素。

他指出,虽然绿色钢铁生产最具成本效益的地点可能是澳大利亚西北部干旱的地区,那里开采铁矿石,可再生能源电力可能廉价且充足,但如果这意味着要保持当地的生产,欧盟和印度可能会接受更昂贵的钢铁。

另一个“难以脱碳”的部门可能受益从氢气中引入的是水泥。水泥生产过程中产生的二氧化碳弥补占全球排放量的3%,尽管这不包括所涉能源投入的排放。

燃烧氢气可以达到制造水泥所需的高温,从而避免目前占其排放量三分之一的化石燃料燃烧。

然而,这方面的进展目前非常有限,取代化石燃料将需要一个全新的基础设施,因为现有的水泥窑无法使用纯氢。

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,指出氢气在这种情况下“从未被测试过”。一个项目自从此以来获得了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,弥补对新加热设备的需求等等一篇论文称为“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,“实际上没有专门的氢气生产来产生热量”,预计它将与生物质和CCS“竞争激烈”,根据国际能源署。

该机构表示,它可以与工业供热的电气化竞争,尽管电力已经发展得远远不止了。一项研究研究发现,欧洲工业78%的能源需求已经可以通过现有技术实现电气化。

至于已经严重依赖氢气的工业过程,虽然效率的提高可能会抑制部分需求,但总体而言,这一需求有望增长。这意味着企业将需要寻找低碳氢源来脱碳。

单一部门与最大需求是炼油,用氢气除去硫和其他杂质。

尽管石油的使用量可能会随着气候变化而下降,但对燃料中硫含量的监管收紧意味着该行业对氢气的需求仍可能相当大。

氢气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、粘合剂和各种其他物质的甲醇。

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远距离运输氢气的方式,或者作为替代燃料,那么它可能会进一步发展。

尽管氨具有毒性,但在某些应用中,特别是在运输中,氨作为氢的替代品正在被讨论(参见:“运输”). 它可能储存和运输

比氢更容易,因为它是一种液体,压力相对较低,要么转化回氢,要么燃烧而不产生二氧化碳。

最近的一次EurActiv事件欧盟委员会能源顾问都铎君士坦丁斯库他说,他看到这种氢燃料在完全脱碳的经济中扮演着“非常重要的角色”。

低碳氢气对于所有这些应用的脱碳至关重要,但它的成功将取决于与使用CCS和生物质的天然气的竞争,这两种技术也可用于减少工业排放。

汤姆·布朗博士卡尔斯鲁厄理工学院,告诉《碳简报》乐动体育下载app,这有助于解释为什么变化太大了氢的使用预测。他说:“我认为没有人确切知道哪一个会取得最大的进展。”。

无论哪种解决方案最重要IEA说明了为了解决工业排放问题而迅速扩大规模的紧迫性。

在它的氢报道根据该机构的计算,为了满足未来的氨和甲醇需求,同时利用化石气将气温限制在远低于2摄氏度的水平,从现在到2030年,每年捕获1百万吨二氧化碳的CCS装置必须以每月4台的速度建造。

如果使用绿色氢气来实现同样的目标,那么在2030年之前,每周都要建造6到7个新的100MW电解槽。
根据国际能源署,2021年是目前已设置更接近于四台100兆瓦电解槽全年投入使用。

氢的多功能性意味着它可以在电力领域有多种应用,包括在经过改造的发电厂和发电厂中替代化石气体提供电力在偏远的岛屿上使用燃料电池。

特别是氢在电力系统中有两个重要的作用。

首先,它被提议作为一种潜在的低碳电力的灵活来源,可以用来补充以风能和太阳能等可再生能源为主的电网。

第二,电解槽可以用来生产氢气缩减“在可再生能源供不应求的特别晴朗或有风的时期,否则就会浪费掉的发电量。

德国马德菲尔德多云晨光中的风电场
德国马德菲尔德多云晨光中的风电场。信贷:毛里求斯图像股份有限公司/阿拉米股票照片。

随着可再生能源提供了世界上更多的电力,氢能倡导者将气体视为深度脱碳在太阳和风力不足时提供电力。

在这种情况下,氢气可能是一种有用的储能形式,可以覆盖电池不足时可再生重型系统的季节变化。

可再生的电力,有时来源于国内电网,当它是丰富和廉价的,可以转换成氢气。或者,也可以从风能或太阳能过剩的国家进口(见:“氢将如何影响全球地缘政治?”

氢气可以通过将其压缩到地下的盐穴或耗尽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,它可以转换回电力,或者用于能源系统中的其他用途,如运输燃料。

在短期内,电池倾向于提供高级存储系统,具有往返效率(能量输入与能量输出的比率)超过80%,相比35-41%为了氢气。

然而,当能量需要储存数天或数周,因为电池会受到损坏时,可以使用氢气自放电在更长的时间内。

这对于更大规模的储存需求也更有意义,与氢储存所占用的空间相比,这将需要“巨大”数量的电池,根据国际能源署。

尽管有这些应用,汤姆·布朗博士卡尔斯鲁厄理工学院,谁已建模欧洲的深度脱碳途径,说电力部门不太可能是广泛推广氢气的首要任务。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“如果你要排放一吨二氧化碳,那么把氢放在钢铁或氨气行业比担心电力需求的最后10%去碳化更有意义。”

布朗说,在转向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准备就绪,为工业等其他部门提供能源后,备用发电所需的氢气自然也会随之而来,他说:“基本上,你可以免费获得氢气和100%可再生能源世界的最后10-20%。”

据一位报告欧洲大学学院,使用氢气储能被“大大高估了”,原因很简单,至少在欧洲,没有太阳或风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,利用有人提出了一项削减电力供应的战略,这不仅有助于减少排放,而且有助于节约资金。

一个报告英国电力行业的净零机遇国家基础设施委员会(NIC)的结论是,利用被削减的电力生产氢气“有助于降低高度可再生混合燃料的系统成本”。

艾琳娜声明这“可以极大地帮助提高氢气生产的经济性”,也可以为可再生资产所有者提供收入。

随着可再生能源普及率的提高,这些时期变得越来越普遍,正如伍德麦肯齐公司的本加拉赫(Ben Gallagher)对《碳简报》所说:乐动体育下载app

“(在)加利福尼亚州、德国、中国西部和得克萨斯州西部,削减电力供应的频率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。“

虽然这是一个很有希望的想法,但它可能并不实用,即使假设未来几年可再生能源的大量推出。NIC笔记“由于产量的波动性,以低成本吸收所有被削减的可再生能源发电将是一个挑战”。

希尔峡谷污水处理厂太阳能电池板
位于加利福尼亚州希尔峡谷污水处理厂的太阳能电池板,提供了该厂15%的能源需求。图片来源:地球公民/阿拉米股票照片。

专为利用这种浪费的电能而建造的电解槽只可能艾琳娜指出,大约10%的时间都在操作。这是因为当天气特别晴朗或刮风时,限功率是一个偶然事件。

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。

这一分析基乐动体育app苹果j于质子交换膜与广泛使用的碱性电解槽不同的是,电解槽能够快速增加并捕获被削减的能量。

虽然中国是世界上最大的电解槽生产国,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从削减的电力中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,例如PEM,以保持其经济竞争力并降低价格。

建筑供暖

建筑物的空间供暖和热水供应是最有争议的潜在氢使用领域之一,并且经常是研究的主题加热的辩论。

很多能源专家不屑的氢在建筑热量的脱碳中扮演着重要的角色,因为它的效率远远低于电热泵,使得运行成本更高。

其他人则认为可以解决脱碳热问题不中断人民生活以较低的前期成本,同时重用宝贵的天然气配送资产。他们还指出了对电网的限制,电网可能需要升级以应对完全通电的热量。

他说,总的来说,效率和电气化是热量脱碳的主要途径珍妮·希尔,英国咨询公司建筑和国际行动部负责人气候变化委员会但是氢可以起到重要的辅助作用。她告诉Carbon Brief:乐动体育下载app

“效率是关键的第一步,否则热量问题会变得太大。虽然电气化具有首要的战略重要性,但氢气在电力行业或通过使用混合式热泵(见下文)达到峰值方面可以发挥极其有用的作用,并在区域范围内发挥作用。”

建筑供暖是一个需要解决的主要问题。根据国际能源署,建筑用热占全球最终能源需求的20%以上,包括空间供暖、热水和烹饪。

这20%的份额可与上述深度脱碳方案中的氢吸收进行比较(S.ee:限制气候变化需要多少氢?),2050年最大24%的最终能源由氢气提供,用于所有用途。

此外,在这些研究中,大多数氢用于工业、交通或电力,而不是用于建筑。这表明,使用氢气来降低世界上大部分建筑用热需求的成本并不是最优的。然而,在替代方案不可行的情况下,可能需要这样做。

一些国家在使用电力或区域供暖的供热方式上已经取得了快速的进展。但是,在其他许多国家,有有限的进步。

人们普遍认为,解决热排放问题具有挑战性,特别是对于隔热性较差的现有建筑,IEA表示,到2050年,这些建筑仍将占全球建筑总量的五分之二。

国际能源署称,目前全球约41%的建筑热量来自燃气,各国情况差异很大。下面的图表显示了这一点,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。

由天然气(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,%,分布于多个国家。资料来源:英国政府的Vivid Economics 2017报告,摘自Chatham House 2019。
由天然气(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,%,分布于多个国家。资料来源:Vivid Economics 2017年英国政府的报告查塔姆大厦2019

支持者说,燃气供暖的广泛使用为氢提供了一个机会,因为它可以充当“燃料”一个接一个“更换燃料。氢气可以在空气中燃烧改进型燃气锅炉或滚刀,燃料由重新调整网络用途天然气分配管道。

联盟属于公司几年来,英国一直致力于验证这一想法,其中目标将“英国天然气管网的重要部分转化为100%氢气”。政府的近期气候计划目标是到2030年在整个城镇测试氢热。

在国际上,有至少37个项目将氢气混合到现有的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,可以安全地达到20%(按体积计)。这被视为一种“低遗憾”的方式,以减少二氧化碳从加热和扩大氢气的使用。

英国的天然气输送管道网络(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,不过压缩机和网络的其他部分也需要更换,以应对100%的氢使用。

他说,到2032年,铁干线的更换将完成马修·辛德尔,位于能量网络协会,代表英国的天然气和配电公司。

Carl Arntzen,锅炉制造商首席执行官伍斯特博世他告诉Carbo乐动体育下载appn Brief说,在他看来,对于目前85%的英国家庭来说,氢气是最好的解决方案。

他指出了热泵面临的实际挑战,包括需要提高建筑能效、更换散热器以及为热水箱和热泵设备寻找空间。

伍斯特博世公司(worcesterbosch)首席执行官卡尔•阿恩岑(Carl Arntzen)和财政大臣瑞希•苏纳克(Rishi Sunak)带着一台备有氢气的锅炉。信贷:伍斯特博世。

对家庭和行为进行破坏性改变的想法常常是人们的“心头之事”人们在思考关于热的未来“ENA的Hindle说。(最近英国气候大会发现了对氢、热泵和热网络的有力支持,以解决热脱碳问题。)

但是,尽管主要的效率升级可能会带来破坏性的影响,但在任何情况下都可能需要它们。Richard Lowes博士埃克塞特大学,告诉Carbo乐动体育乐动体育app苹果j;下载appn Brief:“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,才能使事情更具成本效益。”

在成本上,最近的分析乐动体育app苹果j显示热量的氢气比气体贵三倍,而热泵是跑起来很便宜在某些情况下用作煤气锅炉。

BNEF的Meredith附件说,使用氢气供热是一个“昂贵的用例”,而且这种燃料相对于热泵来说“困难重重”,即使是在总拥有成本的基础上。

另一个经常被提及的问题是,热泵的广泛使用将大大增加电网的峰值需求,特别是在高纬度国家,如英国。

这一点很重要经常伴随下面的图表显示了英国目前用电(蓝线)和用气换热(红线)满足的半小时能源需求的季节变化。(Carbon Brief了解到,天然气行业内一些公司的名片上也有类似的图表。)乐动体育下载app

英国的热电需求
英国每半小时的热能和电力需求,千兆瓦。热量需求是一个估计值。资料来源:管理热系统脱碳化,帝国理工学院能源政策与技术中心。

这张图表表明,用电来满足峰值热需求可能需要电力系统规模的大幅增加,峰值电力需求增长高达5到6倍。

最近的证据数据显示,对热能的需求比预期低40-50%,接近170吉瓦(GW),而不是上图所示的峰值300吉瓦。这将是进一步减少随着能源效率的提高,要求在道路上实现净零排放。

此外,热泵的工作原理是从外部空气中吸收热量,根据设备性能和环境温度,将运行它们所用的能量乘以两到三倍。这可能砍掉最高的山峰在热能需求上又减半。

即便如此,在寒冷的冬季夜晚,对电能的额外高峰需求可能会使电网紧张。虽然可以覆盖这些峰值,但成本可能会很高。

根据CCC和BNEF等分析师的说法,这是氢气可能介入的领域。他们指出,使用“混合”供热系统,主要依靠电力运行,但在最冷的日子使用氢气锅炉“加满”,就像使用含碳捕集和储存的天然气或氢燃料发电厂来填补风能和太阳能发电的产量缺口一样。

另一种选择是在某些地区用氢气加热,特别是在广泛使用燃料和相关基础设施的地区“枢纽”周围。

研究Lowes及其同事在8月份发表的论文中指出,供热行业“在位者过度向决策者出售‘绿色天然气’,以保护他们的利益,降低电气化的重要性和价值。”

“学术界、英国政府及其顾问的技术经乐动体育app苹果j济分析一再表明,大量热需求的电气化,主要是在减少热需求的同时使用热泵,代表了接近完全脱碳供热的最低成本途径。”

一个回顾英国能源研究中心(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”。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气试验,以评估燃料的潜力,但他们警告说,这项工作不应被用作借口,以避免在其他选择方面取得进展。

在最近的博客中,斯蒂安西湖英国创新基金会执行董事内斯塔,讨论了“仿生浮萍”这一更广泛、相关的问题,即未来新技术解决方案的承诺被用来阻止现有方案的使用。他写的

“虽然我不怀疑有一些热心于氢家庭供暖的人,但我想知道,他们的热情是否是为了部署一个温暖的未来主义者,以阻止目前热泵的威胁。”

医院的Jan Rosenow医生监管援助项目告诉Carb乐动体育下载appon简报:

“我认为一个合理的方法将是逐步的,在你测试氢气的情况下,然后逐渐推出基础设施,而不是拥有一个大计划,这一切都将是关于氢气的......对我来说,这似乎误导。这是一个深深的危险策略,可以完全失败 - 然后在10年内你没有做任何事情。“

乐动体育下载app碳简图,图表,图形和互动设计的汤姆普拉特和乔古德曼。

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