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奥地利林茨的Voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施。 信贷:钢联股份有限公司
能源
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

多个作者

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

氢气长期以来被认为是化石燃料的替代品,也是应对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。

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。乐动体育下载app

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。

在氢经济中,氢将取代目前提供的化石燃料4/5世界的能源供应并发出大部分全球温室气体排放。

这可能有助于实现气候目标,因为氢在燃烧时只会排放水,而且在生产过程中不会排放二氧化碳。(它的生产目前是排放8.3亿吨二氧化碳[MtCO2]。)

氢经济可能是无所不包的。或者,根据氢的可得性、相对于替代品的成本和性能,它可以填补每一个潜在应用的一系列缝隙。

在这两个极端之间,氢仍有潜力在实现净零排放方面发挥巨大作用,这需要大幅增加其生产和使用。

“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:你真正需要在哪里使用它?”Jan罗斯诺夫博士监管援助项目

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,说帖木儿居尔他是总部位于巴黎的世界卫生组织的负责人国际能源局(国际能源署)能源技术部门的主要负责人2019年的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。”这是达到目的的一种手段。”

氢可以通过电分解水(电解)或通过热或蒸汽分解化石燃料或生物质的方法产生。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、卡车或船舶进行储存、液化和运输。它还可以用来制造化肥、汽车燃料、为家庭供暖、发电或驱动重工业。

这种潜在的氢“经济”如下图所示。这些插图的标题从一到三,说明了氢是如何被制造、移动和使用的。

氢可以是存储

转换合成

燃料或运输通过

卡车、轮船或管道

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

氢可以是

制作从电力,

生物能源或化石燃料

二氧化碳捕获与封存

运输

1.

改革

CCS

化肥

生产

气体

二氧化碳

二氧化碳

氢可以是使用

运输、工业、

发电、

化肥或加热

3.

煤炭

转换

生物质

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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表示网络研讨会7月:

“过去,我们的技术和工业都是关于收集石油、输送石油和使用石油的。现在,在未来,它将收集阳光、输送阳光和使用阳光——而让这成为可能的是氢气。”

在这个构想中,太阳能——以太阳辐射和风能的形式——通过电解转化为氢气,然后在世界各地运输。

作为一种全球交易的大宗商品,氢可能会重塑地缘政治版图,结束对化石燃料出口国的依赖,并改善进口国的能源安全。

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。

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的报告说:

“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。”

城市地下煤气管道维修。
城市地下煤气管道维修。图片来源:Andor Bujdoso / Alamy Stock Photo。

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电力需求得到满足。IEA解释道:

“通过生产氢气,可再生电力可以用于化学燃料更好的应用。低碳能源可以长距离供应,电力可以储存,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“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

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,其他清洁能源技术的机会最近有了很大的改善,最重要的是直接使用电力的解决方案,这意味着未来的氢可能更多地是集成到多样化和互补的能源网络。与其他(低碳)竞争对手相比,氢在某些终端行业的使用面临技术和经济挑战,因此情况尤其如此。”

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文章“从表面上看,(氢)似乎是所有能源问题的答案。”但他补充道:“遗憾的是,氢也有同样令人印象深刻的缺点。”

氢的优势

  • 清洁燃烧,只释放水和能量。
  • 每单位重量能储存比大多数其他燃料更多的能量。
  • 可以用低碳材料制造。
  • 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为化学原料。
  • 可用于“难以减少”的行业的脱碳。
  • 为能源安全、产业战略和空气质量提供更广泛的好处。

氢的缺点

  • 今天几乎所有的生产都来自高碳源。
  • 目前生产成本昂贵,降低成本也不确定。
  • 体积庞大,运输和储存费用昂贵。
  • 生产效率低下,成本增加,总体上需要更大的能源供应,清洁能源生产的规模甚至更快。
  • 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。

国际能源署表示,目前面临的挑战包括高昂的成本,以及成本如何随时间发展的不确定性。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,这使得逐渐部署更加困难。

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。

尽管越来越多的国家正在制定专门的氢能战略,但政府和政策对氢能的支持也存在不确定性(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都比许多替代能源浪费更多的能源。

国际能源署表示:“以氢为基础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。”

经济学家他说氢“不可避免地效率低下”,而能源技术研究所总工程师在2018年写道“从目前对相关技术的理解来看,在整个经济中强制全面采用氢燃料的战略效率非常低。”

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。

这是一个类似的故事比较电热泵与氢锅炉相比,还是看效率的储存多余电力以氢的形式,供以后使用。

IEA解释道:

“全部能源公司,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%。

“这使得氢比电力或用于生产它的天然气更‘昂贵’。它还提出了在任何价值链中尽量减少能源载体之间的转换数量的理由。也就是说,在没有能源供应限制的情况下,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,在整个价值链的水平上加以考虑。”

事实上,基于化石燃料的传统能源系统是已经高度效率低下在美国,内燃发动机汽车仅将20%的汽油能量作为有用的前进动力。类似地,平均效率燃煤电厂的比例仅为33%。

这表明低效率并不是使用氢的根本障碍。相反,低效率可能会因为更高的成本和更大的能源供应需求而阻碍氢的使用。

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

提到欧盟最近公布的氢策略(见下文),他讲碳简介:乐动体育下载app

“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。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。”

哪些国家正在探索氢的使用?

去年,国际能源局(国际能源署)编制了一份关于氢的未来他指出,该公司“目前正享受着前所未有的政治和商业势头”。

报告将2019年描述为能源载体的“关键年”,并概述了支持其在能源应用中的使用的政策和研究的稳步增加。

包括国际能源署在内的有影响力的组织氢委员会英国石油公司,都对它的未来意义和其他方面表达了自己的看法预示21世纪20年代被称为“氢的十年”。

利用可再生电力生产“绿色”氢气的管道正在迅速扩大,近三倍然而,这些项目对全球能源系统的贡献仍然微乎其微。

只有197个政党中的6个2015年巴黎协定在他们的第一章中提到了“氢”在全国范围内确定贡献但随着一波又一波的国家对该协议的兴趣越来越大,受到了零的目标,制定国家氢气战略。

一个最近的评论世界能源理事会德国分会发现,有20个国家已经实施了此类战略或“即将实施”。

下面的地图是根据该委员会与《碳简报》分享的最新分析得出的。乐动体育下载app乐动体育app苹果j报告显示,另外33个国家也在朝着这个方向发展。这使得该小组得出结论,到2025年,这些战略可能将涵盖占全球GDP 80%以上的国家。

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。乔·古德曼(Joe Goodman)为Carb乐动体育下载appon Brief绘制的地图。

最重要的公告之一是欧盟委员会的“氢的策略该计划包括一个雄心勃勃的目标:到2030年,欧洲电解槽产能将达到400吉瓦(GW),以生产“绿色”氢气。

在此背景下,2000年至2019年,全球部署的绿色氢项目总容量仅为0.25GW,根据咨询公司伍德·麦肯齐。

在一个新闻发布会上欧盟委员会副主席弗兰斯·蒂默曼斯(Frans Timmermans)在启动这一战略时,将“清洁”氢气描述为对欧盟的“关键”绿色交易,目标是到2050年实现净零排放。

“能源转型在很大程度上将集中于直接电气化,但在钢铁、水泥、化工、空中交通、重型运输和航运等行业,我们需要其他东西。”

这一雄心壮志得到了几个欧洲国家的支持,包括德国葡萄牙荷兰,释放自己的氢策略,有些是在“绿色复苏来自Covid-19大流行。

在与欧洲邻国保持一致的压力下,英国的部长们已经说过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.国家电网称氢将“需要”为了达到这个目标。

承认最近几年国家氢能战略的“混乱”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”提及在氢方面的投资“高达5亿英镑(6.67亿美元)”,其中包括在未来10年实现5千兆瓦低碳氢产能的目标。

这是大大减少而不是其他欧洲国家仅德国一国就表示,将投资90亿欧元用于清洁氢生产,并将技术出口到海外,但到2030年,其国内产能将达到500万千瓦。

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国际能源署氢项目数据库, IEA向《碳简报》(Carbo乐动体育下载appn Brief)提供。地图由Tom Prater为Carbon B乐动体育下载apprief绘制。

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计划沙特阿拉伯的一个大型氢气厂使用了4千兆瓦的风能和太阳能。“(氢)已成为全世界新能源的明星,”他表示。

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”彭博

特别是日本,自20世纪70年代以来一直在探索将氢作为一种能源2017年氢战略宣布了建设第一个“氢能社会”的计划。

日本政府在因新冠肺炎疫情而推迟活动之前,曾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辆服务于奥运会的巴士提供动力。韩国已经另一个早期采用者。

其他国家,包括澳大利亚新西兰美国已经公布了计划,要调动本国丰富的可再生资源,成为绿色氢的主要出口国亚洲部分地区和欧洲。

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,在绿色氢技术和两个大国之间的竞争方面,中国被视为欧洲最大的竞争对手可以帮助降低价格。

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。前科技部部长万乐动体育 英超功是中国电动汽车战略的先驱它“应该考虑建立一个氢社会”。

能源公司,例如壳牌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,一度被认为是氢技术领先国家的美国,已经近年来逐渐落后。

(虽然上面的地图显示了相当大的计划氢容量,但它被扭曲了一个大项目该公司表示,它打算在2023年之前建成一个利用生物质生产氢气的设施。)

一个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”:

“其他国家,如德国、日本和中国,正在开发氢基础设施,并投资于氢经济的基础。美国不应该落后。”

限制气候变化需要多少氢?

在这篇文章的二十多个采访中,有一个广泛的共识,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,以及氢将用于哪些行业,人们的意见并不一致。

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

至关重要的是,电和氢的生产都可以脱碳。(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至关重要。

而电气化起着关键作用主导作用途径确定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)的报告显示,目前还无法解锁某些领域,比如长途运输。

这使得氢对于达到净零“至关重要”,说大卫·约菲博士他是英国咨询公司碳预算主管气候变化委员会.他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“在我们看来,你应该尽可能地通电。在成本过高或不可行的地方,这就是你寻找氢的作用。”

与电不同的是,储存在氢中的能量是通过相对稳定的化学键携带的,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学原料。

“总有一些应用场合不适合电气化,”他说梅瑞迪斯附件,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分子的燃料来制造[更高的]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。

在未来,低碳氢的制造成本是多少,以及在多个经济领域成功大规模部署这种燃料的难度有多大,都是不确定的。

其结果是,全世界以及各个国家或地区都有广泛的氢能使用途径,以模拟如何减少排放以避免危险的气候变化。

乐动体育下载app《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……的比例最后的能源到2050年,全球(顶部)、欧盟(中间)和英国(底部)将实现深度脱碳。

每一行都显示了单个报告或组织的调查结果,浅蓝色的条形图显示了不同情况下的氢共享范围。中心估计值和最大电位分别显示为中蓝色和深蓝色的圆圈。

氢在最终能源中所占的百分比
最终由氢提供的能源份额,%。2019年的全球份额(最高)与2050年的全球份额(上),欧盟(中)和英国(下)。范围(浅蓝色条)表示相关场景的传播。中心估计(中蓝点)和最大采用(深蓝色)也显示。来源:碳简要分析乐动体育下载app列出的研究和乐动体育app苹果j乐动体育app苹果j欧盟委员会的联合研究中心.看联系表为引用。图表由Joe Goodman为Carbon Bri乐动体育下载appef所用Highcharts

从图表顶端的全球研究来看,到2050年,氢将达到最终能源的零到30%。上限是理论上的最大值,而不是现实的潜力。

覆盖欧盟的场景具有相似的范围,最多可在欧盟委员会的2050路通路中最多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。

乐动体育下载appCarbon Brief了解来自中国的新建议气候变化委员会(CCC)将于12月9日到期,届时氢的份额将低于总份额的五分之一到三分之一。

重要的是,场景的氢使用取决于几个因素,包括莫德勒的假设他们的模型的细节水平和模型路径的雄心。

前英国政府顾问人韦认为在英国将其2050年减排目标从80%提高到100%后,“在许多方面,氢都是大赢家”。这是由研究显示了一个方案的雄心和氢吸收之间的相关性。

在任何特定的模型或情景中,氢的低使用率都可能反映出,相对于每种最终用途的其他脱碳选择,对其成本或技术潜力的假设已经过时。

类似地,显示氢广泛使用的情景可能反映出对氢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。

“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。研究希拉博士Samsatli在巴斯大学,与国际同事。它补充道:

“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。”

看看上面图表中的全球研究,最低的氢使用水平是IPCC的2018年关于1.5摄氏度的特别报道.这种低吸收率可能部分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,氢的作用更为突出能源展望它建立在“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。

它的“净零”路径——BP称大致符合1.5摄氏度的情景——预计到2050年氢的使用量将达到58焦耳(EJ),满足全球最终能源需求的15%左右。

英国石油公司指出,在这一途径中氢的使用处于IPCC方案的“范围上限”,即当排放达到净零时,对氢的需求在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”。

在一个报告于2020年3月发表,BloombergNEF提出了一个更有力的氢的例子。该报告指出,到2050年,这种天然气的最大技术潜力将满足全球最终能源需求的30%。

如上图所示,BNEF将全球变暖限制在前工业化水平以上1.5摄氏度,且总体能源消耗要低得多,因此认为氢满足了全球最终能源需求的24%。

公司是最近的。”新能源前景“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。”

如果全部采用电解方式,将需要36000太瓦时(TWh)的电力。BNEF指出:“这比当今世界生产的电力多38%。”

BNEF的新能源展望预计,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。

最近的另一项研究是国际能源机构(IEA)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%)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。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。

最终能量需求
左:2019-2070年IEA能源技术展望可持续发展情景下的氢使用量,每年数百万吨石油当量(左轴),作为最终能源份额(右轴)。右图:氢在2070年最终能源中的份额,每个最终使用部门。资料来源:国际能源机构2020年能源技术展望

Samsatli和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。报告补充说,如果为这些行业建设大规模的氢基础设施,那么天然气也可以在其他领域提供灵活性,比如电力行业。

艾玛冒牌的他是美国贸易集团首席执行官英国能源他告诉《碳简报》乐动体育下载app:“氢最具商业价值的领域是那些几乎没有替代品的行业。”

平奇贝克说,这可能包括航运、重工业或供暖行业,不过她也指出:“电气化将是解决供暖问题的重要途径。”铜锌补充道:

“从根本上说,能源市场的未来价值将主要体现在电子和灵活性方面。因此,氢燃料需要弄清楚它将如何适应这种模式……氢燃料确实是一个很有吸引力的解决方案,但挑战在于它如何具有商业吸引力,以填补经济空白,而电力无法做到这一点。”

为什么现在氢又被“炒作”了?

氢气得到了许多报纸社论和世界各国领导人为了解决今天的问题,从驱动新冠肺炎大流行后的“绿色复苏”减少英国对中国电动车电池的依赖。

这种将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了早在1863年。

汤姆布朗博士该公司的能源系统模型师Karlsruhe理工学院,概述了一些早期历史连载最近的Twitter帖子。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“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,它会因主题而导致重复,但直到你有很低的力量,它并没有真正变得相关。“

一个早期的例子就是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,使用了挪威和印度等地廉价的水电。

随着其他行业的电力需求增长,以及廉价的化石燃料可用于氢生产,这些早期的努力被淘汰了。然而,从那以后,已经有几个炒作周期政府也在努力让氢气脱离地面。

“氢经济”这个词最先出现创造1970年被化学家发现John Bockris教授,他一个愿景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“迈向液氢燃料经济性”的作者琼斯教授劳伦斯密歇根大学的物理学家得出这样的结论:

“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。”

氢的发展燃料电池用于商业应用不久之后就开始了石油输出国组织(石油输出国组织)实施石油禁运美国,日本和西欧这推高了燃料价格,并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“虚假的黎明的观点出现了1990年代当时,汽车制造商尤其在这项技术上投入了大量资金。

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”。

美国总统布什发表2003年国情咨文
美国总统布什发表2003年国情咨文。图片来源:路透社/ Alamy Stock Photo。

在对"和平"的担忧中,石油峰值2003年,美国总统乔治•W•布什(George W Bush)宣布注资12亿美元氢燃料倡议在他的国情咨文他们希望“今天出生的孩子驾驶的第一辆汽车可以使用氢动力”。

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

在氢和燃料电池技术上的研发支出
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。来源:国际能源机构. Joe Goodman的碳简要使用图表乐动体育下载appHighcharts

“21世纪后半期,当氢经济没有真正实现时,它再次被搁置了。”Gniewomir Flis.他是智库的能源和气候顾问集市Energiewende他告诉《碳简报》乐动体育下载app。

气候变化一直是氢能讨论的主题,但对石油供应和价格的担忧一直占据主导地位,道路车辆一直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。

Ad van Wijk教授他是一名研究未来能源系统的教授代尔夫特理工大学,讲述碳简介,这乐动体育下载app次情况不同:

“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。这是主要的驱动力。”

成本下降可再生能源带来了一阵新鲜的热情,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,现在看来是可以实现的。

至关重要的是,气候目标巴黎协定2015年不太可能实现,除非脱碳达到经济的每个角落,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(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。

(Sunita Satyapal,主任美国能源部的氢办公室讲述碳简介,相对便宜的氢气意味着利息现乐动体育下载app在远远超出公路运输:

她说:“氢的一个关键好处是,它可以为各种应用提供价值,并有助于整合行业。”

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。“他们开始意识到,他们最终将不得不做出改变,”他表示。

来自世界上最大的石油生产商、汽车制造商和工业公司的首席执行官们组成了这个组织氢委员会国际能源署(IEA)和国际能源署(IRENA)等机构对氢的兴趣,帮助将其推到了聚光灯下。

最近推出可再生氢联合关键的行业组织承诺帮助“发展商业模式和市场,使可再生氢成为主流”,这表明风能和太阳能行业也在支持氢。
本·加拉格尔一位专门从事咨询木材麦肯尼氢经济的分析师,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”。乐动体育下载app

如何产生低碳氢气?

几十年来,对氢气的需求一直在稳步增长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。

该机构表示,满足所有这些用电需求将需要3600太瓦时(TWh)的专门生产——“超过欧盟每年的总发电量”。

另外45Mt氢气用于钢铁和甲醇生产等行业,与其他气体混合使用。

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。

一份报告关于2020年初发布的行业现状,Wood Mackenzie结论是,在过去的十年中,氢需求增长了28%,而这种增长与许多其他新技术相比,这一增长是“小”。(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。但我们还没有看到爆炸,”伍德麦肯兹在一份措辞不幸的新闻稿中指出。

“低碳氢”一词在这里至关重要,因为尽管所有的氢燃烧都不会产生温室气体排放,但不同的生产方法对气候的影响存在很大差异。

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

氢的产生通常由不同的颜色来表示。为了脱碳,两种最突出的品种是“绿色”和“蓝色”。(国际能源署避免这些标签作为生产的环境影响,在单一的颜色类别中可能有很大的差异。)

制氢类型

  • 绿色:由可再生电力驱动的电解发电。
  • 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,没有捕获排放物。
  • 黑色:用煤制造。
  • 棕色: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、粉色或黄色:核反应堆产生的电和热都可以用来生产氢,但对于这类方法,没有普遍认可的颜色。
  • 不同意:生物质生产。

绿色的氢它是由电解产生的,利用可再生能源产生的电力,利用电流将水分解成氢和氧。这一标签有时被误导地应用于从电网中提取的氢,因为电网本身就是“可再生”的。

另一方面,蓝色氢通常是通过甲烷气体与蒸汽反应,然后捕获并储存产生的二氧化碳排放而产生的蒸汽甲烷重整这是最常见的方法,燃烧化石气体作为燃料,同时用作原料。

目前来看,绝大多数氢不是绿色或蓝色的,而是使用化石燃料制造的,没有任何碳捕捉。以煤、褐煤和气体为原料而不进行碳捕捉和储存(CCS)的生产方法分别被称为“黑”、“棕”和“灰”。

根据根据国际能源署的数据,76%的氢气来自天然气,23%来自煤炭(后者主要在中国),只有2%来自电解。目前只有不到0.7%的氢生产来自低碳的绿色或蓝色供应。

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。

在短期内,灰色氢气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在成本上与它竞争。(看:“How much is it going to cost?”

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”氢在净零未来有一席之地吗?

除了基本的调色板,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“黄色的”, “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以化石气为基础的蒸汽甲烷重整。

从长远来看,先进核反应堆的高温可以直接从水中提取氢热化学分解.这些项目仍处于开发的早期阶段。

教授罗宾·格里姆斯他最近撰写了《皇家学会》(Royal Society)一书关于“核热电联产”,即在“难以脱碳”的领域利用反应堆产生的热量发电的过程。

尽管迄今为止还没有使用核能的大型制氢设施建成,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

“核能并没有被孤立,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的时候直接使用。”这就是热电联产的想法。”

在氢研究的早期,利用核能生产氢是一个流行的想法,现在也是还是存在法国主张,,俄罗斯美国这些国家的大部分电力供应已经依赖于核能。

西沃核电站,维恩,普瓦图-夏朗特地区,法国。图片来源:imageBROKER / Alamy Stock Photo
西沃核电站,维恩,普瓦图-夏朗特地区,法国。图片来源:imageBROKER / Alamy Stock Photo

一个报告由咨询公司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。

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。

原子能机构也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。

氢也可以用生物质生产,尽管国际能源署得出的结论是需要复杂的加工和缺乏足够的廉价和可持续生物质这使得它没有其他“低碳”技术那么吸引人。没有颜色分配从生物质中提取氢气。

还有"绿松石氢气,甲烷的副产品热解它利用热量将化石气体分解成氢和碳。

这仍然是一个问题利基战略虽然规模很小,但确实存在已经工业利益考虑到其碳副产品的潜在有用应用。

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,一个最近的研究得出的结论是,与蓝色氢一样,由于产生用于为工艺提供必要热量的气体,它仍将产生大量排放物。

“蓝色”氢在净零未来有一席之地吗?

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他们认为,蓝色氢将国家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使用蓝色氢。

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。建议在美国,在图表中标记为“其他”;的H21蓝色的氢结构在英国;和亚洲可再生能源中心计划在澳大利亚。)

估计每年生产数千吨氢气
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国际能源署氢项目数据库, IEA向《碳简报》(Carbo乐动体育下载appn Brief)提供。图表由Joe Goodman为Carbon Bri乐动体育下载appef所用Highcharts

上图中的项目管道大致反映了净零场景下生产方法的分裂英国石油公司的能源前景到2050年,美国最终能源消耗的16%来自氢——一半是绿色,一半是蓝色。

并非只有石油巨头在描绘蓝色氢气的未来。气候变化委员会(CCC)指示性途径对于英国的Net-Zero主要依赖于蓝色氢,尽管碳简介了解12月份的更新指导,将指出更大的绿色份额。乐动体育下载app

蓝色氢的支持者认为净零是必要的,因为它既更容易获得,又能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天然气基础设施中。

在能源前景推出,BP集团首席经济学家斯宾塞戴尔专注于绿色氢将“限制氢经济的增长速度”。

能源贸易专家的报告拉尔夫绝对为了牛津能源研究所结论是,对绿色氢的普遍促使意味着“蚕食电力部门可再生电力的成功......以及什么?蓝色氢气可以在立即开始索取非电信部门的工作“。

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商业,能源和工业战略部(贝斯)曾说过它“在中世纪扮演着一个角色”。

一个地址关于欧盟委员会的氢的策略,副总裁蒂默曼斯强调,绿色氢将在欧洲得到优先考虑,但将暂时支持CCS生产,以“帮助我们取代污染的氢”。

欧洲环境局描述该委员会的p港口因为蓝色氢气是“送给化石燃料行业的礼物”。

虽然委员会的自身分析乐动体育app苹果j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,利用脱碳电电解获得氢气是更可取的选择,包括从可再生能源中获得‘绿色’氢气。如果取消CCS的固有限制,从天然气水蒸气重整和CCS结合获得的‘蓝色’氢也可以发挥作用。”

这些“固有约束”被突出显示国际可再生能源机构(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ly形切口二氧化碳排放量减少80-90%。

超过90%的碳捕获率是可能的根据国际能源署,特别是如果替代制氢方法自热式改革是用来代替更常规的蒸汽甲烷重整。

然而,即使在甲烷生产过程中排放,蓝色氢气也不会为零碳 - 即使以100%的捕获率 - 也是由于甲烷生产过程中的排放。托马斯空白来自落基山研究所的研究员告诉《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——但它不是零碳燃料。”

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。”

一个净零报告由英国能源系统弹射器声明称,虽然能够捕获99%碳的“投机性创新措施”会让蓝色氢气“极具吸引力”,但任何不足都会有效地将其排除在外:

“如果没有投机性创新措施,95%的甲烷重整率对碳排放来说太高了,无法达到净零排放。”

国际能源署下图显示了碳捕获与封存技术中使用化石燃料所产生的排放量,与可再生能源或核能所驱动的电解相比。

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。资料来源:国际能源机构。
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。资料来源:国际能源机构。

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能够捕获该过程释放的100%的CC2,也不一定避免。

Agora Energiewende的Gniewomir Flis告诉《碳简报》,当考乐动体育下载app虑到蓝色氢气时,他“非常担心”这些排放。

他表示:“据我所知,国际能源机构或其他机构都没有对这些上游排放做出可靠的解释。”

上游排放可能会显著改变蓝色氢对气候的影响,如一份报告这些渗漏的原因是什么Pembina Institute智库。它主要关注加拿大的计划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。

报告估计蓝色氢气每千克的二氧化碳当量在2.3-4.1千克之间,报告称这反映了全国各地上游甲烷排放的变化。

CCC的零技术报告对于英国来说,低碳氢气可以从化石气体中生产出来,每千克二氧化碳排放量约为0.3千克,捕获率为95%。相比之下,IEA估计每千克氢气捕获0.9千克二氧化碳的比例为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%。

在此背景下,BNEF的“新能源方案”设想,到2050年,全球氢使用量将达到8亿吨。如果所有这些都是由蓝氢以95%的捕获率制造的,那么它将与6 -2亿吨二氧化碳当量的生命周期排放相关。

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,仍有一些蓝色氢的乐动体育下载app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:

“没有一个特定的阈值,超过这个阈值肯定是不好的…[但是]当你接近净零排放时,那些残余排放物真的开始起作用了。”

最后,也有证据表明,基础设施泄漏释放到大气中的氢可能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,尽管氢本身不是一种污染物,但它可以通过加速甲烷和臭氧在低层大气中的积累而成为“间接温室气体”。

根据报告,一项模型研究评估了全球变暖潜力氢的值为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。

低碳氢的成本是多少?

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。

不仅这些形式的“低碳”氢必须彼此竞争,而且没有CCS的额外成本,它们还需要与其他替代能源解决方案竞争到生物燃料的其他替代能源解决方案。

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,特别是如果氢是从海外进口的,以及在一个国家内分销氢的成本。此外,企业的获利也被计入最终价格。

国际能源署是直率的关于本课题周围的不确定性,并指出“在不同地区的不同来源生产氢的相对成本,以及它们将如何在将来竞争,尚不清楚”。

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。

根据国际能源署的数据,如果使用CCS将成本最低的产品变成灰色氢蓝色,那么成本将达到每千克1.5美元左右。

相比之下,该机构表示,利用太阳能或陆地风能产生的绿色氢通常在2.5美元至6美元/公斤之间。(其他人的估计更低,见下文。)

来自一些可再生来源的氢气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。

未来氢成本的预测范围
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的碳简要使用图表乐动体育下载appHighcharts

许多据报道,太阳能发电的价格创历史新低沙特阿拉伯葡萄牙最近几个月的研究支持了这样一种观点,即尽管进口绿色氢的效率很低,运输成本也可能很高,但对世界上大部分地区来说,进口绿色氢可能是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,这种电解槽的价格已经下降了60%。根据在欧盟委员会(European Commission)的报告中,“在规模经济的作用下,预计到2030年,价格将比现在下降一半”。

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。

一份报告根据行业组织氢理事会的结论,到2030年,包括绿色和蓝色在内的“低碳”氢将在22个氢应用领域具有竞争力,占全球能源消耗的15%左右。

与此同时,国际可再生能源机构(IRENA)断言“未来绿色氢的成本将低于蓝色氢化石燃料”。该公司表示,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。

尽管国际能源署承认存在不确定性,但它表示,“由于可再生能源成本的下降和氢气生产规模的扩大”,绿色氢的成本正在明显下降,到2030年可能会下降30%。

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了对绿色氢的估计范围,大多数在2到4美元/公斤左右。

有几个因素可能导致对氢气生产成本的不同看法。

例如,如下图所示,国际能源机构的预测——以蓝色条形代表——通常比BNEF的预测(以红色表示)更为保守。

预计氢成本的范围
根据IEA(蓝色,中间估计较暗)和BNEF(红色)的研究,2030年预计的氢成本范围为每公斤美元。资料来源:国际能源机构,BNEF。图表由Joe Goodman为Carbon Bri乐动体育下载appef所用Highcharts

Agora Energiewende的Gniewomir Flis说,IEA和BNEF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。

可能是将它们连接到电网更便宜,因为那里的生产将是恒定的,但电力成本将会更高,其中包括支付电网连接的费用。除非电网完全脱碳,这也意味着氢不能被称为“绿色”。

即使电力是免费的,就像“被削减的”可再生能源电力的情况一样,也需要大量的使用才能使投资获得回报。这就是为什么建造电解槽来储存被削减的电力可能并不总是具有经济意义(见:“Electricity“低于).

电解器的高使用率有助于使氢生产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,燃料成本预计将对未来氢气价格产生最大影响,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。

一个报告由英国海上可再生能源(ORE)弹射器根据“保守的假设”,到2050年,绿色氢可能比蓝色氢更便宜。

然后,报告指出,有迹象表明,海上风能和电解器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出人意料的快速下降感到措手不及”。

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

考虑氢的成本时,另一个重要因素是运输,因为移动氢气比移动甲烷更具挑战性和成本。

从阳光充足或多风的地区进口廉价氢气是一项很有吸引力的战略,一些国家正在探索(年代ee:“氢将如何影响全球地缘政治?“低于).

然而,由于在世界各地用特殊容器运输氢气的成本很高,这些进口的氢气最终可能不会特别便宜在高压力和较低的温度。

Flis告诉《碳简报》乐动体育下载app,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在美国,进口氢可能难以与国内来源的供应竞争。

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。

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

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,然而当使用船舶时,起始成本要高得多,但随着距离的增加仍然相对稳定。

国际能源署表示,在1500公里左右的距离内,通过管道输送和分配氢气更便宜。2020年初,一批欧洲天然气基础设施公司挺身而出计划用管道“主干”连接整个大陆。

然而,对于长距离来说,将氢转化为“液体载体”(如氨)更经济。(更多关于氢和氨的运输,请参阅:“航运和航空”下面)。

最后,供需也会对最终价格产生影响。一个报告通过极光能源研究结论是,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,以绿色能源为主的氢燃料的推广成本“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,尤其是石油发挥了在国际关系中发挥了关键作用,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,氢气的大量释放结束了这一切:

“全球安全之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。氢经济是一个更安全的世界的应原因。“

里夫金的书是在人们对氢充满热情的时候出版的,但这是在水力压裂的繁荣,当它被认为美国的石油储备将在10年内枯竭,因此迫切需要替代能源。(看:“为什么氢又被‘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。由于大多数氢是“灰色的”,它确实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”路径中能源展望英国石油公司表示,电力和氢气的作用越来越大,并补充道:“这些能源载体的运输成本比传统的碳氢化合物更高,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为时过早,但他确实如此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月发表这是范德格拉夫根特大学同事们将其命名为“新石油?”所言:

“随着时间的推移,跨境海上氢贸易有可能从根本上重新划定全球能源贸易的版图,创造一个新的能源出口国类别,并重塑国家间的地缘政治关系和联盟。”

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。的经济学家将这些未来的能源强国称为“电态”。

Ad van Wijk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。

举个例子,他告诉《碳简报》乐动体育下载app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。“当然,建设太阳能和风能需要时间,但最终没有限制。”

他说,由于缺乏足够的廉价可再生能源,欧洲国家最终将转向进口:

“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廉的地区进口大量能源。”

这一点在现有的氢战略中很明显,这些战略表明,未来的氢生产商只有一小部分的供应是在本地生产的。

在其策略,德国提出的一个温和的到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“从文莱和德国发货的氢气签订协议与摩洛哥利用它的“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,向这个资源贫乏的亚洲国家提供氢。澳大利亚政府以来的支持投资530亿澳元(合390亿美元)的“亚洲可再生能源中心”将对此做出贡献。

德国也是如此看着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。这样的交易担心Van de Graaf和他的合作者暗示的一种新的动态:

“在某种程度上,发展中国家被视为唯一的原材料供应国,氢气革命就带有‘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(请看:“低碳氢的成本是多少?”).

国际能源署强调对氢的国际航运路线的需求,指出这种贸易“如果要对全球能源体系产生影响,就需要尽快开始”。Van Wijk告诉Carbo乐动体育下载appn Brief,至少在欧洲,另一个关键部分将是扩大和改造从非洲运输氢气的天然气管道。

其他人已经警告天然气市场“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。

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。

如果出口市场确实增加,它将无法保证rifkin提出的“更安全的世界”。一份报告2020年3月由哈佛大学发布贝尔弗科学与国际事务中心乐动体育 英超结论是,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:

“未来的市场动态很可能与今天的地区天然气市场类似,并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,杰森Bordoff教授他描述了氢和氨海上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家可能最终成为主导市场的国家之一最近概述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,氢有潜力使所有东西脱碳,从制造汽车的钢铁到供暖的燃气。

然而,在实践中,氢不太可能被普遍吸收。此外,满足所有可能应用的低碳氢所需的数量可能会远远超过现有数量,即使生产规模显著扩大。

本节将分析氢如何应用于交通运输、工业、供暖和电力部门,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。

这是明显的这些政策主要针对汽车、加油站和公共汽车。

然而,目前的流动性是最小的在整个氢市场的组成部分,占不到全球需求的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。

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得出的结论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”。

从长途卡车到飞机,氢在难以脱碳的交通工具中可能仍有重要作用,但这些领域中的许多进展仍处于早期阶段。

道路运输

截至2019年,有只是1.12万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州、欧洲和日本。作为对比,全球的电池电动汽车车队超过7米,到达第一个百万就在5年前。

氢燃料电池汽车行业一直以来都受到一种先有鸡还是先有蛋”的问题。没有足够的汽车生产来降低价格,而需求的缺乏意味着昂贵的氢燃料补给站没有被广泛安装。这反过来又有助于限制需求。

最近的氢理事会报告他的结论是,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,电动汽车在燃料电池汽车的早期非常昂贵,已经看到成本降低了很大且广泛的充电基础设施推出。

氢动力丰田Mirai成本66000英镑(88015美元),相比之下,电池电动特斯拉3型在围绕4.5万英镑(6010美元),或一辆中型英国传统汽车往往在22,000英镑到36,000英镑(29,338美元到48,008美元)之间。

氢燃料电池有一些直言不讳的批评者,特斯拉首席执行官埃隆·马斯克直言不讳打电话给他们“愚弄细胞”,并将该技术斥为“令人难以置信的愚蠢”。

费迪南德·杜德恩费尔教授,杜伊斯堡大学 - 埃森大学主任汽车研究中心他告诉《碳简报》乐动体育下载app,他一直对氢燃料汽车持怀疑态度:

“我根本不相信氢燃料电池汽车能成为乘用车,因为这种技术成本非常高……如果你想以3万欧元左右的价格出售一辆汽车,通过(使用)燃料电池技术大幅提高价格是没有意义的。”

尽管有人试图将燃料电池汽车推向大众市场,Dudenhöffer表示,现在人们普遍认为这不大可能实现。

今年,梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)做到了取消它的燃料电池计划在三十年后由于高成本和大众已经公布一份声明结论是:“一切都在支持电池,但几乎没有任何东西在支持氢。”

珍妮Nelson教授他是伦敦帝国理工学院的教授欧洲科学院科学顾问委员会乐动体育 英超(EASAC)评论他告诉《碳简报》,交通运输是一个很好的例子,乐动体育下载app说明氢在利用可再生能源方面效率低下:

“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,氢气分析师Gniewomir Flis表示,仍有很多人对这项技术的成功感兴趣:

“这么多年来投入了这么多钱,这么多年来,承认纯电动汽车只是一个更好的解决方案,会让人相当尴尬。”

日本宣布了计划到2030年在韩国投放80万辆氢燃料电池汽车它将上升到更高的1.8米。

燃料电池确实比普通电池有优势,尤其是它们的充电时间要短得多。有的研究表明,居住在人口稠密的东亚城市的人们不太可能有空间为电动汽车充电,而是会选择氢气。

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生产。丰田最近推出了它的一个新版本Mirai——在日语中是“未来”的意思低销售之前的模型。

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袖也在经历转弯,他们透露了增加纯电动汽车产量的计划。

丰田计划到2025年,将电动汽车和混合动力汽车的全球销量扩大至550万辆,而氢燃料汽车的销量仍在数万辆。

乔恩·亨特他是美国能源部替代燃料部门的经理丰田他告诉Carbo乐动体育下载appn Brief,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容易实现”。

亨特说,随着产量的增加,价格将会下降。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“将一直运行下去”,这意味着它们可以重新出售。

至关重要的是,他还提到了Mirai燃料堆栈(使用氢和氧来发电的燃料电池的组装)的功率大约是所需功率的两倍。他说,这让它更贵了,但也让我们了解了丰田的动机:

“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。”

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

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。根据智库碳追踪在美国,去年中国59%的客车销量是电动的。

然而,对于功率需求高且需要长距离行驶的重型卡车和城际客车而言,使用电池直接充电更具挑战性。因此,燃料电池可能对这些车辆具有竞争优势。

亨特告诉《碳简报》,为乐动体育下载app了使这些应用程序取得成功,特别是在商用车辆上,必须“毫无疑问地”证明这项技术。“你不能直接到[运输公司]埃迪·斯托巴特面前说,‘看,你能不能扔上几辆燃料电池卡车来运输你的货物,只是为了试试看,’他说:

“我们的战略是,让汽车上路,因为汽车是一个相当容易渗透的市场……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·阿克曼他认为,如果你认为电池电动汽车已经“赢得了与燃料电池汽车的竞争”,那么这些汽车就是一个“高风险的赌注”。

他告诉《碳简报》(乐动体育下载appCarbon 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,无法仅在卡车领域实现规模经济:

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

根据彭博新能源(BloombergNEF)表示,尽管氢燃料仍可能在长途卡车中占据一席之地,但未来的公共汽车、轻型卡车和汽车市场的大部分可能将是电动的,到2030年,燃料电池行业的起步将需要1050亿美元的补贴。

根据阿克曼的说法,一个明确的替代方案是安装架空充电电缆,就像他的公司所使用的那种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”的研究都得出结论,这是更可取的脱碳技术,优于氢燃料电池。

下面的图表,来自一份白皮书国际清洁交通委员会(ICCT)证明,以紫色条为代表的氢燃料电池比悬链线以及德国卡车用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:国际清洁基于卡斯滕等人(2016年)

也可能对于不依赖接触网的电动卡车的发展,尽管这可能是可行的担心电池的大小和重量。

奥霍克斯特拉他是该公司智能移动领域的高级顾问埃因霍温理工大学,发现在一个场景比较它的成本与其他选项国际能源机构的报告在卡车运输方面,电动卡车脱颖而出。

一个关键问题是一直存在的低碳氢气可用性问题。根据国际能源署认为,如果目前所有的汽车、卡车和公共汽车都被燃料电池汽车取代,每年对氢的需求将达到3亿吨,是目前所有用途的4倍以上。

阿克曼在接受《碳简报》采访时表示,随着汽车保有量的增加,低碳氢的供应可能会有限,而需求将继续上升。乐动体育下载app

“(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,有一些行业,如长途运输,这不太可能切换到电池,使其需要绿色氢。“你可以[直接]使用电力的东西......你应该,”他结束。

航运和航空

航空和航运负责大约5%而且很难实现电气化。氢或以氢为基础的燃料因此,这对净零目标至关重要。

过去的一年见证了日本发射第一艘远洋液氢运输船,被称为“氢前沿”号第一氢动力小型客机开始飞行。

然而,这些示范项目都使用氢气最终派生的从化石燃料,是目前氢在这些领域的进步的上限。

一架由氢气驱动的Piper Malibu从英国克兰菲尔德机场(Cranfield Airport)首次起飞,开启了ZeroAvia在2023年底实现服务进入的努力。
一架由氢气驱动的Piper Malibu从英国克兰菲尔德机场(Cranfield Airport)首次起飞,开启了ZeroAvia在2023年底实现服务进入的努力。来源:ZeroAvia。

小丽毛,一位来自英国皇家科学院的海洋研究人员国际清洁交通委员会她告诉《碳简报》,她认为没有乐动体育下载app氢,航运不太可能脱碳,但有一些障碍阻止它取代化石燃料:

“该行业曾表示,氢是他们感兴趣的主要选择之一,但如果没有专门的资金,就不会有太多进展。”

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%排放量已经同意在商业上可行的零排放船只必须在2030年前进入全球船队。

然而,尽管各种早期项目航运使用氢燃料,这一资本密集型行业陷入了“僵局”报告壳。

另一份海事组织的报告劳埃德银行注册在2019年总结道,“选择一种燃料、一种技术和一种路线仍然存在不确定性”。

船舶中的氢既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存储气体。

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 jakobsen.他在接受《碳简报》采访时表示,虽然氢可以用于渡轮等小型船只,但他们“并不认为氢会成为相关的燃料”。乐动体育下载app

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。

虽然它仍然比化石燃料需要更多的空间,但氨的能量密度比氢更高,已经通过船舶在世界各地运输。甲醇也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,氨尤其可能比氢更便宜,这主要是因为储存成本更低(绿色部分显示)。氢很难液化,而氨在适当的压力和温度下很容易以液体的形式储存。

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(VLSFO)和液化天然气(LNG)的化石燃料选项,以及以氢和氨为动力的内燃机(ICE)。资料来源:国际能源机构。
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:国际能源机构

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(年代ee:“产业”).

一份报告根据对80位业内人士的采访,绿色氢和氨是脱碳航运的热门选择,65%和55%的受访者表示,他们认为它们是未来组合的一部分。甲醇“很少被提及”,只有10%的人说他们认为甲醇对未来很重要。

然而,该报告还得出结论,“几乎没有证据”表明其他行业认为氨是未来的燃料:

“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。

航空业是另一个难以脱碳的行业,而氢在其中可能发挥关键作用,他说艾哈迈德博士Baroutaji,一名工程师伍尔弗汉普顿大学他发表概述关于这个话题。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“航空业有一个目标到2050年,与2005年的水平相比,二氧化碳净排放量减少50%,这一雄心勃勃的目标只有通过在该行业部署更多的氢技术才能实现。”

这种气体可以直接燃烧,为燃料电池提供动力,或者与二氧化碳结合,制造类似煤油的液体合成燃料,这将相对不需要对现有的基础设施做出什么改变。

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%,占客座率的影响包括水蒸气、烟尘和氮氧化物(NOx)。燃料电池推进将有75-90%的更大效益。

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。

巴罗塔吉说,尽管燃料电池有望在试飞中使用,但它们仍然“只适合为轻型和小型飞机提供动力”。尽管如此,他表示,氢技术在业界有相当大的兴趣。

空中客车公司已经发布了“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来支持氢燃烧。

零空客概念飞机。信贷:空客
零空客概念飞机。信贷:空客

根据航空网站的说法,在空中客车2035年目标启动后,波音产品开发商迈克尔·西尼特(Michael Sinett)表示,他不认为氢燃料飞行“即将到来”FlightGlobal

虽然波音公司本身推出辛尼特指出,氢生产和储存的限制是商业应用的障碍。液化氢需要是煤油储藏体积的四倍。

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话,它们甚至可以达到净零排放从空中捕获

欧盟委员会报告称,与航运一样得出的结论这对于任何缩放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

最后一种可以从氢燃料中受益的交通方式是轨道交通。氢动力列车正在缓慢推出,目前有两列操作审判在德国进行英国奥地利. 法国和日本也在制定计划。

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,国际能源署表示,在“对燃料电池成本降低的乐观假设”下,与其他运输方式不同,氢燃料实际上可能对铁路具有竞争力,特别是对不常使用的线路和大型长途火车,如用于运输货物的那种。

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燃料电池驱动的Hydroflex列车在昆顿铁路技术中心进行测试运行。图片来源:埃塞克斯/阿拉米股票照片公司。

尽管如此,一个最近的报告英国铁路网所有者英国国营铁路公司结论是氢技术“不适合长途、高速和货运服务”。

具体而言,报告引用氢燃料的存储容量是柴油的8倍,而且迄今为止还没有氢燃料驱动的货运或高速列车。

相反,该报告将氢主要用于解决农村地区的低速客运线路,或用于处理难以通过架空线通电的“离线”路段,如隧道和桥梁。

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高的经济选择。

另一份报告这本书是英国铁路部长去年写的铁路工业脱碳专责小组他指出,“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砍掉在过去的十年里,随着更多线路的电气化和电力系统的脱碳化,电力供应减少了50%。

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

报告还指出,即使在技术上可以使用电池或氢气的情况下,电气化仍可能是“最明智的选择”。

行业

氢的灵活性意味着它在工业领域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、可燃燃料或用于除去杂质的反应物。

所有这些都意味着工业,特别是炼油、氨和甲醇生产,目前占据了氢气需求的大部分。这种氢几乎完全来自化石燃料。

然而,这一需求已经存在的事实意味着,这些行业中的一些可能会相对”。low“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。

仅就这些现有需求而言,扩大低碳氢生产规模将是一项重大任务,因为其需求量巨大。

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

亚历山大·弗莱斯德兰德博士是工程公司技术官员Primetals技术他告诉《碳简报》乐动体育下载app,钢铁制造商一直在通过优化工艺来减少排放,但这些努力只能到此为止:

“你可以达到一定的物理极限……(但)要达到净碳零排放的目标(这些变化)是不够的。”你必须改用氢。”

钢铁生产。信用:普锐特。
钢铁生产。信用:普锐特。

而直接电气化的炼钢过程叫做电解沉积“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。”

一些钢已经回收从废料使用电力供电,这可能脱碳的。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,如果它要成为足够高的等级,用于汽车行业。

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,减排高达20%。这个技巧被测试德国钢铁生产商蒂森克虏伯(Thyssenkrupp)生产的铁矿石,最终仍依赖煤炭来减少矿石。

一种新的生产方法直接重新简化铁(DRI)使用氢气作为还原剂。这不需要熔炉熔化矿石,只排放水。

目前,在7%左右大量的钢铁都是使用DRI制造的,足以使钢铁成为第四大氢消耗者。如果使用低碳氢而不是化石燃料中的氢,扩大这个过程将有助于工业脱碳,正如Fleischanderl解释的那样:

“从技术上讲,这不是一个大问题。大多数问题都已经解决了……真正的障碍是是否有足够数量的绿色氢气,以及价格。”

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。

试点项目欧洲正在进行将低碳氢融入炼钢的计划,但“绿色钢铁”何时才能具有竞争力的问题仍然悬而未决。

瑞典钢铁公司SSAB正在运行的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年之前从所有运营中消除化石燃料。

Ad van Wijk教授代尔夫特理工大学说,与其他部门相比,这一过程如何迅速持怀疑态度:

“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。”

一个美国东部时间伴侣BloombergNEF,假设氢的成本约为每公斤2美元,那么到2030年,绿色氢可以与最昂贵的煤基钢铁竞争。这种估计取决于电解器成本的大幅下降和可再生能源的广泛部署。

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

一份报告关于主题,咨询麦肯锡将欧洲“纯氢基钢铁生产”的成本竞争力定为“2030年至2040年之间”,预计大部分绿色钢铁将在欧洲部署。

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

Fleischanderl还强调了a的重要性碳边境调整在欧洲的机制使绿钢能够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乐动体育下载appnk)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水泥中引入氢气。从水泥生产的化学过程中产生二氧化碳占全球排放量的3%,尽管这还不包括涉及的能源投入的排放。

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,目前化石燃料燃烧占其排放量的三分之一。

然而,这一领域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,因为现有的水泥窑不能使用纯氢。

英国政府可行性研究去年发表的一篇文章研究了一种混合生物质和氢来制造“净零”水泥的方法,指出氢在这种情况下“从未被测试过”。一个项目获得了600万英镑(800万美元)的资金来测试这个想法。

其他工业部门,如玻璃、造纸和铝的制造,也依赖热源进行各种过程,包括熔化、干燥和驱动化学反应。

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,但氢可以燃烧或用于燃料电池,以满足部分热量需求一篇论文被称为“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”,根据国际能源署。

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。

单个部门与最大的需求是油精,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,尤其是用来制造化肥用的氨,以及制造溶剂、粘合剂和其他各种物质用的甲醇。

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。

尽管氨具有毒性,但人们仍在讨论氨在某些应用中作为氢的替代品,特别是在航运(见:“运输”).它可能储存和运输

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

在最近的一次决议事件,欧盟委员会能源顾问都铎王朝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”。

低碳氢对于所有这些应用来说都是脱碳的关键,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理工学院他告诉《碳简报》乐动体育下载app,这有助于解释为什么会出现这种情况如此多的变化在氢的使用预测中。他表示:“我认为没有人确切知道哪一项将取得最大进展。”

不管哪个解在上面国际能源机构说明迅速扩大规模以解决工业排放问题的紧迫性。

在其氢的报告根据该机构的计算,为了满足未来对氨和甲醇的需求,同时利用化石气体将升温控制在远低于2摄氏度的范围内,从现在到2030年,每年捕获1万吨二氧化碳的CCS装置必须以每月4个的速度建造。

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更接近4台100兆瓦的电解槽在全年投入使用。

氢的多功能性意味着它可以在电力领域有多种应用,包括在改造过的发电厂取代化石天然气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,电解器可以用“缩减“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。

德国马德菲尔德的风电场在多云的晨光中
德国马德菲尔德的风电场在多云的晨光中。图片来源:毛里求斯图片公司/ Alamy Stock Photo。

随着可再生能源供应世界上更多的电力,氢倡导者将气体视为“的基本成分”深脱碳,在太阳能和风能不足的情况下提供电力。

在这种情况下,氢可能是一种有用的能源储存形式,当电池不足时,可以覆盖可再生重系统的季节性变化。

可再生电力可以转化为氢气,这些电力有时可以从国内电网获取,而且价格低廉。或者,也可以从风能或太阳能过剩的国家进口(请看:“氢将如何影响全球地缘政治?”

氢可以通过压缩进入地下盐穴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。然后,氢可以在需要时转换回电力,或用于能源系统的其他用途,如运输燃料。

短期来看,是电池倾向于提供一个优越的存储系统,与往返效率(能量输入与能量输出的比率)超过80%,而35-41%为氢。

然而,当能量需要储存几天或几周,因为电池受损时,氢可以被使用自销售在更长的时间内。

它也更适用于更大规模的存储需求,与氢存储所占用的空间相比,这将需要“巨大的”电池数量,根据国际能源署。

尽管这些应用程序,汤姆布朗博士Karlsruhe理工学院有模仿他说,电力部门不太可能成为大规模推广氢燃料的首要任务。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“如果你要消除一吨二氧化碳,那么将氢用于钢铁或氨气部门将比担心最后10%的电力需求脱碳更有意义。”

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%。”

根据报告欧洲大学研究院在美国,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:

“冬季海上风力发电量比夏季多,而且输电网将欧洲各国有效地连接在一起。”

然而,利用有人提出了一项削减电力的战略,这不仅有助于减少排放,而且有助于节约资金。

一个报告英国电力部门的净零机会国家基础设施委员会NIC得出的结论是,通过减少电力生产氢气“有助于降低高度可再生混合燃料的系统成本”。

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。

Wood Mackenzie的本•加拉格尔(Ben Gallagher)在接受《碳简报》(Carbon Brief)采访时表示:乐动体育下载app

“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事件越来越多,所以电解氢,非常类似于能量存储,被认为是帮助管理电网灵活性的潜在工具。”

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广也是如此笔记“由于生产的波动性,以低成本吸收所有被削减的可再生能源发电将是一项挑战”。

希尔峡谷污水处理厂的太阳能阵列
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。图片来源:地球公民/ Alamy库存照片。

电解槽建造单独利用这否则浪费的电力可能只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,正如Agora Energiewende的Gniewomir Flis所指出的,电解器成本的下降可能会帮助减少电力供应的氢与化石燃料氢竞争。

这一分析是乐动体育app苹果j基于质子交换膜(PEM)电解槽,不同于广泛使用的碱性电解槽,能够快速增加和捕获减少的能量。

虽然中国是世界上最大的电解商生产国,但在碱性碱性电解仪的生产中开创了相对廉价的碱性电解器,目前是PEM电解师太贵了利用减少的电力生产具有成本竞争力的氢气。

但是,随着欧盟推进其氢战略,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。

热的建筑

建筑的空间供暖和热水供应是潜在氢气使用领域中最具争议的领域之一,经常是主题热烈的辩论。

许多能源专家不屑一顾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。

其他人则认为可以解决脱碳热的问题在不影响人们的生活,以更低的前期成本,同时重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。

总的来说,效率和电气化是实现热量脱碳的主要途径,他说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》:乐动体育下载app

“效率是至关重要的第一步,否则热量问题会变得太严重。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令人难以置信的有用作用——在电力部门,或通过使用混合热泵(见下文)——以及区域作用。”

建筑供暖是需要解决的主要问题。根据国际能源机构,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(年代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。

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。

一些国家他们已经在使用电力或区域供暖的方式提供热量的脱碳方面取得了迅速的进展。但是,在许多其他方面,已经取得了进展有限的进步

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。

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,%,在一系列国家/地区。来源:生动的经济学2017英国政府的一份报告查塔姆研究所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,%,在一系列国家/地区。来源:生动的经济学2017英国政府的一份报告查塔姆研究所2019

支持者说,燃气加热的广泛使用为氢提供了一个机会,因为它可以作为一种燃料喜欢的“更换燃料。氢可以在空气中燃烧修改后的燃气锅炉或滚刀,燃料由使用网络气体分配管道。

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“英国天然气电网的重要部分100%转化为氢气”。政府的最近的气候计划目标是到2030年在整个城镇测试氢热。

在国际上,有至少37个项目测试氢气将氢气混合到现有的气体网格中,认为可以安全到20%(体积),而不会因消费者而变化。这被视为一种“低遗憾”方法,以减少CO2从加热和扩大氢气使用。

英国的天然气输送管道网络——历史上是由容易泄漏和腐蚀的铁制成的——已经被“准备好氢气的”塑料管取代,尽管压缩机和网络的其他部分也需要更换,以应对100%的氢气使用。

铁干线的替换将在2032年完成马修·辛德尔加油站的煤气头能源网络协会该组织代表英国的天然气和电力分销公司。

卡尔•阿恩岑,锅炉制造商首席执行官伍斯特博世他告诉《碳简报》乐动体育下载app,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,为热水箱和热泵设备寻找空间。

伍斯特博世公司首席执行官卡尔·阿恩岑和财政大臣里什·苏纳克,用的是氢气锅炉。来源: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”人们思考关于热能的未来ena的钟声说。(最近,英国气候大会为氢、热泵和热网提供了强有力的支持,以解决热脱碳问题。)

但是,尽管重大的能效升级可能会带来破坏性影响,但无论如何,它们都可能是需要的。理查德·洛斯博士埃克塞特大学,讲碳简介:“在乐动体育乐动体育app苹果j;下载app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,最近的分析乐动体育app苹果j表明用氢来加热比用天然气贵三倍,而用热泵则贵廉价奔跑在某些情况下用作燃气锅炉。

BNEF的Meredith附件说,使用氢气热量是一个“昂贵的用例”,燃料相对于热泵,即使是总体上的基础。

热泵广泛使用的另一个经常被提及的问题是,它将显著增加电网的峰值需求,特别是在高纬度国家,如英国。

这一点经常陪同下图的不同版本显示了英国每半小时电力需求的季节性变化(蓝线)和供热(红线)。(乐动体育下载app据Carbon Brief了解,一些天然气行业内部人士的名片上也有类似的图表。)

对英国的热量和电力需求
半小时对英国的热电和电力需求。热需求是估计。来源:管理热量系统脱碳,帝国理工学院能源政策和技术中心。

这张图表表明,用电来满足高峰的热需求可能需要电力系统的规模大幅扩大,高峰电力需求将增长5到6倍。

最近的证据显示对热能的需求比想象的要低40-50%,接近170千兆瓦(GW),而不是上图所示的峰值300千兆瓦。这将是进一步减少在实现净零的道路上需要提高能源效率。

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,将用于运行它们的能量乘以两到三倍。这可能攀登高峰在热能需求方面又减少了一半。

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。

另一种选择是对某些地区进行氢气加热,特别是在燃料和相关基础设施广泛使用的地区“枢纽”周围。

研究在八月份发表的一篇文章中,洛斯和他的同事们认为供暖行业“为了保护自己的利益和降低电气化的重要性和价值,现有企业正在向决策者过度销售‘绿色气体’。”他们的论文中说:

“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,大部分热量需求的电气化,主要使用热泵,同时减少热量需求,是接近完全脱碳供暖的最低成本途径。”

一个审查来自的选择英国能源研究中心UKERC的结论是,“电气化和能源效率仍然是建筑行业脱碳的两大策略”。它说,如果“重大不确定性”得到解决,氢可能会发挥作用。

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与其他选择取得进展的借口。

在最近的一篇博客中,Stian西湖他是英国创新基金会(UK innovation foundation)的执行董事内斯塔,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。他写了

“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。”

来自监管援助项目告诉碳简要:乐动体育下载app

“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。”

乐动体育下载app由汤姆·普拉特和乔·古德曼设计的碳简报地图、图表、图形和互动。

来自这个故事的Sharelines
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