绿色氢气作为下一代燃料的出现

介绍

COVID-19 后的经济反弹导致能源行业动态发生变化，并引发石油、天然气等大宗商品价格飙升。俄罗斯和乌克兰之间持续的冲突导致供应链中断，并导致能源价格进一步上涨和各国之间的能源安全担忧。然而，这一挑战为世界转向低碳、可持续和清洁能源（氢和其他可再生能源）打开了大门，以确保其能源需求并摆脱对进口能源的依赖。

能源格局快速转变的另一个方面可能是由于气候变化情景而日益增长的部门脱碳需求。政府和企业专注于大幅脱碳目标，以实现净零目标。展望未来，能源结构预计将转向可再生能源和氢等清洁能源。到 2050 年，电力需求预计将增加两倍，其中由于需求增加和脱碳，氢和氢基燃料的市场份额预计将增加。

到2040年，全球能源需求预计将增长25%至30%。依赖煤炭和化石燃料的经济体将排放更多的二氧化碳，使气候变化形势更加恶化。但到 2050 年，地球脱碳将带来不同的前景，在绿色氢等清洁能源的推动下，能源将更加可持续、更实惠、更高效。

氢的类型

氢的分类可能因生产方法而异，包括灰色、蓝色、绿色等类别，偶尔还有粉红色、黄色或绿松石色等非常规颜色。然而，值得注意的是，具体的命名约定可能因国家/地区而异，并且可能随着时间的推移而演变。

绿色氢是唯一通过气候中性方式生产的氢，使其成为全球到 2050 年实现净零排放目标的关键参与者。

什么是绿色氢、它如何存储以及与绿色氢相关的挑战？

绿氢是指在不产生污染物排放的情况下获得的氢，具有可持续性。它被认为是实现全球脱碳和履行 2050 年应对气候变化承诺的关键能源载体。绿氢目前约占占氢气总产量的 0.1%但随着可再生能源成本持续下降，预计这一数字还会上升。

氢气是通过电解过程获得的，该过程将水中的氢和氧分离。绿色氢一词意味着电解过程中电弧炉所用的电力 100% 来自可再生能源，如风能或太阳能等。

氢气可以以气体或液体的形式物理储存。以气体形式储存氢气通常需要高压储罐，储罐压力范围为 350 至 700 bar（5,000 至 10,000 psi）。相反，以液体形式储存氢需要低温，因为它在大气压下的沸点为-252.8°C。另一种储氢方法涉及将其吸附到固体表面上或吸收在固体内。

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绿色氢生产存在一些挑战。主要挑战是用于生产氢气的电解槽目前供应短缺，而且大多数可再生能源的价格仍然很高。与传统的生产工艺相比，电解成本较高，且电解槽市场仍然紧凑。

绿色氢在能源转型中的重要性

推广绿色氢对于实现《巴黎协定》中概述的气候承诺、解决应对气候紧急情况的零排放目标的迫切需要至关重要。在欧洲，整个氢价值链的举措已经在进行中。其中包括开发更具竞争力的电解槽、建立高效的运输网络以及部署氢基础设施以支持道路运输。

根据国际可再生​​能源机构 (IRENA) 的一份报告，从长远来看，氢气装置的成本有可能大幅降低 40% 至 80%。再加上可再生能源价格的预期下降，表明到 2030 年，绿色氢有可能变得经济可行并有利可图。

绿色氢的出现

到 2050 年，绿色氢能有望满足全球约 25% 的能源需求，并成为一个价值 10 万亿美元的市场。各大石油和天然气公司对绿色氢能的投资正在飙升。欧洲计划将氢能作为其备受推崇的绿色协议一揽子计划的重要组成部分。

2020年，氢气需求量预计将达到8700万吨（MT），预计将大幅增长，到2050年将达到500-6.8亿吨。氢气生产市场从2020年起价值1300亿美元到 2021 年，预计到 2030 年将实现高达 9.2% 的稳定年增长率。然而，存在一个重大障碍：目前氢生产的绝大多数（超过 95%）依赖化石燃料，只有极小部分被考虑“绿色的”。全球约 6% 的天然气和 2% 的煤炭用于生产氢气。

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由于各个行业的应用范围不断扩大，绿色制氢技术正在重新受到人们的关注。这些行业包括发电、炼钢和水泥生产等行业的制造工艺、电动汽车燃料电池、航运等重型运输、化肥绿色氨生产、清洁产品、制冷和电网稳定。

绿色氢气的生产前景和需求

扩大绿色氢气生产是帮助全球经济体在 2050 年实现净零排放并将全球气温上升控制在 1.5°C 以内的关键一步。到 2023 年，预计绿色氢气生产的年度投资将超过 10 亿美元。这一趋势是由可再生能源和电解技术成本的下降以及政府实施的支持性政策推动的。值得注意的是，目前已有 23 吉瓦的电解项目储备，与目前仅 82 兆瓦的产能相比有显著增加。

尽管当前在建和运营的氢能项目产能不断增加，但它们主要仍处于预商业阶段，电解槽容量有限，通常低于 50 MW。相比之下，拟建工厂展示了 100 MW 或更高的更大电解槽容量，尽管与现有灰氢生产设施的规模相比仍然相形见绌。此外，开发支持广泛利用氢气的基础设施，例如管道或进出口终端，是一个耗时的过程，可能需要数年时间。理想情况下，建立必要的基础设施应与氢需求不断增长同时进行，确保其成本效益，并在 2030 年之前促进氢的充分贸易和运输。中目标和高目标情景预测从 2030 年起氢需求将激增，随后2035年开始再次大幅增长。为了与《巴黎协定》设定的目标保持一致，必须立即启动基础设施规划。

2035年后，私营和公共部门的承诺可能会推动航空和海运业等经济上具有挑战性的行业采用氢。预计这些行业将采用合成煤油和氨等氢衍生燃料作为可行的替代品。到 2035 年，氢气供应的构成预计将发生重大转变。目前占供应量近100%的灰氢比例预计将下降至55%-60%%。成本下降和政策制定者对采用氢技术的支持立场推动了这一转变。因此，清洁生产方法预计将在氢能领域占据重要地位。

到 2035 年，大部分氢需求将来自运输和新工业用途。但在 2035 年之后，预计氢将在能源经济的所有领域扩大规模

支持氢经济发展可能需要的一些关键推动因素可能是：

• 基础设施和供应链
• 技术进步和扩大制造规模
• 政府支持及政策

氢的成本和定价

目前，利用低碳能源生产氢气的成本很高。然而，根据国际能源署 (IEA) 的分析，到 2030 年，利用可再生电力生产氢气的成本预计将下降 30%。这一下降可以归因于可再生能源技术成本的下降和氢气生产规模的扩大。此外，大规模生产有可能使燃料电池、加油设备和电解器受益，而这些设备是生产和利用电力和水产生的氢气的关键部件。

目前绿氢的平均生产成本约为 6 美元/公斤，但到 2030 年预计将下降 2.3 美元/公斤。由于脱碳目标，预计到 2030 年资本支出将增加 30%。某些专家提出，绿色氢生产可以作为利用欧洲海上风电场等主要生产中心剩余可再生能源产能的一种手段。然而，由于电解槽的成本持续居高不下，人们怀疑绿色氢项目的开发商是否愿意在可再生能源价格达到特定阈值之前让电解槽闲置。

Lightsource BP 和壳牌等公司已经在考虑一种更可能的方法，即在可再生能源资源丰富的地区建设专用的绿色氢生产设施。这些设施将与专用的可再生能源发电资产整合，确保为绿色氢生产提供一致且可靠的可再生能源。

绿氢应用

重工业中的绿氢-氢是各个行业的基本原材料。在化学领域，它被用来生产氨和化肥。石化工业依靠氢气进行石油精炼，而冶金工业则利用氢气来获取钢铁。

然而，在这些行业中使用氢气会导致大量二氧化碳排放。例如，仅钢铁制造就占全球二氧化碳排放量的 6% 至 7%，比全球整个航空业的排放量高出两到三倍。解决这些行业脱碳迫切需求的一个重要步骤是采用绿色氢作为原材料。通过这样做，生产零排放钢铁成为可能，这标志着这些行业迫切需要的脱碳努力的一个重要里程碑。

用于储能的绿色氢气绿色氢具有作为能源存储解决方案的潜力，可与我们目前使用的石油或天然气的战略储备相媲美。通过利用其巨大的体积和延长的使用寿命，我们可以建立可再生氢储备，以增强电网的稳定性和可靠性。

绿色氢作为燃料- 使用绿色氢作为燃料将在交通运输部门脱碳方面发挥关键作用，特别是在长途运输和航空运输方面。通常，海上运输依赖于廉价但污染严重的燃料。然而，绿色氢为长途船舶提供了关键的替代方案，为减少排放提供了令人信服的解决方案。在航空业，绿色氢可以作为合成燃料的基础，大大减少该行业的排放。此外，它的重要性还延伸到其他交通方式，如铁路和重型公路运输，在这些交通方式中，绿色氢对于推动可持续和环保的实践至关重要。

家用绿氢- 绿色氢具有独特的能力，可以达到其他清洁工艺难以达到的温度。因此，绿色氢最有前途的应用之一在于其用于发电和住宅供暖。

全球氢能展望

氢气的区域吸收量将呈现显着差异，主要受到政策考虑的影响。欧洲处于领先地位，由于实施了促进扩大氢气生产和利用的扶持政策，预计到 2050 年，氢气将占能源结构的 11%。在经合组织太平洋地区，预计到 2050 年，在侧重于供应方的战略、目标和融资计划的支持下，氢将占能源结构的 8%。

同样，北美的目标是让氢能占其能源结构的 7%，尽管其碳价相对较低，目标和政策也不太明确。大中华区紧随其后，目标是让氢能占能源结构的 6%。值得注意的是，大中华区最近对 2035 年前的融资机制和氢能前景提供了更清晰的说明，同时建立了一个不断发展的国家排放交易体系。预计到 2050 年，这四个地区将消耗全球约三分之二的氢能能源需求。

绿色氢的驱动因素

过去，氢在多轮关注浪潮中引起了极大关注。这些浪潮主要是由油价冲击、对石油需求峰值的担忧、对空气污染的担忧以及对替代燃料研究的探索等因素引发的。通过作为具有独特供应链、生产商和市场的额外能源载体，氢有潜力为能源安全做出贡献。这种能源结构的多样化可以增强整个系统的弹性。

绿色氢的一些关键驱动因素包括-

• 太阳能和风能成本低- 影响绿氢成本的主要因素是电价。在过去的十年中，太阳能光伏发电和陆上风力发电厂的发电成本大幅下降。 2018年，全球太阳能合同能源平均价格为56美元/兆瓦时，较2010年的250美元/兆瓦时大幅下降。同样，陆上风电价格也出现下降，从2010年的75美元/兆瓦时下降至48美元/兆瓦时。 2018 年兆瓦时 (IRENA)。随着太阳能光伏和风电成本不断下降，绿色氢的生产在经济上变得越来越有吸引力。
• 各国政府致力于创建净零能源系统 - 截至 2020 年中期，七个国家已经采取了实施温室气体净零排放目标的立法措施，另有 15 个国家提出了类似的立法或政策文件。宣布净零排放目标的国家总数超过 120 个（世界经济论坛，2020 年）。值得注意的是，中国作为最大的温室气体排放国，最近承诺在 40 年内实现净零碳排放。尽管这些净零承诺仍需要转化为具体行动，但它们将需要减少“难以减少”行业的排放，而绿色氢可以在其中发挥重要作用。
• 对电力行业的好处- 随着全球各个市场越来越多地采用太阳能和风能（也称为可变可再生能源 (VRE)），电力系统将需要增强的灵活性。用于生产绿色氢气的电解槽可以被设计为适应性强的资源，能够快速调整其输出以补偿 VRE 生产的波动。绿色氢气可以长期储存，并在 VRE 无法发电时使用。它可用于固定式燃料电池或氢气燃气轮机。绿氢适合长期、季节性储能，有效补充抽水蓄能水电站。绿色氢能通过促进更多份额的可变可再生能源并入电网来提高系统效率和成本效益。
• 技术进步- 氢价值链中的多个组成部分已经小规模实施，并准备商业化，需要投资以进一步扩大规模。尽管某些技术（例如氨燃料船舶）仍有待大规模示范，但扩大绿色氢生产可以有助于提高这些途径的成本效益和吸引力。扩大绿色氢的利用有可能提高此类技术的可承受性和吸引力。

绿色氢的挑战

无论其生产方法如何，各种形式的氢都存在各种障碍。这些障碍包括缺乏专门的基础设施，例如运输和储存设施。此外，具体的挑战主要与通过电解生产绿色氢的阶段有关。这些挑战包括能源损失、对其价值认识不足、难以确保可持续性以及高生产成本。

• 生产成本高- 2019 年，使用普通可变可再生能源 (VRE) 工厂电力生产的绿色氢的成本比灰色氢贵两到三倍。此外，在各种应用中采用绿色氢技术可能会产生大量费用。例如，配备燃料电池和氢罐的车辆的价格至少比化石燃料车辆高 1.5 至 2 倍。同样，为航空设计的合成燃料目前比化石燃料贵八倍
• 缺乏基础设施- 全球范围内，氢气输送管道仅有约 5,000 公里，而天然气管道超过 300 万公里（氢分析资源中心，2016 年）。同样，全球约有 470 个加氢站，而美国和欧盟有超过 20 万个汽油和柴油加氢站。虽然现有的天然气基础设施有可能重新用于氢气，但并非所有地区都拥有此类基础设施。另一方面，源自绿色氢的合成燃料可能会利用现有的基础设施，尽管可能需要扩展以适应增加的使用量
• 高能量损失- 绿色氢在其价值链的每个阶段都经历着显着的能源损失。电解（制氢过程）中消耗的能量大约有 30-35% 被损失（IRENA）。此外，将氢转化为氨等其他载体可能会导致 13-25% 的能量损失。此外，氢的运输需要额外的能量输入，通常相当于氢本身能量的 10-12%。此外，当燃料电池中使用氢时，还会产生额外 40-50% 的能量损失

绿氢最新进展及重点项目

• 根据国际能源署的数据，全球目前正在进行或启动的绿色氢能项目约有300个。然而，这些项目大多数都是规模相对较小的示范工厂。在中国，宁夏宝丰能源集团正在实施最大的项目，利用太阳能产生的绿色氢气来生产聚乙烯和聚丙烯等石化产品
• BP 是一家著名的能源公司，雄心勃勃地建设众多绿色氢能项目，例如计划于 2025 年启动的英国 HyGreen Teesside 设施，该公司已表示致力于开发泄漏监测系统
• 德国将与法国、西班牙和葡萄牙联手开展一个雄心勃勃的氢项目，通过可再生能源生产更环保的天然气，并通过伊比利亚半岛的管道进行运输。作为巴黎和柏林合作的一部分，目前从西班牙和葡萄牙向法国供应的绿色氢气管道将延伸至德国。此次扩张是新宣布的氢能“联合路线图”的一部分，强调增加对未来技术的投资，特别是与可再生能源和低碳能源相关的技术。 H2Med 海底管道，也称为地中海氢气管道，将连接伊比利亚半岛和法国，预计将于 2030 年投入运营。它将运输使用可再生能源生产的氢气。西班牙当局估计其每年将有能力运输高达200万吨绿色氢气，相当于欧盟总消耗量的10%
• 2022年欧盟委员会批准欧盟公共资金52亿欧元用于氢能项目

绿色氢能的发展方向是什么？

全球对绿色氢的兴趣日益浓厚，作为实现零排放或净零排放能源转型的关键解决方案。与之前对氢的兴趣不同，这一新浪潮主要围绕在可再生电力和具有挑战性的电气化应用之间建立联系。

有几个因素促进了绿色氢的采用势头不断增长，包括：

• 可再生电力成本下降使其成为绿色氢气生产的经济实惠的电源
• 相关技术的进步，表明成熟度和效率提高
• 电力系统的灵活性优势，因为绿色氢可以作为灵活的能源载体来平衡波动的可再生能源发电
• 国家对实现净零排放的承诺和承诺，推动了对绿氢等清洁能源解决方案的需求
• 表达兴趣和支持的更广泛的利益相关者群体，包括政府、行业和社区

尽管人们对绿色氢的兴趣不断高涨，但仍有一些障碍阻碍了其推动能源转型的潜力。主要挑战在于与灰氢和化石燃料替代品相比，绿氢的成本相对较高。其他障碍包括缺乏专用基础设施、对其在温室气体减排方面的价值认识不足，以及与发展新兴产业相关的障碍。

虽然氢能行业已引起政府的关注，但进一步的专门政策支持对于确保该技术的准备就绪、渗透和市场增长至关重要。国家氢战略在确定一个国家对氢的雄心水平并为实现这些目标提供必要的支持方面发挥着至关重要的作用。这些战略为氢能行业私营部门参与者提供了参考，刺激了融资和投资的增加。有效的国家战略应该为扩大氢的采用提供明确的路线图。

扶持政策包括整体经济措施，旨在为氢和化石燃料创造公平和公正的环境。这些政策旨在使氢参与者能够为能源系统以及更广泛的经济和社会系统贡献价值。通过实施这些政策，目标是建立一个公平的竞争环境，支持氢能融入各个行业并促进其整体效益。