布鲁盖尔研究所-氢气专题报告（英文）-2021.4-24页

政策贡献第n ̊08/ 21期| 2021年4月穿越氢气本·麦克威廉斯（Ben McWilliams）和乔治·扎克曼（Georg Zachmann）执行摘要本·麦克威廉姆斯（ben。mcwilliams@bruegel.org）是Bruegel的研究分析师氢被视为这是使温室气体排放难以减少的部门脱碳的一种手段，它是一种能量存储介质，并且是防止化石燃料进口中断导致能源短缺的后备手段。氢很可能至少在欧盟到2050年实现温室气体净排放目标为零的过程中发挥某些作用。乔治·扎克曼（Georg Zachmann）（georg。zachmann@bruegel.org）是Bruegel的资深研究员但是，氢气的产生欧盟目前是排放密集型国家。如果通过基于可再生资源的电能通过电解产生氢，或从具有碳，捕获和储存的天然气中产生氢，则氢供应可能会脱碳。低碳氢的理论生产潜力实际上是无限的，因此产量仅取决于需求和供应成本。最终氢的估计2050年的需求量从低需求情景下的今天水平到高需求情景下的今天水平的十倍不等。氢是用作化学原料或能源。可以通过查看已经消耗氢气的行业和其他可能采用氢气的行业得出2050年需求的基本水平。已经证明氢在许多领域中的使用。使用量是否会增加取决于竞争性能源供应，公共政策，技术和系统创新以及消费者偏好之间的复杂相互作用。决策者必须解决需要用低碳氢代替高碳氢，并鼓励吸收氢作为脱碳的手段难以减排的行业。可以遵循某些关键原则而不会后悔：降低低碳氢生产的供应成本；降低成本。在公众支持下加快初期部署，以测试经济可行性并促进学习；并继续加强气候政策，例如欧盟排放交易体系，以刺激最适合氢的领域中以氢为基础的解决方案的增长。推荐引用McWilliams，B.和G.Zachmann（2021）“通过氢导航”，政策贡献Bruegel 08/2021 2政策贡献|第n ̊08/ 21期| 2021年4月 1引言在欧盟的脱碳运动中，氢被视为温室气体排放难以减少的行业的解决方案，是一种能源存储方式，并且是化石燃料进口中断导致能源短缺时的后备力量。的吸引力氢来自以下事实：燃烧或在燃料电池中使用时，不会排放二氧化碳。在可以应用氢的领域，氢可以取代化石燃料的消耗和相关的碳排放。氢不是新的燃料。它提供有用能量的能力已经有100多年的历史了。直到2000年代初，一波公众关注的焦点都集中在其为汽车提供动力方面（Lizza，2003年）。与欧盟雄心勃勃的脱碳目标有关，欧盟对氢气的兴趣正在重新抬头。在需求方面，氢气可能是特别难减排的行业（例如钢铁）的解决方案，一个有价值的论点是，完全脱碳在技术上是可行的。在供应方面，考虑到欧盟清洁能源潜力可能太有限的说法，大量进口低碳氢的潜力具有吸引力。此外，氢为季节性存储问题提供了一种解决方案，即当夏季可再生能源发电量达到峰值，而冬季则达到峰值需求。尽管有这项技术承诺，但氢气仍然昂贵得令人望而却步。因此，今天它在欧洲联盟中的使用与乐观主义者认为它在2050年净零欧盟中所扮演的角色相去甚远。目前，它几乎仅用作生产氨气和甲醇以及炼油的化学原料。此外，主要的氢气生产路线（包括将氢气与甲烷分离）是高度碳密集型的。但是氢也可以通过电解从电中产生。可再生能源发电成本的迅速下降使人们对低成本，低碳氢生产感到兴奋。图1：2050年氢气需求的估计变化住宅供暖航空炼钢氨重型车辆乘用车航运炼油轻型商用车。甲醇0100200300400500600700年需求量（TWh）资料来源：Bruegel。注意：水平线表示最高和最低假设之间的年度氢气需求量范围（请参阅第3节）。欧盟委员会（2018）估计2050年的最终能源总需求量为10,000 TWh。图中显示的氢的某些用途是用作化学原料，而不是能耗，但10,000 TWh的数字仍可提供一个合理的数量级。我们较高的估计值（2,080 TWh）将看到2050年总氢需求约占最终能源需求的20％，而较低的估计值（295 TWh）为3％。氢气在可部署的行业中将扮演的未来角色取决于必要技术达到商业成熟程度的程度。这将由资本成本，消费者偏好，政策决策和企业之间的复杂相互作用共同驱动。住宅运输业 3政策贡献|第n ̊08/ 21期| 2021年4月SMR和CCS甲烷热裂解Kvaerner法水热解碱性电解固体氧化物电解PEM电解光电化学水分解废物气化利用CCS进行生物质气化（使用CCS）CCS的ATR生物质热解热电解（直接）生物光解科学研究原型/示范氢商业采用副产品工业的生物质集中式太阳能生产方式浪费太阳的电天然气能源资源竞争清洁能源的相对性能。由于存在这些不确定性，我们估计，到2050年，氢可以满足欧盟最终能源需求的20％，但可能仅满足3％（图1）。这符合更复杂的建模研究。该政策贡献调查了3％和20％之间的差距。我们的分析支持以下观点：脱碳将主要由电气化驱动，而氢将涌现，以填补电力太昂贵或太复杂的应用领域的利基。我们首先探讨氢在2050年脱碳的过程中从当今高度污染的化学原料发展成为关键的清洁能源的潜力。第一步，基本步骤是产生大量清洁氢的能力（第2节）。然后，我们研究了当前正在消耗氢或被认为是未来脱碳的重要途径的主要部门。为了说明未来氢气需求的不确定性，我们评估了十个重要行业中2050年的氢气需求（第3节）。今天，决策者的困难在于准确了解氢位的位置。它可能涵盖整个领域，例如航空业，也可能涵盖子领域，例如用于长途行驶的重型车辆的氢燃料电池。或氢可能会找到暂时的利基，例如在建筑物供暖中。尽管存在不确定性，但氢气的当前使用量作为化学原料以及钢铁行业极有可能采用该技术，这意味着到2050年至少需要一些清洁氢气。因此，我们将在第4节中介绍的公共政策应着重于刺激降低清洁氢气生产的成本。 2氢气供应可以使用六种截然不同的输入来大规模生产氢气：天然气，电力，生物质/废物，太阳辐射，煤炭和石油。至少有16种不同的生产方法从这些输入中的至少一种产生氢气。生产方法在相关的温室气体排放方面有很大的不同。例如，用于生产电解（电用于将水分子分解为氢和氧原子），输入电的来源决定氢是碳中性的（例如，来自可再生或核能发电的）还是高污染的（例如，褐煤的电）发电厂）。图2提供了氢的低碳生产途径的示意图。图2：低碳氢生产资料来源：基于Hanley的Bruegel等（2017），尼古拉迪斯和波利卡斯（2017），Piebalgs等（2020年）和IEA（2020年）。注意：SMR =蒸汽甲烷重整。 CCS =碳捕集与封存。 PEM =聚合物电解质膜。 ATR =自热重整。 4政策贡献|第n ̊08/ 21期| 2021年4月不同制氢工艺的成本竞争力取决于所需装置的资本成本，将输入燃料转化为氢气的技术效率，输入燃料和碳价格。欧盟目前的氢气供应能力估计为每年339兆瓦时1约占欧盟最终能源需求的3％（FCH JU，2019）。其中，超过95％是化石燃料产生的氢气，而少于5％是通过电解产生的（Cihlar等，2020）。欧洲化石氢的生产主要是通过分离完成的来自甲烷流的氢气，该过程会产生大量的二氧化碳排放。方框1将这些排放与电解产生的排放进行了比较，这取决于电的碳强度。方框1：与甲烷和电解氢相关的碳排放对于没有CCS的甲烷制氢，生产的碳强度约为270g CO2 / kWh。对于连接到欧洲电网的电解槽，基于当前与电力相关的平均排放量285g CO2 / kWh，平均排放量将为430g CO2 / kWh。因此，只有当欧洲电力的平均排放强度降低到显着低于200g CO2 / kWh时，电解氢才会产生比SMR更好的排放性能。根据目前的脱碳趋势推断，这种情况将在2025年左右发生。随着时间的推移，随着电的进一步脱碳，电解生产将变得更加清洁。今天已经可以在一年中的许多小时实现非常低的碳强度，例如在阳光充沛和有风的夏季周末，或者在某些欧盟国家（例如法国和丹麦）。但是通过用绿色电力生产氢使其成为“低碳”是没有经济依据的，因为这仅意味着其他消费者会消耗非绿色电力。为了确保国内氢气生产不会导致排放量增加，欧盟排放交易系统的上限（涵盖电力和天然气的氢气生产）应严格收紧，以满足欧盟的气候目标。于2020年7月发布的欧盟氢战略旨在为“欧盟如何将清洁氢转变为可行的解决方案以使不同部门脱碳”的愿景（欧洲委员会，2020年）。它的重点是利用可再生电力输入扩大电解生产。另一种选择是将碳捕获存储（CCS）技术应用于由甲烷生产氢气的过程中，最多可捕获90％的CO2。产生的排放2（IEA，2019a）。该战略在短期和中期都认为CCS在制氢中发挥了作用，但不是长期优先事项。与电解相比，甲烷制氢的竞争力取决于投入物的价格（天然气或电）和碳的价格（图3）。我们对甲烷生产的估算使用的价格为€20 / MWh，而工业生产商可能使用的电价范围是垂直阴影灰色区域，约为€40-€50 / MWh3.图3显示，按照当前的天然气，电力和碳价格4，没有CCS的甲烷制氢工艺要比由CCS的制氢工艺便宜得多1在本文中，我们将所有能源单位（电，氢，天然气等）转换为太瓦时（TWh），以实现可比性。 1 TWh约为30万吨氢或9200万立方米俄罗斯天然气。290％是最高技术水平。捕获的碳的范围很可能在60-90％的范围内。将碳捕获在60％到90％之间相对较贵。3参见https://www.eex.com/en/market-data/power/futures，比利时能源交易所的期货价格经常稳定在50欧元左右，以及https://www.powernext.com/futures-market-data欧洲天然气价格指数保持在20欧元左右。4实际上，我们认为50欧元的碳价可能会在未来三年内达到上限。 5政策贡献|第n ̊08/ 21期| 2021年4月电5。但是，如果电价降至约20欧元/兆瓦时（例如，由于与可再生能源有关的成本降低），则用电产生的氢气将比用甲烷产生的氢气便宜。另一方面，碳价上涨也会影响成本。将碳价提高到200欧元/吨，意味着以当前价格计算的电力将与天然气竞争。图3：不同电价和碳价的氢气价格14012010080604020001020304050607080电价，€/ MWh资料来源：Bruegel基于IEA。注意：该图显示了使用电解器时不同电价的不同氢价，其中碳的成本已经通过发电机支付的碳价内部化。对于天然气生产，我们假设天然气价格为30欧元/兆瓦时。虚线表示在没有CCS的情况下，对于甲烷工厂支付的不同碳价，其氢气成本也不同。根据IEA假设进行的计算：对于电解而言，CAPEX-$ 900 / kWe，效率-64％，年运营支出-CAPEX的1.5％。对于天然气重整，CAPEX-$ 910 / kWH2，效率-76％，年运营支出= CAPEX的4.7％，排放量= 8.9kgCO2 / kgH2。此外，电解槽的资本成本可能会在短期内大幅下降，这意味着即使电价不降至25欧元/兆瓦时，电解也将具有竞争力。例如，Wood Mackenzie（2020）预测，由于成本动态变化，在2030年至2040年之间，电解生产的氢气将与甲烷生产的氢气在价格上具有竞争性，具体取决于该地区。欧盟，其成员国和其他国家迄今已发布的部署电解槽能力的氢战略承诺，将刺激成本降低。此外，我们的分析基于欧盟的平均价值和成本假设。不同的税率，网络成本和批发价格推动了地区电价的巨大差异。因此，电力与天然气的竞争力在不同地区之间会有所不同。而且，我们的分析基于一个电解工厂，该电解工厂表现为传统的基本负荷用电方式，即需要有限的灵活性来供电，而当今的电解槽就是这种情况。但是，替代电解技术的发展6电解槽的资本成本下降和电价波动性增加（由于可再生能源发电份额的增加）可能会增加对电解的需求，因为电解是一种灵活的电力需求。因此，通过以下方法，电解可能会成为一种更具竞争力的技术：a）在相当长的几个小时内利用接近零的电价（有时甚至是负电价），以及b）为以下人员提供灵活的服务：通过在供应过剩时消耗过量的电力并帮助促进可再生能源的过度部署来电网（请参阅第3.4节）。5使用IEA数据进行估