2022年能源转型展望HYDROGīN ĒORīCAST 到 2050 年 挪威船级社— 到 2050 年的氢气预测内容前言3强调41介绍81.11.21.3链条151.41.52氢能政策和战略 302.1政策与氢能转型 302.2政策和监管环境的详细信息 342.3区域氢能政策发展 372.4我们氢气预测中的政策因素 463生产氢483.1生产方式氢483.2来自化石燃料的氢：甲烷重整和煤气化503.3电力制氢：电解524存储和运输564.1运输和储存氢气的方式 564.24.34.44.5氢665氢气：预测供需 705.15.2氢气作为原料785.3氢气作为活力816贸易基础设施 926.16.2管道运输947深入探讨：价值链的演变 967.17.2南方太阳能光伏西班牙987.3地热能在冰岛1017.4北方海上风电海1047.5核力量1067.5 比较和结论108参考110项目团队1132 前言词源欢迎来到 DNV 对到 2050 年能源转型中氢能源的首次独立预测。虽然有雄心勃勃的声明表明氢在能源转型中可能发挥的重要作用，但目前生产的低碳和可再生氢的数量可以忽略不计。这当然会改变。但关键问题是，何时以及多少？我们发现，到 2050 年，氢可能仅满足全球能源需求的 5%——比净零路径中应有的三分之二少。显然，全球需要更强有力的政策将氢气推向满足《巴黎协定》所需的水平。在这里，看看欧洲的扶持政策是有益的，到 2050 年，氢可能占能源结构的 11%。5% 的全球转化为超过 2 亿吨氢作为能源载体，这仍然是一个很大的数字。其中五分之一是氨，另外五分之一包括电子燃料，如电子甲醇和清洁航空燃料，其余为纯氢。氢是宇宙中最丰富的元素，但我们只能在化石燃料、气体和水等化合物中使用。释放这些氢分子需要大量的能量——要么通过用 CCS 对天然气进行蒸汽甲烷重整以“蓝色”形式，要么通过电解从水和可再生电力中以“绿色”氢的形式释放。到 2050 年，超过 70% 的氢气将是绿色的。由于制造绿色氢会造成能源损失，理想情况下，可再生能源应首先用于将煤炭以及在一定程度上从电力组合中剔除的天然气。在实践中，会有一些重叠，因为氢是可变可再生能源的一种重要存储形式。但不可否认，风能和太阳能光伏是绿色氢能的先决条件；我们的野心越高，这些资源的扩展就必须越大。与直接电气化相比，氢气价格昂贵且效率低下。在很多方面，应该考虑作为最后的低碳能源。但是，它是迫切需要的。在那些难以或不可能电气化的领域，如航空、航运和高温工业过程，尤其需要氢气。在某些国家，如英国，氢气在某种程度上可以通过现有的天然气分销网络以低于批发转换为电力的成本交付给最终用户。由于氢对脱碳至关重要，因此安全不能成为其致命弱点。 DNV 在这方面领导着关键工作：氢气设施可以设计成与广泛接受的天然气设施一样安全或更好。这意味着必须将安全措施设计到氢气生产和分配系统中，这些系统必须在其整个生命周期内正确运行和维护。同样的方法必须扩展到氢载体氨，它将被大量用于航运的脱碳。在那里，毒性是一个关键问题，必须进行相应的管理。分析将启动和扩大氢气规模的技术和政策，然后模拟氢气将如何与其他能源载体竞争并非易事。正如我们在本报告中解释的那样，将会有许多氢价值链，不仅在成本方面进行竞争，而且在时间、地理、排放强度、风险接受标准、纯度和最终用途的适应性方面进行竞争。我赞扬我的同事为向您提供这一重要预测所做的工作，并一如既往地期待您的反馈。雷米·埃里克森集团总裁兼首席执行官 DNV3 挪威船级社— 到 2050 年的氢气预测强调预报•可再生和低碳氢对于实现《巴黎协定》中难以减排的行业的脱碳目标至关重要。为了实现这些目标，到本世纪中叶，氢气需要满足世界能源需求的 15% 左右。•我们预测全球氢吸收相对于《巴黎协定》的要求，它的要求非常低和晚——到 2030 年达到全球最终能源结构的 0.5%，到 2050 年达到 5%，尽管氢在世界一些地区的能源结构中的份额将是这些百分比的两倍。•从现在到 2050 年，全球用于能源目的的氢气生产支出将达到 6.8 万亿美元，另外 1800 亿美元用于氢气管道，5300 亿美元用于建设和运营氨终端。4 强调•到 2050 年，基于电网的电解成本将显着下降届时平均约为 1.5 美元/公斤，在某些地区，来自专用可再生电解的绿氢和蓝氢也将达到这一水平。蓝色氢的全球平均水平将下降从 2030 年的 2.5 美元到 2050 年的 2.2 美元/公斤。在美国等可以使用廉价天然气的地区，成本已经是 2 美元/公斤。在全球范围内，绿色氢将在未来十年内达到与蓝色氢的成本平价。•在大多数地区，绿色氢将越来越成为最便宜的生产形式。到 2050 年，72% 的用作能源载体的氢及其衍生物将以电力为基础，28% 的蓝氢来自使用 CCS 的化石燃料，低于 2030 年的 34%。一些天然气价格低廉的地区将拥有更高的蓝氢份额。•成本考虑将导致超过全球 50% 的氢气管道存在从天然气管道中重新利用，在某些地区高达 80%，因为重新利用管道的成本预计仅占新建设成本的 10-35%。5 挪威船级社— 到 2050 年的氢气预测强调•氢气将通过管道运输国家内部和国家之间的距离可达中等距离，但大陆之间几乎没有。氨运输更安全、更方便，例如坐船，到 2050 年，59% 的能源相关氨将在区域之间进行交易。•直接使用氢气将由制造业主导，它在高温过程中取代煤炭和天然气。这些行业，如钢铁，也是 2020 年代后期最先开始吸收的行业。•氢衍生物如氨、甲醇和电子煤油将在重型运输部门脱碳方面发挥关键作用（航空、海运和部分卡车运输），但仅在 2030 年代后期采用规模。•我们预计乘用车不会吸收氢气，并且仅在发电方面的吸收有限。用于建筑物供暖的氢气，通常与天然气混合，在某些地区已被早期吸收，但不会在全球范围内扩大规模。6 强调见解•氢需要大量宝贵的可再生能源或广泛的碳捕获和储存，应优先考虑难以减排的部门.在其他地方，与直接使用电力相比，它效率低下且成本高昂。•有增无减的化石基氢用作化肥和炼油厂的工业原料（非能源）可以立即被绿色和蓝色的氢取代— 在跨能源部门进行燃料转换之前，一个重要的现有需求来源。•安全（氢）和毒性（氨）是主要风险。公众认知风险和财务风险对于管理以确保增加氢吸收也很重要。•我们预见的氢的低吸收和晚吸收表明为了使氢能在净零竞赛中发挥最佳作用，需要更强有力的政策为了超越目前的预测，以更强有力的授权、需求方措施给生产者的承购信心以及更高的碳价格的形式。7 挪威船级社— 到 2050 年的氢气预测81介绍100 多年来，氢气作为化学原料、化肥生产和炼油厂大量使用。然而，目前氢作为能量载体的使用是微不足道的。这是因为氢气的生产本身必须先脱碳——目前成本很高——才能在推动能源系统脱碳方面发挥重要作用。尽管具有投资决策且处于建设阶段的项目数量仍处于适度水平，但这一巨大的成本障碍并没有阻止能源行业对氢的兴趣。在创新渠道的进一步发展，现有技术供应商都进行了许多可行性研究，初创企业正在开发更高效和更大规模的概念。与直接使用电力相比，氢气通常具有显着的成本、复杂性、效率以及通常的安全缺点。然而，对于许多能源部门来说，直接使用电力是不可行的，氢及其衍生物如氨、甲醇和电子煤油是主要的低碳竞争者——有时与生物燃料竞争。一个新的共识是，低碳和可再生氢将在未来的脱碳能源系统中发挥重要作用。作用的重要性仍然不确定，但各种估计表明，氢在未来低碳能源系统中占全球能源使用量的 10% 到 20%。到 2050 年，DNV 自己的“净零之路”将氢占净零能源组合的 13%，并在那时迅速获得份额。根据这一预测，我们目前的任务不是说明氢在 2050 年的能源结构中应该占据的份额，而是说明它可能占据的份额。我们发现，到本世纪中叶，氢气还没有完全履行其净零排放的角色——事实上远非如此。我们的预测显示，到 2050 年，氢气可能仅能满足 5% 的能源需求。扩大全球氢气使用规模受到一系列挑战的困扰：可用性、成本、可接受性、安全性、效率和纯度。虽然人们普遍认为为了达成《巴黎协定》，需要紧急扩大全球氢的使用规模，目前的发展速度太慢，远不及我们在可再生能源、电网和电池存储装置中看到的加速。然而，一系列利益相关者和媒体对氢的承诺非常感兴趣。然而，很少有评论员对氢可能的全球增长路径背后的细节进行仔细、冷静的研究。本报告是 DNV 年度能源转型展望 (ETO) 报告套件的一部分。此处展示的结果将成为将于 2022 年 10 月发布的 2022 年版主要 ETO 报告的一部分。我们在此氢预测中的见解和结论基于 DNV 的 ETO 模型中更详细的氢建模，包括用于氢贸易的新模块和运输以及对新生产方法和氢衍生物的更深入研究。我们做出这一预测的目的不是说明氢在 2050 年的能源结构中应该占据多少份额，而是说明它可能占据的份额。该报告首先解释了氢的特性和目前的使用，以及安全和投资风险，然后描述了当前和未来可能的氢政策和战略。第 3 章和第 4 章详细介绍了用于生产、储存和运输的氢技术。第 5 章介绍了 DNV 氢吸收模型的结果，研究了不同能源部门的氢生产和使用。第 6 章涉及氢贸易。最后一章深入介绍了不同氢供应链的示例和比较。 介绍19图 1.1氢特性1.1 氢的性质氢既熟悉又不同于能源系统中的任何其他物质。与电力一样，氢是一种可以通过可再生能源生产的能源载体，并且与电力一样，它可以用来为电池（由燃料电池组成）“充电”。与化石燃料一样，氢气具有爆炸性，燃烧时会产生热量。它可以从碳氢化合物中提取，保存在罐中，通过管道移动并长期储存；它可以在气态和液态之间转换并转化为衍生物。这些特性使氢在能源转型中成为一个迷人的前景，但也为其在安全、基础设施、生产、用例和商业可行性方面的采用设置了障碍。作为低碳和可再生能源载体，资源丰富但生产成本高氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上它仅作为化合物的一部分被发现，最常见的是与氧一起以水的形式存在，但也存在于碳氢化合物中。 $1 作为低碳能源载体，资源丰富但生产成本高2 可燃，但行为与天然气不同3 重量轻，但能量密度低是一个问题4 液态氢及其衍生物克服了限制，但转化效率低下5 潜力巨大，但挑战也很大 挪威船级社— 到 2050 年的氢气预测10为了用作能量载体或零排放燃料，氢必须暂时从其与氧的键中释放出来或从碳氢化合物中提取。氢是所有元素中最简单的，但以纯形式生产氢的过程并不那么简单：它们是能源密集型的，涉及大量能源损失，成本高昂，并且会产生自己的碳排放。大规模使用氢气的主要驱动力是使能源系统脱碳，更具体地说，是使能源系统中那些难以减少的部分（即不能直接通电）脱碳。这使得生产和运输低排放或零排放的氢气变得至关重要，同时有效地利用水和废热和氧气等副产品。氢是所有元素中最简单的，但以纯形式生产氢的过程并不那么简单：它们是能源密集型的，涉及大量能源损失，成本高昂，并且会产生自己的碳排放。可燃，但行为与天然气不同氢气在正常大气压和温度下是可燃的和气态的，但它的行为与天然气不同，需要调整或开发基础设施、设备和安全标准。相对于天然气或汽油蒸气等熟悉的替代品，氢气以非常低的能量点燃并且具有广泛的可燃性范围。由于氢原子尺寸小，其分散行为不同于其他气体。氢气是无色、无味和无味的，这意味着需要特定的传感器或气味来检测它，并且在燃烧氢气时需要添加剂来产生熟悉的可见颜色火焰。重量轻，但能量密度低是一个问题氢是最轻的元素，与重量相比具有高能量密度，为重量可能成为问题的应用提供了一些优势，例如重型公路运输。总体而言，与体积相比，考虑氢气的能量密度更为相关，与其他燃料相比，氢气的能量密度非常低。这使得氢气更难储存和运输。低能量密度也降低了氢气（至少以气态形式）的可行性，用于不直接或定期连接到电网的用例，例如航运和航空。解决方案是将氢气冷凝成液体——这只能部分解决这一挑战——或者将其转化为氨、甲醇或合成燃料等衍生物。液态氢及其衍生物可以克服限制，但转化效率低且成本高压缩氢气通常是长距离运输大容量氢气的最