削减电力以使东盟排放脱碳的潜在可再生氢 ： 政策含义

更新可持续性Article削减电力以使东盟排放脱碳的潜在可再生氢 ： 政策含义Han Phoumin1,*, Fukunari Kimura1,2和 Jun Arima1,31东盟和东亚经济研究所 （ ERIA ） ， 智囊团 ， 印度尼西亚雅加达 10270 ； vzf02302 @ nifty. ne. jp （ F. K. ） ； junarima @ g. ecc. u - tokyo. ac. jp （ J. A. ）2庆应义大学经济学院 ， 东京 108 - 8345 ， 日本3东京大学公共政策研究生院 ， 东京 113 - 0033 ， 日本* 通讯 ： han. phoumin @ eria. org收到 ： 2020 年 11 月 19 日 ； 接受 ： 2020 年 12 月 5 日 ； 发布 ： 12 月 17 日2020检查错误Abstract:东南亚国家联盟 （ ASEAN ） 的发电组合以化石燃料为主，2017 年占近 80 ％，如果该地区不过渡到更清洁的能源系统，预计到 2050 年将占 82 ％ 。太阳能和风能是最丰富的能源资源，但对电力结构的贡献却微不足道。如果不使用多余的电力，太阳能或风电场的投资者将面临电力削减的高风险。利用能源前景建模结果的政策情景分析，本文研究了在发电组合中可变可再生能源的高份额情景下，削减电力产生可再生氢的潜在可扩展性。研究发现，东盟在通过减少电力来开发可再生氢气生产方面具有很大潜力。该研究进一步发现，可再生氢气生产成本的下降可能会改变游戏规则，通过政策支持扩大东盟的大规模氢气生产。结果暗示了可再生氢在能源转型中的未来作用，以使东盟的排放脱碳。关键字:能源转型 ； 可再生能源 ； 氢 ； 化石燃料 ； 排放1. Introduction东南亚国家联盟 （ ASEAN ） 的经济，社会和政治动态使其成为增长最快的地区之一。然而，随着该地区向低碳经济转型，东南亚在将其能源需求与可持续能源供应相匹配方面面临巨大挑战。转型需要开发和部署绿色能源。不断增长的能源需求可以通过可再生能源和其他清洁能源替代品如氢气和清洁技术生产的能源供应来满足 [1] 。尽管经济合作与发展组织 （ OECD ） 国家响应巴黎气候大会或第 21 届缔约方大会 （ COP 21 ） 的承诺迅速减少了温室气体排放，但发展中的亚洲还有一段路要走，以平衡经济增长和增长。ff可利用的能源。新兴东盟国家未来的大部分能源组合将依靠化石燃料来推动经济发展。然而 ， 他们可以沿着可再生能源的道路实现经济增长、社会福祉和环境可持续性。东南亚国家联盟 （ ASEAN ） 的发电组合以化石燃料为主 ， 2017 年占近 80 ％ ， 如果该地区不过渡到更清洁的能源系统 ， 预计到 2050 年将占 82 ％ 。减少温室气体排放是 COP 21 和即将召开的 COP 26 的全球议程上的重中之重 ， 这将要求领导人寻求替代燃料途径 ， 从化石燃料转向可持续性2020， 12 ， 10560 ； doi ： 10.3390/su122410560/journal/可持续性 可持续性2020,2of 15清洁能源系统。在这方面，氢燃料代表了增长潜力，因为世界各国领导人开始看到其用于缓解气候变化的巨大好处和前景。在许多东盟国家，氢作为替代燃料尚未列入政策议程。然而，东盟能源合作行动计划 （ APAEC ） 第二阶段将包括鼓励新兴和替代技术的政策措施，如氢和储能。氢在运输，发电和工业中的潜在用途已被世界各地的项目证明。在风能和太阳能可再生能源成本下降的情况下，可再生能源作为增加可再生能源在电网中份额的一种选择，吸引了领导者的注意。国际可再生能源机构 （ IRENA ） 预测，到 2040 年，电解槽的成本将从现在的 840 美元减少到每千瓦 420 美元。在可预见的未来，可再生氢气生产可能是最便宜的能源选择。生产可再生 H2 的成本竞争力是广泛采用氢气的关键。可再生 H2 生产成本从 10 - 15 美元大幅下降。/2010 年千克至 4 - 6 美元/2020 年千克 [4] 。成本预计将降至 2.00 - 2.50 美元/2030 年的 H2 ， 这与使用天然气通过蒸汽甲烷重整与碳捕获、封存和储存 (CCS) 生产氢气具有竞争力 [5] 。氢是一种清洁能源载体 ， 可以储存和运输 ， 用于氢运行车辆、合成燃料、石油和/或生物质、氨和/或化肥生产、金属精炼、加热和其他最终用途。因此，开发氢气是实现可持续清洁能源系统的理想途径，可以帮助扩大太阳能和风能等可再生能源的规模。采用可再生氢气将使更多的可再生能源进入能源结构，并可能成为东盟从化石依赖向更清洁能源系统过渡的游戏规则改变者。氢可以帮助整合目前的电力系统与风能和太阳能。风能和太阳能的高间歇性电力阻碍了电网的太阳能和风能渗透，因此，东盟的许多电网运营商不愿将其纳入其中。东盟和东亚经济研究所自 2017 年以来对氢能的研究已经确定了东亚地区氢能供需的巨大潜力 ， 到 2040 年 ， 如果在所有部门采用 ， 氢的成本将下降 50 ％ 以上。目标价格为 2.00 美元 - 2.50 美元/2040 年 H2 的千克与汽油价格具有竞争力。供应氢气的成本约为天然气的 3 - 5 倍，这主要是由于对氢气供应链的投资有限以及缺乏广泛采用氢气使用的策略。氢的广泛采用和使用将需要时间来确保成本竞争力和安全性，特别是对于汽车。从 “灰色 ” 和“ 蓝色 ” 到 “绿色 ” 的大规模氢能转变将与全球向可再生能源的转变同时发生。“绿色 ” 氢气可能面临当前的系统集成挑战，这些挑战阻碍了风能和太阳能份额的增加。在东盟，文莱达鲁萨兰国在氢供应链中处于领先地位，自 2019 年底以来一直从 Mara 港口向日本提供液化氢。但是，液化氢过程会消耗大量的能量来将气态氢冷却为温度为的液态氢。−253 摄氏度及更低。氢供应链示范项目与日本政府合作 ， 探索了一种使用一种称为液体有机氢载体的新技术运输氢的替代方式。如果该技术在经济上可行 ， 它将为全球市场准入铺平道路 ， 并克服氢供应链障碍。在许多东盟国家，氢作为替代燃料尚未列入政策议程。然而，APAEC 正在准备在 2020 年 11 月的东盟能源部长会议上批准，将包括政策措施，以促进新兴和替代技术，如氢和储能 [7] 。APAEC 将帮助 AMS 增加氢气的采用率，以扩大氢气在能源组合中的份额。该研究调查了可再生氢气作为东盟能源结构清洁能源的潜力 ， 这将需要在氢能相关行业进行巨额投资。本文旨在做到以下几点 ： 可持续性2020,3of 151.利用能源建模方案 ， 探索增加可再生能源 ， 特别是风能和太阳能在电力组合中的份额的政策选择 ， 并探索由于可转化为氢气生产的可再生能源的高份额而导致的电力削减的可能性。2.估算由于引入使用减少的可再生电力生产的氢气而导致的潜在减排量。3.考虑到全球经验 ， 从降低成本的角度审查风能和太阳能的可扩展可再生电力。4.回顾使用削减电力生产的氢气的技术和成本观点。5.审查可适用于东盟的氢政策和路线图。氢的采用和开发可能对东盟非常有利。可再生氢气将使风能和太阳能等可变可再生能源 (VRE) 的部署成为可能，并将打破传统电力系统无法吸收大量风能和太阳能的障碍，从而改变游戏规则。本文组织如下 ： 第 2 节回顾了制氢过程的途径 ； 第 3 节解释了方法论方法 ； 第 4 节讨论了研究结果 ； 第 5 节得出结论和政策含义。2.制氢工艺的选择途径氢在燃烧中用于热能和能量时排放为零。如果纯氢 （ H2 ） 通过与氧气 （ O2 ） 反应而燃烧 ， 它将形成水 （ H2O ） 并释放可用作热力学和热能的能量fficiecy.氢是宇宙中最丰富的化学物质，但很少以纯形式 （ H2 ） 发现，因为它比空气轻并上升到大气中。氢是水和生物质等化合物的一部分，也存在于煤、天然气和石油等化石燃料中 [8] 。一些正在进行的研究使用两种方法来提取氢燃料 ： 蒸汽甲烷重整，主要用于从化石燃料中提取氢，以及水的电解，用于使用电力从水中提取氢。蒸汽甲烷重整使用高温蒸汽从甲烷中提取氢气 （ 700 - 1000◦C).蒸汽甲烷重整的产物是氢气、一氧化碳和少量二氧化碳 [9] 。大多数氢气都是通过这种工艺生产的，这是最成熟的技术。鉴于美国和世界其他地区的天然气便宜，如果可以使用 CCS 增强蒸汽甲烷重整，氢气是向更清洁经济过渡的一种途径。从技术上讲，化学反应过程可以写如下。蒸汽甲烷重整反应 （ 必须通过吸热过程提供热量 ） ：CH4+H2O(+热)→ CO+3H2, (1)应用水煤气变换反应 (1) 产生更多的氢气:CO+H2O→CO2+H2(+少量的热量),(2)在此阶段 ， 二氧化碳和其他杂质从气流中除去 ， 因此最终产物是纯氢气。从技术上讲 ， 部分氧化是一个放热过程 ， 产生一氧化碳和氢气 ， 并产生 off热量:1CH4+ 2 O2→CO+2H2(+热),(3) 可持续性2020,4of 15在 （ 3 ） 中进行水煤气变换反应会产生更多的氢气 ：CO+H2O→CO2+H2(+少量的热量),(4)电解可以通过在由阳极和阴极组成的电解槽中将水分解为氢气和氧气来产生氢气。ff不同的功能取决于用于电解的电解质材料。聚合物电解质膜 （ PEM ） 电解槽是一种将电和水转化为氢气和氧气的电化学装置。 PEM 电解质是固体塑料。在阳极侧发生的半反应形成氧气 ， 质子和电子 ：2H2O→O2+4H+4e−,(5)电子流经外部电路 ， 氢离子穿过 PEM 移动到阴极 ， 其中氢离子与来自外部电路的电子结合形成氢气 ：4H+4e−2H2, (6)PEM 电气 effi就每单位用于驱动反应的电产生的氢气而言 ， 纯度约为 80 ％ 。 PEM effi预计在 2030 年之前 ， 效率将达到 86% 。另一种方法是碱性水电解 ， 它在碱性电解槽中用碱性水 (pH 值> 7 ） 与氢氧化钾 （ KOH ） 或氢氧化钠 （ NaOH ） 的电解质溶液。在碱性电解槽中 ， 两个电极分离。氢氧离子 （ OH−） 通过电解质从阴极输送到阳极 ， 阴极侧产生氢气。这种方法已经商业化多年 ， 使用固体碱性交换膜的新方法很有前途 ， 因为它在实验室环境中工作。3.方法论和情景假设氢气主要用于生产石化产品和氨。然而，在东盟国家中，氢的潜力显然仍未开发，因为它是一种清洁能源载体，可以使用化石燃料和可再生能源从各种来源生产。为了建立氢社会，生产氢的成本必须与用于运输和发电的常规燃料 （ 例如天然气 ） 具有竞争力。可再生或 “绿色 ” 氢气必须使用风能，太阳能，水力发电和地热能的可再生电力生产。然而，由于核电厂提供基本负荷电力，因此核能的多余电力可用于生产氢气，因此无法轻易增加和减少。在低需求期间，来自核能和 VRE 的电力可用于生产氢气。为了使用 VRE 生产可再生氢气，重要的是要知道由于可再生能源的更高份额而导致的电力系统集成挑战所导致的预测可用电力减少。两个因素决定了生产 “绿色 ” 氢气的成本 ： 可再生能源的电力成本和电解成本。如果可以显着降低这些成本以使氢气生产的成本与天然气的成本竞争，则可以加快氢气的采用和使用。这项研究回顾了 VRE 和电解成本的下降，以了解它们当前和未来的成本如何具有竞争力的氢气生产成本。电网的高 VRE 渗透率是电网运营商面临的最大挑战，因为来自 VRE 的电力是可变且间歇性的。使用物联网升级电网系统以创建智能电网可以允许 VRE 的更多渗透; 否则，由于弱电网系统，VRE 电力将大大减少。本研究在各种假设条件下计算了潜在的可再生氢气产量和潜在的减排量 ： 可持续性2020,5of 15•在当前的电网系统集成下，如果 VRE 在电力组合中的份额超过 10 ％，则削减可能为 20 - 30 ％ 。鉴于水电，地热，风能和太阳能的巨大潜力，使用储氢技术可以增加可再生能源的份额。该研究假设以下情景 ： 到 2050 年，可再生能源将总的化石燃料发电 （