赛迪译丛2024年第38期（总第664期）：打造可持续的国际氢价值链报告

打造可持续的国际氢价值链报告 【译者按】今年9月，国际可再生能源署发布《打造可持续的国际氢价值链报告》。报告认为，绿氢是到2050年实现净零排放目标的关键。由于绿氢的供需存在地域差异，会产生一个横跨全球的新价值链。本报告研究了促进绿氢价值链发展的重要因素，探讨了与发展中国家绿氢生产相关的环境、基础设施、社会经济和治理等各个方面，分析了氢及氢载体的运输和贸易。本报告强调了打造国际氢价值链相关的机遇和潜在风险。提出了推动绿氢价值链可持续、降低环境风险、重视氢载体的市场建设、创造本土价值、推动全球战略合作五方面的建议。赛迪智库节能与环保研究所对该报告进行了编译，期望对我国有关部门有所帮助。 【关键词】绿氢 价值链 氢载体 运输和贸易 战略 一、绿氢价值链的发展背景 最近的能源危机、地缘政治挑战和气候灾害再次显示了世界能源基础设施和流动的脆弱性。能源（尤其是可再生能源）的运输和贸易日益成为脱碳、负担能力和供应安全道路上的最大挑战之一。因此，当务之急是创建一个稳健、可持续的国际价值链。7国集团（G7）利用多边合作努力解决这些挑战。 （一）国际合作需求 未来，可再生能源丰富、水和土地供应充足、融资成本低的地区在生产以可再生能源为基础的氢及其衍生物的过程中将具备经济潜力。而氢的需求中心可能不具备大规模生产的条件。绿氢及其衍生物在能源转型中具有重要作用，其生产和贸易将可能形成新的全球市场，涉及复杂的国际价值链。 打造可持续的国际氢价值链，需要大量的基础设施投资，并保障环境的可持续性和社会公正性。由于远距离价值链的复杂性、利益相关方之间需要密切合作、社会认知提升、长期可持续性等原因，必须对价值链评估采取整体和全面的方法。 （二）报告研究范围 本报告探讨了偏远发展中国家与未来需求中心之间的绿氢价值链。重点从经济、治理、环境以及对发展中国家的社会经济影 响等多维度进行分析。如图1所示。 二、氢的生产与需求现状及趋势 （一）需求现状与预测 G7成员国承诺最迟在2050年实现温室气体净零排放。电力行业以及交通、工业、建筑等终端用能行业需要进行全面改造。能源系统脱碳的主要驱动力包括：提高能源效率、加快部署可再生能源和直接电气化。在净零目标下，电将成为主要的能源载体，占全球最终能源消耗的一半以上。 1.5℃情景 氢在能源转型中发挥至关重要的作用。根据国际可再生能源署（IRENA）的1.5℃情景，到2050年，氢和氢衍生物将占最终能源消耗总量的14%。氢气总产量将比2020年增加五倍以上。绿氢电解槽的累计装机容量到2030年将达428 GW；到2050年达5722 GW，如图3所示。预计2050年绿氢所需的电力与当前 全球电力消耗量相当。 （二）生产潜力分析 绿氢生产的关键在于获取丰富且廉价的可再生能源，同时考虑土地、水资源和基础设施等因素。预计到2050年，全球绿氢的开发潜力将达到全球一次能源需求量的近20倍。随着成本与可用可再生能力之间的平衡，绿氢的潜力将随着时间的推移而改变。 贸易形式可能包括纯氢和氢衍生物，且氢衍生物贸易可能更重要。根据IRENA的1.5℃情景，到2050年，全球约25%的氢气需求将通过国际贸易实现。其中，约55%将以纯氢形式运输，主要集中在两个区域市场：欧洲（占85%）和拉丁美洲。其余45%将主要以氨的形式运输。1 注：PJ=拍焦；NH3=氨；H2=氢。 资料来源：（国际可再生能源署和世界贸易组织，2023）。 免责声明：本地图仅供参考。本地图上显示的边界和名称并不意味着国际可再生能源署的认可或接受。 三、绿氢生产的环境影响 （一）排放强度 氢价值链的可持续性取决于排放强度，不同生产途径的排放强度不同。排放强度越低，对实现气候保护目标的贡献就越大。通过生命周期评估得知：绿氢的排放强度最低；灰氢的排放强度最高；蓝氢的温室气体排放量仅比灰氢低9%-12%。 （二）电力供应 电解制氢的碳排放取决于电力来源，使用可再生电力可确保零碳排放。尽管现在的电网并非净零排放，但在过去的十年中，全球可再生能源在电力容量中所占的比例一直在增加，从27.2%增加到40.2%。随着电网的进一步绿化，电制氢的排放强度将得到降低。 （三）激励措施和法规影响 近年来 ，各国出台了一系列的激励计划、监管框架和机制等，如欧盟的碳边境调节机制旨在为进口氢气和氢衍生产品的排放定价。美国的《通胀削减法案》则为碳强度较低的氢气生产提供资金支持。日本正处于设计本国生产和进口氢气激励计划的早期阶段，计划采用差价合约方法。还有拍卖系统和税收抵免等措施。这些将对氢的生产和消费产生重大影响。 （四）水资源供应 水是仅次于电的第二大影响因素。绿氢的水足迹小于蓝氢或灰氢的生产，但全球到2050年所需的绿氢产量仍需大量水资源。 一些地区可能因水资源短缺面临挑战，需要综合考虑能源和水资源规划。在淡水资源不足的情况下，绿氢生产可能需要采用海水淡化方法。 四、氢载体技术推动绿氢运输和贸易 氢的运输形式多样。长距离运输可以气体形式通过管道运输，也可以冷却液体形式船上运输。氢还可以转化为氨、甲醇、液态有机载氢体以液态形式运输。 （一）氨（Ammonia） 可再生氨由可再生氢和氮气通过哈伯-博世过程制成，可作为能源载体或化学原料。国际上已有一定规模的氨运输基础设施-航运和港口，未来产能将扩大10到15倍，需要在储运方面加大投资。但氨是危险化学品，具有腐蚀性和毒性，在整个运输链需最大限度地降低泄漏风险。 在风光资源丰富的地区，可再生氨的成本约为720美元/吨。预计到2030年，成本将降至480美元/吨，到2050年降至310美元/吨。 （二）液氢（Liquid hydrogen） 氢可通过林德循环或焦耳-汤姆孙膨胀循环法液化，在零下253℃储存。氢通过船舶运输，成本非常高。目前，世界上只有 一艘船2能够运输液氢。为满足全球液氢需求，液化厂、储罐、船舶和再气化装置等设施须新建。液氢的储存风险较小，复杂的隔热技术是关键。 液氢的低温控制成本高。因此液氢所需的投资是其他载体（如液态有机氢载体）的两倍。当制氢规模增加到每年10万吨时，成本将降低约75%。这种规模仍不足以实现价值链的商业化。 （三）液态有机氢载体（LOHCS） LOHCS可通过加氢和脱氢反应运输氢，主要利用现有的基础设施-油罐、卡车和船只等。随着化石燃料的逐步淘汰，原本的油轮可以重新利用。LOHCS无毒、无爆炸性，但对水生环境有害。 LOHCS是专用化学品，产量有限。需要扩大产能才能满足新市场的需求。初期投资高。 （四）甲醇（Methanol） 可再生甲醇可由生物质或二氧化碳与绿氢合成，通常分为两类：一是生物甲醇，它是以生物质为原料生产的。生物质包括农林固体废弃物和副产品、沼气、城市固体废物（MSW）、纸浆/造纸工业产生的黑液。二是合成甲醇，也称为电转液（PtL），由生物或空气捕集的二氧化碳和绿氢制成。目前的石油基础设施改造后可用于甲醇的储运。甲醇易燃且有毒，在标准环境条件下储 存易实现。 近三年，欧洲和中国的甲醇现货价格约为250美元/吨至500美元/吨，美国约为400美元/吨至700美元/吨。目前合成甲醇的生产成本估计在800-1600美元/吨之间。 （五）载体比较 不同氢载体在基础设施要求、技术特点、能源平衡等方面存在差异，各有优缺点，未来可能是多载体共存的局面。表1概述了不同的载体以及在对载体进行比较时最重要的考虑因素。图5和图6显示了各种氢载体长途供应链主要步骤中的各种能源消耗。 注：*假设通过氢气和二氧化碳的催化合成生产合成甲醇。当有免费废热和二氧化碳时， 不需要额外能源（低端），而在高端，可利用能耗为6.6GJ/t二氧化碳的“液体直接空气捕集”通过直接空气捕集获得二氧化碳（国际能源署，2023b）。 MJ/kgH2=兆焦/千克氢气 资料来源：（国际可再生能源署，2022f；国际可再生能源署和氨能源协会，2022；国际可再生能源署和甲醇研究所，2021；牛津能源研究所，2022）。 资料来源：（国际可再生能源署，2022f；国际可再生能源署和氨能源协会，2022；国际可再生能源署和甲醇研究所，2021；牛津能源研究所，2022）。 五、绿氢对发展中国家的协同效益 发展中国家与未来进口国之间的双赢解决方案：工业化国家获得绿氢和商品，而发展中国家则获得投资、就业机会和技术转让。 （一）能源获取 建设大规模绿氢生产设施对当地社区和国家能源系统有重大影响，特别是在将电解槽连接到电网时。为确保可持续性和公平性，必须在能源行业整体规划的背景下考虑这些影响。 发展中国家生产绿氢可能面临能源获取的挑战，应平衡出口和国内能源需求，可将部分投资用于电网脱碳和扩大能源获取，同时积累相关知识和技术。 （二）工业发展机遇 发展中国家可通过生产和出口绿氢可促进经济增长，但可能面临市场不平等问题。可从产业链上下游创造价值，如上游发展电解槽、压缩机、阀门和计量设备等部件的本地制造。下游将绿氢加工成附加值更高的产品，如绿氨、绿甲醇和绿色钢铁。 能源转型为许多行业提供了发展空间，氨和钢铁就是与绿氢有关的两个例子。 氨：IRENA1.5℃情景下，到2050年，预计氨的市场规模将达到6.88亿吨。当5.66亿吨氨来自绿氨（源自绿氢和可再生能源电力）时，氨的脱碳将实现。此外，还将结合碳捕集与封存技术（CCS）对化石氨生产进行补充。 钢铁：预计全球钢铁需求将从现在的约20亿万吨/年增 加到2050年的25亿万吨/年。优质、廉价和丰富的可再 生能源和铁矿石资源对未来绿色钢铁生产至关重要。 跨大洲运输绿色产品可能比运输任何形式的绿氢都要便宜。能源密集型产业有机会在低成本可再生能源过剩的国家建立新设施，出口半成品（如还原铁）或成品（如汽车）。 （三）就业和劳动力发展 根据IRENA的测算，全球的电解槽和其他绿氢基础设施投资，到2030年，将创造约380万个工作岗位，到2050年可创造650万个工作岗位。发展中国家需考虑自身能力，通过技能培训和发展本地产业，利用的工业和劳动力，来满足新兴氢经济的需求。 六、潜在绿氢供应商的战略 为了实现净零排放的目标，越来越多的国家开始制定氢能战略。这是继20世纪70年代、90年代和21世纪初之后的第四次氢能热潮。与前几轮相比，氢能战略发布频率增加；战略中提出了明确的政策目标；能源转型成为绿氢投资的主要驱动力；战略重点是针对“难减排”行业。为促进全球南北方国家之间的氢贸易，发达国家签署了许多谅解备忘录、贸易协定并积极开展外交活动。截至2023年10月的氢能谅解备忘录见图7。 （一）战略案例分析 为掌握全球的发展动态，并评估全球北方国家和全球南方国家在氢能行业发展方面的不同立场。本报告从全球南方国家发布的战略中选择了六个国家的氢能战略进行比较。分别是新加坡、特立尼达和多巴哥、摩洛哥、阿曼以及潜在的氢中心-纳米比亚、南非。除新加坡外，这些国家的一个共同特点是可再生能源发电潜力巨大，因此非常适合生产和出口绿氢。 出口导向是许多发展中国家氢能计划的共同特征。表2提供 了所选战略的出口导向。但是各国关注不同的氢气生产和消费方式。各国战略均倾向于绿氢。南非计划通过短期项目刺激当地对氢气的需求，以展示商业潜力并为进入全球市场做好准备。蓝氢能被认为是南非转型的结构性组成部分。特立尼达和多巴哥的战略重点是绿氢，计划到2065年安装5.7千兆瓦的海上风电，为2.5千兆瓦的电解槽提供电力。 氢气出口国的国家注重加快促进洲际贸易项目。这些项目包括运输，摩洛哥还包括管道改造。拥有必要的资源、能力和市场条件的发展中国家可以在不影响国内基础设施发展的情况下有效地实施出口导向型战略。 “难减排”行业是重点，尤其是化学工业。表3概述了最终用途在不同国家战略中的作用。已经是氨和甲醇生产国的特立尼达和多巴哥明确表示，希望在出口氢气之前实现化工行业的脱碳。南非的炼钢、水泥、采矿、炼油和化工生产等“难减排”行业将得到优先