东南亚大规模工业设施中氢生产碳减排潜力

东南亚大型工业设施生产氢气的碳排放减排潜力 二〇二五年二月 摘要:利用东南亚国家联盟的炼油、氨、甲醇和钢铁行业的能源研究与开发局（ERIA）2024年发布的氢需求与供应预测，本文研究这些大规模行业到2050年蓝氢和绿氢的碳减排潜力。在每个这四个工业部门，根据国际能源署宣布的承诺情景，考察未来氢的供需情况，计算相应的碳排放，并估计其未来的碳减排潜力。此外，还考虑了氨燃料和甲醇作为电子燃料的潜力。研究了氢的平均成本估计和不同的碳价格情景，以计算政府所需的补贴，帮助支持东南亚四个工业部门在未来的几十年里从灰氢过渡到绿氢和蓝氢生产。取得的见解为未来工业氢脱碳转型的政策策略提供了信息。 关键词氢，行业，二氧化碳，排放JEL分类L20, O14, O25, Q42, Q48 1. 引言 蓝色和绿色氢能是石油精炼、化工和钢铁工业未来脱碳的关键贡献者。在化工行业中，蓝色和绿色氨和甲醇不仅是许多下游过程中的关键原料，还提供了帮助农业、航运和道路运输部门脱碳的潜力，并为未来的能源存储和运输解决方案做出贡献。ERIA（2024）报道了东盟地区（ASEAN）2050年之前石油精炼、氨、甲醇和钢铁工业的氢能需求和供应预测。该研究考察了四种不同的未来情景：冻结/现状场景（冻结情景）、声明的政策情景（STEPS）和宣布的承诺情景（APS），两者均依赖于IEA（2022）的东盟地区特定调整；以及可能的情景，遵循Det Norske Veritas（DNV，2022）的东盟特定调整。 简要来说，在ERIA（2024）中，ERIA–冻结情景指的是2015-2021期间氢的需求和供应趋势将在未来继续。ERIA–STEPS保留了当前和最新的东盟成员国（AMS）政策，包括与其国家自主贡献（INDCs）相关的政策。ERIA–APS假设政府宣布的所有雄心目标都能按时、全面实现，包括其长期净零和能源获取目标。最后，ERIA–可能情景代表了从现在到2050年东盟四个工业部门氢供需的最可能未来情况。 ERIA (2024) 预测，在所有情景下，区域氢气总需求将稳步增长，2020-2050年累积平均增长率（CAGR）分别为2.7%（冻结）、2.3%（STEPS）、3.9%（APS）和2.7%（可能）。重要的是，未来氢气需求增长的组成和顺序最为关键。在可能情景下，随着交通部门的电气化，石油精炼需求在预测期内下降，而作为能源载体的氨和用于电子燃料的甲醇需求则过度补偿了这一下降。在同一时期，冻结情景下的氢气需求增长与传统氢气需求（如石油精炼）的强劲增长相似。因此，尽管冻结和可能情景的预测在2050年达到类似的总体氢气需求水平，但在可能情景下，碳排放的减少将比冻结情景显著得多（ERIA，2024）。 此外，根据STEPS，2020-2050期间，东盟工业领域氢气需求增长最低，复合年增长率为2.3%。这是由于氢气在炼油中的应用减少导致的，因为移动性电气化有限，而这种情况尚未因氢气用于生产电子燃料甲醇以及作为航运和发电的辅助燃料的氨的使用而得到抵消。相比之下，预计APS在未来氢气需求中将有最高的增长。在这种情况下，2020-2050预测期间，炼油对氢气需求的下降最快，而甲醇电子燃料和氨能源载体则超过补偿，并且增长速度甚至快于可能情景（ERIA，2024）。 本研究探讨了在传统天然气和煤炭蒸汽甲烷重整（SMR）条件下碳排放的量。它分析了在东盟地区直至2050年，蓝氢和绿氢对石油炼制、氨、甲醇和钢铁行业的碳减排潜力。特别是，还研究了在亚太经社会（APS）框架下，四个行业未来氢气的供应情况。由于ERIA（2024）报告了该地区炼油厂以及现有的氨和甲醇生产商的氢气供应，仅计算已知和宣布的未来生产能力的增长，剩余的需求假设将由商售产量来满足。这些商售产量包括该地区生产的氢气和从独立工业气体公司进口的氢气。 天然气蒸汽重整（SMR）和煤炭（即灰氢）生产氢气的碳排放与三种未来的生产混合方案进行比较。首先是国际能源署（IEA）未来先进生产系统（APS）的生产技术混合方案（IEA，2023e），其中灰氢的比例在2025年降至91%，2030年降至84%，2040年降至48%，到2050年降至31%。在同一时期，APS预测2025年的生产技术混合方案为2%的蓝氢和7%的绿氢，2030年为4%的蓝氢和13%的绿氢，2040年为11%的蓝氢和41%的绿氢，到2050年为14%的蓝氢和55%的绿氢。这种未来的生产技术混合方案与2025年至2050年间100%蓝氢与100%绿氢生产之间的未来情景进行比较。 分析随后估计了在APS需求预测下使用三种生产技术混合方案生产氢气的增量成本，与目前实际上100%传统SMR的现状相比。假定现有SMR设施的氢气平准化成本（LCOH）符合行业标准和经济可行性，而向未来转变的增量LCOH（平准化成本） 生产场景和生产技术组合可能导致未来脱碳氢生产能力的经济可行性降低。因此，分析以计算现有和未来氢生产商为达到减排潜力而可能需要的潜在政府补贴结束。同时，鉴于减排潜力可以产生未来的碳信用收入，根据不同的碳价格假设，计算了蓝氢和绿氢的未来补贴。 本研究的成果可以总结如下。首先，根据ERIA（2024年）的报告，氢需求总量将从2025年的约440万吨/年（MTPA）增长到2050年的11.7 MTPA。这一需求将得到现有以及该地区计划或宣布的生产能力，包括现有石油精炼厂和甲醇及氨生产商的满足。对于剩余的多元化化工子行业，钢铁工业和未来的未满足需求增长将由商业生产或进口来供应。 其次，基于通过小型模块化反应堆（SMR）持续生产的预测，碳排放量预计将增长至大约37 MTPA的二氧化碳（CO）。2在2025年及100 MTPA的CO 2到2050年。 第三，未来CO2在APS需求预测和生产技术组合下，到2050年的减排潜力预计将达到52 MTPA。这与到2050年，仅从2025年开始生产蓝氢时，预计的碳减排潜力最高可达60 MTPA形成对比，而如果仅从2025年开始生产绿色氢，到2050年的减排潜力预计将达到78 MTPA。因此，与预计的100 MTPA的CO2减排量相比，...2在SMR（小型模块化反应堆）主导的氢经济中，在APS（亚太地区）所有蓝色或绿色氢能场景下，到2050年，东盟工业部门可减少一半至四分之五的碳排放。 第四，为了使现有和新的氢生产商获得与其迄今为止的灰氢生产混合相同的每年8%的项目回报，所需的未来政府补贴在每吨生产的氢气碳价格假设从100美元到500美元的范围内计算。此外，假设技术改进、可再生能源电价降低以及更高规模经济带来的效率提升将降低未来蓝氢和绿氢的相对生产成本（ERIA，2024；Purwanto等人，2024a）。因此，预计20年脱碳氢项目的区域范围内补贴总额将在200亿美元至1000亿美元之间。 在亚太地区合作框架下，碳价格在每吨100至300美元之间。此外，仅考虑绿氢时，这些补贴的现值显著增加至1000亿美元至3000亿美元，而实现全蓝氢转型几乎不需要补贴，除非碳价格非常低。相比之下，当碳价格达到每吨500美元时，只有全绿氢的未来可能需要补贴，而亚太地区合作框架和蓝氢可以通过碳信用额的货币化大部分自筹资金。 我们的氢能文献贡献如下。ERIA (2024) 是首次尝试分解主要工业部门和八个最大的东盟经济体在未来氢的需求和供应。据我们所知，这项研究是首次明确估计东盟关键工业部门未来碳排放和碳减排潜力。此外，通过未来LCOH估计和多种生产场景以及各种碳价格假设，分析了碳减排潜力，以得出国家政府或多边发展机构补贴的估计，这些补贴对于使私营部门现有企业和未来进入者过渡到蓝氢和绿氢生产在经济上可行至关重要。 本论文中报告的分析可以扩展以研究更具体的国家和项目层面的脱碳路径、绿色和蓝色氢气的生产和运输经济学，以及促进并尤其是为需要大量公共部门和多边支持的大型项目提供资金的政治经济学。 在引言部分之后，本文对氢能SMR生产、灰氢与蓝氢、绿氢的碳排放量进行了文献综述，并讨论了甲醇在e-燃料中的应用以及氨作为能源载体以减少交通运输、航运和电力生产中的化石燃料消耗。随后的第三部分描述了建模方法，并讨论了在各种生产场景下的碳减排潜力。第四章估计并讨论了向蓝氢和绿氢生产过渡的经济后果，以及这种过渡所需的公共部门补贴。随后，第五章总结了政策影响，第六章得出结论。 2. 文献综述 2.1. 关于从天然气和煤炭中生产氢气的文献综述 SMR 在全球相关行业，国际能源署（IEA）和可再生能源署（IRENA）的报告显示，目前大部分氢供应是通过现有的SMR（小型模块化反应堆）工艺，即利用化石燃料，如天然气或煤炭来生产的。IEA（2023a）报告称，在2020-2022年期间，超过80%的氢供应来自SMR。2022年，全球生产的95亿吨氢气中，62%和21%分别来自天然气和煤炭，而低排放氢气仅占不到1000万吨。IRENA（2022a）报告称，47%的氢生产来自天然气，27%来自煤炭，1%来自可再生能源。尽管近年来在氢生产过程中化石燃料的使用仍然普遍，但已宣布了众多低碳氢项目，这些项目要么处于早期讨论阶段，要么正在进行可行性研究。 在地理分布方面，根据IEA（2023a）的数据，目前30%的氢气生产发生在中国，其中包括世界上大部分以煤炭为基础的SMR。其他主要生产国包括美国、中东、印度和俄罗斯。相比之下，东盟地区的氢气总供应量约为3%。随着需求的增加，尤其是工业部门的需求增加，预计生产量将增长。目前，东南亚用于氨和甲醇原料的大部分氢气是通过SMR生产的，这与全球情况相似。 在东盟的主要炼油中心，SMR制氢与从重整和平台化过程获得的 captive 氢同时生产，以及从各种炼油过程中的副产品中获得。在过去几年中，东盟工业部门的 captive 氢供应量从2015年的约2.88 MTPA增长到2019年的3.33 MTPA，然后在2021年降至3.24 MTPA（ERIA，2024）。图1显示，氨的 captive 生产比例最高，占东盟总 captive 生产的近一半，使其成为唯一的自给自足的氢气行业。炼油部门在现场生产了其氢需求量的80%–90%，而甲醇行业在2021年仅满足了其氢需求的75%。相比之下，其他化工子行业和钢铁行业从第三方商人气体公司采购其100%的氢气供应。 来源：ERIA（2024）。 此外，根据ERIA（2024）的预测，东盟的总氢气产量预计将逐步增长至2030年，并在2030年至2050年期间将呈现增长至停滞的增长趋势，除非采用APS。在STEAPS中，氢气产量将从2020年的3.15百万吨每年增长至2030年的4.54百万吨每年，然后以较慢的速度增长，至2050年为4.77百万吨每年。这些预测基于东盟各国（AMS）的国家自主贡献（NDC），并假定每个国家都将遵守其宣布的政策和国家自主贡献。另外两个场景“可能”和“冻结”也显示了类似趋势。在“可能”场景下，产量将在2030年和2050年分别增长至4.47百万吨每年和4.67百万吨每年，在“冻结”场景下，产量将在2030年和2050年分别增长至4.55百万吨每年和4.88百万吨每年。然而，在APS下，产量趋势将线性增长直至2050年，届时将增至5.59百万吨每年，几乎是当前产量的一倍。这种显著增长归因于假设随着低碳氢气需求的增加，氢气的需求将显著增长，作为船舶燃料油、燃煤发电和电子燃料的部分替代品。 2.2. 关于灰氢生产碳排放的文献 具有竞争价格的氢气仍主要来源于蒸汽重整，即天然气和煤的气化。尽管通过水电解生产氢气有潜力与传统的运输燃料竞争，尤其是在油价上涨期间，但其成本远高于通常在工业应用中使用的灰氢（Ball 和 Weeda，2015）。尽管如此，近期研究进展和示范项目的成功实施提升了人们对天然气重整（蓝氢）以及使用可再生能源发电进行水电解（绿氢）等技术日益重要性的期望。这些进展表明，这些方法可能会在未来成为氢气生产的主导方法（APERC，2018；IEA，20