双碳目标下绿色甲醇在交通领域的应用前景

HDBOSCH 目录01背景与概述02碳排放现状03低碳燃料：绿氢与绿色甲醇04绿色甲醇商用车的成本分析-现状与挑战05政策趋势与案例研究06总结与未来展望参考文献为什么选择博世 461217222425 交通领域的脱碳需求交通运输业是排放量仅次于电力和工业的碳排放主要来源之一。为了实现双碳自标，除了已经成功推广的电动化技术外，还需要增加低碳燃料的使用，如绿氢、氨和甲醇，此外，在新能源乘用车中有一部分是插电混动（PHEV）车辆，仍然有内燃机工作，通过使用绿色燃料可以进一步降低碳排放。这些替代燃然料正在逐步取代传统化石燃料，天幅减少污染物和温室气体排放，并通过绿色生产制备实现全价值链低碳或零碳排放。绿氢和绿色甲醇产业链初具规模当前绿氢和绿色甲醇的生产技术和产业链已初步形成。技术创新与产业集群的协同效应推动了产业规模化的高质量发展。本文将深入分析绿氢和绿色甲醇的生产技术、优势和挑战，绿色甲醇商用车在全生命周期的总拥有成本（TCO)，探讨绿色甲醇在商用车中的应用潜力。氢能和甲醇在能源转型中的关键作用基于资源票赋和工业基础，绿氢和绿色甲醇在中国能源转型中具有战路意义。甲醇作为新兴燃料，逐步从化石燃料制备转向绿色甲醇-来源于生物质或由绿氢和二氧化碳（CO2）合成。 01背景与概述全球气候挑战与中国的双碳目标气候变化已成为全球面临的重大挑战。中国作为世界上最大的能源消费国和二氧化碳排放国，为应对气候变化采取积极行动，将双碳目标即在2030年前实现二氧化碳放达到峰值、并争取在2060年前实现碳中和纳入国家战略和社会经济发展规划。这个目标虽充满挑战，但对于全球气候治理具有深远意义。能源结构调整的紧迫性目前，中国约90%的温室气体排放来自能源领域，因此加快能源结构的绿色转型尤为紧迫。通过推进产业结构的优化升级，提升可再生能源的比例、减少化石燃料的使用来优化能源结构，是实现双碳目标的关键步骤。低碳燃料的发展趋势在低碳化过程中，生物燃料、氢能和氢基燃料等清洁能源遂渐被应用于各工业领域，尤其适用于那些难以通过电力满足能源需求且与现有基础设施或终端使用技术兼容性更好的场合。这些低碳燃料的应用有助于推动全产业链脱碳化的需求。 概要与政策展望本文评估了绿氢和绿色甲醇的现状和趋势，重点关注了绿色甲醇在运输领域的应用和潜力，并介绍了相关政策趋势、带来的影响以及提出了推动汽车行业绿色转型的建议。研究表明，以绿色甲醇为动力的重型卡车在技术方面展现出显著的推广潜力和良好的发展前景，是实现交通领域双碳目标的有效途径。然而，绿氢和绿色甲醇的生产成本仍是主要挑战。要加速其规模化发展，除技术创新外，政策和市场支持也不可或缺，这将为实现交通领域的碳中和目标提供重要支撑。 02碳排放现状2023年，全球能源相关的二氧化碳排放量增长了1.1%，增量约4.1亿吨，达到374亿吨的新高，但由于清洁能源的责献，这一增速低于同年全球3%的GDP增速；中国的碳排放增速更为显著，增长了4.7%，约5.65亿吨，总排放达126亿吨。此增长主要归因于疫情后经济复苏的强劲表现和水电因降水不足而下降。尽管排放增长但其增速仍低于中国2023年5.2%的GDP增速。（数据来源：中华人民共和国2023年国民经济和社会发展统计公报）与能源相关二氧化碳排放的主要来源是电力部门（占能源和工业过程二氧化碳排放量的40%50%）、工业（30%-40%)、交通（10%）以及住宅和商业（6%-7%）。交通领域的排放一直是人们关注的重点领域，碳排放约占总排放量的10%，占全国终端能源消费总量的15%，其中，道路运输是主力，占交通排放87%。值得关注的是商用车占道路排放的56%，重型车占据其中的65%。可再生能源与氢能及氢基燃料的发展中国在可再生能源领域的发展位居全球前列，生产了全球37%的风能和太阳能，并计划到2030年将其装机容量翻倍，使清洁能源比例达到30%。但截至2023年，化石燃料在电力生产中占比仍然较高，能源结构优化和绿色低碳转型迫在眉睫。 氢能作为低碳能源载体的潜力逐渐显现，2023年全球氢气供应量比上年增长2.5%，达到9700万吨。根据《中国氢能发展报告（2023）》，截至2023年底，中国占全球氢气生产和消费的近30%，氢气产能超4900万吨/年，产量超3500万吨，并且在全球加氢站建设方面处于领先地位，共建成超450座。当前，中国的氢气供应结构绝大多数来源于化石燃料，电解水制氢占比仅约4%。在政策和技术进步的推动下，电解水制氢持续扩张，全国各地规划可再生能源制氢项目超380个，其中建成运营项目约60个，累计可再生能源制氢产能超7万吨/年。根据国际能源署的《2050年净零排放情景》（国际能源署IEA2023，以下简称“净零排放情景）预测，在其构想的2050年净零排放情景中，氢气的使用量将在接下来的十年内迎来显著增长，年均增长率达到6%。这一增长趋势预示着，到2030年的时间节点，氢气的年使用量极有可能突破1.5亿吨，约有近800万吨氢气被直接用于交通运输，其中大部分是用于公路（50%）和航运（45%）领域。此外，大约还有800万吨氢气被用于生产氨和合成然料如甲醇。公路运输中所使用的氢气（400万吨）蕴含的能量等同于约1300万吨柴油所提供的能量。值得注意的是，2023年道路运输中的氢气使用 量增加了约55%，其中重型车辆几乎占增长量的85%。中国实现碳中和的技术路径根据IEA发布的《中国能源部门碳中和路线图》中基于中国在能源转型和碳中和方面所做出的承诺和预期所构建的“宣布承诺情景APS”（以下简称“宣布承诺情景”），在中国能源转型实现碳中和的可行路径中，提到四大关键技术：终端用能的电气化、碳捕集、利用与封存（CCUS)绿氢及其低碳或零碳衍生燃料的应用，以及可持续生物能源的利用。据“宣布承诺情景”推测，通过将绿氢及氢基低碳燃料应用于重工业（如化学品钢铁生产）和长途运输（如道路货运、航运和航空），中国有望在2060年前减少总量接近160亿吨（16Gt）二氧化碳排放量，将贡献超过3%的累计减排量。这一转型策略在应对些激非难度高、传统替代方案不可行或缺乏经济性的领域中，展现出了关键的作用。到2030年，氢气总需求将增长20%，达到3100万吨；到2060年，需求将增长三倍以上，达到9000万吨，氢能将占中国终端能源需求的6%。尽管电动汽车因其更高的效率主导了公路运输的减碳需求，氢气和氢基燃料在如道路货运、航运和航空中也将被广泛使用。预测2030年以后氢能及其衍生燃料比如甲醇对中国能源转型的贡献逐步增加，到2060年可满足交通能源需求的近四分之一。 氢气运输和储存具有挑战性，因其易泄漏且遇火易爆，安全、经济地实现氢气的生产、存储和运输是未来的重要研究方向，以便充分发挥其在能源和工业领域的潜力。甲醇的理化特性及其应用甲醇（CH,OH）是一种无色、易挥发的液体具有特有的刺激性气味，可在常温下燃烧。甲醇与水及多种有机溶剂互溶，低黏度和流动性使其更易于传输。在纯氧中燃烧时生成二氧化碳和水，释放大量热量。虽然甲醇对人体具有毒性但其独特的理化性质使其在工业和能源领域有广泛应用。甲醇常用于生产溶剂、合成树脂、制药原料等；在燃料和能源方面，甲醇可与汽油混合使用以减少排放并提高燃油效率，还可用作M85（85%甲醇，15%汽油）和M100（纯甲醇）替代燃料。近年来，甲醇在航运中的应用逐步增多。作为清洁海洋燃料，甲醇燃烧时不含硫，几乎不产生颗粒物（PM），氮氧化物（NOx）排放量低，比传统化石燃料的二氧化碳（CO2）排放量更少尤其是在使用可再生资源或碳捕获工艺生产的甲醇时，减碳效果更为显著。由于甲醇在常温下为液态，易于储存、运输且与现有燃料基础设施兼容，利用可再生能源生产的绿色甲醇是一种有潜力的低碳清洁燃料。然而，因其毒性和易燃性甲醇的处理过程需要特别注意。 03低碳燃料：绿氢与绿色甲醇氢气和甲醇的理化特性及其应用氨气的理化特性及其应用氢气（H2）是一种无色、无味且极易燃的气体，具有强还原性。其密度仅为空气的1/14具有很高的浮力和扩散性。在一定浓度范围内氢气与空气的混合物极易爆炸，并且燃烧速度快，释放的热能约为1.42×10^5kJ/kg，是汽油热值的3倍。由于氢气分子尺寸小，因此在一些设备和管道中，氢气可能会更容易通过微小的孔隙或裂缝泄露出来。因此，在氢气的储存、运输和使用过程中，需要采取额外的措施来防止泄露，并确保安全性。氢气容易使金属材料变得脆性，这种现象被称为氢脆。当金属吸收了氢气并达到一定浓度时，会导致金属的脆性增加，从而降低其强度和韧性。这种现象在一些金属材料中尤为突出，如钢铁、铝合金等。氢脆可能导致金属零件在使用或制造过程中出现脆断或开裂的问题，对工程结构的可靠性和安全性造成影响。由于燃烧产物仅为水，氢气被视为清洁能源，具备极大的应用潜力，尤其是在减少环境污染方面，是未来替代传统化右燃料的重要能源之一。自前，氢气已经广泛应用于燃料电池汽车和氢能发电站，也常作为化工原料用于合成氨和甲醇。 绿氢和绿色甲醇的生产工艺绿氢生产工艺概述电解水制氢是将水分解成氢气和氧气的过程（2H,O一→2H2+O2），绿氢则指电力来源于可再生能源的电解氢。绿氢的生产不产生二氧化碳等污染物，是实现清洁能源供应的关键途径。開极阳极開极阳极H2一%0H2H+%0,OHH,OH,O隔膜隔膜碱性水电解质子交换膜电解图2电解水制氧技术示意座（数据来源：百人会低碳院）电解水制氢技术包括：→碱性水电解（ALK)：技术成熟且成本较低，适合大规模应用，但效率相对较低且存在设备腐蚀的风险。电流密度能耗技术类运行汽度系统转系统寿(A/cm²(kWh)型(C)Nm)化效率4.5-60-10-20ALK70-900.2-0.45.575%年70-10-20PEM70-801.0-2.03.85.090%年SOEC600-2.6-85-1.0-10.0较短100%10003.6表1电解水制氢技术基本参数对比（数据来源：：百人会低碳院） →质子交换膜电解（PEM)：集成简便，效率较高，但成本高且需贵金属需求限制了其普及。固体氧化物电解电池（SOEC)：效率最高适合热电联供，但技术尚不成熟，且成本较高。固体聚合物阴离子交换膜（AEM)：较高的环保性，具有一定潜力，但尚未成熟仍需解决一些关键的技术瓶颈。開极阳极+%0H,O隔膜固体氧化物电解目前，ALK技术已实现全面商业化，PEM电解也逐步接近商业化，而SOEC和AEM仍处于研发阶段，但未来具有较大潜力。国内电解槽技术正经历着快速变革。ALK和PEM电解槽成本显著下降，技术选代加速。同时，AEM电解槽技术也在加速发展，有望在绿氢产业中实现更广泛电解槽价格元优点缺点/kW)2000-成本低，技术成熟，占地面积较大，效率较操作简便，占地面积低，使用碱性电解质，可3000较大能带来腐蚀问题集成简单，动态响应成本较高，需使用贵金属7000-好，效率高，体积12000催化剂，需高纯度的水和小，易于与可再生能源结合气体扩散层进口效率高，可快速双向需要高温热源，设备投资6000-工作，适用于大规模大，技术尚未成熟，寿命8000热电联供等较短 的应用。综合考虑成本、技术成熟度和市场需求，ALK和PEM电解槽有望成为未来主流的电解水制氢技术，而AEM技术的不断进步也为未来提供了有力的补充。绿色甲醇生产工艺概述甲醇的生产主要通过一氧化碳的催化加氢反应(CO+2H2→CH,OH)，途径多样，但目前全球约65%的甲醇生产依赖于天然气重整35%基于煤气化，而绿色甲醇的产量仅占0.2%，因其成本较高。绿色甲醇的生产主要有两种方法：一是以农林废弃物等生物质为原料通过生物发酵和气化等工艺制备生物质甲醇；二是通过捕集二氧化碳（CO2）和使用可再生能源制氢催化合成的电子甲醇。这两种方法都能显著减少碳排放，使绿色甲醇成为传统化石燃料甲醇的可持续替代品，成为化学和运输行业脱碳的可行方案。尤其值得关注的是，利用绿氢和从生物质能或空气捕获的CO2制备的绿色甲醇，其全生命周期碳排放为零；而来自煤化工或热电厂捕集CO制成的甲醇，由于不