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奥地利voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施
奥地利林茨voestalpine综合钢铁厂的绿色氢电解设施。 信用:voestalpine AG
能量
30November 20208:00

深度问答:世界需要氢来解决气候变化吗?

亚慱官网碳纤维短棒

多个作者

11.30.20
能量 深度问答:世界需要氢来解决气候变化吗?

氢gas has long been recognised as an alternative to fossil fuels and a potentially valuable tool for tackling climate change.

现在,随着各国提出与国际气候目标相一致的净零排放战略,从澳大利亚和英国到德国和日本,氢再次上升到议事日程。

最乐观的前景是,氢很快就能为卡车、飞机和轮船提供动力。它可以为家庭供暖,平衡电网,帮助重工业生产从钢铁到水泥的所有产品。

但用氢气做所有这些事情需要惊人的燃料量,而燃料的清洁度仅与生产方法相同。此外,对于氢的每一个潜在的变革性应用,都有必须克服的独特挑战。

在这一深度问答中,包括一系列信息图表、地图和互动图表,以及数十位专家的观点,《碳简报》探讨了围绕“氢经济”的重大问题,并探讨了它能在多大程度上帮助世界避免危险的气候变化。亚慱官网

氢是什么?它如何帮助应对气候变化?

氢是宇宙中最轻、最丰富的元素。它也是一种爆炸性的清洁燃烧气体,每单位重量比矿物燃料含有更多的能量。

在一个hydrogen economy, hydrogen would be used in place of the fossil fuels that currently provide四分之五世界上能源供应并发出the bulk全球温室气体排放量。

This could aid climate goals because hydrogen only emits water when burned and can be made without releasing CO2. (Its production currently emits830亿吨二氧化碳[MtCO2] each year.)

氢经济could be all-encompassing. Or it could fill a series of niches, depending on hydrogen availability, cost and performance relative to alternatives, for each potential application.

在这两个极端之间,仍有潜力在达到净零排放方面发挥着非常重要的作用,需要戏剧性扩大其生产和使用。

“你是不是还是反对氢?这似乎是错误的问题。我认为这个问题是:你真的需要在哪里使用它吗?“说Jan Rosenow医生监管援助项目.

氢could help tackle “critical” hard-to-abate sectors, such as steel and long-distance transport, says帖木儿居尔,总部位于巴黎的国际能源署(IEA)能源技术司及其主要2019年报告关于氢的未来。他讲碳简短:亚慱官网

“我认为氢有它的地位,有相当重要的地位……但我认为,如果你的目标是实现净零排放,你不会寻求建立氢经济,而是寻找一个脱碳能源部门。这是达到目的的手段。”

通过用电解 - 电解 - 或通过用热量或蒸汽分裂化石燃料或生物量来制造氢气,使用“改革“ 要么 ”第是的rolysis“。可以捕获并存储任何CO2。

氢可以储存,液化和通过管道,卡车或船舶运输。它可用于制造肥料,燃料,热室,发电或驱动重工业。

这种潜在的氢“经济性”如下图所示。插图的编号从1到3,展示了氢是如何被制造、移动和使用的。

氢可以是stored,

converted到synthetic

燃料或transported通过

卡车,船舶或管道

氢经济

2

网格

保管部

出口

如何制造低碳氢气,

移动和使用

电解

S码upply & distribution

核能

太阳能

工业

他ating

最终用途

生产

氢可以是

制造的来自电力,

bioenergy or fossil fuels

碳捕获

运输

1

改革

CCS系统

Fertiliser

生产

Gas

二氧化碳

二氧化碳

氢可以是used

运输,行业,

发电,

fertiliser or heating

三。

煤炭

转换

生物量

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运输,行业,

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三。

图由汤姆普拉特。

一些对氢经济的倡导者描述了未来的广阔愿景,其中它取代了现在占据了化石燃料所占据的大多数社会,经济和地缘职位。

现代公司燃料电池部门负责人金博士(saehoonkim)对英国一家能源公司表示网络研讨会七月:

“在the past, our technology and industry was all about collecting oil, delivering oil and using oil. And now, in the future, it will be collecting sunshine, delivering sunshine and using sunshine – and what will make that possible is hydrogen.”

这一设想将看到太阳的能量——以太阳辐射和风的形式——通过电解转化为氢气,然后输送到世界各地。

As a globally traded commodity, hydrogen could then remake the map of geopolitics, ending reliance on fossil fuel exporting nations and improving energy security for importers.

在2019年的报告中,国际能源署将工业发展和技术工作列入了氢的潜在优势名单。它说,氢是灵活和多功能的,能够作为燃料,以及能源载体之间的地点和-通过存储-之间的不同时间的一天或一年。

这也可能延长化石燃料和相关基础设施(如天然气管道)的使用寿命,国际能源机构的报告称氢气报告说:

“CCUS(碳捕获、使用和储存)用于降低化石燃料制氢的二氧化碳浓度,这将使一些化石燃料资源得以继续利用。”

城市燃气管在地面维修。
城市燃气管在地面维修。信誉:安德尔·布吉斯诺/ alamy股票照片。

此外,氢经济有助于平衡使用各种可再生能源发电。电解可以吸收多余的供给,当没有风或太阳时,氢可以被吸收在燃气轮机中燃烧到ensure electricity demand is met. The IEA explains:

“通过生产氢气,可再生电力可以用于化学燃料更好的应用。低碳能源可以远距离供应,电力可以储存起来,以满足每周或每月的供需失衡。”

这意味着氢可以帮助加强和连接今天用于热能、电力、工业和交通运输的基本上独立的能源系统,这个想法被称为扇形耦合“。

制造和使用氢气所需的技术有可能受益于可再生能源的政策和成本降低经验变得便宜.

考虑到所有这些优势,国际能源机构的报告说,“在未来设想一个全方位的低碳氢能经济可能是很有诱惑力的”。但它补充道:

“然而,other clean energy technology opportunities have greatly improved recently, most importantly solutions that directly use electricity, which means that the future for hydrogen may be much more one of integration into diverse and complementary energy networks. This is especially so since the use of hydrogen in certain end-use sectors faces technical and economic challenges compared with other (low-carbon) competitors.”

与此类似,布卢姆伯格的资深撰稿人MichealLiebreich在一篇文章中写道最近的文章“从表面上看,[氢]似乎是每个能源问题的答案。”但他补充说:“不幸的是,氢显示出同样令人印象深刻的缺点。”

Advantages of hydrogen

  • Burns cleanly, releasing only water and energy.
  • 每单位重量储存的能量比大多数其他燃料都多。
  • 可以用低碳原料制成。
  • 可以用作燃料,将能量从一个地方输送到另一个地方,作为能量储存的形式或作为化学原料。
  • Can be used to decarbonise “hard to abate” sectors with few alternatives.
  • Offers wider benefits for energy security, industrial strategy and air quality.

氢气的缺点

  • A我most all production today is from high-carbon sources.
  • 目前的生产成本和成本降低是不确定的。
  • 体积大,运输和储存成本高。
  • 生产效率低下,成本上升,总体上需要更大的能源供应,清洁能源生产的扩大速度更快。
  • 其使用的供应链和价值链是复杂的,需要协调。
  • 需要新的安全标准和社会认可。

国际能源署说,挑战包括高成本,这使得氢气目前缺乏竞争力,随着时间的推移,成本将如何发展的不确定性(见下文). 它adds:

“氢气伴随着安全风险高的前期基础设施成本以及化石燃料供应和分配的一些工业动态,尤其是与CCU配套时[carbon capture, use and storage]. 目前尚不清楚市民对氢的这些方面会有何反应。”

国际能源署还说,由于氢的复杂性,存在鸡和蛋的情况的风险供应和价值链,这使得逐步部署更加困难。

例如,用化石气替代建筑供热将依赖于大量低碳氢气的供应和适当升级的基础设施来分配和安全燃烧燃料。

有also uncertainty over government and policy support for hydrogen, though a growing list of countries are developing dedicated hydrogen strategies (见下文).

低效率是另一个重大挑战,在生产和使用氢气中的每一步都浪费了更多的能量比许多替代品。

IEA说:“氢-based fuels could take advantage of existing infrastructure with limited changes in the value chain, but at the expense of efficiency losses.”

TheEconomist他说氢气“不可避免地低效”,而能源技术研究所chief engineer写在2018年“根据目前对相关技术的了解,在整个经济体中强制全面采用氢气的战略似乎效率极低。”

下图显示了为什么电动汽车的效率是氢燃料电池汽车的数倍,或者是那些使用氢合成燃料的汽车。

它是一个相似的故事什么时候比较带氢气锅炉的电热泵,或者在效率时storing excess electricity以氢的形式供以后使用。

IEA解释说:

“全部能量载体s包括化石燃料在内的能源,在每次生产、转化或使用时都会遭遇效率损失。就氢气而言,这些损失可能会在价值链的不同阶段累积。在将电转化为氢气、运输和储存,然后在燃料电池中将其转化回电能之后,所输送的能量可以低于初始电力输入的30%。

“这使得氢气比电力或用于生产氢气的天然气更‘昂贵’。这也为减少任何价值链中能源载体之间的转换次数提供了一个理由。也就是说,在能源供应不受约束的情况下,只要重视二氧化碳排放,效率在很大程度上可以是一个经济问题,可以从整个价值链的层面来考虑。”

事实上,基于化石燃料的传统能源系统已经非常低效了,燃烧发动机汽车返回汽油中的能量的20%作为有用的前进运动。同样,平均效率燃煤发电厂的比例仅为33%。

这表明低效率并不是使用氢气的根本障碍。相反,低效率可能会通过更高的成本和更大的能源供应需求阻碍氢的发展。

最后,尽管成本、效率和技术性能都是氢气需要解决的重要因素,但他说:“除了技术经济之外,还有一些真正关键的驱动因素。”托马斯·布兰克,工业和重型运输高级负责人Rocky Mountain Institute.

谈到欧盟最近公布的氢气战略(见下文),他告诉《碳简报》:亚慱官网

“最终对欧盟来说,这不一定是由成本推动的,而是由能源供应安全、减少(俄罗斯石油和天然气进口)与弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)的接触、创造就业机会推动的。目前,氢气机会的这些方面被低估了,它们将推动事情向前发展。”

Which countries are exploring the use of hydrogen?

去年国际能源署(IEA)制作了关于该报告future of hydrogen,注意到它是“目前享有前所未有的政治和商业势头”。

它将2019年描述为能源承运人的“批判年份”,并概述了支持其在能源应用中使用的政策和研究的稳步增加。

有影响力的组织,包括国际能源署,氢能委员会andBP,都透露了他们对未来意义的憧憬和其他预告20世纪20年代被称为“氢的十年”。

利用可再生能源生产的“绿色”氢气管道正在迅速扩张,nearly tripling就在今年早些时候的五个月里。然而,这些项目对全球能源系统的贡献仍然微乎其微。

仅限197个政党中的6个到the 2015巴黎协定他们第一次提到“氢”国家决定捐款但在美国的鼓励下,随着一波国家的加入,人们的兴趣也在增长net-zero targets,set out national hydrogen strategies.

A最近的评论世界能源委员会德国分会发现,已有20个国家推出了此类战略或“即将推出”。

下面的地图是基于理事会与碳简报分享的最新分析。它显示了另外33个国家yabo亚博体育app下载朝着这个方向发展。这使得该组织得出结论,到2025年,这些战略将可能覆盖亚慱官网占全球GDP 80%以上的国家。

选定国家的氢气支持程度,包括国家战略、试点和示范项目以及政策讨论。根据路德维希-伯克系统技术股份有限公司(LBST)和世界能源理事会德国分会的一份报告中的数据。乔·古德曼为碳简报绘制的地图。亚慱官网

最重要的声明之一是欧盟委员会的hydrogen strategy2020年7月发布的一项雄心勃勃的目标是,到2030年,欧洲电解槽产能达到40吉瓦(GW),以生产“绿色”氢气。

在2000年至2019年间,全球部署的绿色氢气项目总容量仅为0.25GW,根据咨询公司Wood Mackenzie。

在一个新闻发布会欧盟委员会副主席弗朗斯·蒂默曼斯(Frans Timmermans)在启动这一战略时,形容“清洁”氢气对欧盟的发展“至关重要”绿色协议“,将净零排放量目标为2050。

“大部分能源过渡将专注于直接电气化,但在钢铁,水泥,化学品,空中交通,重型运输,运输等领域,我们需要别的东西。”

这一雄心壮志得到了几个欧洲国家的支持,其中包括德国,葡萄牙荷兰释放氢气的策略,有些是在绿色恢复“来自Covid-19大流行。

在与欧洲邻国保持一致的压力下,英国部长有说他们将很快宣布一项“世界领先”的氢战略,以帮助实现其目标2050年净零目标.The National Grid has said hydrogen将是“必需的”为了达到这个目标。

承认最近几年国家氢能战略“风起云涌”环境审计委员会hearing英国商业秘书Alok Sharma表示,政府预计将在明年的早期发布自己[2021]“。

鲍里斯·约翰逊总理的10点计划为了“绿色工业革命”提到在氢气上的“高达500米(667米)”的支出,包括未来十年的5GW低碳生产能力的目标。

这是显着少比其他一些欧洲国家。德国人士表示,在清洁氢生产和出口海外技术,达到2030年的目标,在2030年的目标容量相同的情况下,将花费9亿欧元。

下面的地图说明了世界各地目前和计划的氢气产能,并显示了欧洲目前在未来生产计划方面的领先地位。

(使用左上角的开关在两者之间切换。)

Current and planned low-carbon hydrogen production capacity, thousands of tonnes. Note that the capacity of production from fossil fuels with CCS is rated as the amount that would be zero-carbon, based on the proportion of CO2 emissions that are captured and stored. Planned projects may not all go ahead as they are at various stages of development, including schemes without clear timelines or firm investment decisions. Source: Updated version of the publicly available国际能源署氢项目数据库,如IEA的碳简介所提供的。亚慱官网汤姆普拉特地图碳简介。亚慱官网

不过,蒂默曼斯在讲话中说,虽然欧洲一直处于领先地位,但其他国家正在迎头赶上,他提到计划for a large hydrogen plant in Saudi Arabia powered by 4GW of wind and solar. “[Hydrogen] has become the rockstar of new energies all across the world,” he said.

一位能源专家最近在接受采访时称,围绕这一市场的竞争和为新项目提供资金的热潮是“氢战争”彭博.

特别是日本,从上世纪70年代开始,就开始将氢作为一种能源进行探索2017氢气战略宣布计划建立第一个“基于氢气社会”。

在活动因Covid-19推迟之前,日本政府打算展示它的进步在2020年东京奥运会上,使用氢气为奥运圣火和100辆公交车提供动力。韩国已经另一个早期采用者。

Other nations, including澳大利亚and新西兰,有released plans to mobilise their abundant renewable resources and become major exporters of green hydrogen to亚洲部分地区还有欧洲。

欧盟负责欧洲绿色协议的委员弗朗斯·蒂默曼斯在欧盟委员会总部举行的新闻发布会上发表讲话。
欧盟负责欧洲绿色协议的委员弗朗斯·蒂默曼斯在欧盟委员会总部举行的新闻发布会上发表讲话。图片来源:路透社/阿拉米股票图片。

然而,China is seen as Europe’s biggest rival when it comes to green hydrogen technology and competition between the two powerscould helpbring down prices.

A我ready the world’s我argest第roducer and user of hydrogen, China has been developing hydrogen fuel cells for around 20 years. Former science minister Wan Gong, who pioneered the nation’s electric car strategy, has它“应该考虑建立一个氢能社会”。

能量companies, such as贝壳andBP他们还提出了氢气计划,承诺部署低碳氢气项目,作为其净零排放目标的组成部分。

与此同时,曾被视为氢技术领导者的美国,已经最近几年落后了。

(虽然上面的地图显示了相当大的计划氢容量,但它被一个大型项目第roposed by the energy company SGH2, which says it intends to have a facility producing hydrogen from biomass in operation by 2023.)

Arecent report在该国多家石油公司和汽车制造商的支持下,他们表示,氢气“在保持美国全球能源领导地位方面发挥着关键作用”:

“Other countries, such as Germany, Japan and China, are developing hydrogen infrastructure and investing in the groundwork for a hydrogen economy. The US should not fall behind.”

限制气候变化需要多少氢?

在这篇文章的二十多次采访中,人们达成了广泛的共识,即需要氢来达到净零排放,从而避免危险的气候变化。关于世界需要多少氢以及在哪些领域使用氢,人们的共识较少。

Like electricity, hydrogen is an “能量载体“ 要么 ”能量vector”. In simple terms, this means it is a convenient way to store, move and use energy extracted from other sources.

最关键的是,电和氢的生产都可以脱碳。(查看:哪些国家探索使用氢气?)这些零碳能源载体对于实现净零排放至关重要。

而电气化起着关键作用我eading role确定的途径政府间气候变化小组(IPCC),它目前无法解锁一些扇区,例如远程传输。

他说,这使得氢对于达到净零是“必不可少的”大卫·乔夫博士,英国咨询公司碳预算主管气候变化委员会.他讲碳简短:亚慱官网

“在我们看来,你应该在任何地方都可以通电。在成本过高或不可行的情况下,这就是氢的作用。”

与电不同,储存在氢中的能量是以相对稳定的化学键而不是短暂的电荷携带的。这意味着它的能量更容易储存、运输和转化成其他分子,用作燃料或化工原料。

“There are always going to be some applications where electrification is not appropriate,” says梅雷迪斯附件,作用铅和加热和冷却头布隆伯格:

“那可能是因为你需要一个分子的燃料来制造更高的燃料。”能量密度或是化学反应,或是储存的耐久性。因此,我们将氢和低碳燃料视为一种普遍的“包罗万象”,认为它们是净零经济不可或缺的

尽管预计氢在实现净零排放方面所起的作用不如电,但从今天起,氢的生产和使用仍需大幅增加。

氢的膨胀到底有多大,将取决于政策决定、社会选择、相对成本和技术性能,以及燃料的每一种潜在应用。

未来制造低碳氢气的成本有多高,以及在多个经济领域大规模成功部署这种燃料的难度有多大,也存在不确定性。

As a result, there is a broad range of hydrogen use in pathways that model how the world – and individual countries or regions – can cut their emissions to avoid dangerous climate change.

亚慱官网碳简短分析了一系列深脱碳情景中的氢气用途,以衡量整体和特定最终使用部门的采用水平。

下表显示了最终能量2050年,在世界(上图)、欧盟(中图)和英国(下图)的深度脱碳路径中,由氢气供应。

每行显示单个报告或组织的调查结果,浅蓝色条表示不同情况下的氢气份额范围。中心估计值和最大电位分别显示为中蓝色和深蓝色圆圈。

氢气提供的最终能源的百分比份额
氢气提供的最终能量份额%。2019年全球份额(顶部)与2050年为2050年的股票(上部),欧盟(中央)和英国(下)。范围(浅蓝色条)表示相关方案的传播。中央估计(中蓝点)也显示出最大的采用(深蓝色)。资料来源:碳简介亚慱官网上市研究及yabo亚博体育app下载yabo亚博体育app下载由European Commission’s联合研究中心. 看到了吗链接的工作表参考。Joe Goodman进行碳简介的图表亚慱官网海图

For the global studies in the top segment of the chart, hydrogen meets anything between zero and 30% of final energy in 2050. The top end is a theoretical maximum rather than a realistic potential.

覆盖欧盟的情景也有类似的范围,到2050年,欧盟委员会(europeancommission)的净零增长率最高可达23%联合研究中心.

值得注意的是,本文所分析的英国路径包括2050年由氢气满足的最终能源的一半,远远高于欧盟和全球研究中的份额。

亚慱官网碳简介了解新建议气候变化委员会将于12月9日到期的CCC将出现氢气份额不到总量五分之一到三分之一的情况。

重要的是,一个场景的氢使用取决于几个因素,包括建模者的假设,the level of detail in their models and the ambition of the modelled pathways.

前英国政府顾问盖伊·钮韦has争论“在许多方面,在英国将其雄心从2050%降至100%后,在英国雄心所以来下,氢气[是大奖赛的大奖赛。这是支持的研究showing a correlation between a scenario’s ambition and hydrogen uptake.

在任何特定模型或场景中使用的低氢气利率可能反映了关于其成本或技术潜力的过时的假设,相对于每个最终使用的其他脱碳选项。

同样,显示氢的广泛使用的情景可能反映出对氢的生产和使用可能实现的潜在成本降低的过于乐观的假设,或者可能看到其产量以不现实的速度增长。

“氢化物在有影响力的全球能源情景中的作用历来有限,”一位专家表示studySheila Samsatli博士当University of Bath, with international colleagues. It adds:

“The results and conclusions obtained from an oversimplified model can be misleading and possibly erroneous. In the context of hydrogen, if a technology does not appear in the results then it is not possible to determine whether this is because of an inherent disadvantage of the technology or whether it is due to the inadequacy of the model to represent the technology’s benefits.”

纵观上图中的全球研究,氢的使用量最低的是IPCC2018年1.5C专题报道. 这种低吸收可能部分反映了当时可用的模型文献的年代,氢可能被认为是昂贵的。

在英国石油公司最新发布的报告中,氢气的特征更加明显能源展望,建立“更全面的氢气和生物能源在能源转换中发挥作用的综合建模”。

其“净零”途径 - BP所说的广泛符合1.5C场景 - 将氢气使用达到58个exajoules(ej)到2050年,占最终全球能源需求的15%左右。

英国石油公司指出,在这一途径中,氢的使用处于IPCC方案的“最高端”,当排放量达到净零时,需求量在15-60EJ之间。

该公司的展望补充说,这“可能反映出IPCC的许多设想是在过去几年政策和私营部门对氢的兴趣增加之前编制的”。

在一个报告发表于2020年3月,布隆伯格为氢气奠定了更强烈的情况。它确定了2050年满足最终全球能源需求的最大技术潜力。

在一个将气候变暖限制在比工业化前水平高1.5摄氏度、能源使用总体水平要低得多的途径中,BNEF认为氢能满足全球最终能源需求的24%,如上图所示。

公司最近的新能源前景“预计2050年将使用8亿吨氢气(MtH2)来满足全球最终能源需求的四分之一,同时将气候变暖控制在2摄氏度以下。

如果这些都是用电解法制造的,它将需要36000太瓦时的电能。BNEF指出:“这比当今世界的发电量高出38%。

BNEF的新能源前景预计产业部门(30%),工业(30%),运输(25%)和建筑物(15%)之间将分配氢气,如下图所示。

另一个最近的研究是国际能源署(IEA)能源技术展望,于2020年9月出版。到2050年,氢的使用量不到最终能源需求的7%,其中交通运输(44%)、工业(28%)、电力(19%)和建筑(9%)。

到2070年,在将气候变暖保持在2摄氏度以下的情况下,国际能源署预计氢气将满足最终能源需求的13%,各部门之间的总需求分布不均。氢气将满足航运和航空业的大量能源使用,但几乎不能满足建筑业的需求,如右图所示。

最终能源需求氢
左:IEA能源技术的氢气使用透视可持续发展场景,每年数百万吨(左轴)和作为最终能源(右轴),2019-2070的份额。右:每次最终使用部门2070年最终能量的氢份份额。资料来源:IEA能源技术观点2020.

Samsatli及其同事的研究得出结论,工业和重型运输为氢的使用提供了最大的机会。它补充说,如果建立大规模的氢气基础设施来服务于这些行业,那么天然气也可以在其他领域提供灵活性,比如电力行业。

Emma Pinchbeck,贸易集团首席执行官英国能源,告诉Carbo亚慱官网n Brief:“氢最有力的商业案例是在几乎没有替代品的行业。”

This might include shipping, heavy industry or heating, Pinchbeck says, though she notes: “Electrification is going to have to be a big part of the answer on heat.” Pinchbeck adds:

“从根本上讲,能源市场的未来价值很大一部分将体现在电子和灵活性上。因此,氢需要研究出它将如何适应这种模式……氢是一种非常有吸引力的解决方案,但挑战在于它如何在商业上具有吸引力,以适应电力无法满足的经济缺口。”

为什么现在氢气又被“炒作”?

氢已经我auded by many newspaper editorials and世界领导人为了解决今天的问题drivingCovid-19大流行后的“绿色复苏”到reducing英国在电动车电池方面对中国的依赖。

This enthusiasm for hydrogen as an energy solution is not new. The first氢气内燃机建造于1807年,围绕着用电解槽中的氢来代替煤的问题展开了争论出现早在1863年。

Dr Tom Brown能源系统建模师卡尔斯鲁厄理工学院,概述了这段早期的历史一系列属于recent Twitter threads. He tells Carbon Brief:

“事实是……只要你足够聪明,任何事情基本上都可以用氢来完成。人们基本上很早就意识到了这一点,而且它一直作为一个主题反复出现,但直到你拥有非常低成本的能力,它才真正成为相关的东西。”

这方面的一个早期例子来自20世纪20年代建造的超过100兆瓦(MW)的氢电解槽,用于供应化肥工业,在挪威和印度等地使用廉价的水电。

随着其他行业电力需求的增长,以及廉价的化石燃料可用于制氢,这些早期的努力逐渐被淘汰。尽管如此,从那时起,已经出现了几个炒作周期政府也在努力从地面获取氢气。

“氢经济术语”是第一个创造在1970 by the chemistJohn Bockris教授,谁有愿景一个由太阳能和核能产生的氢气驱动的世界。

同年,一篇论文titled “towards a liquid hydrogen fuel economy” by劳伦斯·琼斯教授,a physicist at the University of Michigan, concluded:

“作为一种无污染的燃料,[氢]必须被认真地视为21世纪碳氢化合物的合理替代品。”

氢的发展fuel cells对于商业应用开始后不久开始石油输出国组织(欧佩克)强制执行禁运美国、日本和西欧,提高价格并提示寻找替代燃料。

在terest waned as the embargo lifted, new fossil fuels were exploited and oil prices fell. The next “假黎明“氢经济进展了20世纪90年代尤其是汽车制造商对这项技术的投资。

这次,根据在国际能源机构看来,油价“在本世纪后半叶一直处于低位,扼杀了本可以使这些项目更接近主流的支持”。

U、 美国总统布什发表2003年国情咨文
U、 美国总统布什发表2003年国情咨文.Credit: Reuters / Alamy Stock Photo.

“在担忧中”石油峰值2003年,美国总统乔治W布什(georgew Bush)宣布了12亿澳元hydrogen fuel initiative在his联盟地址希望“今天出生的孩子驾驶的第一辆汽车可以用氢来驱动”。

然而,在ce again this hype was relatively short-lived and, as the chart below shows, after a peak in 2008 global government spending on hydrogen went into decline. (Note that the chart only includes the 30 IEA member countries and the EU. This does not include China.)

氢气和燃料电池技术的研发支出
国际能源署(iea)和欧盟(eu)30个成员国在氢和燃料电池技术方面的研发支出。资料来源:IEA.. 乔·古德曼的碳简图亚慱官网海图.

“When the hydrogen economy didn’t really materialise in the second half of the 2000s it got put on the back burner again,”格尼沃米尔飞行他是智库的能源和气候顾问阿戈拉能源转型,讲碳简短。亚慱官网

Climate change has been a consistent theme in hydrogen discussions, but concerns about oil supply and price have dominated and road vehicles have been seen as the main target market.

因此,在每一轮的兴趣中,每当石油成本下降或新的化石燃料供应解除时,围绕氢气的兴奋情绪往往会消退。

Ad van Wijk教授他是美国科学院未来能源系统教授代尔夫特理工大学,告诉Carbo亚慱官网n Brief这次情况不同:

“当然,你现在看到的是一个完全不同的系统变化,那就是可再生能源变得非常便宜。这是主要的驱动力。”

成本下降可再生能源作为丰富、廉价的能源,带来了新一轮的热情许多人看到作为氢气成功的先决条件,现在看来是可以实现的。

最关键的是,全球气候目标巴黎协定在2015 are unlikely to be met unless decarbonisation reaches every corner of the economy, including “难脱碳“钢铁生产、航运和航空等行业。

The国际可再生能源机构(艾琳娜)暗示氢气可能是全球能源系统中“缺失的一环”,有助于减少所有这些难以通电的部门的排放。

苏塔塔斯塔帕塔尔,主任US Department of Energy’s氢气办公室告诉Carbon Brief,相对便亚慱官网宜的氢气的供应意味着人们的兴趣已经远远超出了公路运输:

她说:“氢的一个关键好处是,它可以为各种应用提供价值,并有助于行业整合。”。

与此同时,Flis指出,石油和天然气巨头有started推动氢作为替代燃料。他说:“他们开始意识到,他们最终必须做出改变。”。

CEOs from some of the world’s biggest oil producers, as well as car manufacturers and industrial firms, formed the氢能委员会2017年,国际能源署(IEA)和爱尔兰能源署(IRENA)等机构对氢能的兴趣推动了氢能成为关注焦点。

The最近发布可再生氢联盟按关键贸易机构展示了风和太阳能行业的支持方式,并承诺有重点贸易机构,以帮助“开发将使可再生氢主流的商业模式和市场”。
本·加拉赫咨询公司Wood Mackenzie专门研究氢经济的分析师告诉Carbon Brief,归根结底,最重要的因素是这项技术“比以往任何时候都更有经济意义”。亚慱官网

低碳氢气是如何产生的?

几十年来,氢的需求一直在稳步增长站在根据IEA的说法,大约70mt。绝大多数这是由化石燃料制成的,具有高二氧化碳排放。

该机构表示,要满足所有这些用电需求,就需要3600太瓦时的专用发电量——“超过欧盟的年总发电量”。

在与其他气体的混合物中,在工业中使用额外的45mt氢气,例如钢和甲醇生产。

如今,几乎所有的纯氢都被用于炼油和化肥生产等领域,而不是用来加热建筑物、驱动卡车或发电。

报告上status of the industry, released in early 2020,Wood Mackenzie得出的结论是,尽管过去十年中氢需求增长了28%,但这种增长“与许多其他新技术相比很小”。(风能和太阳能发电量火箭在同一时期。)

“如果对低碳氢的需求成长,市场将会看到增长的高潮。但我们尚未见过爆炸,“在不幸的措辞中,木头麦肯齐注释说,”Wood Mackenzie Notes。

“低碳氢气”一词在这里是必不可少的,因为尽管所有氢气燃烧时不会产生温室气体排放,但不同生产方法对气候的影响却有很大差异。

氢气管。信贷:蒂森克虏伯钢铁欧洲/阿拉米
氢管。信用:Thyssenkrupp钢铁欧洲/ alamy。

氢生产我s often known by different colours. For the purposes of decarbonisation, the two most prominent varieties are “green” and “blue”. (The IEAavoids这些标签作为生产的环境影响可能在单一颜色类别中很大。)

制氢类型

  • Green: Generated using electrolysis powered by renewable electricity.
  • 蓝色:生产基于化石燃料,但捕获了二氧化碳排放。
  • 灰色:使用化石煤气制成,没有捕获排放。
  • 黑色:用煤制成。
  • 棕色:用褐煤制成。
  • 绿松石:热被用来分解化石气体的过程称为“热解”。
  • 紫色,粉红色或黄色:来自核反应堆的电力和热量均可用于生产氢气,但这些方法没有广泛商定的颜色。
  • Not agreed: Production from biomass.

绿色氢电解法是利用可再生能源产生的电能,通过电流将水分解成氢气和氧气的过程。这个标签有时被误导地应用于从电网电力中提取的氢气,而这种氢气只能像电网本身一样“可再生”。

Blue hydrogen, on the other hand, is generally produced by reacting methane gas with steam and then capturing and storing the resulting CO2 emissions. In蒸汽甲烷重整,the most common method, fossil gas is both burned to fuel the process and used as the feedstock.

当它站立时,the vast majority of hydrogen is not green or blue, but instead is made using fossil fuels without any carbon capture. Production methods based on coal, lignite and gas without carbon capture and storage (CCS) are termed “black”, “brown” and “grey”, respectively.

根据the IEA, 76% of hydrogen comes from gas and 23% from coal – the latter mostly in China – with just 2% coming from electrolysis. Less than 0.7% of current hydrogen production is from low-carbon green or blue supplies.

此外,制氢消耗了全世界6%的天然气和2%的煤炭,每年产生830MtCO2,略高于德国的年排放量。

在the near term, grey hydrogen is likely to remain the cheapest and most widespread production route as no low-carbon production method is currently cost-competitive against it. (看:“要多少钱?”)

为了实现净零排放,氢气生产需要从灰色转换为绿色和蓝色。下一节将讨论这两个品种所起的作用–”Does ‘blue’ hydrogen have a place in a net-zero future?

除了基本的颜色,还有一些其他的生产方法——其中一些是低碳的——可能会促进未来的氢需求。

氢气也可以用核能来驱动电解。根据国际能源机构(IEA)的说法,通过核能生产的氢气“没有既定的颜色”,但有报道称其为“红色”黄色的”,“粉红色“和”紫色“。

此外,核反应堆产生的热量还可以通过为燃料生产蒸汽而用于制氢效率更高electrolysis or fossil gas-based steam methane reforming.

从长远来看,先进核反应堆的极高温度可以直接从水中提取氢气thermochemical splitting. 这些项目仍处于非常早期的发展阶段。

罗宾·格里姆斯教授他是英国国防部的首席核科学顾问,最近撰写了一篇皇家学会论文关于“核热电联产”,即利用“难以脱碳”部门反应堆的热量以及发电的过程。

尽管迄今为止还没有任何地方建造利用核能的大型制氢设施,但格里姆斯告诉《碳简报》,这两个行业将从更大程度的整合中受益:亚慱官网

“Rather than nuclear being orphaned as something that can only produce baseload electricity, actually nuclear is part of the solution because…its heat can be used directly when the electricity is not needed. That’s this cogeneration idea.”

在氢研究的早期,利用核能生产氢气是一个流行的想法,现在已经很流行了还在法国倡导,Russiaandthe US,已经依赖于核的大部分电力供应的国家。

西沃核电站,维也纳,波图查伦特斯地区,法国。图片来源:imageBROKER/Alamy Stock Photo
西沃核电站,维也纳,波图查伦特斯地区,法国。图片来源:imageBROKER/Alamy Stock Photo

A报告通过咨询透明催化剂他认为,达到国际气候目标所需的氢气量“远远超过可再生能源所能产生的量”,这使得核燃料氢气成为一种必需品。

The Lucid report contends that there is a clear path to cheap nuclear energy and that this, combined with cheap high-temperature electrolysers, will make nuclear-driven production the cheapest way to make hydrogen, in part due to higher conversion efficiency.

然而,根据国际能源署(IEA)的数据,利用核能制造电解氢所需的固体氧化物电解电池(soec)的价格远远高于其他类型的电池。它如今,它们的成本高达每千瓦5600美元,大约是其他电解槽的3到5倍。

该机构还notes在其氢气报告中,SOEC是“最不发达的电解技术”,尚未商业化。

也可以使用生物质生产氢气,虽然是IEA总结需要复杂的加工,缺乏足够的便宜和可持续生物量这使得它比其他“低碳”技术更不吸引人。没有颜色assigned从生物质中提取氢气。

有also “绿松石氢气,作为甲烷的副产品而产生第是的rolysis,它利用热量将化石气体分解成氢和碳。

这仍然是一个问题利基战略that only exists on a small scale, but there已经鉴于其碳副产品的潜在有用应用,工业界对此很感兴趣。

绿松石氢有潜力作为一个低排放的选择,如果这个过程是由可再生能源或核能和由此产生的碳储存。

然而,一个最近的研究得出的结论是,与蓝色氢一样,它仍然会产生大量的排放物,因为产生的气体用于为该过程提供必要的热量。

Does ‘blue’ hydrogen have a place in a net-zero future?

围绕蓝氢对实现净零排放的贡献存在着相当大的争论。一些人认为这是一个重要的作用,而另一些人说,最多它应该作为一个临时解决方案,而绿色氢的规模扩大。

与此同时,某些人竞选者and科学家有争论that blue hydrogen locks nations into a future of fossil fuel use and methane emissions leakages, meaning it should be avoided altogether.

如下图所示,目前有计划在全球范围内迅速扩大绿色和蓝色产能。(请注意,并非所有方案都能实现,图表中约一半的计划产能仅来自三个主要方案:Solena的“等离子气化”建议在美国,在图表中标记为“其他”的H21蓝氢方案在英国;和亚洲可再生能源枢纽计划在澳大利亚。)

Estimated hydrogen production in thousands of tonnes per year
估计的全球氢气生产能力,以每年数千吨为单位,分为利用可再生电解生产的绿色氢气(黄色)、利用化石气捕获和储存碳生产的蓝色氢气(蓝色)和利用其他技术生产的氢气(灰色)。最右边的一栏表示没有指定完成日期的项目。并非所有的项目提案都会进行。资料来源:公开发行的最新版本国际能源署氢项目数据库,如IEA的碳简介所提供的。亚慱官网Joe Goodman进行碳简介的图表亚慱官网海图.

上图中的项目管道大致反映了英国石油公司的能源前景2050年,氢占最终能源消耗的16%——一半是绿色,一半是蓝色。

油majors are not alone in picturing a future for blue hydrogen. The Climate Change Committee (CCC)指示途径英国的净零排放主要依赖于蓝色氢,尽管碳简报了解到,预计12月份更新的指导意见将指出绿色氢的更大份额。亚慱官网

蓝色氢的支持者争辩说,净零是必要的,因为它既可立即可用,允许在短期内更好地利用可再生电力资源。它也可以整合到现有的化石气基础设施中。

在能源展望发布会上,英国石油集团首席经济学家斯宾塞·戴尔focusing exclusively on green hydrogen would “constrain the pace at which the hydrogen economy can grow”.

能源贸易专家的报告拉尔夫·迪克尔对于牛津能源研究所得出的结论是,过度依赖绿色氢气将意味着“蚕食可再生电力在电力领域的成功……为什么?从现在开始,蓝氢可以完成非电力部门的脱碳工作”。

Governments have shown support for blue hydrogen, at least in the short term.朱利安克里特克洛,英国能源转型和清洁增长部总干事商业、能源和工业战略部(BEIS)他说它具有“在中世纪的作用”。

地址关于European Commission’shydrogen strategy,vice-president Timmermans emphasised that green hydrogen would be prioritised in Europe, but there would be temporary support for CCS production to “help us to replace dirty hydrogen”.

欧洲环境局described委员会的港口for blue hydrogen as a “gift to the fossil fuel industry”.

而委员会自己的分yabo亚博体育app下载析支持Timmerman的评论,它还提到了保留蓝色氢的一个关键问题:

“在脱碳的未来,利用脱碳电从电解中获得的氢气是更好的选择,包括从可再生能源中获得的‘绿色’氢气。如果取消了CCS的固有限制,从天然气蒸汽重整和CCS中获得的‘蓝色’氢也可能发挥作用。”

这些“固有的限制”被国际可再生能源机构(IRENA),哪个notes在其氢气报告中指出,CCS技术目前尚未发挥其潜力,仍然“在发电和工业领域都偏离正轨”。

它还指出,蓝色氢“并非天生无碳”,因为CCS通常是的cuts二氧化碳排放量80-90%。

更高的碳捕获率超过90%是可能的根据the IEA, especially if an alternative hydrogen production method termedautothermal reforming取代了传统的蒸汽甲烷重整。

然而,由于甲烷生产过程中的排放,蓝色氢不会是零碳——即使是在100%的捕获率下。托马斯·布兰克洛基山研究所的研究人员告诉《碳简报》:亚慱官网

“在关于氢的初步讨论中,我认为人们假设蓝色氢是零碳的——就像生物燃料的假设一样——它不是零碳燃料。”

他指出,虽然高碳捕获率可以实现,这使得该过程更加昂贵。“我认为决策者们开始意识到这一现实,”他说。

A净零报告由UK’s能源系统弹射器声明说,虽然“投机创新措施”导致99%的碳捕获将使蓝色氢“非常有吸引力”,但任何更少的措施都将有效地排除这种可能性:

“Without speculative innovation measures, methane reforming at a 95% capture rate is too high carbon to meet net-zero.”

下面的IEA图表明,与可再生能源或核电驱动的电解相比,通过使用化石燃料仍然出现的排放。

不同制氢方法的CO2强度。这包括使用不同电源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)中产生氢气。资料来源:国际能源署。
不同制氢方法的CO2强度。这包括使用不同电源的电解(蓝色),以及直接从化石气体(黄色)和煤(灰色)中产生氢气。资料来源:国际能源署。

然而,这个图表只显示了二氧化碳的强度。它没有考虑到由于天然气生产和分配系统中的泄漏而导致的上游甲烷排放,即使CCS能够捕获工艺释放的100%的CO2,也不一定能够避免这种情况。

Agora Energiewende的Gniewomir Flis告诉Carbon B亚慱官网rief,在考虑蓝色氢时,他“非常关注”这些排放物。

“没有公布我的知识 - IEA或其他人 - 占这些上游排放量可靠,”他说。

上游排放可以显着改变蓝色氢气的气候影响,如图所示报告这些泄漏的原因纳学会智囊团。它的重点是加拿大,在那里是underway到ramp up blue hydrogen production in the fossil fuel-rich province of Alberta.

报告估计,蓝色氢气的排放量范围为每千克2.3-4.1kgCO2e,报告说,这反映了全国上游甲烷排放量的变化。

CCC的净零技术报告对于UK says that low-carbon hydrogen could be produced from fossil gas with emissions of around 0.3kgCO2 per kg, with a 95% capture rate. By comparison, the IEA estimates 0.9kgCO2 per kg of hydrogen with a 90% capture rate, as shown in the chart above.

然而,如果将化石气生产的上游排放物计算在内,该委员会表示,以95%的捕获率计算,每千克氢气的排放量约为0.7-2.5kgCO2e。

To put this in context, BNEF’s “new energy scenario” envisages 800m tonnes of global hydrogen use in 2050. If all of this were to be made from blue hydrogen at a 95% capture rate, it would be associated with lifecycle emissions of 600-2,000m tonnes of CO2 equivalent.

CCC的碳预算主管David Joffe博士告诉carbon Brief,在英国的净零目标范围内,有一些蓝色氢的亚慱官网空间,但不是满足大规模行业(如供暖和运输)所有潜在需求所需的非常大的数量。他说:

“没有具体的门槛,超过这个门槛肯定不行……(但是)当你接近净零排放时,那些剩余排放量真的开始变得重要了。”

最后,还有证据表明,基础设施泄漏释放到大气中的氢气可能对气候变化产生直接影响。

A报告第repared for the UK government noted that while hydrogen is not a pollutant by itself it can act as an “indirect greenhouse gas” by speeding up the accumulation of methane and ozone in the lower atmosphere.

根据the report, the one model study that has evaluated the全球变暖潜力氢含量达到4.3。报告的结论是,虽然氢排放对气候的影响可能很小,但这个问题值得进一步研究。

低碳氢气要多少钱?

绿色氢和蓝色氢在经济脱碳中的作用将在很大程度上取决于两者的成本。

这些形式的“低碳”氢不仅必须相互竞争,而且从化石燃料中提取的氢不需要CCS的额外成本,它们还需要与其他替代能源解决方案竞争,从电动汽车到生物燃料。

虽然生产氢的成本是一个重要组成部分,但它不是消费者支付的最终价格的唯一因素。

运输成本可能是一个重要因素,特别是如果氢气是从海外进口的,以及在一个国家内分配氢气的成本。还有公司获得的利润,这些利润被加到最终价格上。

IEA直率关于这一主题的不确定性,他指出,“在不同地区从不同来源生产氢气的相对成本,以及它们未来将如何竞争,尚不清楚”。

As it currently stands, grey hydrogen is the cheapest option, costing around $1/kg – if sourced from Middle East gas, but going as high as $3/kg in some regions. For China and India, both of which import most of their gas supplies, coal-based hydrogen tends to be the cheapest option.

If CCS is used to turn the lowest-cost grey hydrogen blue, it brings costs to around $1.5/kg, according to the IEA.

相比之下,原子能机构指出,使用太阳能或陆上风产生的绿色氢通常在2.5美元至6美元之间。(其他人估计较低,见下文。)

而氢气来自一些可再生能源可能已经为了在某些应用领域具有成本竞争力,它要想超越化石燃料的同类产品还有很长的路要走。

尽管如此,人们普遍对绿色氢的竞争能力持乐观态度,可再生能源发电成本的下降经常被认为是关键驱动因素。

下表显示,在BNEF的“乐观”假设下,到2030年,最便宜的可再生氢甚至可能超过最便宜的天然气低碳氢。

预计未来氢成本范围
到2050年,使用可再生电力生产的绿色氢气(黄色)和使用具有碳捕获和储存功能的气体生产的低碳氢气的预计未来氢成本范围(美元/千克)。资料来源:BNEF公司. 乔·古德曼的碳简图亚慱官网海图.

For许多的,有报道称太阳能价格创历史新低沙特阿拉伯葡萄牙在recent months support the idea that, despite its low efficiency and potentially high transport costs, green hydrogen imports could become a cost-effective solution for much of the world.

另一个关键因素是用于生产绿色氢气的电解槽的推出,在过去十年中,绿色氢气的价格已经下降了60%。根据根据欧盟委员会(europeancommission)的预测,2030年的物价“预计将比今天的规模经济水平下降一半”。

在中国,碱性电解槽已经实现了这样的规模经济,生产成本已经比欧洲和北美低了80%,根据BNEF。欧洲生产者希望对“创新”的新型电解槽也要这样做。

A报告作者,氢委员会的氢委员会得出结论,“低碳”氢气,包括绿色和蓝色,在22种氢应用中,包括在2030年的全球能量消耗约有15%的氢应用中具有竞争力。

与此同时国际可再生能源机构(艾琳娜)有断言“绿色氢的未来成本将低于蓝色氢化石燃料的费用”。它表示,从5年内,来自低成本可再生能源的氢气将与来自化石燃料的蓝色氢相当。

尽管存在公认的不确定性,但国际能源机构表示,由于可再生能源成本的下降和制氢规模的扩大,绿色氢气的成本正在明显下降,到2030年可能下降30%。

来自美国的Jan Rosenow博士对近期成本研究的评估监管援助项目显示了对绿色氢的估算范围,大多数集中在每公斤2至4美元。

There are several factors that can contribute to different outlooks for the cost of hydrogen production.

For example, as the chart below shows, the IEA’s projections – represented by the blue bars – are generally more conservative than those of BNEF, shown in red.

Range of projected hydrogen costs
根据国际能源署(IEA)(蓝色,中间估计值较暗)和BNEF(红色)的工作,预计2030年氢成本的范围,美元/千克。资料来源:IEA,BNEF。乔·古德曼的碳简图亚慱官网海图.

Agora Energiewende的Gniewomir Flis说,IEA和BNEF的绿色氢气数据之间的主要差异是电解槽安装成本估算的结果,这是IEA预测的两倍,以及该机构对略高电价的假设。

为了使电解商的投资有价值,需要相对廉价的电力。

An issue with connecting electrolysers directly to variable renewables is that they will not operate all the time, leading to higher costs for the resulting hydrogen.

may be将它们连接到网格中的更便宜,其中生产将是恒定的,但电力成本将更高,并将包括支付网格连接。除非网格完全脱碳,否则这也意味着氢气不能被称为“绿色”。

即使电力是免费的,比如可再生能源“被削减”的电力,也需要大量的使用才能使投资得到回报。这就是为什么建造电解槽来储存被削减的电力并不总是有经济意义的原因(见:“电器是的“下面).

High electrolyser usage rates can help make the initial capital costs in hydrogen production worthwhile, although this has to be balanced against the cost of electricity as it is used.

最终,预计燃料成本对未来氢气价格的影响最大,这意味着绿色和蓝色氢气相对成功的最重要驱动力将是未来的电力和天然气成本。

A报告由UK’s海上可再生能源弹射器根据“保守的假设”估计,到2050年,绿色氢可能比蓝色氢便宜。

然后,它指出了近海风和电解的指标可能比预期更快地迅速下降,并指出“决策者被风险和太阳能成本的意外迅速下降不断盲目”。

在这种情况下,奥雷说,到2030年,绿色氢可能比蓝色氢便宜,“比我们的预测提前了大约20年”。

Another big factor when considering the cost of hydrogen is transport, as moving the gas around is more challenging and expensive than moving methane.

从阳光充足或多风的地区进口廉价的氢气是一些国家正在探索的一项吸引人的战略(S码ee:“氢气将如何影响全球地缘政治?“在下面).

然而,由于用特殊容器在世界各地运输氢气的成本很高,这些进口产品最终可能不会特别便宜在高压下and low temperatures.

Flis tells Carbon Brief that using IEA estimates, or even using more optimistic transport cost assumptions from the Japanese research agency内多,进口氢气可能难以与国内供应的氢气竞争。

例如,2030年,英国生产的绿色氢气价格可能为3.20美元/千克,而葡萄牙和沙特阿拉伯分别为1.70美元/千克和1.30美元/千克。但根据国际能源署(IEA)的数据,这种燃料的运输成本约为每公斤2.70-4美元,这意味着进口燃料的成本仍然较高。

然而,如果国家缺乏足够的可再生资源在自己的土地上生产足够的氢气,它们可能需要进口氢气。

运输成本也取决于在路上。通过管道输送氢气的成本随着距离的增加而迅速增加,而当使用船舶时,启动成本要高得多,但随着距离的增加而保持相对稳定。

国际能源署表示,通过管道输送和分配氢气的成本较低,距离可达1500公里左右。2020年初,一批欧洲天然气基础设施公司came forward计划用一根“主干”管道连接非洲大陆。

然而,对于更长的距离,它使氢气转化为“液体载体”,例如氨。(有关运输氢气和氨的更多信息,请参阅:“航运和航空”下面。)

最后,供给和需求也会对最终价格产生影响。A报告通过极光能源研究得出结论,在氢需求量高的情况下,绿色氢“比蓝色氢贵得多”。

相比之下,如果需求较低,主要基于绿色能源的氢气推广成本“可以忽略不计的额外成本”。

How would hydrogen use affect global geopolitics?

For decades, the fossil fuels – and oil, in particular –玩过吗a critical role in international relations and driven many of the world’s major conflicts.

在他2002年的书中氢经济,social theorist杰里米·里夫金想象一个世界,在这个世界里,大量的氢气的出现结束了这一切:

“全球安全之路在于减少我们对中东石油的依赖,确保地球上所有人都能获得维持生命所需的能源。氢经济是一个更安全世界的期票。”

Rifkin’s book came out at a time of great enthusiasm for hydrogen, but this was before the水力压裂臂,什么时候被想到了美国石油储备将在10年内枯竭,急需替代品。(看:“为什么现在氢气又被‘炒作’了?”)

氢气目前是一个非常本地化的行业,85%第roduced and used on site – in part, due to high transport costs. As most hydrogen is “grey”, it is最便宜的在天然气价格较低的地区,如中东和北美。

在其最新的“快速”路径能源展望英国石油公司说,电力和氢气的作用越来越大,并补充说:“这些能源载体比传统的碳氢化合物运输成本更高,导致能源市场变得更加本地化。”

然而,虽然里夫金对氢的乐观可能还为时过早,但他确实如此不是一个人在比较氢和石油以及推测其对地缘政治的影响时。作为在e paper第ublished in June 2020 by Prof蒂伊斯·范德格拉夫属于根特大学他的同事称之为“新石油?“他说:

“Over time, cross-border maritime trade in hydrogen has the potential to fundamentally redraw the geography of global energy trade, create a new class of energy exporters, and reshape geopolitical relations and alliances between countries”

绿色氢的扩张有可能改变现有的贸易平衡,从而使太阳能和风能丰富的国家,如Chile,澳大利亚and Morocco, become major exporters. TheEconomisthas dubbed these future energy powerhouses “electrostates”.

Ad van Wijk教授属于代尔夫特理工大学他说,虽然许多计划扩大氢使用的国家在自己的土地上很难做到这一点,但全球范围内可利用的可再生能源将远远不够。

例如,他告诉Carbon Brief亚慱官网覆盖around 8% of the Sahara Desert in solar panels could generate the entire global energy demand. “Of course, it takes time to build the solar and wind, but in the end there is no limit.”

Lacking sufficient cheap renewables, he says European nations will, ultimately, turn to imports:

“这和我们今天做的一样。我们进口了大量的能源,至少是在欧洲,这些能源都是从石油、天然气或煤炭的廉价生产地进口的。”

这一点在现有的氢气战略中很明显,这些战略表明,未来的氢气领导者只看到其供应的一小部分在当地生产。

在它strategy,德国提议谦虚的到2030年,其110太瓦时的绿色氢需求中有14太瓦时(TWh)来自其境内。为此,德国还拨出专项资金支持其电解槽设备在海外的使用,以生产供国内使用的氢气。

有限的国际贸易已经开始,日本最近收到了world’s first“从文莱和德国运送氢气签订协议与摩洛哥一起利用其理想的”conditions for green hydrogen production.

日本和澳大利亚部长今年早些时候举行了会晤同意关于氢贸易的未来,向资源贫乏的亚洲国家提供氢。澳大利亚政府自支持以来a AUS$53bn ($39bn) “Asian Renewable Energy Hub” that will contribute to this.

德国也是远至刚果民主共和国,那里的一个主要水电站被认为是一个潜在的氢能发电厂“附加装置”的位置。这样的交易引起关注范德格拉夫和他的合作者提到的一个新的动态:

“To the extent that developing countries are seen solely as the providers of raw materials, the hydrogen revolution carries a risk of ‘green colonialism’.”

氢气贸易的未来——以及氨等氢衍生燃料的贸易——将受到全球运输成本的影响(看:“低碳氢气要多少钱?”).

IEAhas stressed对国际氢运输路线的需求,指出这种贸易“如果要对全球能源系统产生影响,就必须尽快开始”。vanwijk告诉carbonbrief,至少在欧洲,另一个关键的组成部分将是扩建和改造从非洲输送氢气的天然气管道。亚慱官网

Others警告说“天然气市场的”缓慢和不完全全球化“表明氢贸易可能不会尽可能快地起飞。

The Suiso Frontier, the first liquefied hydrogen carrier, at its launch ceremony.
首艘液化氢航母“苏苏边疆”号在下水仪式上。信贷:自然资源和能源署。

如果出口市场真的增加,就不能保证里夫金提出的“更安全的世界”。A报告哈佛大学的2020年3月发布贝尔弗尔科学与国际事务研究中心亚慱彩票APP得出的结论是,绿色氢经济可能会以类似于现有化石燃料经济的方式出现,而不是破坏石油富国的“霸权”:

“未来市场动态有可能像今天’s regional natural gas markets – with corresponding potential for geopolitical conflict”.

在一篇文章中外交政策,在2020年10月发布,Prof Jason Bordoff,a former senior director at the US National Security Council, described the risks that could face seaborne trade in hydrogen and ammonia.

他说,在addition, that nations such as Saudi Arabia and Russia may be among those that end up dominating the market. Saudi energy minister Prince Abdulaziz bin Salmanrecently outlined他计划确保美国成为“地球上最大的氢气出口国”。

博多夫写道:“为了挑战传统的观点……想想今天的一些石油国家可能就是明天的电子国家。”。

How could hydrogen help different sectors reach net-zero?

从理论上讲,氢有可能使一切物质脱碳,从制造汽车的钢材到为家里供暖的煤气。

然而,在实践中,氢不太可能被普遍吸收。此外,满足低碳氢气所有可能应用所需的体积可能会远远超过现有的数量,即使生产规模显著扩大。

This section breaks down how hydrogen could be applied in transport, industry, heating and the power sector to help them achieve net-zero emissions.

运输

在交通运输中使用氢作为化石燃料的替代品的关注可以追溯到最早的热情浪潮,当时氢作为石油的替代品得到了推广。

这是明显的从支持氢的政策来看,氢主要针对汽车、加油站和公共汽车。

尽管如此,流动性目前仍在增加最小的在整个氢气市场中占比不到全球需求的0.1%。

enthusiasm来自许多行业参与者的氢气将在运输部门取得成功,它已经在一些利基市场应用。例如,大约25,000辆叉车现在通电了使用氢气。

然而,电池电动汽车的崛起意味着它们被广泛视为净零未来的汽车。英国的气候变化委员会得出结论在2018年,电动汽车“现在完全可以为汽车和货车提供大部分的脱碳”。

对于从长途卡车到飞机等较难脱碳的交通运输而言,氢气仍可能发挥重要作用,但其中许多领域的进展仍处于初期阶段。

公路运输

截至2019年,共有只是11,200第assenger vehicles running on hydrogen fuel cells in operation, mostly in California, Europe and Japan. As a comparison, the global battery electric car fleet超过7m.,到达first million就在五年前。

氢燃料电池汽车工业一直受到“瓶颈”的限制鸡肉和鸡蛋“问题。没有足够的汽车制作了降低价格下降,并且缺乏需求意味着富含富有氢的站,尚未被广泛安装。反过来,这有助于限制需求。

Arecent Hydrogen Council报告得出的结论是,为了使燃料电池汽车具有竞争力,每年将汽车产量“大幅”提高到100万辆左右是必要的。

与此同时,在燃料电池汽车发展初期非常昂贵的电动汽车,其成本已经大幅下降,广泛的充电基础设施也已经铺开。

The hydrogen-powered Toyota Mirai成本£66,000 ($88,015), compared to the battery electric Tesla Model 3 ataround45000英镑(60010美元),或者是一辆普通的中型英国车哪种倾向在22000-36000英镑(29338-48008美元)之间。

氢燃料电池有一些声音诋毁,直言不讳的特斯拉首席执行官埃隆马斯克打电话给他们“fool cells” and dismissing the technology as “mind-bogglingly stupid”.

费迪南德·杜登霍教授杜伊斯堡-埃森大学汽车研究中心,告诉Carbo亚慱官网n Brief,他一直对氢动力汽车持怀疑态度:

“我根本不相信氢和燃料电池汽车作为乘用车,因为这项技术成本非常高……如果你想以3万欧元左右的价格出售一辆汽车,(使用)燃料电池技术大幅提高价格是没有意义的。”

虽然已经试图将燃料电池车辆进入大众市场,但Dudenhöffer表示现在广泛接受,这不太可能发生这种情况。

今年,梅赛德斯-奔驰取消我ts fuel-cell programme after three decades due to high costs and Volkswagen has published一个声明结论是:“一切都支持电池,实际上没有什么支持氢。”。

Prof Jenny Nelson他与人合著了一本最近的欧洲学院的科学咨询委员会亚慱彩票APP(欧洲航空航天局)评论关于这个问题,他告诉Carbon Brief亚慱官网,运输是一个很好的例子,说明氢气是一种低效的可再生能源:

“它will require approximately 2.5 times as much electricity to run the same vehicle with renewable hydrogen and fuel cells as it would with batteries, and about five times as much electricity to run the same vehicle with synthetic fuels made from renewable hydrogen.”

然而,hydrogen analyst Gniewomir Flis says there is still a lot of interest in making a success out of this technology:

“S码o much money was sunk into it over the years and it would be quite embarrassing to admit that after all these years battery electric vehicles are just a better solution.”

日本已经宣布计划在2030年和韩国将80万氢燃料电池车辆达到其道路上我t will go even higher with 1.8m.

燃料电池确实比电池有优势,尤其是它们的换料时间要短得多。有些人有研究表明,居住在人口稠密的东亚城市的人们不太可能有足够的空间为电动汽车充电,而是会选择氢气。

日本和韩国汽车制造商丰田和现代宣布雄心勃勃的计划扩大生产规模。丰田最近推出新版本的its米莱——日语中“未来”的意思——尽管低销售额的第revious model.

丰田Mirai(第二代概念车)。信贷:丰田
丰田Mirai(第二代概念车)。信贷:丰田

然而,there are标志即使是这些行业的领导者也在经历u-turns,因为他们透露计划加大生产电池电动汽车。

丰田有计划吗到scale up global sales of electric and hybrid cars to 5.5m in 2025, while sales of hydrogen cars remain in the tens of thousands.

乔恩·亨特,代用燃料经理丰田他告诉《碳简报》亚慱官网说,虽然他们也在推动电动汽车的发展,但最终他们认为燃料电池汽车“和混合动力汽车一样可以实现”。

亨特说,随着生产缩放,价格将下降。他还强调,虽然电池昂贵并且寿命有限,但氢气汽车中的燃料堆栈“将继续运行和运行”,这意味着它们可以重新销售。

关键的是,他还指出,米莱的燃料堆(使用氢气和氧气产生电力的燃料电池的组装是大约需要的两倍。他说:这使它更昂贵,但对丰田的动机提供了洞察力,他说:

“The reason for doing that is that you standardise the unit and that unit that goes into the Mirai can be used in trucks, as we are doing, or in buses as we are doing, or in ships as we are doing, and it doesn’t need to be changed very much.”

The fate of fuel-cell cars is, to some extent, wrapped up with larger road vehicles, where there could be greater demand for hydrogen.

对于普通公共汽车,电动汽车已经将远离化石燃料的过渡统治。根据Thinktank.碳追踪器,去年中国59%的巴士销售额是电动。

然而,对于电力需求高、需要长距离行驶的重型卡车和城际客车来说,使用电池进行直接电气化更具挑战性。因此,燃料电池可能对这些车辆具有竞争优势。

Hunt告诉Carbo亚慱官网n Brief,要使这些应用取得成功,特别是在商用车上,必须“毫无疑问”地证明这项技术。他说:“你不能直接到(运输公司)埃迪·斯托巴特(Eddie Stobart)跟前说:‘看,你能不能扔上几辆燃料电池卡车来运输你的货物,就为了试试看。’

“我们的策略是,让汽车上路,因为汽车是一个很容易进入的市场……我们知道,我们可以向特定用户销售足够多的汽车,以证明技术的有效性,并帮助基础设施得到发展。”

然而,even though heavy-duty vehicles are a significant source of emissions and also a “hard-to-decarbonise” sector, the switch to fuel cells is not a foregone conclusion.

Patrik akerman.,head of business development at Siemens eHighway, sees these vehicles as a “risky bet”, if you assume battery electric cars have “won the race against fuel-cell cars”.

他讲碳简短说,如果亚慱官网你“采取现代和其他人”,那么燃料电池市场的规模将太小,无法在卡车内实现规模经济:

“Then that means that, not only will the fuel be too expensive for trucks, but also the vehicles will never come down in price to be competitive.”

根据尽管氢气仍有可能在长途卡车上发挥作用,但未来公共汽车、轻型卡车和汽车市场的大部分将可能是电力市场,而到2030年,燃料电池产业的起步将需要1050亿美元的补贴。

根据阿克曼的说法,一个明显的选择是安装他公司的那种架空充电电缆already trialling在德国。

A我我terature review对气候友好型卡车运输的研究发现,几乎所有包括这些“悬链线”电线的研究都得出结论,这是一种更好的脱碳技术,优于氢燃料电池。

下面的图表来自国际清洁运输理事会(ICCT)的研究表明,以紫色条为代表的氢燃料电池比悬链线以及德国卡车传统化石燃料的其他替代品更昂贵。

Additional cost for four different emissions reduction scenarios
与基于德国长途重载货运部门化石燃料使用的参考案例相比,四种不同减排方案的额外成本。资料来源:ICCT公司,基于Kasten等人(2016年).

也是潜力对于development of electric trucks that do not rely on catenary wires, which may be feasible despite关注电池的大小和重量。

Auke Hoekstra是一位智能行动性的高级顾问Eindhoven University of Technology,发现在一个场景中,从一个IEA.报告在卡车运输中,电动卡车占了上风。

Akey problem is the ever-present question of low-carbon hydrogen availability.根据国际能源署表示,如果目前运营的每辆汽车、卡车和公共汽车都换成燃料电池汽车,每年的氢需求量可能达到3亿吨,是目前所有用途水平的4倍多。

由于车辆所有权增加,由于车辆所有权增加,低碳氢气的供需设定有限,以继续上升,因此Akerman讲述了碳简介,在可能的情况下,它更好地通电:亚慱官网

“[西门子]制造[氢气]电解槽。我们很高兴向市场供应这一产品,但我们看到,这是一项巨大的工程,只是为了满足现有的需求。”

他补充说,有些行业,如长途运输,不太可能转向电池,这使得他们对绿色氢气的需求更大。他总结道:“任何可以(直接)用电的地方……你都应该这样做。”。

航运和航空

航空和航运负责5%左右属于global emissions and are also difficult to electrify. Hydrogen or hydrogen-based fuels, such as因此,可以对零零目标至关重要。

过去一年,日本发射第一艘远洋液态氢运输船,被称为“氢前沿”号第一个氢动力小客机起飞。

然而,these demonstration projects, both of which used hydrogen最终衍生来自化石燃料,是目前氢气在这些领域进展的上限。

一架氢动力Piper Malibu从英国克兰菲尔德机场首次起飞,启动了ZeroAvia在2023年底实现服务进入的努力。
A氢气Piper Malibu made a first flight from Cranfield Airport in the UK to launch ZeroAvia’s efforts to achieve service entry by the end of 2023. Credit: ZeroAvia.

Xiaoli Mao,一位海洋研究人员在国际清洁运输理事会(ICCT),讲碳简介她认为亚慱官网它不太可能运输将脱碳而没有氢气,但有障碍阻止它取代化石燃料:

“该行业表示,氢是他们对追求感兴趣的主要选择之一,但没有专门的资金,也没有太多。”

到达在ternational Maritime Organization’s(IMO)目标属于a sector-wide 50% emissions cut by 2050 compared to 2008, industry figures已经同意了商业上可行的零排放船舶必须在2030年进入全球船队。

然而,尽管各种各样早期项目根据a的说法,在运输中使用基于氢气燃料的运输燃料,通过“死锁”抓住了“死锁”报告壳牌公司。

海事组织的另一份报告劳氏船级社结束于2019年,“选择一种燃料,一种技术和一条路线时,”仍存在不确定性“。

船舶中的氢气可以在发动机中燃烧或用于在燃料电池中产生电力,但两种选择需要昂贵的新基础设施来运输和存储船上的气体。

要求储存量至少是石油燃料的五倍是关注点它可以进食进入货物储存,因此,利润。

然而,毛泽东建模研究今年早些时候,研究发现,在中美繁忙航线上行驶的集装箱船中,99%都可以使用氢燃料,“只需对燃料容量或操作进行微小的改变”。

尽管如此,雅各布森大学世界上最大的集装箱运输公司Maersk的舰队技术负责人讲述碳简介,虽然它可以在较小的船只中使用,但他们“不要指望氢气成为相关燃料”。亚慱官网

我们相信将氢转化为甲醇或氨并将其用作燃料将更有意义,并将其用作燃料,“他说。

While it still requires more space than fossil fuels, ammonia is more energy dense than hydrogen and is already transported around the world on ships. Methanol, too, isbeing considered作为氢的更实用的替代品。

如下图所示,在远程运输中,特别是氨可能比氢气便宜,主要是由于较低的储存成本(以绿色显示)。虽然氢气难以液化,但在适度的压力和温度下,氨气容易储存为液体。

大型运输船上不同燃料和动力系统替代品的当前和未来成本,包括极低硫燃料油(VLSFO)和液化天然气(LNG)以及氢和氨动力内燃机(ICE)的化石燃料选择。资料来源:国际能源署。
大型运输船上不同燃料和动力系统替代品的当前和未来成本,包括极低硫燃料油(VLSFO)和液化天然气(LNG)以及氢和氨动力内燃机(ICE)的化石燃料选择。资料来源:IEA..

和氢一样,氨和甲醇都可以是低碳的,但目前的大部分需求是由化石燃料提供的(S码ee:“工业”).

A报告1920年9月20日由壳牌通过80个行业数据的访谈确定了绿色氢气和氨作为脱碳运输的热门选择,65%和55%的受访者表示他们将它们视为未来混合的一部分。甲醇是“很少提及”,只有10%的人说他们对未来这么重要。

然而,the report also concluded that there is “little evidence” that other industries consider ammonia as a future fuel:

“因此,如果航运业选择氨作为主要燃料,基础设施成本很可能完全由这一部门承担。”

最终,需要船舶削减排放,有效碳定价和低碳燃料标准的任务是可能需要使这些替代品具有竞争力的建议之一。

他说,航空业是另一个很难脱碳的行业,氢气可能在其中发挥关键作用Dr Ahmad Baroutaji,一位工程师沃尔弗林大学谁发表了概述去年的这个话题。他告诉《碳简报》:亚慱官网

“The aviation industry有目标吗到2050年实现二氧化碳净排放量比2005年减少50%的目标,只有通过在该行业部署更多的氢气技术,才能实现这样一个雄心勃勃的目标。”

The gas could be directly combusted, used to power fuel cells or combined with CO2 to create liquid synthetic fuels similar to kerosene, which would require relatively few changes in existing infrastructure.

One issue with hydrogen use in planes is the water vapour it produces when combusted, given水的贡献到the greenhouse effect at high altitudes.

这个问题导致英国气候变化委员会完全放弃这个选择,陈述2018年,“因此,在脱碳航空中似乎并不似乎是氢气的作用”。

最近的评估更为积极。A报告5月,欧盟委员会提出的目标s of 2035 and 2040 for the introduction of hydrogen-powered short- and medium-range flights, which in total cause two thirds of current aircraft emissions.

同一份报告得出的结论是,氢气燃烧可以将每次飞行对气候的总体影响降低50-75%,占总影响的50%非二氧化碳影响在cluding water vapour, soot and nitrogen oxides (NOx) as well. Fuel-cell propulsion would have an even larger benefit of between 75-90%.

根据报告,氢燃料电池产生的水蒸气足够冷,可以在飞机上捕获和储存,因此避免了气候影响。虽然氢气燃烧不可能做到这一点,但其对气候的影响仍低于煤油。

巴鲁塔吉说,尽管燃料电池的前景和在试飞中的使用,他们仍然“只适用于轻型和小型飞机的动力”。尽管如此,他表示,氢技术仍引起了业界的极大兴趣。

空中客车has releasedthree concepts for the ”world’s first zero-emission commercial aircraft”, which the company wants to enter service by 2035. The planes would rely on hydrogen combustion with some support from hydrogen fuel cells.

ZEROe空中客车概念飞机。信贷:空客
ZEROe空中客车概念飞机。信贷:空客

Following the launch of Airbus’ 2035 target, Boeing product developer Michael Sinnett said he did not think hydrogen flight is “something that’s right around the corner”, according to aviation websiteFlightGlobal.

A我though Boeing itself推出2008年的第一个氢气飞机,Sinnett将氢气生产和储存限制为商业应用的障碍。液化氢需要煤油储存量的四倍。

短期内,公司可以使用尽管生产成本高,由氢气和二氧化碳制成的合成燃料替代煤油。它们还将具有发射二氧化碳的主要缺点。

然而,我f the CO2 used to create the fuel had been captured in a power plant it could theoretically cut overall emissions, because each molecule of CO2 would be used twice. They could even be net-zero if they were produced using CO2从空中捕获.

与航运业一样,欧盟委员会的报告得出结论任何一种选择都需要一个长期的政策框架和大量的研究资金来扩大规模,并与生物燃料等替代品竞争。

铁路

从氢中获益的最后一种运输方式是铁路。氢动力列车正在缓慢推出,其中有两列操作在德国和审判中进行the UKand奥地利. 法国和日本也在制定计划。

铁路已经是世界上最电气化的运输方式,拥有四分之三在电动火车上进行的客运。

然而,国际能源署表示,与其他运输方式不同,在“燃料电池成本降低的乐观假设”下,氢实际上可能对铁路具有竞争力,特别是对于不常使用的铁路和大型长途列车,例如用于运输货物的那类列车。

伯明翰大学的氢燃料电池驱动Hydroflex火车原型
伯明翰大学的氢燃料电池火车原型在昆顿铁路技术中心进行试运行。图片来源:G.P.Essex/阿拉米股票图片。

Despite this, arecent report英国铁路网所有者英国国营铁路公司得出结论that hydrogen technologies are “unsuitable for long-distance high-speed and freight services”.

具体来说,报告cited与柴油相比,氢燃料的储存量是柴油的8倍,而且到目前为止,还没有氢动力货运或高速列车。

相反,该报告将氢主要用于解决农村地区的低速客运列车线路,或处理难以用架空线通电的“脱线”路段,如隧道和桥梁。

一些有苏ggestedthat the high cost of installing overhead wires in some locations makes hydrogen a more economic option in certain cases.

另一份报告,去年为英国铁路部长制作铁路行业脱碳工作队,notes that “the future cost of hydrogen is unpredictable, especially given the lack of certainty on means of production”.

在英国,火车排放的二氧化碳已经减少been cut在过去的十年中,在过去的十年中,通过电气化并且电力系统被脱碳,在过去的十年中达到50%。

国家铁路公司(National Rail)预计,电气化将成为该国至少四分之三的剩余非电气化铁路的解决方案。氢被认为是最好的选择只有5%。

其报告还指出,即使在技术上可以使用电池或氢气的情况下,电气化仍然可能“代表最合理的选项”。

工业

氢的灵活性意味着它在工业上有广泛的现有和潜在的应用,包括生产化肥、钢铁和水泥。它可以是化学原料、可燃燃料或除去杂质的反应物。

所有这些都意味着,工业,特别是炼油、氨和甲醇生产,目前占氢气需求的大部分。这种氢几乎全部来自化石燃料。

尽管如此,这种需求已经存在,这意味着其中一些行业可能会相对落后。”低垂的果实“用于脱碳。为了达到目的,他们使用的天然气必须用低碳来源的氢气来代替。

由于需求量巨大,仅为这些现有需求来源扩大低碳氢气生产规模将是一项重大任务。

钢铁制造业一直是讨论的焦点。根据我们的数据世界,钢铁制造的能量相关排放占全球温室气体排放量的约7%。

Alexander Fleischanderl博士他是一家工程公司的技术官员Primetals Technologies,tells Carbon Brief that steel manufacturers have been working to cut emissions by optimising their processes, but these efforts can only go so far:

“你可以达到一定的物理极限……[但是]要达到净碳零的目标[这些变化]是不够的。你必须换成氢气。”

钢铁生产。信贷:普锐特。
钢铁生产。信贷:普锐特。

而炼钢的直接电气化过程称为电积“这可能是未来的一个选择,到目前为止只是在试点规模上进行了示范。

一些steel is已经回收了使用电能炉的废料could potentially be脱碳。然而,根据Fleischanderl的说法,大多数钢铁仍然需要来自原生铁矿石,例如,如果它要达到足够高的品位以用于汽车工业。

这取决于一个多世纪以来基本保持不变的进程。铁矿石是用焦炭在高炉中熔炼的,焦炭既是燃料又是还原剂,可以除去氧气,留下纯金属,排放二氧化碳。

氢气可以作为燃料注入这些熔炉,cutting emissions最多20%。这种技术被测试由德国钢铁生产商Thyssenkrupp仍然依赖于煤炭来减少矿石。

一种新的生产方法称为直接re淬火铁(DRI)使用氢气作为还原剂。这不需要一个熔炉来熔化矿石,而且只排放水。

当它站立时,大约7%使用DRI制造钢,足以使钢制造氢的第四大用户。缩放此过程将帮助行业脱碳如果使用低碳氢代替来自化石燃料的氢气,则为Fleischanderl解释:

“技术上,没有一个大问题。大多数事情已经解决了......真正的障碍是有足够量的可用性以及绿色氢的价格。“

根据国际能源署(IEA)宣布,用直接还原铁(DRI)和电炉取代所有炼钢,将导致该行业的氢气需求增长15倍。

Pilot projects是underway in Europe to integrate low-carbon hydrogen into steelmaking, but the question of when “green steel” will be competitive remains open.

瑞典钢铁公司SSAB.正在运行HYBRIT项目,which it says will achieve “fossil-free steel products” from 2026 and enable it to eradicate fossil fuels from all its operations by 2045.

Ad van Wijk教授属于代尔夫特理工大学他说,与其他行业相比,他对这一进程的发展速度持怀疑态度:

“人们认为绿色氢气将首先取代工业上的灰色氢气,但我怀疑这是否真的会发生……最终会发生,但一开始很难,因为价格和(所需的)数量。”

一个estmate布隆伯格,如下图所示,绿色氢可以在2030年与最昂贵的煤基钢竞争,假设氢的成本约为每公斤2美元。这种估计依赖于电解槽成本的大幅下降和广泛的可再生能源部署。

用氢和煤制造的钢的成本
使用氢气生产的钢铁(紫色线)和使用煤炭生产的钢铁(黑色块)的平准化成本,不包括碳价格。资料来源:BNEF公司.

报告关于这个话题,咨询麦肯锡将欧洲“纯氢基钢生产”的成本竞争力定为“2030年至2040年之间”,预计大部分绿色钢将在欧洲部署。

然而,green steel is likely to still need considerable support from governments, potentially including an emissions trading scheme支持绿色钢铁的转换和配额。

Fleischanderl还强调了碳边界调整欧洲的机制使绿色钢铁能够与从中国进口的廉价钢材竞争世界上最大的钢铁生产商。

“否则你将无法管理,因为很明显,绿色钢铁的成本将更高。这必须被接受。

洛基山研究所的ThomasBlank告诉CarbonBrief,由于许多决策者热衷于保护炼钢这一战略性亚慱官网产业,价格远不是唯一的考虑因素。

他指出,虽然绿色钢铁生产最具成本效益的地点可能是澳大利亚西北部干旱的地区,那里开采铁矿石,可再生能源电力可能廉价且充足,但如果这意味着要保持当地的生产,欧盟和印度可能会接受更昂贵的钢铁。

另一个“难以脱碳”的行业可以受益从氢气中引入的是水泥。水泥生产过程中产生的二氧化碳弥补占全球排放量的3%,尽管这不包括所涉能源投入的排放。

Burning hydrogen could reach the high temperatures needed to manufacture cement, avoiding fossil fuel combustion which currently accounts for a third of its emissions.

然而,这方面的进展目前非常有限,取代化石燃料将需要一个全新的基础设施,因为现有的水泥窑无法使用纯氢。

英国政府可行性研究去年出版地研究了生物质和氢气的混合物,以制造“净零”水泥,注意到在这种情况下氢气“从未被测试过”。一个专案从那以后获得了600万英镑(800万美元)的资金来测试这个想法。

其他工业部门,如玻璃、纸张和铝的制造,也依赖热源进行各种过程,包括熔化、干燥和驱动化学反应。

氢气可以燃烧或用于燃料电池,以满足部分热量需求,尽管可能需要一个强有力的政策框架来与廉价的化石气竞争,弥补对新加热设备的需求等等在e paper称为“一些新兴解决方案的适度技术准备水平”。

就目前的情况来看,“实际上没有专门的氢气生产来产生热量”,预计它将与生物质和CCS“竞争激烈”,根据国际能源署。

该机构表示,它可以竞争工业热的电气化,尽管电力已经更加开发。One study研究发现,欧洲工业78%的能源需求已经可以通过现有技术实现电气化。

至于已经依赖于氢气的工业过程,而效率改善可能会遏制它们的一些需求,总体而言预计会增长。这意味着企业需要寻求低碳氢气来源以脱碳。

单一部门与最大需求是炼油,用氢气除去硫和其他杂质。

While oil use is likely to decline in line with climate action, tightening regulations on sulphur content in fuels mean there is still likely to be sizable demand for hydrogen in this sector.

氢也是化学工业的主要原料,特别是对溶剂,粘合剂和各种其他物质进行肥料和甲醇的氨。

对这些物质的需求预计将在未来几十年增长。然而,如果这些化学物质被确定为远距离运输氢气的方式,或者作为替代燃料,那么它可能会进一步发展。

尽管有毒性,但特别是氨在某些应用中讨论了氢气中的替代品,特别是送货(参见:“运输”). 它可能储存和运输

more easily than hydrogen as it is a liquid at relatively low pressure and either converted back into hydrogen or burned without generating CO2.

最近EurActiv事件欧盟委员会能源顾问都铎君士坦丁斯库他说,他看到这种氢燃料在完全脱碳的经济中扮演着“非常重要的角色”。

Low-carbon hydrogen could be critical to decarbonising all of these applications, but its success will depend on competition with gas using CCS and biomass, both of which could also be used to cut emissions from industry.

Dr Tom Brown卡尔斯鲁厄理工学院,tells Carbon Brief that this helps to explain why there is变化太大了在第rojections of hydrogen use. “I don’t think anyone knows quite which one will make the most headway,” he says.

无论哪种解决方案最重要国际能源署the urgency of scaling them up quickly to tackle emissions from industry.

在它氢气报告,the agency calculates that to meet future ammonia and methanol demand while limiting warming to well-below 2C using fossil gas, CCS units capturing 1MtCO2 each year would have to be built at a rate of four per month between now and 2030.

如果使用绿色氢气来实现相同的目标,则必须每周建造六到七个新的100MW电解器,直到2030年。
根据the IEA, 2021 is当前设置更接近于四台100兆瓦电解槽全年投入使用。

Electricity

氢的多功能性意味着它可以在电力领域有多种应用,包括在经过改造的发电厂和发电厂中替代化石气体提供电力在remote islands using fuel cells.

特别是氢在电力系统中有两个重要的作用。

首先,它被提议作为一种潜在的低碳电力的灵活来源,可以用来补充以风能和太阳能等可再生能源为主的电网。

第二,电解槽可以用来生产氢气缩减“在可再生能源供不应求的特别晴朗或有风的时期,否则就会浪费掉的发电量。

德国马德菲尔德多云晨光中的风电场
德国马德菲尔德多云晨光中的风电场.Credit: Mauritius Images GmbH / Alamy Stock Photo.

随着可再生能源提供了世界上更多的电力,氢能倡导者see the gas as an essential component for “deep decarbonisation”,提供电力什么时候the sun and wind are insufficient.

在这种情况下,氢气可能是一种有用的储能形式,可以覆盖电池不足时可再生重型系统的季节变化。

可再生的电力,有时来源于国内电网,当它是丰富和廉价的,可以转换成氢气。或者,也可以从风能或太阳能过剩的国家进口(请参阅:“氢气将如何影响全球地理位置?”)

氢气可以通过将其压缩到地下的盐穴或耗尽的化石燃料场所来储存,与化石气体混合或用于生产其他燃料。当需要时,它可以转换回电力,或者用于能源系统中的其他用途,如运输燃料。

短期内,电池倾向于提供一个卓越的存储系统,有往返效率(能量比能量)的超过80人%, compared to35-41%为了氢气。

然而,当能量需要储存数天或数周,因为电池会受到损坏时,可以使用氢气自放电over longer time periods.

这对于更大规模的储存需求也更有意义,与氢储存所占用的空间相比,这将需要“巨大”数量的电池,根据国际能源署。

尽管有这些应用,Dr Tom Brown卡尔斯鲁厄理工学院,谁已建模欧洲的深度脱碳途径,说电力部门不太可能是广泛推广氢气的首要任务。他告诉《碳简报》:亚慱官网

“如果你去除了一吨二氧化碳,将在钢铁或氨部门中放入钢铁或氨部门的氢气比令人担忧的是,它更有意义,而不是令人担忧的电力需求脱碳的最后10%。”

Brown says it is “more economical” to source as much electricity from renewables as possible before turning to electrolysis and green hydrogen.

在生产和储存基础设施准备就绪,为工业等其他部门提供能源后,备用发电所需的氢气自然也会随之而来,他说:“基本上,你可以免费获得氢气和100%可再生能源世界的最后10-20%。”

据一位报告从the欧洲大学学院,使用氢气储能被“大大高估了”,原因很简单,至少在欧洲,没有太阳或风的时期实际上并不常见:

“冬季海上风力发电量比夏季多,输电网相当有效地连接了欧洲各国。”

然而,利用有人提出了一项削减电力供应的战略,这不仅有助于减少排放,而且有助于节约资金。

A报告英国电力行业的净零机遇国家基础设施委员会(NIC)的结论是,利用被削减的电力生产氢气“有助于降低高度可再生混合燃料的系统成本”。

IRENA说明这“可以极大地帮助提高氢气生产的经济性”,也可以为可再生资产所有者提供收入。

These periods are becoming more common with rising renewable penetration, as Ben Gallagher of Wood Mackenzie tells Carbon Brief:

“(在)加利福尼亚州、德国、中国西部和得克萨斯州西部,削减电力供应的频率负电价事件因此,通过电解产生的氢气与储能非常相似,被认为是帮助管理电网灵活性的潜在工具。”

While this is a promising idea it may not be practical, even assuming a significant rollout of renewables in the coming years. The NICnotes由于其生产波动性,“由于其生产波动而低成本,”这将挑战所有缩减的可再生生成。

希尔峡谷污水处理厂太阳能电池板
位于加利福尼亚州希尔峡谷污水处理厂的太阳能电池板,提供了该厂15%的能源需求。图片来源:地球公民/阿拉米股票照片。

Electrolysers built solely to make use of this otherwise wasted powermay onlyoperate around 10% of the time, IRENA notes. This is due to curtailment being an occasional event, when conditions are particularly sunny or windy.

这种低利用率意味着由于与电解器本身相关的成本,它们产生的氢可能不会竞争。

另一方面,正如Agora Energiewende的Gniewomir Flis所指出的那样,电解槽成本的下降有助于减少电力供应产生的氢气与化石燃料氢气竞争。

这一分析基yabo亚博体育app下载于质子交换膜与广泛使用的碱性电解槽不同的是,电解槽能够快速增加并捕获被削减的能量。

虽然中国是世界上最大的电解槽生产国,率先生产相对便宜的碱性电解槽,但PEM电解槽目前仍在生产中太贵了从削减的电力中生产具有成本竞争力的氢气。

但随着欧盟继续推进其氢战略,它已经承诺了投资于“创新技术”的生产,例如PEM,以保持其经济竞争力并降低价格。

建筑供暖

S码第ace heating and hot water supply for buildings is one of the most contested areas of potential hydrogen use and is often the subject ofheateddebate.

很多能量专家dismissive氢在建筑热量的脱碳中扮演着重要的角色,因为它的效率远远低于电热泵,使得运行成本更高。

Others argue it cantacklethe problem of decarbonising heat不中断人民生活,较低前期成本,同时重用有价值的天然气分销资产。它们还指向电网上的约束,这可能需要升级以应对完全电气化的热量。

总体而言,效率和电气化是脱碳热的主要途径,说Jenny Hill,英国咨询公司建筑和国际行动部负责人气候变化委员会但是氢可以起到重要的辅助作用。她告诉Carbon Brief:亚慱官网

“Efficiency is the essential first step or the heat problem gets too big. While electrification is of primary strategic importance, hydrogen can play an incredibly useful role in meeting peaks – in the power sector, or through use of hybrid heat pumps [see below] – as well as a role regionally.”

建筑供暖是一个需要解决的主要问题。根据IEA.,建筑用热占全球最终能源需求的20%以上,包括空间供暖、热水和烹饪。

This 20% share can be compared with hydrogen uptake in the deep decarbonisation scenarios shown above (S码ee: How much hydrogen is needed to limit climate change?),其中2050年最多24%的最终能量由氢气供应,适用于所有用途。

此外,在这些研究中,大多数氢用于工业、交通或电力,而不是用于建筑。这表明,使用氢气来降低世界上大部分建筑用热需求的成本并不是最优的。然而,在替代方案不可行的情况下,可能需要这样做。

一些国家在使用电力或区域供暖的供热方式上已经取得了快速的进展。但是,在其他许多国家,有有限的进步。

人们普遍认为,解决热排放问题具有挑战性,特别是对于隔热性较差的现有建筑,IEA表示,到2050年,这些建筑仍将占全球建筑总量的五分之二。

国际能源署称,目前全球约41%的建筑热量来自燃气,各国情况差异很大。下面的图表显示了这一点,在荷兰和英国,天然气(深灰色)提供了大约80%的热量,但在北欧国家则接近于零。

由天然气(深灰色)、电力(蓝色)、区域供热(橙色)和其他燃料提供的建筑供热份额,%,分布于多个国家。资料来源:英国政府的Vivid Economics 2017报告,摘自Chatham House 2019。
由天然气(深灰色)、电力(蓝色)、区域供热(橙色)和其他燃料提供的建筑供热份额,%,分布于多个国家。资料来源:Vivid Economics 2017年报告对于UK government, as cited in查塔姆大厦2019.

支持者说,燃气供暖的广泛使用为氢提供了一个机会,因为它可以充当“燃料”一个接一个”replacement for the fuel. Hydrogen can be burned in a改进型燃气锅炉或滚刀,燃料由repurposed network天然气分配管道。

联盟属于companies几年来,英国一直致力于验证这一想法,其中目标属于converting “significant parts of the UK gas grid to be 100% hydrogen”. The government’s近期气候计划目标是到2030年在整个城镇测试氢热。

在国际上,有至少37个项目将氢气混合到现有的天然气管网中进行测试,被认为在不改变用户需求的情况下,可以安全地达到20%(按体积计)。这被视为一种“低遗憾”的方式,以减少二氧化碳从加热和扩大氢气的使用。

英国的天然气输送管道网络(历史上由易泄漏和腐蚀的铁制成)已经被“氢就绪”塑料管道取代,不过压缩机和网络的其他部分也需要更换,以应对100%的氢使用。

The iron mains replacement will be complete by 2032, says马修·辛德尔,天然气的头部能源网络协会,which represents gas and power distribution companies in the UK.

Carl Arntzen, chief executive of boiler manufacturer伍斯特博世他告诉Carbo亚慱官网n Brief说,在他看来,对于目前85%的英国家庭来说,氢气是最好的解决方案。

他第oints to practical challenges for heat pumps, including the need to upgrade building energy efficiency, replace radiators and find space for hot water tanks and heat pump equipment.

Carl Arntzen,伍斯特博世首席执行官和瑞利斯岛,校长,带有备用锅炉。信用:伍斯特博世。

对家庭和行为进行破坏性改变的想法常常是人们的“心头之事”人们在思考关于future of heat“ENA的Hindle说。(最近英国气候大会发现了对氢、热泵和热网络的有力支持,以解决热脱碳问题。)

但是,尽管主要的效率升级可能会带来破坏性的影响,但在任何情况下都可能需要它们。Richard Lowes博士University of Exeter,告诉Carbo亚慱官网yabo亚博体育app下载;n Brief:“在我所看到的每一点分析中,无论是氢气还是电气化,你都必须提高效率,才能使事情更具成本效益。”

关于成本,最近的分析yabo亚博体育app下载研究表明,用于供热的氢比天然气贵三倍左右,而热泵是跑起来很便宜as gas boilers in some circumstances.

BNEF的Meredith附件说,使用氢气供热是一个“昂贵的用例”,而且这种燃料相对于热泵来说“困难重重”,即使是在总拥有成本的基础上。

Another frequently cited issue for the widespread use of heat pumps is that it would significantly increase peak demand on the electricity grid, particularly in high-latitude countries, such as the UK.

这一点很重要属于ten accompanied通过versions of the chart, below, showing seasonal variations in half-hourly UK energy demand currently met by electricity (blue line) versus gas for heat (red). (Carbon Brief understands a similar chart is on the business card of some within the gas industry.)

英国的热电需求
英国每半小时的热能和电力需求,千兆瓦。热量需求是一个估计值。资料来源:管理热系统脱碳,帝国理工学院能源政策与技术中心。

This chart suggests meeting peak heat demand with electricity could require a massive increase in the size of the power system, with peak electricity demand rising as much as five- or six-fold.

但是最近的证据shows that demand for heat energy is some 40-50% lower than thought, at closer to 170 gigawatts (GW) rather than the peak of 300GW shown in the chart above. This would bereduced furtherwith the energy efficiency improvements required on the road to net-zero.

此外,热泵的工作原理是从外部空气中吸收热量,根据设备性能和环境温度,将运行它们所用的能量乘以两到三倍。这可能砍掉最高的山峰在heat energy demand in half again.

Even so, the remaining additional peak demand for electric heat during cold winter evenings could strain the electricity grid. Although it would be possible to cover these peaks, it could be expensive.

根据CCC和BNEF等分析师的说法,这是氢气可能介入的领域。他们指出,使用“混合”供热系统,主要依靠电力运行,但在最冷的日子使用氢气锅炉“加满”,就像使用含碳捕集和储存的天然气或氢燃料发电厂来填补风能和太阳能发电的产量缺口一样。

Another option would be for certain areas to be heated with hydrogen, particularly around regional “hubs” where use of the fuel – and associated infrastructure – is widespread.

研究8月份发表,低价和同事认为,供暖行业“现任者对政策制定者提供过销售”绿色天然气“,以保护他们的兴趣和减损电气化的重要性和价值。”他们的论文说:

“学术界、英国政府及其顾问的技术经yabo亚博体育app下载济分析一再表明,大量热需求的电气化,主要是在减少热需求的同时使用热泵,代表了接近完全脱碳供热的最低成本途径。”

A回顾英国能源研究中心(UKERC)的结论是,“电气化和能源效率仍然是建筑行业脱碳的两个主要战略”。它说,如果“重大不确定性”得到解决,氢可能发挥作用。

虽然Lowes和其他人支持大型氢气试验,以评估燃料的潜力,但他们警告说,这项工作不应被用作借口,以避免在其他选择方面取得进展。

在最近的博客中,S码tian Westlake英国创新基金会执行董事Nesta,讨论了“仿生浮萍”的更广泛,相关问题,在此,将来的新技术解决方案的承诺用于阻碍现有选项的使用。他wrote:

“While I don’t doubt there are some good-faith enthusiasts for hydrogen home heating, I wonder if a lot of the enthusiasm is about deploying a warm fuzz of futurism to block the present-day threat of heat pumps.”

Jan Rosenow医生从the监管援助项目告诉Carb亚慱官网on简报:

“我认为一个合理的方法应该是循序渐进的,即你测试氢的使用,然后逐步推出基础设施,而不是制定一个宏大的计划,所有这些都是关于氢的……对我来说,这似乎是错误的。这是一个非常危险的策略,可能会完全失败——10年后你什么都没做。”

亚慱官网碳简图,图表,图形和互动设计的汤姆普拉特和乔古德曼。

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