2022年能源转型展望系列报告之一：2050氢能展望报告

2氢0能50展望报告 2系0列22报年告能之源一转型展望 DNV—2050氢能展望报告 目录 概要 1.3氢的价值链 1.2当今氢的工业用途和抱负12 1.4安全、风险和危害 2.3区域氢能政策制定37 2.2政策和监管形势34 2.4本氢能预测报告中的政策因素46 3氢的生产48 氢的储存和运输56 4.2储存58 前言 34 4 1 简介 8 1.1氢的特性 915 5 20 1.5氢的投资风险 26 2 氢政策和战略 30 2.1政策和氢转型 30 4.1氢的运输和储存方法56 4.4输配管道65 4.3运输系统61 4.5氢的船运66 氢：供需预测70 5.2氢作为原料78 5.1氢的生产73 5.3氢作为能源81 6贸易基础设施92 6.2管道运输94 6.1跨区域海上运输93 参考资料96 3.2 50 3.1制化氢石方燃法料制氢：甲烷重整制氢和煤气化制氢48 3.3电力制氢：电解制氢52 2 前言 以忽略不计。 测欢报迎告参。阅DNV对2050年能源转型中氢能的首份独立预尽重管要有作雄用心，但勃目勃前的生声产明的显低示碳氢和在可能再源生转氢型的中数可能量发几挥乎可的 这我当们然发会现改，到变2。0但50关年键，问氢题能是可，能何仅时满改足变全以球及能改源变需多求少的？5需%要，更比强净有零力路的径政中策应将有氢的能份推额向少满三足分《之巴二黎。协显定然》，全所球需的到水20平50。年在，这氢里可，能参占考能欧源洲结的构扶的持1政1%策。是有指导意义的： 全体，球这能仍源然需是求一的个5巨%大意的味数着字超。过其2中亿五吨分氢之转一化是为氨能，源另外载纯五分氢之。一包括e-燃料，如e-甲醇和清洁航空燃料，其余为 氢”形式制取。 氢体是和宇水宙等中化最合富物含中的制元取素。，释但放我这们些只氢能分在子化需石要燃大料量、的气能氢”源形—式通制过取对，天或然者气通进过行电蒸解汽从甲水烷和重可整再加生以电C力C中S以“绿蓝 源的用途就越大。 绿到2氢0过50程年中，超会过有7能0量%的损氢失将，理以想绿情氢况方式下，制应取首。先由利于制用可造再天生然能气源。在在实电践力中结，构会中有替一代些煤重炭叠，并因在为一氢定是程可度变上可替再生代能光伏源的是一绿种色重氢要能储的存先形决式条。件但；不我可们否的认雄，心风越能大和，这太些阳能资 与面直，应接该电考气虑化作相为比，最氢后能的价低格碳高能昂源且。效但率是低，下氢。能在又很是多方迫切航需运要和的高。温在工那艺些流难程以，或尤不其可需能要电氢气能化。的在领某域些，如国航家空，、如英以低国于，氢转在换某为种电程力度的上批可发以成通本过交现付有给的最天终然用气户配使送用网。络 前言 由点。于D氢N对V在脱这碳方至面关处重于要领，先因地此位安：全氢不设能施成可为以其设致计命成弱与广在泛氢能接生受的产天和配然气送设系施统中一设样安计全安或全更措施好。，且这必意须味在着其必整须个作为生命氢周载期体内的正氨确，它运将行被和大维量护用。同于样航的运方的法脱必碳须目扩标展。就到这相一应方的面管而理言。，其毒性是一个重点关注问题，必须进行 对拟启氢动如和何与扩其大他氢能源规载模体的竞技争术并和非政易策事进。行分析，然后模 正链，如不我仅们在在成本本报方告面中进解行释竞的争那，样而，且将在会时有间许、多地氢理价、值排放进强行竞度、争风。对险于接我受的标同准事、纯们度为和向最您终提用供途这的一重适要应预性测方报面告馈。所做的工作，我深表骄傲，并一如既往地期待您的反 RemiEriksen 集团总裁兼首席执行官 DNV 3 DNV—2050氢能展望报告 概要 预测 • 叶可，再氢生能和需低要碳满氢足对世于界实能现源《需巴求黎的协1定5%》中左难右以。减排行业的脱碳目标至关重要。为了实现目标，到本世纪中 的两倍。0.5%，到2050年达到5%，尽管氢在世界一些地区的能源结构中所占的份额将是这些百分比 •我源们结预构测的，与《巴黎协定》的要求相比，全球氢的应用规模非常低且较晚――到2030年达到全球最终能 •从美元现在用于到建20设50和年运，营全氨球终生端产。能源用氢的支出将达到6.8万亿美元，另外1800亿美元用于氢管道，5300亿 图示1 支出额 用于能源目的的氢及其衍生物生产的全球年平均 单位：十亿USD/年 图示2 H/年2 按的单位生全：吨产球路产线量分列的用于能源目的的氢及其衍生物 不包括与非能源原料使用相关的支出 专用可再生电解 基于化石能源并采用CCS 并网电解 概要 2030年的2.5美元/千克降至2050年的 •到生2的0绿50氢年及，基蓝于氢电也网将的达电到解这成一本成将本大水幅平下。蓝降氢，届的时全平球均平约均为价1格.5将美从元/千克，在某些地区，专用可再生电解产在2.2未美来元十/千年克内。达在到美与国蓝等氢能的够成获本得平廉价。价天然气的地区，成本已经达到2美元/千克。在全球范围内，绿氢将 有更高的蓝氢2份8%额的。蓝氢来自使用CCS的化石燃料，低于2030年的34%。一些天然气价格低廉的地区将拥 •在将大基多于电数力地，区，绿氢将越来越多地成为最便宜的生产形式。到2050年，72%用作能源载体的氢及其衍生物 10-35%。 •出用于管成道本的方成面本的预考计虑仅，为全新球建超工过程5成0%本的的氢管道从天然气管道重新利用，在某些地区高达80%，因为重新利 图示3 氢气的平准化成本 单位：USD/kgH2加权世界平均值 图示4 全球氢能管网容量 单位：TW-km 甲烷重整加CCS专用可再生电解基于电网的电解 获得支持后的平准化生产成本 新基建于天然气管道重新利用 包括运输、配送和交易管道。以太瓦公里为单位的容量；峰值流量度乘的以复管合道度长量 5 DNV—2050氢能展望报告 概要 2050年，59%与能源相关的氨将在区域之间进行交易。 •氢运输将（通例过如管通道过在船国舶家运内输部）和，到中等距离的国家之间进行运输，但不会在各大洲之间运输。氨更安全、更方便 •氢氢的应直用接的使行业用。将由制造业主导，在高温工艺中取代煤炭和天然气。钢铁等行业也是2020年代后期最先开始 2030年代后期，氢衍生物的应用才会规模化。 •在氨、甲醇和e-燃料等氢衍生物将在重型运输部门（航空、海运和部分卡车运输）的脱碳中发挥关键作用，但 •然我气们混预合计，小在客某车些不地会区进已行进氢行的早应期用应，用在，发但电不领会域在仅全会球进范行围有内限扩的大应规用模。用于建筑物供暖的氢气，通常与天 图示5 2050年氢和氨的运输量 单位：百万吨/年 H或百万吨NH。H转化成氨的质量是H质量的5.6倍。2322 海运区域间运输管道区域间运输区域内生产和消费 图示6 （按行业划分） 全球对氢及其衍生物作为能源载体的需求 单位：百万吨H2/年 以区量域表间示运：百输万仅吨涵盖本报告中定义的10个区域之间的运输。所有数字均 运发电输-‒N氢H气3和合成汽油 建制其他造能源使用 所有非运输用途都是纯氢 概要 洞见 •接氢需使要用大电力量相宝比贵，的氢可效再率生低能下源且或成广本泛高的昂碳。捕获和储存，应优先用于难以减排的行业。在其他领域，与直 •大作为规工模业燃原料替料（换非之能前源的）重用要于需化求肥来和源炼。油厂的化石氢，可以立即被绿氢和蓝氢取代――这是各能源行业 •氢重要的。安全性和氨的毒性是主要风险。公众认知风险和财务风险对于确保增加氢的应用规模也很 的预测。 •我政们策，所以预更测强的效氢的的指低令量需且求迟面缓的的措应施用给表予明生，要产使商氢信在心净，以零及排更放高的的竞碳赛价中格发，挥来最使佳氢作的用应，用需规要模更超强有越力目前的 7 1简介 100多年来，氢作为化学原料在化肥生产和炼油厂中大量使用。然而，目前氢作为能源载体的使用是微不足道的。这是因为制氢本身要先脱碳（目前成本很高），才能在推动能源系统的脱碳中发挥重要作用。尽管做出投资决定并处于建设阶段的项目数量不多，但这一巨大的成本障碍并没有阻止能源行业对氢的兴趣。随着创新渠道的进一步发展，现有技术供应商进行了众多的可行性研究，初创企业正在开发更高效和更大规模的概念。 与直接使用电力相比，通常氢具有明显的成本、复杂性、效率以及安全性等方面的缺点。然而，对于许多能源部门来说，直接使用电力是不可行的，氢及其衍生物如氨、甲醇和e-燃料是主要的低碳竞争者――有时与生物燃料互相竞争。 正在涌现的新共识是，低碳和可再生氢将在未来的脱碳能源系统中发挥重要作用。作用的重要性仍然不确定，但各种估计表明，氢在未来低碳能源系统中占全球能源使用量的10%到20%。DNV的“净零之路”报告预计到2050年，氢将占净零能源结构的13%，届时将迅速提高份额。 本预测中，我们目前的任务不在于说明氢在2050年能源结构中应该占据的份额，而是说明它可能占据的份额。我们发现，到本世纪中叶，氢还没有完全履行其在净零排放中的角色，事实上远未达到。我们的预测显示，到 成本、可接受性、安全性、效率和纯度。虽然人们普遍认为为达成《巴黎协定》，需要尽快扩大全球氢的使用规模，而目前其发展速度太慢，远不及我们在可再生能源、电网和电池存储装置中看到的加速发展。但是，利益相关者和媒体对氢的承诺却兴趣盎然。然而，却很少有评论者对可能的全球氢增长路径背后的细节进行冷静仔细的研究。 本报告是DNV年度能源转型展望(ETO)报告系列的一部分。这里提供的结果将成为2022年10月即将发布的2022年版ETO主报告的一部分。我们在本氢预测报告中的洞见和结论基于DNV的ETO模型中更详细的氢能建模，包括用于氢贸易和运输的新模型，以及对新制氢方法和氢衍生物更深入的研究。 我们进行本预测的目的不在于说明氢在2050年能源结构中应该占据的份额，而是说明它可能占据的份额。 本报告首先解释了氢的特性和目前的使用情况，以及安全和投资风险，然后描述了当前和未来可能的氢政策和战略。第3章和第4章详细介绍了用于生产、储存和运输的氢技术。第5章介绍了DNV氢能应用模型的结果，该章 2050年，氢可能仅能满足5%的能源需求。 着眼于不同能源部门的制氢和使用。第6章涉及氢贸易。 扩大全球氢使用规模受到一系列挑战的困扰：可用性、最后一章深入介绍了不同氢供应链的示例和比较。 图1.1 氢的特性 1作为低碳能源载体，资源丰富 但生产成本高 $ 2可燃，但表现与天然气不同 3重量轻，但能量密度低是一个问题 4液但转态化氢效及率其低衍生物克服了限制， 5潜力巨大，但挑战也很大 氢的特性 1.1 氢既类似又不同于能源系统中的任何其他物质。氢是一 种可以通过可再生能源生产的能源载体，并且与电力一样，它可以用来为电池（由燃料电池组成）“充电”。与化石燃料一样，氢具有爆炸性，燃烧时会产生热量。它可以从碳氢化合物中提取，保存在罐中，通过管道运输并长期储存；它可以在气态和液态之间转换，还能转化为衍生物。 这些特性使氢在能源转型中有着光明的前景，但也在安全、基础设施、生产、应用案例和商业可行性方面对氢的使用设置了障碍。 作为低碳和可再生能源载体，资源丰富但生产成本高氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上它仅作为化合物的一部分，最常见的是与氧一起以水的形式存在，但也存在于碳氢化合物中。 为了用作能量载体或零排放燃料，氢必须暂时从其与氧的键中释放出来或从碳氢化合物中提取。氢是所有元素中最简单的，但生产纯氢的过程却不那么简单：生产过程是能源密集型的，涉及大量能源消耗，成本高昂，并且会产生碳排放。大规模使用氢的主要驱动力是使能源系统脱碳，更具体地说，是使能源系统中那些难以减排（即不能直接电气化）的行业脱碳。 这使得生产和运输低排放或零排放的氢变得至关重要，同时还能有效利用水与废热和氧气等副产品。 氢是所有元素中最简单的，但生产纯氢的过程却不那么简单：生产过程是能源密集型的，涉及大量能源消耗，成本高昂，并且会产