是时候将氢经济设备的制造技术工业化了

H2价值链上的设备制造技术 VDMA网络Power-to-XforApplications选定成员的贡献 之间的合作 前言 彼得·穆勒-鲍姆 VDMA应用程序Power-to-X董事总经理 一段时间以来，能源转型一直在无情地推进，目前正因俄罗斯入侵乌克兰而进一步加速。人们普遍认为，未来属于绿色能源。还有一点是肯定的：氢将发挥决定性作用。 氢气将成为减少温室气体排放的关键推动力，因为它可以直接应用于工业应用，例如用氢气直接还原生产绿色钢铁。它还可以帮助储存能量。风能或太阳能等可再生能源的产生通常与消耗不同步，因此存储对于能源转型的成功至关重要。在电解的帮助下，以氢或其衍生物的形式存在的能量几乎可以在任何时期储存，运输到目的地并根据需要再次转换。如果使用绿色能源进行电解，则产生的氢气是气候中性的。 但要做到这一点，整个氢经济必须首先在工业规模上发展，从生产到储存和运输。这需要制造技术和设备的广泛使用。VDMA和罗兰贝格的这项联合研究探讨了实现这一目标仍需解决的挑战，特别是在用于制造这些机器和设备的技术方面。 该研究基于对VDMA成员公司的20多次采访，提供了对制造技术创新和规模化做出贡献的选定示例。大多数必要的解决方案已经众所周知。公司现在必须抓住机会，通过参与即将到来的工业化和制造规模扩大，在新兴的氢能经济中保持强大的长期地位。 伯纳德·朗格费尔德 高级合伙人运营，罗兰贝格 在罗兰贝格，我们坚信氢气将成为成功实现温室气体净零排放的气候行动的重要组成部分。此外，与许多其他清洁技术一样，它将成为优先考虑可持续增长的新竞争模式的一部分。对于重工业或重型交通等难以脱碳的行业尤其如此。 已经有许多研究分析了氢经济。这家公司的与众不同之处在于它专注于制造技术以及德国中型公司的创新。我们与行业代表讨论了他们对技术准备情况的评估，并很快确定，就纯粹的创新而言，该领域几乎没有什么可做的。未来几年的主要任务将是通过成熟和扩展已知技术来实现制造业的工业化。 这就是下一代制造(NGM)发挥作用的地方。NGM提供了一系列杠杆，从新的制造技术和提高效率到数字化和制造足迹的重组。正如我们在下面所描述的，合作伙伴关系可以帮助加速创新。正如氢气压缩机的例子所示，数字技术可以帮助缩短交货时间。 该研究是与VDMA合作进行的，VDMA的成员受邀提供对其解决方案的见解。我们的目标是向氢价值链中的参与者和寻求正确进入新行业的投资者展示创新制造技术或创新制造组件。此外，该研究提出了三项重要行动，将帮助氢经济实现急需的突破。 覆盖：Broetje-自动化；图片说明：机器人头部最多可同时铺设16根单独的丝束照片左：罗兰贝格公司 H沿线装备制造技术2价值链|3 内容 1介绍����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������4 2方法和主要发现�����������������������������������������������������������������������������������������������8 3制造技术示例�����������������������������������������������������������������������������11 4呼吁采取行动��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������23 4H沿线装备制造技术2价值链 1. 介绍 为什么新的氢经济很重要 作为许多行业的支柱，制造商面临着不断提高性能和效率的压力。这与几个接近临界点的全球大趋势相吻合，这扩大了制造业竞争力的标准。考虑到这些标准，公司现在可以使用六个杠杆（个性化、可持续性、行业颠覆、民粹主义、数字化和位置问题）来重新定位其制造业，并将其从负债转变为价值驱动因素。这就是我们罗兰贝格所说的“下一代制造”。 其中两个杠杆，可持续性和行业颠覆，对于清洁氢作为公司、行业和经济体等能源转型努力的关键支柱的崛起尤为重要。一方面 ，清洁氢气对脱碳很重要；另一方面，它只会通过更大程度地推动可持续性和破坏性技术的持续发展而变得更加广泛——它也加强了这一点，创造了一种共生关系。一个 清洁氢已成为工业流程、交通和能源部门脱碳的重要话题。与工业化前水平相比，这将是实现《巴黎协定》目标并将全球温室气体排放量限制在远低于2°C的强大杠杆。由于其多功能性，氢可以为包括重工业、长途和重型运输以及能源在内的众多行业的脱碳做出贡献。这些行业通常被认为是“难以脱碳”， 在实现温室气体净零排放的道路上，氢将成为成功的气候行动的重要组成部分。然而，这将需要新的氢经济产业供应链的出现。 尚未实现温室气体排放量的显着减少。更重要的是，氢的可储存性和可运输性将使各个部门和最终用途之间实现必要的耦合。 今天，欧洲在推动氢作为脱碳推动力方面处于全球领先地位，制定了雄心勃勃的政治目标以及强有力的政策和法规来支持市场发展。与此同时，生产商和承购商正在推进重大项目以推动市场发展 。因此，我们预计欧洲的氢气消耗量将翻一番，从今天的约10公 吨到本世纪末的约20公吨。虽然这些体积中的大部分将继续用作工业过程中的原料， H沿线装备制造技术2价值链|5 一个新的竞争范式 NGM趋势对当今和未来制造业“竞争力”标准的影响 尤其与氢有关 应用 当今和未来的标准： 扩大标准 •人工和材料 •对二氧化碳排放的影响（例如物流概念） •对ESG评级的影响 •风险（民粹主义） •足迹（区域化） •能力（个性化或连接的产品） •等等。 行业颠覆 影响 趋势 可持续性 位置很重要民粹主义抬头 数字化 个性化 过去的标准： 主要关注成本 •劳动 •材料 杠杆组 狭窄广阔 资料来源：罗兰贝格 6H沿线装备制造技术2价值链 移动和能源领域的应用将会扩大。乙 来自电解以及碳捕获、利用和储存(CCUS)的低碳或零碳氢仅 占当今产量的一小部分。然而，我们估计到2030年，绿色氢在欧洲供应中的份额（来自国内生产和进口）将增加到大约三分之一。因此，我们预计对必要设备的投资将在未来几年显着增长—— 到2030年，欧洲电解设备市场将达到6-100亿欧元，具体取决于实际成本递减和项目实现情况。 除了欧洲的努力之外，世界上许多国家已经通过了专门的国家氢战略，强调了氢在未来几十年对其经济脱碳的重要性。最近的地缘政治事件和能源价格的结构性上涨正在进一步加速事态发展。历史上依赖的欧洲国家 乙2022-2030年欧洲氢气消费前景 欧洲氢气需求预测（按最终用途、绿色氢气供应）[Mt] 绿色H2 20 15 10 5 0 今天20232024202520262027202820292030 行业，例如，氢气原料 用于精炼、化肥生产、其他化学品、钢铁 流动性，例如，用于卡车、火车、航运、航空的氢燃料和氢基电子燃料 活力，例如，用于建筑供热的氢燃料、绿色电力的季节性储存、用于产生清洁、可调度电力的燃料 资料来源：罗兰贝格 H沿线装备制造技术2价值链|7 几十年来一直依赖俄罗斯天然气进口的国家现在不仅通过寻找替代供应商，而且特别是通过更积极地推动国内可再生能源生产（包括绿色氢），迅速寻求获得能源独立。 新的氢经济也为新兴产业供应链带来了巨大的增长机会。本研究展示了来自中型德国公司的制造技术示例，这些技术可以促进制造技术的成熟和规模化。 氢设备供应：实现足够的产量、提高制造效率、创新新组件和替代材料等。它还提供了对这些技术和设备预计如何发展的理解，确定了效率、技术可扩展性和降低成本方面的重要发展。因此，本研究的范围包括氢价值链上的各种用例。C C氢价值链中的关键技术（非详尽） 氢气价值链及其三个主要工艺步骤：生产、运输/储存/分配和最终用途 生产 运输/储存/配送 最终用途 原料生产脱碳转换长途运输贮存分离/再转化本地运输和配 送 各种终端应用 可再生能源 •太阳能光伏 •陆上风 •海上风电 •水电 活力 行业 •生物质 热解）副产品 化石燃料 （主要是 热- 化学成分 CC(U)S 压缩 管道 地质 （例如，盐 再气化- 化 卡车 精炼氨 天然气） 版本（例如 SMR，ATR， 洞穴） MeOH和其他绿色钢铁化学品 (DRI) 其他工业用途 电解（AWE 、PEM、SO 、AEM） 液化船轨 NH3 合成（哈伯-卡车博世） 甲醇合成 甲烷化（CH4)电子燃料生产 （例如， Fischer-Tropsch） 脱氢 (LOHC) 坦克再转化率（ NH3,CH4) 脱氢 (LOHC) 纯化 管道 加油站 (HRS) 重新电气化（季节性存储）供暖（区域供暖、住宅） 路轨 海上航空 网格服务 流动性 资料来源：罗兰贝格 8H沿线装备制造技术2价值链 2. 方法和主要发现 深入了解氢经济 本研究基于对VDMA网络Power-to-XforApplications成员公司代表的20多次采访。目的是了解关键技术，然后再筛选它们在氢经济中的重要性以及它们可能对现有技术提供的任何改进。我们将制造技术分为三种原型： 1.创新：为满足氢应用的特殊需求而开发的全新技术（主要研发工作 ） 2.增强：现有技术可通过增强技术边界来满足氢应用的需求（中间研发工作） 3.转移：将现有技术（通常在其他行业广为人知）应用于氢价值链的不同领域（研发工作很少或没有） 基于这项工作，我们确定了一组相关主题。 关键发现1： 产业供应链处于工业化边缘 新的氢经济仍然是一个新兴市场。尽管产量仍然很低，但设备制造 商大多依赖自动化程度较低的小规模生产解决方案。只有少数几家公司准备好进行大规模生产，制造成本很高，这主要是由于高度定制化和相关的技术努力。工业化是下一步。所有受访者都认为需要实现可扩展性和提高效率，以实现经济上可行的工业化。最重要的是，这需要更高程度的标准化、自动化，在某些方面还需要创新。然而，氢经济所需的大部分生产技术已经存在，其中大部分属于上述“转移”原型。因此，对创新的需求相对较小。 关键发现2： 具有成本效益的制造解决方案可以显着促进市场吸收 清洁氢解决方案的成本必须大幅降低，才能与现有的化石燃料技术 竞争——即使在监管更严格的公平竞争环境中也是如此。例如，光伏行业在过去十年中将成本降低了80%以上。D H沿线装备制造技术2价值链|9 D过去十年可再生能源的安装成本下降 加权平均总安装成本[USD/kW] 10,000 8,000 6,000 聚光太阳能 4,000 2,000 -80% 海上风电 陆上风 太阳能光伏 0 20102011201220132014201520162017201820192020 资料来源：IRENA2020年发电成本报告 乙受访者认为的市场增长 目前在氢价值链上游的最高感知市场增长 高的感知市场增长和扩大生产技术的紧迫性低的 生产 运输/储存/配送 最终用途 资料来源：罗兰贝格 10H沿线装备制造技术2价值链 氢经济尚未出现类似的发展，并且无法通过单一的制造技术实现 。对于氢，需要几个因素做出贡献，例如下一代产品的创新、高成本材料的替代以及组件和系统级别的标准化和简化。然而，关键杠杆在于扩大制造规模以实现规模经济并突出学习曲线。 关键发现3： 清洁制氢制造需要（并且正在得到）最受关注 增加创新和工业化对于清洁氢生产技术的制造至关重要。他们需要 最关注新氢经济的成功提升，尤其是电解槽生产。原始设备制造商和供应商看到需求很快就会增加