绿氢在部门耦合中作用

绿氢在部门耦合中作用 中德能源转型研究项目 编写说明 《绿氢在部门耦合中作用》在中德能源转型研究项目框架下发布，报告详细研究了绿氢成本竞争力的驱动因素，特别是在化工和钢铁行业以及航空领域。中德能源转型研究项目支持中德两国能源领域政府智库、研究机构之间的交流，加强中德能源转型的科研合作，分享德国能源转型的最佳实践经验。项目旨在通过加强能源转型智库之间的国际合作与互利政策研究和建模，推动以低碳为导向的能源政策，帮助中国构建更有效的低碳能源系统。该项目是中德能源与能效合作伙伴这一中德能源领域政府交流平台和机制的组成部分，受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托，中国国家能源局（NEA）作为中方政府支持部门进行整体指导和协调。德国国际合作机构（GIZ）作为德方牵头实施机构，与德国能源署(dena)和Agora能源转型论坛联合负责项目实施。电力规划设计总院是该项目的中方牵头实施单位。 发行方 中德能源转型研究项目 项目为中德能源与能效合作伙伴组成部分 受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托中华人民共和国北京市朝阳区亮马河南路14号塔园外交人员办公楼1-15层，邮编100600 转寄 德国国际合作机构 柏林市克滕街2号（KöthenerStr.2），邮编10963 TorstenFritsche收 项目管理 ChristophBoth 德国国际合作机构(GIZ) 作者 KimLakeit,CorinaBolintineanu 德国能源署（dena） ErenÇam博士、MichaelMoritz、MaxSchönfisch、PatriciaWild科隆大学能源经济研究所（EWI） 设计 edelman.ergo(oncommissionofBMWK) 图片来源 德国联邦经济和气候保护部/封面 Shutterstock/721369351(p.4) Shutterstock/1605875824(p.7) Shutterstock/529618120(p.13) Shutterstock/1033561660(p.18) ©北京，2022年11月 本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数据和信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做任何形式的保证。本报告仅代表作者的观点，而不代表项目合作伙伴的观点，如有任何信息纰漏或错误，报告作者负全责。本出版物中涉及到的外部网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。本文件中的观点陈述代表委托方的意见。 目录 ◆图目录3 ◆缩略词4 ◆1氢能的需求和使用5 1.1化工8 1.2钢铁9 1.3航空10 1.4海上货运11 ◆2氢经济12 2.1结果12 2.2结论13 ◆3氢能成本的驱动因素和可再生氢的竞争力14 3.1方法14 3.2氢能15 3.3钢铁16 3.4航空17 ◆4支持氢能竞争力的政策工具18 4.1政策工具对比18 4.2政策工具的相互依赖关系19 4.3具体案例中成本差距的定量分析19 ◆参考文献21 图目录 图1:不同制氢途径的温室气体排放量6图2:德国能源系统五大研究中H2、PtG和PtL的需求对比7图3:各种潜在的动力燃料工艺、产物和应用案例8 图4:航运替代燃料的特点11 图5:部门耦合中促进绿氢使用的主要措施13 图6:平准化制氢成本15 图7:平准化钢铁生产成本16 图8:合成煤油的平准化生产成本17 图9:经济性最高和碳密集度最低的制氢技术之间的边际减排成本20 图10:经济性最高和碳密集度最低的炼钢技术之间的边际减排成本20 图11:经济性最高和碳密集度最低的煤油工艺之间的边际减排成本20 图12:缩小成本差距的综合政策措施对平准化电子煤油生产成本的影响20 缩略词 BF 高炉 BOF 氧气顶吹转炉 CAPEX 资本支出 CCfD 碳差价合约 CCS 碳捕集与封存 CG 煤气化 DAC 直接空气捕集 DRI 直接还原铁 EAF 电弧炉 EL 电解 FT 费托 MAC 边际减排成本 OPEX 运营支出 PPA 购电协议 REs 可再生能源 SMR 蒸汽甲烷重整 WACC 加权平均资本成本 1氢能的需求和使用 除了“效率优先”和“直接使用可再生能源”这两项能源转型原则，氢能作为一种可储存、可量产且未来成本效益良好的能源，通过不同应用部门之间的耦合，可以为实现全球净零目标做出重大贡献。 到2050年，气候中和型氢能有望在全球范围内 减少约800亿吨二氧化碳排放，相当于将全球变暖幅度控制在1.5度所需减排量的20%。只有目前的氢能需求被可再生氢所取代，并将可再生氢能引入更多应用领域，才能真正实现这个目标。预计未来几年氢能总需求将持续增加。[1] 为了满足目前全球约7000万吨的氢能需求，全 世界每年需要约2050亿立方米天然气和1.07亿吨 煤炭。这意味着，当前氢产能中有76%来自天然气， 23%来自煤炭。电解制氢的产量不到2%。煤制氢的 量只占全球煤炭消费量的2%左右，且主要集中在中国。[2] 冶炼部门、氨和甲醇以及钢铁生产是化石氢的主要用户。这显示了氢能作为不同经济部门的基础产品的重要作用，如运输燃料、农业化肥和建筑建材。[2] 在德国，用于炼油厂的氢能约占40%，由此生成的产品中有60%是交通燃料。1/4以上的氢能会被用来生产氨，而氨是合成肥料的主要成分。用来生产甲醇的氢能占20%，甲醇是生产有机合成塑料的原料之一。其余氢能则分布在其他各种以氢能为原料的行业中，例如冶金和玻璃生产。[3] 化工行业经常间接使用氢能与碳或氮进行合成，其使用和进一步加工的方法多种多样：工业价值链中最重要的化工产品是用合成气生产的，而合成气又会在氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合气体中发生反应。另外，在柴油和汽油的生产中，氢能可用于长链碳氢化合物加氢脱硫和加氢裂解。 因此，氢能的主要需求方是氨和甲醇等化工产品以及烯烃：如乙烯、丙烯，还有苯、甲苯、二甲苯等芳烃。在生产氨和甲醇的过程中，氢能是直接原料；至于烯烃的生产，目前还没有工艺具备相应的技术成熟水平。不过，用氢能生产烯烃需要中间产物，如甲烷或甲醇。[4] 目前的天然气制氢法和煤气化制氢法有较大的脱碳潜力，以便提高工业制程和产物的气候友好度。捕集制氢过程中排放的二氧化碳，并将其用在其他地方或长期封存，是减少排放的一种方法。在德国，这种以化石为原料并搭配CCUS所制成的产物通常叫做蓝氢，本报告使用的也是这个名称。传统的气基和煤基工艺生产的氢气是灰色的。为了说明对这种色彩观点的认识，下表列出了德国讨论度最高的三种制氢途径。 除化石基工艺外，还可以用电力将水分解成氢气和氧气，这个过程叫电解。这种电解途径导致全球变暖的可能性在很大程度上取决于电力在使用中产生的温室气体排放量。然而，如果电解用电来自可再生资源，如风电或光伏，则温室气体排放可以降至（几乎为）零。在德国，这种气候中和型氢能叫绿氢。值得强调的是，只有用可再生电力电解制成的氢才是绿氢，用电网电力电解制成的氢则不是。德国的雄心和目标以及大多数支持计划，针对的都是绿氢。 在全球辩论中，有时也会提到其他颜色的氢能，比如蓝绿氢，指天然气通过甲烷热解制成的氢能。本报告没有进一步讨论这方面的内容。 工艺 色码 原料 能源 传统 灰色 天然气或煤 天然气、煤炭 传统工艺+CCS 蓝色 天然气或煤 天然气、煤炭 可再生电力电解法 绿色 水 可再生能源 图1比较了前文介绍的几种生产途径的温室气体排放水平。与传统灰氢相比，绿氢有很大的减排潜力，除此之外，蓝氢的区间也特别引人注目。制氢法搭配二氧化碳捕集后剩余的温室气体排放量在很大程度上取决于上游链的泄漏率和捕集率，这会影响氢能的价格。这些假设和不确定性坚定了德国关注绿氢的决定。 图1不同制氢途径的温室气体排放量 温室气体排放量 [千克CO2eq/千克H2] 3025 20 15 10 5 Grey(Coal) Grey(NaturalGas) Blue(Coal) Blue(NaturalGas) Green(REElectricity) 0 注：阴影区域代表不同参考文献或同一参考文献中不同情况下的排放量。实心填充区域代表引用结果的下限（依据[2,5,6]）。 与欧盟一样，德国也制定了远大的气候目标，到2045年工业和能源部门以及运输和建筑部门的所有经济活动实现气候中和。虽然德国电力部门已经从可再生资源获得了近一半的能源，但其他部门仍有许多工作要做。由于合成气等可再生原料的产能有限，亟需进行跨部门耦合。德国政府正在努力实施道路运输电气化，尤其是客运电气化，纯电动汽车是重点关注对象。住宅楼供热和工业应用也可以全面实现电气化。但是，目前的技术水平无法使化工行业等其他部门，或者海运和航空等特种运输应用行业实现电气化。 在这方面，绿氢提供的解决方案既可以显著减少排放，也不需要从根本上改变应用或工艺。 德国2020年6月出台的国家氢能战略计划中提 到：到2030年，德国国内电解槽容量达到500万千瓦， 2040年达到1000万千瓦。德国政府2021年12月 签订的联盟协议中，这个目标变成了：到2030年， 将实现1000万千瓦的电解槽容量，较原先翻了一番。如图2所示，2030年的预期需求为640~1100亿千瓦时，2045年为3920~6570亿千瓦时。预计到2030年，德国国内的产能只能满足约15%的需求。 从欧洲和其他国家进口是必然的选择。从图2可以看出，这种需求的构成范围很广。虽然一些能源方案对 氢能有较高的需求，但其他方案预计对氢能衍生物，即所谓的电转X产品（简称PtX）的需求更高。 欧盟2020年7月出台的氢能战略提出目标： 到2030年电解槽容量达到4000万千瓦，可再生氢 的产量达到4000亿千瓦时。作为综合能源系统的基本组成部分，氢能和PtX的重要性将不断提高。到2050年，氢能生产可能要消耗欧盟约四分之一的可再生电力。 德国的氢能战略没有明确限制氢能的使用，其首先关注的是氢能在化工、钢铁、物流和航空业的应用，例如制定脱碳战略。不过，德国政府也正在推广燃料电池加热设备在建筑内的安装。在化工部门，目前使用灰氢工艺，如上所述，灰氢工艺将转换为低排放的替代工艺。此外，德国还设定了目标，分析哪些行业有副产氢，如何让副产氢可以被利用，以及哪些行业可能出现产能过剩的情况。 目前，中国的氢能需求量占全球需求的三分之一，氢能年产量达3300万吨，是最大的制氢国。和德国一样，中国在化工、炼化和冶金行业也会用到氢能。 2022年，中国发布了“氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）”，根据规划，2025年绿氢的生产量将达到10~20万吨。原则上支持氢能发展，对绿色产物的关注则要等后期再确定。由于定义不同且根本目标的差异巨大，因此很难比较中德两国的规划和潜在目标。这也是本报告主要侧重通过绿氢载体 （如氢气），在工业和特定交通领域促进部门耦合的原因。 2050年，中国对可再生氢的需求可能达到1亿吨。这意味着，2050年中国的需求将占全球氢能需求的22%。为了满足这一需求，中国正在扩大电解槽容量，根据预测，2030年中国电解槽容量将达3800万千瓦左右。中国最大的氢能促进组织（中国氢能联盟）甚至发布了2030年达到1亿千瓦的目标[8]。但是，和德国一样，中国目前规划和运行的工厂数量不足以达到这些目标[9]。 墨卡托中国研究所发现，为了扩大市场，中国将聚焦四大支柱： 1）研发投资 2）地方和省级政策支持 3）项目开发 4）工业积累[9] 除了已知领域的应用，氢能还可以在未来的能源系统中承担更多其他任务。氢能使可再生电力可以存 储更长的时间，进行更远距离的输送，使电力系统与能源系统挂钩，增加系统韧性。 因存储容量大，氢能应用还可以为电网提供系统服务。通过智能控制电解槽，可以平衡峰值负荷，减少电网压力，避免可再生能源工厂停工。此外，还可以通过燃料电池将氢能重新转化为电