海湾地区的绿色氢机会

2023 May 海湾地区的绿色氢机会 Susta中的a Al-Attiyah基金会 Al-Attiyah基金会自豪地支持： 可持续性 研究论文 INTRODUCTION 02 绿色氢可以帮助炼油厂，钢铁等难以减弱的行业脱碳 andheavydutytransportandthechemicalindustry.TheGulfregioniswellpositionstoestablishitselfasithascheapandexistyrenewableenergyresourcesandislocatedintheneeds 什么是绿色氢,其当前和未来对全球可持续发展的贡献是什么? 海湾地区目前存在哪些氢政策框架？ 这篇研究论文是 Al-Attiyah基金会每年出版为期12个月的系列文章。每篇深入的研究论文都集中在基金会成员和合作伙伴感兴趣的当前可持续性主题上 。这12篇技术论文分发给成员、合作伙伴和大学，并在基金会网站上提供。 •绿色氢可以帮助炼油厂，钢铁等难以减弱的行业脱碳 重型运输和化学工业。 •预计到2050年，今天的氢需求将增长五倍，这将为 可再生能源丰富的地区，如海湾国家。 •由于各种原因，海湾地区处于有利地位，可以将自己确立为氢枢纽： o它拥有廉价而丰富的可再生能源资源。 o它在地理上位于主要氢气附近欧洲和亚洲等消费中心。 o它拥有开发大型销售能源项目的经验和基础设施以及财务手段。 o廉价的绿色氢气的国内生产可能会吸引其他地区的能源密集型产业，这有助于一个国家经济的多样化。 •更严格的全球气候承诺可能会大大减少该地区因化石燃料出口而产生的收入，并对各国经济产生相关影响。 •关于不同的制氢技术，海湾国家有不同的方法。阿曼专注于生产绿色氢气，卡塔尔选择蓝色氢气，阿联酋和沙特阿拉伯计划在这两种选择之间取得平衡。 •全球吸收氢需求对海湾国家来说是一把双刃剑。由于对化石燃料的需求下降，这可以被视为该地区的重大经济风险，但它也为可持续的经济多样化带来了巨大的机会，并将该地区定位为生产和出口绿色氢的世界领导者。 Background 04 气候变化是我们时代最重大的挑战之一。世界正面临着前所未有的气候模式变化，对自然生态系统、人类生计和全球经济增长产生潜在的破坏性影响。减少碳排放和向可持续能源转型的紧迫性已成为 全球许多国家和地区的首要任务（UNFCCC2023） 。在这种情况下，绿色氢已成为脱碳的有希望的解决方案，特别是在重工业和重型运输以及航空和海上运输等难以减弱的领域（IEA2022）。 由巴林，科威特，阿曼，卡塔尔，沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国（UAE）组成的海湾合作委员会（GCC）是一个 世界上最大和最成熟的能源出口国，拥有约1/3的世界石油和1/5的世界天然气储量（SWP2022）。新兴的绿色氢市场为海湾地区带来了巨大的机遇，但也存在风险。一方面，该地区拥有丰富的可再生能源资源，包括太阳能和风能，可以用来生产绿色氢气。 为绿色氢及其衍生物的大规模出口铺平道路。此外，该地区毗邻欧洲和亚洲等主要氢消费中心，以及已建立的能源运输基础设施，使该地区成为Power-to-X（PtX ）出口的主要枢纽。然而，该地区还面临着石油和天然气需求因氢气市场的大规模增加而下降的风险，这可能会严重影响其经济(Michaelowa&Btzegeiger2019)。 海湾国家已经认识到经济多样化的重要性；许多国家已经宣布对可再生能源和 PtX技术。特别是阿联酋，沙特阿拉伯和阿曼已经发布了雄心勃勃的路线图，为亚洲和欧洲及其国内经济提供绿色（和蓝色）氢气。因此，绿色氢可以通过创造新的可持续产业，就业和出口机会来显著促进该地区的经济增长（科赫2022）。本报告详细阐述了“全球新兴的绿色氢/PtX市场为海湾地区带来了哪些机遇和风险？”。 05 氢的生产和需求 2021年全球氢气产量达到9400万吨，主要用作炼油和化学工业的原料。 大约82%的产量是由不减的基于化石燃料的生产技术满足的，大约18%是 来自化学操作的副产品-总计排放900Mt的CO2。这相当于全球温室气体排放量的大约2.5%。两个最成熟的低 碳氢生产是蓝色氢（基于化石燃料的氢与碳捕获和存储技术相结合） 和绿色氢（通过可再生能源供电的电解产生的氢） 。如今，低排放氢占全球产量的不到1％（IEA2022 ）。 到2050年，今天的氢气产量预计将增长5倍。主要需求驱动因素是运输需求-主要是重载运输以及航空和海上运输-钢铁生产，电力储存/发电以及少量的建筑部门。然而，到2021年（IEA2022），这些应用的需求仅限于40tH2左右。值得一提的是，绿色制氢是高能耗的，效率低于直接电气化。与可再生能源（例如，在家庭部门）。因此，政策制 定者的目标是优先考虑在那些可以实现最高和最经济有效的二氧化碳缓解措施的部门使用氢（IRENA2022A）。 Greenhydrogenreferredtohydrogenwhichisproducedviaelectronicpoweredbyexclusivelyrenewableenergy(RE).Thisrenewable 应新建能源，以确保当前资源不会从现有能源网格中转移，从而确保实际的排放缓解 在这种情况下，这个概念被称为额外性（IEA2022），是将生产的氢气视为“绿色”的关键标准-例如，在欧盟气候政策立法的背景下。 图1：PEM电解槽示意图 06 电解槽是一种电化学装置，通过施加恒定电流在催化反应中分解水。电解槽由两个电极(阳极、阴极)和电解质(见图1)组成。当水 分离时，氧气被吸引到阴极，而氢气被吸引到阳极 。市场上有几种不同的氢气技术。最成熟和广泛使用的是碱性和质子交换膜电解槽，两者的效率都约为60-70％，这意味着50kWh的电力是 需要生产1公斤氢气。(Abad&Dodds2020) 由于电解释放的气态氢具有非常低的能量密度，这使得其运输效率很低，成本很高，因此必须将其加工成更好的可运输形式。长距离运输氢的两种最有前途的方法 要么是通过管道压缩形式（在地理条件有利的情况下），要么是通过所谓的Haber-Bosch工艺将氮气从环境空气合成为氨，并通过船舶运输。这两种替代方案都会给氢气供应链增加巨大的成本和能源需求，应谨慎考虑（IRENA2022B）。 07 当前能源与能源出口矩阵 海湾合作委员会国家的已探明石油储量合计约占世界石油总储量的30％。海湾合作委员会国家也拥有大量的天然气资源，已探明的总储量约为。截至2019年底， 40万亿立方米，约占全球出口的13%(IRENA2019)。能源部门是海湾合作委员会国家国内生产总值的主要贡献者。2019年的石油和天然气出口约占科威特的42％ ，沙特阿拉伯的24％，阿曼的25％，卡塔尔的17％和阿联酋的GDP的16％，显示出这些国家对化石燃料出口的强烈依赖。唯一的例外是巴林和阿曼，它们的份额较低(Al-Sarihi&Masori2022)。海湾合作委员会主要能源资源的最大份额（约70％）出口到亚洲市场 （主要是中国，印度和日本）。这些国家作为客户的相关性近年来一直在增长(IRENA2019)。 海湾国家在阳光地带的地理位置为太阳能和风能等可再生能源生产提供了巨大的潜力。尽管海湾国家拥有丰富的可再生资源，但 GCC国家的初级能源需求仍然满足99％的碳氢化合物。认识到不断变化的能源格局，海湾合作委员会国家逐渐增加了对可再生能源的投资。可再生能源的总装机容量从17兆瓦上升 2011年至2020年3,271兆瓦。然而，目前可再生能源 对该地区一次能源消费总量的贡献仍低于1%。尽管如此 ，海湾国家已经为可再生能源部署设定了雄心勃勃的目标 ，目标是到2030年达到至少80吉瓦的总装机容量(Al-Sarihi&Mansouri2022)。 全球能量转移增长的挑战 08 如上所述，海湾国家在经济上高度依赖石油和天然气出口。通过收入转移，公共部门就业和公共服务部分分配给居民的大量现金流是该地区当前政府的重要支柱。然而，从石油向其他行业过渡并采用基于税收的财政体系将破坏这种模式，危及政府获得现金流的渠道，从而产生强大的惯性（Asasri2022）。 海湾国家本身以及主要进口中心的气候和可持续发展目标使得未来几十年淘汰化石燃料不可避免。这种持续的过渡给该地区的经济和政治稳定带来了重大风险。 此外，这些国家面临着气候变化的重大风险，包括沿海地区 侵蚀、洪水和盐水入侵 海平面上升。预计该地区的极端高温将恶化，导致更频繁和更强烈的热浪 此外，不断变化的天气模式将加剧现有的水资源短缺挑战（ UNFCCC2023）。 出于这些原因，海湾国家必须从化石燃料过渡，同时仍保持其作为主要能源出口国的地位。氢被认为是实现从碳密集型做法向更可持续和多样化经济平稳过渡的关键 。凭借其丰富的可再生能源资源，其在能源领域的专业知识，主要进口中心的地理位置附近以及其庞大的投资资源，海湾国家可以将自己确立为氢出口中心（Oo-Istitt2022）。 如前所述，海湾地区拥有令人印象深刻的可再生能源资源，并跻身世界上最便宜的制氢地点之列 ；预期的制氢价格为 2050年（IEA2021年）1.50美元/千克H2。图2显示了可再生能源适用性分析，该分析将可再生能源与人口密度，地形，土地覆盖和保护区等各种因素相结合。在太阳能光伏技术方面，该分析揭示了在所有海湾合作委员会国家部署的巨大潜力，在这些国家，仅利用1%的合适面积就可以产生608GW的太阳能光伏容量。同样，风力分析表明，仅利用1％的合适风力发电面积就可以转化为相当于26GW的令人印象深刻的容量（IRENA2019 ）。 Figure3showstheannualtechnicalproductionpotentialforgreenhydrogenintheGulfregion.Thisdataisexclusivelybasedonwind 速度和太阳辐射数据。可以看出，尤其是沙特阿拉伯和阿曼，以及较小范围的卡塔尔、科威特和阿联酋 生产绿色氢气的巨大潜力。在这种情况下，不考虑其他方面，例如水的可用性，与基础设施的距离或与城市或海岸的距离。如果将这些方面考虑在内，生产潜力将减少一个以上的数量级，如图4（Oo-Istitt2022）所示。然而，某些地区的水压力不一定是氢气生产的排除标准，因为海水淡化厂可以在海岸线附近生产淡水，并且仅需要占总氢气生产成本约1％的边际成本，尽管初始投资成本很高（Asasri2022）。这与海湾地区特别相关，与财政资源较少的较贫穷国家相比，海湾地区可能具有竞争优势，投资于可再生能源驱动的海水淡化设施。 09海湾国家的产氢潜力 图2：并网太阳能光伏（左）和并网风（右）的适用性分析结果 图3：理论绿色产氢潜力 图4：考虑额外制约因素的绿色氢气年产量潜力 10 关于生产价格,进行了氢生产、转化(到氨、液氢、可持续航空燃料(SAF))和从阿联酋到德国的运输的示例性计算,并且可以在图5中看到。 这里显示的价格是2023年至2050年间氢气的平均平级成本 （LCoH）。 生产成本约为103€/MWhH2。根据具体的PtX产品 ，转化和运输的显著成本在38和68€/MWh之间是增加了生产成本。 图5：从阿联酋到德国的PtX生产和运输成本的成本细分 表1：不同制氢技术的碳强度 11 尽管这项研究调查了海湾地区绿色氢的机会，但必须考虑蓝色氢 作为替代方案，特别是关于该地区丰富的天然气储量。蓝氢与灰色氢一样，由蒸汽甲烷重整过程产生，将天然气（CH4）分解为H2和CO2。为了使灰色氢成为“蓝色”，部分CO2被捕获并储存或利用。永久储存的CO2的捕获率和份额是“蓝色”氢的CO2强度的关键驱动因素。此外 ，发光强度。 特别是上游（天然气的提取，加工和运输）和下游排放（运输排放）可以对整体体现的排放产生重大影响。 来自灰色