商业升空的途径 ： 清洁氢气

商业升空的途径：清洁氢气 March|2023 本报告是作为美国政府机构赞助的工作说明而编写的。美国政府及其任何机构，或其任何雇员，均不对所披露的任何信息、设备 、产品或过程的准确性、完整性或有用性作出任何明示或暗示的保证，或承担任何法律责任或责任，或表示其使用不会侵犯私人拥有的权利。本文提及任何特定的商业产品、工艺或服务的商品名、商标、制造商或其他不一定构成或暗示其由美国政府或其任何机构的认可、推荐或青睐。 作者在此表达的观点和意见不一定陈述或反映美国政府或其任何机构的观点和意见。 评论 请注意,所提供的输入和反馈应遵守《信息自由法》。 Authors 清洁氢途径商业升空的作者：技术过渡办公室：汉娜·默多克清洁能源演示办公室：杰森·蒙斯特 氢和燃料电池技术办公室：SunitaSatyapal,NehaRustagi 阿贡国家实验室：AmgadElgowainy 国家可再生能源实验室：MichaelPenev 能源部跨领域领导商业升空工作的途径：清洁能源演示办公室：大卫·克兰，凯利·康明斯，梅丽莎·克莱姆巴拉技术过渡办公室：凡妮莎·陈，露西亚·田 贷款计划办公室：JigarShah,JonahWagner Acknowledgements 作者想感谢阿贡国家实验室和麦肯锡公司的分析支持；以及在准备这条商业升空之路的过程中提供的宝贵指导和投入： 清洁能源演示办公室：卡特里娜·皮利，凯瑟琳·克拉克，吉尔·卡波托托，托德·施拉德，萨玛·科夫瓦利，埃里克· 米勒，安德鲁·道森 技术转型办公室：斯蒂芬·亨德里克森，凯瑟琳（凯特）斯科特，马科斯·冈萨雷斯·哈沙，詹姆斯·弗里茨，爱德华·里奥斯 贷款计划办公室：RamseyFahs,JulieKozeracki,EdDavis,DineshMehta,MoniqueFridell,MikeReed,ChristopherCreed 政策办公室：卡拉·弗里施，史蒂夫·卡帕纳，贝托尼·琼斯，埃尔克·霍德森，科林·库尼夫，安德鲁·福斯，保罗 ·多诺霍-瓦莱特，奇卡拉·昂达，玛丽·菲奥里 氢和燃料电池技术办公室：埃里克·米勒，杰西·亚当，迪米特里奥斯·帕帕杰奥科普洛斯，内德·斯泰森，布莱恩·亨特，麦肯齐 ·休伯特 能源效率和可再生能源办公室：亚历杭德罗·莫雷诺，保罗·斯皮森，阿维·舒尔茨，贝卡·琼斯-阿尔伯斯，迈克尔·贝鲁贝，布莱恩·坎宁安，卡罗琳·斯奈德，杰伊·兹杰拉德，伊恩·罗 化石能源与碳管理办公室：BradCrabtree,JenWilcox,NoahDeich,MarkAckiewicz,DavidAlleman,TimReinhardt,RobertSchrecengost,EvaRodezno 经济影响和多样性办公室主任：ShalandaBaker,TonyReames,JamesStrange 高级研究计划局-能源：JackLewnard,JamesZahler 国际事务办公室：JulieCerqueira,MattManning 总法律顾问办公室：AlexandraKlass,AviZevin,NarayanSubramanian,BrianLarly,GlenDrysdale 首席财务官办公室：肖恩·詹姆斯 国会和政府间事务助理秘书：贝卡·沃德 致谢（续） 印度能源政策和计划办公室：WahleahJohns,AlbertPetrasek 联邦能源管理计划办公室：MarySotos,NicholeLiebov 先进制造办公室：IsaacChan,PaulSyers,FeliciaLucci,NickLalena,EmmelineKao核能办公室：凯蒂·霍夫，爱丽丝·卡波尼蒂，杰森·马辛科斯基，艾莉森·哈恩电力助理部长：迈克尔·佩辛 科学办公室：哈里特·孔、安迪·施瓦茨、琳达·霍顿、克里斯·费科、劳尔·米兰达 太阳能技术办公室：GarretNilsen 科学与能源技术团队（SETT）：RachelPierson,KellyVisconti 阿贡国家实验室：AymericRousseau 国家可再生能源实验室：MatteoMuratori,CatherineLedna,LingTao 目录 执行摘要1 第1章导言和目标6 第2章现状-技术和市场9 第2.a节：技术景观9 10 中游：分销和存储14 18 22 第2.c节：技术经济学25 第3章：商业规模之路31 35 36 38 39 42 45 45 48 49 52 第4章商业化面临的挑战和潜在的解决方案56 第4.a节：价值链上的挑战和考虑因素概述56 63 第5章：指标和里程碑68 第6章：建模附录71 数字表102 参考文献103 本报告的目的 这些商业升空之路报告旨在建立共同的事实基础，并围绕关键清洁能源技术的商业升空之路与私营部门进行持续对话。他们的目标是在整个技术价值链中促进更快速和协调的行动。 执行摘要 美国清洁氢市场有望快速增长在氢中心的资助下，根据《通货膨胀减少法案》（IRA）加速了多项税收抵免，包括氢生产税收抵免（PTC ），DOE的氢射击以及公共和私营部门的脱碳目标。1,i氢可以在全球能源相关二氧化碳排放的25％中发挥作用，特别是在工业/化学品使用和重型运输部门。ii实现商业升空将使清洁氢在国家的脱碳战略中发挥关键作用。 对美国清洁能源经济的历史性承诺将加速清洁氢市场，包括《降低通货膨胀法案》（IRA）和《基础设施投资与就业法案》（IIJA）中的股票。这些供应方激励措施加在一起，可以使清洁氢在未来3-5年内与现有技术在众多应用中具有成本竞争力。2氢的部署是一个机会，可以为美国各地的社区带来好处，包括高质量的工作，气候效益和减少的空气污染。与所有新技术一样，在实施过程中必须格外小心和关注，以确保部署不会使能源系统中现有的不平等现象长期存在。 满足国内需求的清洁氢气生产有可能从每年<100万吨（MMTpa）扩大到2030年的〜10MMTpa.iii大多数近期需求将来自将现有最终用途从目前的约10MMTpa的碳密集型氢气生产能力过渡。 如果水电解作为生产方法占主导地位，到2030年将需要多达200吉瓦的新可再生能源来支持清洁的氢气生产。3根据美国能源部国家清洁氢战略和路线图，到2050年，美国清洁氢的机会是50MMTpa。4,iii 扩大市场规模将需要继续努力应对需求方面的挑战。例如，扩大中游基础设施规模将大大降低在同一地点的生产和承购之外的氢的交付成本，改善项目的商业案例并加速清洁氢的吸收。提振需求和释放长期承付资金将支持目前氢生产项目公告的扩散，并帮助这些生产项目达成最终投资决定（FID ）。 1定义为碳强度<4kgCO2e/kgH2 2请参见第2章和第3章，以检查从现有技术到清洁氢气的最终用途的盈亏平衡时间。注意，一流项目的盈亏平衡并不表示所有转换为清洁氢气的项目在未来3-5年内都会出现盈亏平衡（参见图15和27-建模附录），以评估一流项目与一系列项目。 3假设太阳能和风能GW的装机容量相等。容量因素基于NREL年度技术基线5级陆上风能（45％）和公用太阳能（27％）。范围包括PEM和NREL氢分析（H2A）生产模型的碱性电解槽效率。200GW代表了一个很高的情况，在 2030年生产的90%以上的家庭清洁氢气是通过水电解生产的。电解的清洁能源也可能来自核能等来源。 4相当于目前国内天然气消费量的~1/10 在目前的政策环境中，清洁氢气的商业“升空”预计分三个阶段进行： •近期扩张（~2023-2026年）：在PTC的加速下，清洁氢气取代了当今的碳密集型氢气，主要用于工业/化学品使用案例，包括氨生产和炼油。5这种转变将主要发生在位于同一地点的生产/需求地点或具有预先存在的氢基础设施的工业集群中。同时，在DOE为区域清洁氢中心提供的8B美元资金的推动下，首创（FOAK）项目有望破土动工，这将促进共享氢基础设施的新网络。 •工业规模（~2027-2034）：在规模经济和研发的推动下，氢气生产成本将继续下降。在此期间，私人资助的氢基础设施项目将上线。这些投资，包括中游分销和存储网络的建设，将连接更多的生产商和承购商，降低交付成本，推动清洁氢在新领域的采用(例如。Procedre，基于燃料电池的运输)。与此同时，到2035年，可能需要氢燃烧或燃料电池来实现政府100%清洁能源的目标。6有各种各样的预测表明氢在电力部门中的作用，无论是高容量公司，低容量因子功率还是季节性储能-有关更详细的情况，请参阅报告。 •长期增长（~2035+）：PTC到期后，自我维持的商业市场将受到交付成本下降的推动，原因是：7 A.低成本，清洁电力的可用性（用于电解）， B.设备成本下降， C.可靠的大规模储氢，以及 D.分销基础设施的高利用率，包括将氢气从低成本生产区域转移到需求集群的专用管道。8 为了在PTC到期后实现盈利，需要在未来10-15年内降低成本。由于氢的众多最终用途，capex/opex盈亏平衡将根据最终用途而有所不同。今天到2030年，行业预计电解槽资本支出将出现大幅成本下降(例如。Procedre，今天〜$760-1000/W，到2030年，未安装的碱性电解槽的预计为 $230-400/W，从$975-1,200/W到未安装的PEM电解槽的〜$380-450/W）。通过电解获得的低成本清洁氢气也将取决于低成本清洁电力 (20美元/MWh)的充足可用性，这将需要与市场对清洁氢气的需求并行扩展。9,10这些成本下降转化为氢气生产成本(不包括PTC)从目前的3-6美元/千克降低到2035年的1.50-2美元/千克。这些2035年的预期成本下降略高于DOE的氢气射击，该计划根据拉伸研发目标设定了到2031年1美元/公斤的雄心勃勃的目标。根据电解槽的类型和高容量因子清洁能源的可用性，一些项目可能会达到氢弹目标（2031年无PTC时1美元/千克），这将进一步加速升空。 氢输送的成本下降对于直接使用氢的运输最终用途（如燃料电池动力车辆）也至关重要。 5碳强度<4kgCO2e/kgH2 6此外，一些私营部门计划将涡轮机与氢气共同燃烧7见第3章 8该报告提到氢“分布”是指氢分子的运动，无论运动的规模或方式如何。 9根据彭博新能源金融和氢理事会对碱性电解器的预测。附录中包含了额外的假设细节。报价数字是系统资本支出，不包括安装成本。 10请注意，成本下降不仅仅取决于这些因素-有关成本动因的详细信息，请参阅第2章和第3章 随着清洁氢价值链的成熟，项目和采用风险将下降。解决以下商业化挑战将解锁随后的每个增长阶段： •近期扩张：中游基础设施的成本将与供需不在同一地点的用例高度相关。11缺乏管理数量/价格风险的长期承付合同，规模成本/性能的不确定性，许可挑战以及异构的商业模式可能会延迟FOAK项目的融资。12电解槽供应链、二氧化碳分配和储存基础设施以及熟练的氢气劳动力都将面临扩大规模的压力。 •工业缩放:如果不能更早解决，在工业规模扩大期间，上述面临的增长挑战将加剧。清洁电力部署的步伐将是制氢技术组合的关键驱动力。如果受到限制，碳捕集与封存（CCS）的改革将占主导地位（2050年氢气产量的80％，而高可再生能源的情况下为50％）。13 对于水电解，清洁电力的可用性和电解器组件/原材料的瓶颈将在增长速度中起关键作用。如果电解项目在IRA信贷期内未能扩大规模，则在没有税收抵免的情况下，电解可能无法实现必要的学习曲线以保持竞争力。 转换为清洁氢气的每个部门也将有自己的机遇和挑战。例如，燃料电池重型卡车的采用将高度依赖于加油基础设施的建设，燃料电池车辆技术的进步，氢供应的确定性以及替代方案的成本（例如。Procedre，柴油，电池电动汽车及其相关的充电基础设施成本）和监管驱动因素 。在融资方面，氢气项目的信用风险将很高，而这些挑战仍未解决，这延迟了低成本资本提供者进入市场的时间表。 •长期增长：PTC到期后，竞争力将取决于IRA信贷期实现的生产和分销成本下降。还需要