绿色氢能对碳中和目标的作用及发展路径

ADBI工作文件系列 绿色氢能对碳中性目标的作用及发展途径 王涵、严杰、尚文龙 No.1414 2023年10月 亚洲开发银行研究所 王涵是中华人民共和国北京华北电力大学可再生能源交流电力系统国家重点实验室的讲师。严杰是中国北京华北电力大学新能源学院的教授。尚文龙是北京工业大学城市交通学院交通工程北京市重点实验室的讲师；北京交通大学交通运输学院，北京；和英国伦敦帝国理工学院运输研究中心。 本文所表达的观点是作者的观点，不一定反映亚行、亚行、其董事会或其所代表的政府的观点或政策。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性，并且对其使用的任何后果不承担任何责任。使用的术语可能不一定与亚行官方术语一致。 讨论文件在定稿并被视为已发表之前，需要经过正式的修订和更正。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续；论文的编号继续进行，没有中断或更改。ADBI的工作文件反映了一个主题的初步想法，并发布在网上进行讨论。一些工作文件可能会发展成其他形式的出版物 。 亚洲开发银行将“中国”称为中华人民共和国，将“韩国”称为大韩民国。建议引用： Wang,H.,J.Yan,andW.Shang.2023.RoleandDevelopmentPathwaysofGreen氢能towardsCarbonNeutralityTargets.ADBIWorkingPaper1414.Tokyo:AsianDevelopmentBankInstitute.Available:https:/ /doi.org/10.56506/KTBC9224 有关本文的信息，请联系作者。电子邮件：yanjie_freda@163.com 亚洲开发银行研究所Kasumigaseki大楼8楼3-2-5Chiyoda-kuKasumigaseki 东京100-6008,日本 Tel:+81-3-3593-5500 Fax:+81-3-3593-5571 URL:电子邮件: ©2023亚洲开发银行研究所 Abstract 氢能在世界能源转型中起着举足轻重的作用，尤其是不产生碳排放的绿色氢能。在未来可再生能源主导的能源体系中，一方面，绿色氢能可以作为长期储能，与具有随机性和波动性特征的可再生能源合作，从而提高可再生能源的利用率和电网的可靠性；另一方面，绿色氢能可以帮助难以通过电气化实现深度脱碳的行业减少碳排放。迄今为止，已有40多个国家和地区发布了发展氢能的战略，强调了其在促进新能源政策方面的重要性。本文对氢能的作用和发展途径进行了全面的综述。首先深入分析了绿色制氢技术的现状和发展趋势 ，以及绿色氢能的作用和应用。然后，调查了包括欧盟，美国，日本，大韩民国，中华人民共和国（PRC ）和澳大利亚在内的多个国家和地区的氢能开发政策和相关文件。本文为旨在制定氢能发展途径的国家提供了促进绿色氢的若干原则。 关键字:绿色氢能,生产技术,作用与应用,发展路径 果冻分类:O33 Contents 1.INTRODUCTION1 2.绿色制氢技术的现状与发展趋势2 2.1水电解绿色制氢技术2 2.2绿色氢气生产的未来成本3 3.绿色氢能的作用及应用领域4 3.1绿色氢能的作用4 3.2绿色氢能的应用5 4.几个国家和地区的绿色氢能开发政策及相关文件7 4.1欧洲联盟7 4.2UnitedStates8 4.3日本8 4.4大韩民国8 4.5PRC9 4.6Australia9 5.碳中性目标下绿色氢能的开发途径10 5.1欧洲联盟10 5.2UnitedStates11 5.3日本12 5.4大韩民国13 5.5PRC13 6.结论14 REFERENCES16 APPENDIX19 1.INTRODUCTION 根据英国（UK）能源和气候情报部门（ECIU）和其他组织的数据，到2021年6月初，有137 个国家提出了碳中和或净零排放目标（能源和气候情报部门，碳中和联盟和气候行动跟踪器2021） 。氢能在全球实现碳中和的途径中起着关键作用。近期，一系列重大氢能项目取得重大进展，氢能足迹遍布全球。根据Frost和Slliva的一项研究，在政府可持续发展目标的支持下，未来十年全球氢能市场将增长一倍以上。到2030年，全球氢能产量将从目前的7100万吨增加到1.68亿吨;该行业的市场 收入将从2020年的1773亿美元增加到2030年的4200亿美元（FrostadSlliva2020）。世界各国都在考虑氢基经济，以解决对碳排放、能源安全和气候变化日益增长的担忧。国际能源署预测，到2070年全球氢能需求将达到5.2亿吨（国际能源署2020）。作为应对气候变化和加快能源转型的重要步骤，越来越多的经济体越来越重视开发氢能。 根据制氢过程中是否有碳排放，可将氢分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢是通过化石燃料燃烧产生的，并在此过程中产生二氧化碳排放。目前氢的绝大部分为灰色氢，约占全球氢气产量的95%。蓝色氢气由天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。它采用碳捕获，利用和存储（CCUS）等先进技术来捕获温室气体，以减少生产过程中的碳排放。绿色氢气由可再生能源制成，例如通过可再生能源发电电解水，在生产过程中没有碳排放。绿色氢将是在以可再生能源为主的能源系统中开发氢能的主要趋势。根据Frost和Slliva最近的一份报告，到2030年，绿色氢将以57%的复合年增长率增长到570万吨(Frost和Slliva2020)。根据高盛的说法，潜在的绿色氢气市场可能会达到。 到2030年达到2500亿美元，到2050年达到1万亿美元（高盛2022）。 氢能在实现碳中和目标中发挥关键作用，许多国家和地区已经发布了氢发展战略。然而，目前还没有对未来氢发展战略进行全面审查。本研究可为尚未公布氢能发展战略的国家和地区提供参考。本文从全球主要国家和地区发展氢能的政策和相关文件入手。然后从可再生能源制氢技术和发展趋势、氢能的作用和应用领域、不同国家在碳中和目标下的氢能发展路径等方面阐述了氢能在可再生能源主导能源系统中的作用和发展路径。 2.绿色制氢技术的现状与发展趋势 目前，化石燃料生产的氢气仍然是全球氢气供应的主要来源。但在《巴黎协定》的控温目标下,可再生能源将逐步取代传统化石能源,在能源体系中占据主导地位。可再生能源的主要载体是电和氢，而作为无碳的工业原料，绿色氢能在某些应用中具有不可替代性。因此，利用可再生能源生产绿色氢，促进绿色氢的发展已成为实现碳中和的有意义的途径。 2.1水电解绿色制氢技术 绿色制氢中使用的主要技术包括水电解，光电化学，太阳能和热化学的循环耦合，生物质气化和蒸汽转化以及生物质热解（Wa，Xiog和Wag2022）。其中，电解水是最常用的技术。根据电解质材料的不同，水电解的绿色制氢技术可分为三类：碱性，质子交换膜和固体氧化物。通过水电解的三种绿色制氢技术的参数比较如表1所示（Cheg，Li和Cao2022）。 (1)碱性水电解绿色制氢 碱性水电解使用碱性溶液作为电解质。它是一种成熟的技术，是电解水制氢最经济的方法。电解质材料为20%-30%KOH溶液或NaOH溶液。这种氢气生产的优点是其设备的使用寿命长（约60,000h）和低成本（500-1,500$/W）。但是，电解效率相对较低（60％-75％），单位能耗较高（4.5-5.5Wh/m3）。此外,在生产过程中存在腐蚀性液体,从而使以后的操作和维护变得复杂。 (2)质子交换膜电解水绿色制氢 与碱性水电解相比，该制氢技术的电解电流密度可提高到10,000-30,000A/m2，电解效率 可达到70％-90％，单位能耗可降低到3.8-5.0Wh/m3。它具有体积小、响应时间快等优点,更适用于波动、间歇、随机等特点的新能源发电场景。因此，它被视为绿色氢气生产领域的一种有前途的方法（欧盟委员会2014）。然而,大多数质子交换膜由贵金属制成,导致高设备成本(1,100-1,800$/W)和使用过程中的降解问题。目前的技术尚未取得突破，难以实现大规模的商业应用。 (3)用固体氧化物电解水生产绿色氢 与质子交换膜电解水相比，该制氢技术不需要贵金属催化剂，具有能耗低（2.6-3.6Wh/m3）和能量转换效率高（85％-100％）的优点。但是，该技术需要在高温（700-800 °C）下分解水蒸气以产生氢气，目前仍处于实验室阶段。 表1：水电解三种绿色制氢工艺参数比较 碱性水电解 质子交换膜电解水 固体氧化物电解水 电解质材料20%-30%KOH或质子交换膜陶瓷(Y2O3/ZrO2) 工作温度(℃) NaOH溶液60–90 30–80 700–1,000 电解效率 60%–75% 70%–90% 85%–100% 能耗(kWh/m3) 4.5–5.5 3.8–5.0 2.6–3.6 响应速度 ++ +++ + 寿命(h) 60,000 5,000–8,000 – 设备成本（$/kW） 500–1,500 1,100–1,800 – 氢气纯度 >99% ≥99.9995% >99% 运行维护要求 复杂的 简单 – 技术阶段 实用 验证 development 2.2绿色氢气生产的未来成本 由可再生能源电解水制氢的成本包括能源生产、水电解设备和原材料(水)的成本以及其他操作和维护成本。可再生能源发电成本是影响绿色氢气成本的最关键因素，发电成本每降低0.1$/Wh，氢气成本可降低5.5$/g（欧盟委员会2020）。根据HemadoGreeEergy的数据，2020年绿色氢气生产的平均电力成本为44美元/兆瓦时，占总成本的56%；2050年生产绿色氢气的电力成本估计为17美元/兆瓦时，将占总成本的70%。此外，较低的水电解设备成本无法弥补高电价的影响（德国政府2020）。 FuturecostsofgreenhydrogenproductiongloballyandinseveralregionsareshowninFigure1.Theglobalcostsofgreenhydrogenproductionwilldecreaseyearlyfrom 4.2美元/千克（2020年）至1美元/千克（2050年）。它将低于甲烷制氢的成本，几乎与 2030年天然气制氢的成本相同，并且低于2040年火电制氢的成本。绿色氢气的生产成本在欧洲最高 ，在中东和北非最低。电力成本的差异直接导致了绿色氢成本的地区差异。 图1：全球和多个地区绿色氢生产的未来成本 3.绿色氢能的作用及应用领域 3.1绿色氢能的作用 一方面,绿色氢能可以与可再生能源合理配合,具有随机性和波动性的特点;氢气可以作为长期储能,提高可再生能源的利用率和电网可靠性。另一方面，绿色氢能可以帮助物流和工业等难以通过电气化实现深度脱碳的行业，支持碳中和的目标。此外，氢能可以为能源和燃料来源提供更多选择，以确保国家能源安全，提供更多就业机会，创造经济效益。 国家支持绿色氢能发展的主要因素包括减少排放，能源供应多样化，促进经济增长，支持国家技术开发，整合可再生能源和出口，如图2所示（美国能源部2002）。 图2：国家支持绿色氢能发展的主要因素 3.2绿色氢能的应用 绿色氢能的主要应用包括工业、能源、交通、建筑和出口。氢能应用的部署在不同国家有所不同，如图3所示(美国能源部2002)。 (1)Industry 绿色氢用于工业领域难以通过电气化实现深度脱碳的领域，应用于以下领域:1)炼油，采用加氢处理和加氢裂化去除杂质，提高中间循环油的效率； 2）化工，以绿色氢为工业原料，以绿色氢为燃料，合成氨、甲醇、甲烷等；3）钢铁 ，以绿色氢替代焦炭、天然气，多数国家在工业领域部署了绿色氢能应用。 (2)电源 随着电力领域深度脱碳要求的进一步提高，绿色氢能的主要应用如下：1）利用氢能作为长期储能，平衡可再生能源和电力需求的波动性。是电力系统中的灵活资源；2）利用氢能作为燃气轮机或燃料电池的燃料，在停电时为医院、通信基础设施等基本设施提供电力，从而提高电力系