脱碳能源系统中的氢气（英）

脱碳能源系统中的氢 本报告由氢能委员会与BaringaPartnersLLP合作撰写。报告的作者确认： 1.报告中没有任何建议和/或任何措施和/或轨迹可以解释为报告中提到的研究参与者之间的标准或任何其他形式的（建议的）协调，这将违反欧盟竞争法;和 2.他们无意采取任何这种形式的协调。虽然报告的内容及其对行业的抽象影响通常可以在准备好之后进行讨论，但各个策略仍然是专有的，保密的，并且每个参与者都有责任。请与会者注意，作为氢能理事会不变做法和欧盟竞争法义务的一部分，这些战略和机密信息不得共享或协调，包括作为本报告的一部分。 2 来自此报告的关键消息 除了使难以减弱的部门脱碳之外，氢还带来了系统的好处 •资源丰富的地区需要优先考虑通过氢气管道将可再生资源连接到需求中心 •资源贫乏地区需要专注于最大限度地提高有限可再生能源的价值，并可以使用减少的电力来制造氢气 •孤岛电力系统需要格外注意灵活性，电解槽和氢气涡轮机可以提供 可再生氢气生产将增加能源系统的灵活性，从而降低脱碳成本 •电解槽可以响应市场价格，以帮助缓解依赖高水平间歇性风能和太阳能的系统中的供需紧缩 •当可再生负荷较低且能源需求较高时，氢对动力提供了应对一年中最具挑战性的部分的弹性。它补充了电池和CCS在这方面的作用 网络基础设施和合理的市场设计规则是使用氢气脱碳的关键推动者 •氢气和二氧化碳管道将实现生产，而储存是释放灵活性优势的关键 •允许电解槽响应价格将确保降低整体能源成本和减少价格波动 到2050年，德克萨斯州的电解槽产能 电解槽为可再生能源项目增值 2050年通过中欧和西欧管道输送的氢气 德克萨斯州氢基础设施投资 确定的系统的年度 “灵活性”收益 德克萨斯州需要转换、网络和存储基础架构 氢气的许多额外系统好处都存在于电力系统中灵活性是一个挑战：在三个对比的能源系统中，氢增加了灵活性并降低了电力系统的成本 Japan Texas CW欧洲 氢的年度电力系统效益 净零 2050系统 60亿美元25亿美元59亿美元 氢发电份额 14%3%1% 灵活功率容量的氢份额 57%9%11% 来源：脱碳能源系统研究中的氢 3 脱碳能源系统中的氢氢理事会，Baringa合作伙伴 评估的三个区域的关键信息 Texas Japan 氢可以使德克萨斯州继续成为能源出口国，同时采用可再生和低碳氢生产，以利用相对低成本的太阳能，风能和天然气资源以及碳封存潜力。 可再生氢气生产的增长意味着电解槽和氢-功率峰值器可以帮助稳定电力系统，需要更少的电池和天然气燃烧，为间歇性风能和太阳能的每个单位提供灵活性。如果激励措施的结构适当，这不应该需要时间相关规则，因为价格本身应该促进电解槽在系统最好的时候运行。 低碳氢为脱碳可能导致的天然气产量下降提供了一些保险。管道和存储基础设施的再利用将通过延长资产寿命带来好处，避免网络基础设施搁浅。 在低或高天然气价格的情况下，中欧和西欧的可再生和低碳生产都有作用，尽管每种价格的份额将取决于长期天然气价格是否与液化天然气进口或管道天然气更紧密相关。为了快速扩大产能，需要“无悔”地发展储存和运输基础设施。 中欧-西与其他地方相比，氢在日本脱碳过程中占的比例更大，因为本土可再生资源更加有限。这将需要大幅扩大港口空间-相对于今天， 欧日本将需要三分之二的终端占地面积，以应对液态和气态氢的储存 要求，并在缺乏地质储存潜力的情况下提供灵活性。 59亿美元 允许电解槽响应市场电力价格将降低系统成本，而不是迫使电解槽连接到单个可再生能源资产。旨在防止市场扭曲的额外性和时间相关性等生产规则通过降低来自氢气的系统内的灵活性来增加系统的总成本，从而迫使其他灵活性来源过度建设。 氢和氨等衍生燃料将提供日本电力系统脱碳所需的灵活性，同时开发可再生风能和太阳能。日本有限的可再生资源意味着氢和氨在提供灵活、可调度的电力方面将比电池更重要，特别是在可再生资源最稀缺的东京、中部和关西等地区。 利用风能和太阳能产生的多余电力运行的电解槽可以为可再生能源项目增加价值，同时仍然生产与进口价格相匹配的氢气。相对于进口，这种国内氢气生产将发挥次要作用，但将使日本更多的可再生能源产能可行 2470亿美元 到2050年在德克萨斯州的氢基础设施投资 25亿美元 到2050年，得克萨斯州电网的电解槽和峰值器的年度收益 50亿美元 延长天然气基础设施寿命以促进氢气的累积效益 2.5-3.4公吨 到2050年欧洲的电解槽产能 年度系统受益于允许电解槽自由运行 2/3 与今天相比，需要额外的港口码头占地面积以适应燃料进口 60亿美元 年度系统受益于氢和衍生燃料发电 10–15% 可再生能源项目的额外价值向电解槽出售减少的能源 4 脱碳能源系统中的氢氢理事会，Baringa合作伙伴 Introduction 5 报告的上下文 氢在电，气体和液体能量流之间建立了更强的联系，从而带来了均衡成本中未体现的收益 世界能源系统仍然以化石燃料为基础，要么直接燃烧，要么转化为电能。随着我们的能源系统脱碳以实现限制全球变暖的共同目标，这些燃料将越来越多地通过电气化被取代。然而,难以通电的部门将继续需要液体和气体燃料,并且这些燃料可以使用氢气来生产。 为了发挥这一作用，氢燃料必须是可持续的。这意味着氢将由太阳能、风能或核能通过电解水制成，或者由天然气使用碳捕获和封存基础设施制成。如果不用于直接提供灵活可靠的能源，氢将使用循环二氧化碳或氮处理成液体燃料。 氢的存在将通过提供电、气体和液体能量介质之间的桥梁而导致跨能量系统的更强链接。这些联系将使可再生能源发电充足的地区能够满足可再生能源较为有限的电力、供热、工业或运输部门的能源需求。然而，它们将对电力部门提供额外的需求，以服务于燃料的生产。 因此，氢提供的好处和挑战将取决于系统是能源的净出口国还是进口国，以及它已经通过现有的电力，气体和液体燃料网络连接到其他系统的程度。 以前的研究，包括我们的氢零报告，已经评估了氢作为低碳燃料的直接减排潜力。在本报告中，我们通过证明无论系统类型如何，引入氢基础设施都具有可量化的系统收益，这些收益超出了使用氢衍生燃料与下一个最佳替代燃料的“水平成本”价值。 我们通过考虑连接电力，气体和液体系统所产生的系统影响来做到这一点，特别是在为更广泛的能源系统提供灵活性，安全性和弹性方面。这些好处历来是由液态和气态燃料提供的，它们本质上比电力更灵活，更易于管理。 图表1：今天的概念能源流动与脱碳能源系统 今天的能源系统 能量矢量之间的 小互连 未来能源系统,氢可以 实现广泛的互连 固体燃料 Renewables 和核 生物质煤炭 气体燃料 低碳氢 天然气 油 电力 液体燃料 油天然气 可再生能源 和核能生物质 煤炭 固体燃料 电力 气体燃料 液体燃料 6 脱碳能源系统中的氢氢理事会，Baringa合作伙伴 专注于三个对比系统 该报告通过分析三个不同的区域能源系统，提供了有关能源系统演变和氢的好处的见解 能源系统具有不同的基础和不同的脱碳起点，这影响了它们的首选途径。为了突出系统脱碳过程中的演变以及氢对系统的好处，我们评估了三个具有对比特征的区域系统。通过将每个地区的能源系统建模为一组具有自己的资源潜力，需求和价格的区域，我们表明每个系统都将以不同的方式发展，但每个系统都突出了氢带来的系统好处。 图表2：研究的三个能源系统的基本原理 Texas Japan 德克萨斯州资源丰富，网格化，需求集群远离资源区 ●生产25%的美国天然气1，超过美国石油的40%，并建设了美国28%的风力发电能力2 ●太阳能，风能和天然气需要从农村地区转移到东部和南部需求的“德克萨斯州三角”，那里的GDP占GDP的70％以上 ●德克萨斯州和路易斯安那州的能源出口在2022年达到3150亿美元，占美国能源出口的83％4) ●目前有可能出口9公吨的氢气和衍生产品陆地和海洋燃料2 日本是一个孤岛系统，将严重依赖进口来支持有限的太阳能和风能资源 ●该国88％的主要能源供应是煤炭，天然气或石油，所有化石燃料中有98％以上是进口的。国家天然气网最少 ，但世界上最大的液化天然气进口能力 ●有限地获得陆上可再生能源或地质二氧化碳封存，以帮助重工业和电力脱碳 ●超过30%的政府30-45吉瓦海上风电目标计划在日本能源最少的北海道 德克萨斯州天然气管道今天 日本可再生能源供应目标和需求中心 增加海上风电目标增加电力 密集区域 需求 中西欧（德国，比荷卢和法国）高度相连，将依靠进口和国内资源来脱碳 ●如今，中西欧拥有60吉瓦的电力连接容量-占平均需求的43 ％3 138.0 ●通过四大走廊进口的氢和衍生燃料的比例将从2030年的14%上升到2050年的86%。2 然气储 西欧中部 ●到2035-2040年将净零功率系统作为目标，但今天依赖32% 的化石燃料来满足能源需求 ●欧盟的能源监管日益统一，但成员国之间不同的系统愿景 天存电0力.1存天数储日 来源：1）EIA（2021），2）美国清洁电力协会（2023），2）全球氢贸易流量（2022）3）Baringa电力市场报告(2023)4)美国劳工统计局 7 脱碳能源系统中的氢氢理事会，Baringa合作伙伴 能源系统分析导论 能源系统的长期演变是在与我们以前报告中提出的氢需求和全球贸易愿景一致的情景下建模的 了解能源系统的好处需要能源系统模型，可以模拟整个系统的需求如何满足长期和短期的基础上。需要考虑数小时，数天，数周和数年的供需状况，以及现有基础设施的继续或退役的影响。我们采用了一个建模平台，该平台以今天的系统为起点，然后确定满足系统需求的最佳基础设施组合，然后模拟该系统如何在30多年的时间范围内满足每小时的需求。 本报告中的分析重点是“传输”级系统，目的是为州或多州级的基础设施决策提供信息。在选择正确的脱碳途径时，与最后一英里交付和在都会区基础设施实现能源转型相关的“分配”级别问题同样重要。它们提出了挑战，例如如何扩大零排放重型车辆加油规模，而液态和气态燃料可能比电气化更容易解决。与大多数公民基础设施规划模式一样，它们需要不同的，量身定制的系统分析，而不是评估整个地区或大国所需的系统分析。 图表3：能源系统研究的情景假设 系统演化的基本情况情景-我们的基本情况情景建立在我们之前的报告的基础上，该报告详细介绍了整体氢需求，氢贸易方向（全球氢流量）以及我们对年度氢价值链各要素成本的看法。 使用先前工作的参考方案作为起点，我们模拟了到2050年，氢，电力和气体组合系统将如何发展以满足预期的氢需求水平以及更广泛的系统中更广泛的能源需求和排放目标。我们假设系统在这一点上达到深度脱碳，并且通过供热和运输的电气化，电力需求都稳步增长，而天然气需求在2030年代达到峰值，然后下降到2050年。 对于中西欧，我们还测试了高油价情景，即来自俄罗斯的天然气不会返回，因此进入欧洲的价格反映出对美国和中东液化天然气的更高依赖，与发展中天然气需求的持续增长竞争市场。 我们的2050基本情况假设 潜在氢需求 %已导入(已导出) 能源系统排放 RenewableLCOE 排放量价格 天然气价格 Texas 16公吨 (55%) 净零 18-96$/MWh 158$/tCO2 2.0$/mmbtu CWE 33Mt 86% 净零 30-84$/MWh 250$/tCO2 4.3$/mmbtu Japan 25Mt 100% 净零 80–183$/MWh 207$/tCO2 4.2$/mmbtu 额外的“高油价”测试案例 CWE 33Mt 80% 净零 30-84 250 10.5 $/MWh $/tCO2 $/mmbtu 评估系统收益-为了确定系统收益，我们将我们的基本情况场景与特定资产或行为受到限制的测试场景进行比较。然后比较每个场景的单位能量总系统成本以得出系统收益。 有关