氢的现实主义方法

氢的现实主义方法 ROBINGASTER|2024年1月 清洁氢的生产成本昂贵，运输困难，并且在几乎所有拟议的市场中都是第二或第三好的清洁能源解决方案。为了帮助推动全球绿色转型，对氢政策的现实方法必须解决所有这些实际挑战。 KEYTKEAWAYS 至关重要的是，要超越氢领域多个参与者的炒作和自身利益。我们既没有时间也没有资源浪费在那些无济于事的昂贵项目上。 美国政策制定者应该通过“P3”镜头看待氢气：主要目标应该是找到清洁氢气的途径，以实现与肮脏氢气的价格/性能平价。理论上今天是这样，但在实践中不一定。 蓝色氢投资应最小化。即使在目标行业中，蓝色氢也不是温室气体排放的全球解决方案，因为灰色氢永远不会达到P3，也可能无法有效解决温室气体问题。 绿色氢是不同的。在某些地区，对于某些应用，它可能达到P3。但这几乎完全取决于所需的可再生能源的低成本，这是关键的投入。规模经济（例如，对于电解槽）不会改变绿色氢的经济性。 大多数提议的氢市场反映了神奇的想法。它们与化石燃料相去甚远，而且通常与使用可再生能源的电气化没有竞争力。 我们没有我们需要的所有技术，因此加速围绕绿色氢的研发至关重要，强调扩大一些关键潜在市场的竞争途径，例如长期储能。 政策制定者应该支持将绿色制氢、能源和最终用户放在一起的项目，避免需要电网或广泛的交通基础设施供电的项目。 itif.org CONTENTS 主要收获1 执行摘要3 对美国的政策建议5 制氢7 蓝色氢8 绿色氢11 运输和储存氢气18 管道运输19 卡车运输氢气20 海运20 存储21 解决氢气：运输和储存的不同方法22 市场和最终用户23 氢的现有市场23 氢的新市场24 瑞士军刀脱碳39 氢39的研究议程 系统39 绿色氢40 蓝色制氢40 运输和储存40 市场过渡41 氢41的现实主义案例 避免氢陷阱42 可持续氢的潜在途径44 美国对氢的政策议程46附录：能源均衡成本48尾注49 执行摘要 世界上的氢气含量很高。能源部（DOE）最近宣布了七个新的氢气中心，由 来自《基础设施投资和就业法案》(IIJA)的80亿美元，而《降低通胀法案》为“清洁氢气”提供了无限的生产补贴。“欧洲正在加紧准备，提供类似的补贴。中国正在动员起来，要求迅速增长的电解槽行业。低收入国家也在加入氢列车：印度尼西亚，印度，菲律宾，纳米比亚和许多其他国家已经宣布了将氢生产纳入可再生能源组合的计划。 不幸的是，很多——但不是全部——氢的故事只是热空气。 正如ITIF在上一篇论文“超越力量：通过绿色转型的现实主义途径”中所描述的那样，关键的需求是可以被低收入国家采用的绿色技术;这就是所有排放量增长的地方，低收入国家只会采用在价格和性能上与现有化石技术具有竞争力的技术。1没有长期补贴的价格/性能平价（P3）是解决全球气候危机的关键基准，富裕国家的计划需要为此目的。仅仅解决富裕国家的排放问题还远远不够。 价格/性能对等 随着西方迫使全球温室气体(GHG)排放量下降，低收入国家的温室气体排放量正在快速增长，这些国家的城市化 、人口增长和经济增长都需要更多的能源。这些国家负担不起足够的补贴来实现今天的绿色发展；这就是为什么他们绝大多数仍在使用并扩大化石燃料的能源生产。他们无法为清洁能源支付可观的绿色溢价。 因此，全球采用绿色技术必须由市场力量推动，只有当清洁能源达到与肮脏能源的价格和性能平价时，市场力量才能改变世界能源结构。这就是P3-价格/性能平价。 当然，化石驱动的产品大多不会为它们创造的外部性买单。化石能源受益于包括美国在内的许多国家的补贴。在理想的世界中，这些优势将被消除，但即使在富裕国家，对高碳税或类似政策的政治胃口也非常有限。我们必须生活在我们拥有的世界中，而不是我们想要的世界。 氢经济面临的挑战是，清洁氢的生产成本昂贵，运输困难，在几乎所有提议的市场中都是第二或第三好的解决方案。 “清洁”氢气生产灰氢的成本是灰氢的三到六倍（目前占所有氢气生产的98％）。灰氢是使用化石燃料制成的，可产生8-10千克（kg）的二氧化碳（CO2)每公斤生产的氢气。2 氢颜色解释 今天有两种主要的清洁氢气：蓝色氢“，这是使用化石燃料生产的，加上碳捕获、利用和储存(CCUS)的额外步骤，以及”绿氢”，通过将绿色电力应用于水中以产生氢气和氧气而制成。与其他制造氢气的低碳方法一起，这些统称为“清洁氢气”。 其他颜色:       灰色氢使用天然气或气化煤作为原料。 棕色氢由煤气化产生，产生的温室气体最多。 粉红色氢是利用核能通过电解生产的。白色氢直接从地下矿床中提取。 绿松石氢气使用甲烷热解，并产生固体碳而不是CO2. 黄色氢通过电解使用电网中的化石电。 Bluehydrogenismadeusingthegrayproductionprocesspluscarboncaptureandeitherutilization(oftenforenhancedoilrecision(EOR)inoilfields)orlong-termstorage(CCUS).ThisintheorycapstheCO2从成本或排放的角度来看，用于氢气的CCUS尚未得到大规模验证：目前，世界上最大的蓝氢设施仅捕获约70％的温室气体排放量，远低于符合美国或欧盟补贴的“清洁”氢气所需的水平。处置捕获的CO2将是一个越来越大的挑战。 绿色氢是通过向水供电(H2O），通过电解分离出氢气和氧气。支持者认为，规模经济将降低成本，就像他们在风能和太阳能方面所做的那样，到2030年代初期，绿色氢气将比蓝色氢气便宜，到2050.3年 ，绿色氢气将与化石燃料完全具有价格/性能竞争力 不幸的是，降低风能和太阳能成本的规模经济将不适用于绿色氢气。根据DOE的制氢模型，绿色制氢成本的85 ％以上直接来自电力成本的投入。4因此，即使电解槽的成本随着规模的增长而急剧下降，这对氢气价格也没有什么影响。为了使绿色氢达到P3，可再生电力投入的成本必须非常接近零。 简而言之，绿色和蓝色氢的生产成本都比灰色氢昂贵得多，而且很可能会保持这种状态。补贴可以使数学起作用，但补贴将很大，将是长期需要的，并且在低收入国家或其他没有政治意愿或财政空间的国家中，没有指出有用的能源途径。 转向交付，氢基础设施今天非常有限。氢可以通过管道或以液化形式（在-253oC时）作为气体运输，但是旧的天然气管道很难重新利用，只能携带有限数量的氢，而新的管道价格昂贵，需要大量移动到严格指定的位置（例如，在北非之间 andEurope).Bothwouldneedcarefulmonitoring,asescapedhighlynegativeclimateimpacts(worsethannaturalgas).Deliveringhydrogenbytruckis极端昂贵。高运输成本强烈鼓励将氢气生产与最终用途放在一起的用途-就像今天的许多炼油厂和氨厂一样。 氢气市场构成第三组挑战。支持者认为，灰氢（炼油和氨）的主要现有市场将迅速转向清洁氢。他们错了。灰色氢气深深嵌入这些市场;灰色氢气工厂存在，它们以清洁氢气无法比拟的价格生产氢气，并且生产通常位于现场。在什么世界里，大公司为了采用在可预见的未来依赖补贴的未经测试的解决方案而放弃生产性和高效率的现有资产？不是这 个。 除了现有用途外，支持者还发现了大量新的用例，这些用例已经成熟，可用于清洁氢气。对于每个“难以脱碳”的部门，氢都被视为正确的解决方案。这是下一代能源的瑞士军刀。也许这就是为什么风投们已经从氢气悬崖上跌下来的原因，风投投资在2022.6年增长了50％以上 瑞士军刀是一个很棒的节日礼物，如果你在树林里迷路了，它是非常有用的，但我自己的瑞士军刀正在某个抽屉里收集灰尘。是的，它有很多用途，但它只为每个问题提供了第二好的解决方案。需要设置螺丝吗？使用螺丝刀！打开瓶子？使用开瓶器！氢气确实是瑞士军刀的能源：每次使用的第二或第三好解决方案。 通常，氢在两个方面展开斗争：例如，在公路运输中，它必须与内燃机汽车（ICE）和电池电动汽车（BEV ）竞争。法规和补贴最终可能会迫使一些富裕国家的ICE退出道路，但它们很可能会被BEV取代，而不是氢燃料电池汽车(HFCV)。在其他行业，如航空或水泥，甚至没有一个合理的案例表明，如果没有持续的补贴，氢气最终会变得具有竞争力。除了长时间的能量，没有令人信服的用例，氢无疑是最好的。 然而,可能需要氢气来大规模解决一个真实且独特的问题:非常长时间的能量储存(LDES)。随着可再生能源的普及，对LDES的需求将增长。可以找到不需要氢的解决方案（例如Procedre燃气峰值工厂，更大，更好地连接的能源电网，压缩空气存储，需求侧管理），但没有类似的现有LDES技术，氢气必须与之竞争。氢储存已经被证明是大规模和长期的，虽然燃烧氢本身并不具有竞争力，但它可能是一项重要的保险政策。可再生能源确实经历了巨大的季节性和年度变化，随着可再生能源在能源结构中占据主导地位，低产量保险将变得越来越重要。氢也许可以填补这一角色。 对美国的政策建议 在某种程度上，模具将在未来几年在美国铸造。可能会通过IRA获得巨大的生产补贴（特别是45C和45V部 分），DOE将花费80亿美元来建立七个新的“氢中心”，并且更多的资金将投入基础设施，制造供应链和研发（R＆D）。我们希望 至少某些枢纽是成功的，而这些补贴（以及扩大的研发预算）推动的产量增加使清洁氢更具竞争力。我们还希望从每个枢纽中学到的经验教训将得到广泛宣传，从而为其继任者带来更好的设计和改进的经济模式。 然而，关键问题是，这种大规模的资金注入是否会使氢-绿色或蓝色-走上P3的道路，在那里它可以期望广泛采用，并且这些技术可以传播到低收入国家，这是未来的重点气候变化。根据迄今为止的证据以及迄今为止采取的政策，这似乎不太可能。 因此，我们的建议是针对未来的政策，以及现在才推出其氢气战略的其他国家的政策。我们的分析导致以下政策结论： 1.通过P3镜头查看氢政策。如果没有通往P3的途径，富裕国家的大量昂贵补贴将不会将氢气转化为全球脱碳解决方案。确保我们资助的解决方案实际上可以在低收入国家采用。 2.规模经济不会改变绿色氢的经济学。目前还没有接近P3，生产成本绝大多数是由绿色能源的投入成本驱动的，因此即使电解槽成本的大幅下降也不会有太大的不同。应该避免主要依靠规模来实现预期成本降低的绿色氢项目。 3.最大限度地减少对蓝氢的投资。从定义上讲，这项技术的成本总是比灰色氢更高，因此在全球能源结构中没有长远的未来；事实上，任何成功都将主要阻碍绿色氢的道路。 4.不要投资于第二好的解决方案。对于大多数拟议的市场来说，绿色氢气是并且将是第二或第三好的解决方案 。各国政府应使用P3框架来帮助确定有意义的目标市场，并避免在永远不会达到P3的市场上浪费大量资源 ，包括现有市场和许多拟议的新市场。 5.我们没有我们需要的所有技术！当然，我们可以生产绿色氢，但不是在P3，不是在全球采用所需的价格和性能。因此，有针对性的研究计划是最紧迫的需求，特别是提高绿色氢的电效率，改善净水使用，并降低生命周期资本成本，特别是对于长期存储的应用。旨在进一步降低可再生能源成本的额外研发也将有助于提高绿色氢的竞争力。 6.位置很重要。“附加性”不是理论上的；它非常实用：通过电网提供的绿色能源受到电网费用和税收的严重影响，即使电力本身的价格接近零，绿色氢也没有竞争力（没有大量补贴）。并避免那些来自电网的电力，特别是在电网电力昂贵的地方。与制造绿色氢气相比，绿色电网能源也可能具有更多的排放影响。 7.避免需要昂贵的交通基础设施的项目。运输氢气既困难又昂贵。关于区域氢气设施的“网络”的幻想就是这样。政策应该支持与最终用户共同定位的项目。 8.投资氢气作为LDES。通过为LDES投资氢，专注于绿色氢的最佳案例，