清洁氢气 ： 美国货运前景

工作纸 清洁氢气：美国货运前景 约翰·费尔德曼、扎卡里·拜伦、汤姆·西尔斯 CONTENTS 执行摘要....................... .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .工.作..论.文..包.含..初.步..的.研..究.、..分.析..、.发..现.和..建.. .议.。..它.们..旨.在..激.发..及.时..讨.论..、.引..发.深..入.反..馈.. ，..并..影.响..新.兴..议.题..持.续..辩.论..。........... .............................. .............................. .............................. 建..议..引.用..：..费..尔.德..曼..，.J..，..Z..巴..里..姆.，..T... 西..尔..斯.。..20.2.3...“清..洁.氢..气.：..美.国..货.运..运.输..的.. 前.究.景..。.”.工.作.d.论.文.or.。.华.0.盛.顿.8.特.区.w.：.世.p.界.资..0.源.研.5.5 ..所..。.可..在..o.i...g./1...4.6..3.0/..ri.w...2.1..0.1.. 在线获取。 .............................. .............................. ▪ HIGHTS 氢气有望在减少货物运输碳排放的过程中，与电气化和其他清洁能源一起扮演互补的角色。 ▪美国。 氢是一种灵活的能源载体，而低碳氢在直接用作燃料或作为清洁燃料原料时，可以提供气候效益。 ▪ 氢作为货物运输燃料或能源载体的应用相对于传统和替代燃料可以大幅减少生命周期排放，尽管生产路径和最终使用条件对这些气候效益的影响程度很大。 ▪ 分销和存储面临着技术挑战以及关于泄漏和能源消耗的担忧，这 些都是氢能要想实现成本竞争力并克服的经济挑战。 提供最大的气候效益。 ▪ 氢气和基于氢的清洁能源有可能提供成熟、低成本、低碳的替代传统货运运输方式的选择。 ▪港口燃料到2050年。 ▪ 长途公路货运、海上货运、空运和铁路货运将需要清洁、能量密集型燃料，这些燃料源自低碳和零碳原料。 .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. ......... 股票，以实现近期和长期脱碳目标。 氢气和基于氢的燃料是到2050年用于长途公路货运、海上货运、航空货运以及长距离铁路货运的主要去碳化解决方案之一。 执行摘要 清洁制氢 清洁制氢技术的资金和开发正在大幅增加。在美国，基础设施投资和就业法案分配了95亿美元用于清洁氢能源生产和基础设施建设，而通货再削减法案则为低碳氢能源生产提供了生产税抵免。在全球范围内，气候目标正推动国家层面的氢能源计划与资金投入，印度、欧盟、中国和日本均增加了对氢能源生产和示范项目的资金支持。 氢在货运脱碳中的作用 氢是许多可以在货运行业脱碳中发挥作用的燃料之一。氢可以在运输业中与电气化和其他可能的低碳燃料（如甲醇 、丙烷和氨）一起扮演补充角色。这些燃料可以通过可持续生物质或氢气制成，或者通过直接空气捕捉技术从氢气和二氧化碳合成制成，因此氢可以作为直接的低碳燃料发挥作用，或者作为低碳燃料原料。 若要氢气作为经济各领域适用的低碳燃料实现其承诺，其生产必须依赖于低碳和零碳的原料及工艺流程。现今生产的几乎全部氢气来源于天然气，并主要用于炼油和化工生产作为原料。从可再生能源及低碳途径获取的氢气是成熟技术，但成本仍然较高。 氢气的分配和存储必须克服技术性和许可方面的挑战，以满足预期的氢气需求。尽管目前存在一些专门用于氢气输送的管道，但在大规模分配氢气之前，还需解决新建管道、管道改造、泄漏问题、混合标准和分离要求及技术等关键问题。使用卡车、船只或铁路运输氢气可能成为初期的氢气输送方式，直到生产量增加。将氢气生产靠近需求中心，减少氢气的运输，对于降低成本和基础设施需求至关重要。 扩大氢生产决策需在低碳能源供应与土地使用优先级的背景下作出，以期提供气候与社会福祉。大规模通过电解生产清洁氢气的部分限制可能在于无碳电力供应。然而，利用本应因用于氢气生产而被削减的可再生能源电能，可以提供一个低成本途径。这种氢气随后可以用于长期能源存储和清洁、稳定的电力生成。从生物质中生产氢气必须 成本、船上存储需求和加氢基础设施仍然是氢能在货运运输应用中面临的主要挑战。货物运输——以及更广泛的运输行业——需要低成本、广泛可用的能源来源，且能提供方便、安全的船上存储。氢气是一种重量比能量密度高的燃料，但其较低的沸点和较小的分子尺寸带来了关于蒸发损失和液化或压缩所需能量的储存挑战。基于氢的燃料和氢载体提供了配送及船上存储的解决方案，尽管成本仍然较高。 尽管近程货运有望实现电池电气化，长途重型货运可能需要能量密集、基于分子的燃料，如氢气。快速加油及使用点零排放特性使氢气成为减轻重型长途公路货运部门碳足迹的吸引性解决方案。然而，清洁氢气的获取、分布和存储基础设施，以及成本仍是广泛采用的障碍。氢气可通过燃料电池或燃烧转化为可用能源，而通过燃料电池转换更为高效且清洁。 船舶船队运营商正在通过改造和新建船只转向更清洁的燃料，同时利用氢气及其相关技术。 确保土地使用不偏离食品生产或其他重要或更高用途。到本世纪中叶，燃料被视为该领域的潜在解决方案。液 化天然气动力船舶提供了短期、低成本的温室气体减排和显著的非温室气体减排效果，这是港口的主要关注点。该领域日益严格的排放要求将需要转向更低碳的燃料或能源来源，如氢气、基于氢的燃料（如氨或其他氢载体）或电池。船舶设计的效率提高以及风力辅助推进的使用预计将进一步提供该领域的排放减少效果。 生物基或废物衍生的可持续航空燃料被视为未来几十年空运部门减碳的近中期选项。而氢气和其他基于氢的燃料有望在本世纪中叶扮演越来越重要的角色。尽管航空运输仅占货物重量的很小一部分，但该细分市场在碳排放上是货运平均水平的20倍，并且它负责运送更高价值、更轻的货物，这些货物需要较短的运输时间。为了满足航空货运运输施加的重量和效率限制，发展新型飞机设计和燃料存储技术对于减少该细分市场的碳排放至关重要。 本研究公布了所有在其低碳燃料标准下获得批准的燃料生产路径的碳强度，并在特定的美国项目层面实例中使用了这些值。此工作论文中包含的生活周期排放数据特指美国背景，除非另有说明。各种燃料类型的总拥有成本从文献中获取或使用国家可再生能源实验室的H2A：氢分析生产模型进行计算得出。对于美国的货物运输领域中氢的机会 ，我们通过同行评审的文献、行业报告、公开的网络研讨会和演讲录音以及非政府组织发布的白皮书进行了研究。还与贸易组织专家、非政府组织的运输专家及政府官员进行了访谈。 铁路货运为氢气提供了独特的短期机遇，既可以作为货运机车的备用电源，也可以作为铁路场内调车机车的主要燃料。该部分提供能源高效的长距离地面货运运输，对于大宗材料和多式联运集装箱的移动至关重要。铁路货运可能是最灵活的货运部分，因为它能够在一个火车上使用多台机车，并在指定车厢内储存燃料，而不会显著影响效率 INTRODUCTION 。氢-H2分子形式存在的氢气是一种轻质气体，每公斤含 有的能量几乎超过地球上任何其他物质。然而，在正常条件下，氢气的单位体积能量密度（体积能量密度）仅为天 然气的三分之一。它高度易燃，火焰传播速度高，并且其 关于这份工作文件 本工作论文总结了关于清洁氢能源生产与分配的关键问题 ，并识别了美国境内利用清洁氢能源于货运运输的机会与进展。近期的发展与研究为氢能源作为低碳燃料的潜力提供了新的视角。本文提供了这些讨论的最新更新及其对未来几十年乃至更长远时间内氢能源作为航空、海路、公路和铁路货运领域低碳运输燃料的意义。尽管本工作论文主要关注美国的货运运输，但在讨论涉及全球范围或国际性质的领域（如航空与海路货运）的部分，也包含了全球市场和技术发展动态，而从国际视角审视美国的进展则能提供重要的背景信息。 燃烧不会直接排放温室气体（GHG），仅产生水蒸气。然而，在氮的存在下燃烧时，会生成氮氧化物（NO）。x—一种间接的温室气体和空气污染物。在燃料电池中，氢与氧气结合产生能量，唯一的副产品是水蒸气。 氢与许多元素高度反应，使其作为还原剂（用于去除原料中的氧、硫和其他杂质）具有吸引力。在美国和全球范围内，氢主要用于炼油厂、氨和其他化学品的生产以及工业加热过程。钢铁制造过程中直接减少铁的使用是氢需求增长的一个领域（国际能源署，2019a）。2018年，运输直接使用占全球氢使用量不到0.1%。图1展示了2018年全球氢的生产和使用概况。 Methodology 对同行评审期刊、白皮书、报告、新闻文章和网络资源进行了回顾，以探讨氢生产技术及其排放特征。使用了阿贡国家实验室的温室气体、受控排放和能源使用在技术中的模型来计算文献未涵盖的生产途径的排放特征。加利福尼亚空气资源委员会 氢的化学和物理性质，以及其在使用点对环境影响极小的特点，赋予了它在多个领域（包括电力、交通和工业领域 ）脱碳广泛终端用途的潜力。图2展示了美国能源部H2@ Scale计划中氢在低碳经济中的潜在角色愿景。然而，要完全通过脱碳化任何主要行业所需的氢气量，甚至到2050年预计的氢供应量也要大得多（国际能源署，2019a）。 图1|2018年全球➴价值链 自然 gas 专用生产 Coal Oil 电力 /其他 副产品 ➴气 精炼 38MtH2 196Mtoe 69MtH2 其中<0.4MtH2用CCUS生产其中<0.1MtH2可再生能源生产 31MtH2 损失 75Mtoe 2Mtoe <0.01MtH2 4MtH2 2Mtoe 12MtH2 4MtH2 48MtH2 其中<0.3Mt H2producedwith可再生能源 26MtH 2 氨 交通运输Other 甲醇DRI Other 例如，热 需求对于纯 ➴气 需求 ➴气与 其他气体 Notes:Mtoe=百万公吨当量油；MtH=百万公吨➴；CCUS=碳捕获、利用与封存；DRI=直接还原铁。 2 资料来源:IEA2019a. 有限的供应意味着➴气价值最高的最终用途将获得市场供应的相对更大份额。近期内及长期的➴气总供给与需求及其与特定最终用途相关的价值将受到多项因素的影响，包括政策激励、生产和消费技术的学习曲线、项目融资、运输和存储基础设施建设，以及原