赛迪译丛2024年第38期（总第664期）：打造可持续的国际氢价值链报告

2024年12月2日第38期总第664期 打造可持续的国际氢价值链报告 【译者按】今年9月，国际可再生能源署发布《打造可持续的国际氢 价值链报告》。报告认为，绿氢是到2050年实现净零排放目标的关键。由于绿氢的供需存在地域差异，会产生一个横跨全球的新价值链。本报告研究了促进绿氢价值链发展的重要因素，探讨了与发展中国家绿氢生产相关的环境、基础设施、社会经济和治理等各个方面，分析了氢及氢载体的运输和贸易。本报告强调了打造国际氢价值链相关的机遇和潜在风险。提出了推动绿氢价值链可持续、降低环境风险、重视氢载体的市场建设、创造本土价值、推动全球战略合作五方面的建议。赛迪智库节能与环保研究所对该报告进行了编译，期望对我国有关部门有所帮助。 【关键词】绿氢价值链氢载体运输和贸易战略 -1- 一、绿氢价值链的发展背景 最近的能源危机、地缘政治挑战和气候灾害再次显示了世界能源基础设施和流动的脆弱性。能源（尤其是可再生能源）的运输和贸易日益成为脱碳、负担能力和供应安全道路上的最大挑战之一。因此，当务之急是创建一个稳健、可持续的国际价值链。7国集团（G7）利用多边合作努力解决这些挑战。 （一）国际合作需求 未来，可再生能源丰富、水和土地供应充足、融资成�低的地区在生产以可再生能源为基础的氢及其衍生物的过程中将具备经济潜力。而氢的需求中心可能不具备大规模生产的条件。绿氢及其衍生物在能源转型中具有重要作用，其生产和贸易将可能形成新的全球市场，涉及复杂的国际价值链。 打造可持续的国际氢价值链，需要大量的基础设施投资，并保障环境的可持续性和社会公正性。由于远距离价值链的复杂性、利益相关方之间需要密切合作、社会认知提升、长期可持续性等原因，必须对价值链评估采取整体和全面的方法。 （二）报告研究范围 �报告探讨了偏远发展中国家与未来需求中心之间的绿氢价值链。重点从经济、治理、环境以及对发展中国家的社会经济影 -2- 响等多维度进行分析。如图1所示。 01 环境 氢气生产的排放强度/温室气体足迹 电力供应 长途运输氢气载体的能量平衡 水的需求和供应 02 经济 技术经济潜力 激励计划 监管框架 氢战略和计划 03 治理 能源获取 就业和技能发展 工业发展 04 给发展中国家带来的益处 图1：可持续的国际氢价值链的选定维度和方面 二、氢的生产与需求现状及趋势 （一）需求现状与预测 G7成员国承诺最迟在2050年实现温室气体净零排放。电力行业以及交通、工业、建筑等终端用能行业需要进行全面改造。能源系统脱碳的主要驱动力包括：提高能源效率、加快部署可再生能源和直接电气化。在净零目标下，电将成为主要的能源载体，占全球最终能源消耗的一半以上。 -3- 2020 2050（1.5℃情景） 374艾焦最终能源消耗总量最终能源消耗总量（%） 353艾焦最终能源消耗总量 63%化石燃料 4%其他 在氢中的可再生份额 94% 6%生物质的传统用途 5%生物质的现代使用 12%化石燃料 16%生物质的现代使用 14%氢（直接使用和合成燃料）* 7%其他 22%电力（直接） 51%电力（直接） 28% 在电力中的可再生份额 91% 在电力中的可再生份额 资料来源：国际可再生能源署（2023a）。 图2：按能源载体分列的最终能源消耗总量：国际可再生能源署提出的1.5℃情景 氢在能源转型中发挥至关重要的作用。根据国际可再生能源 署（IRENA）的1.5℃情景，到2050年，氢和氢衍生物将占最终能源消耗总量的14%。氢气总产量将比2020年增加五倍以上。绿氢电解槽的累计装机容量到2030年将达428GW；到2050年 达5722GW，如图3所示。预计2050年绿氢所需的电力与当前 -4- 全球电力消耗量相当。 总计（拍焦）（千兆瓦） 电解槽总容量（GW）清洁氢（PJ） 注：1.5-S=1.5℃情景；GW=千兆瓦；PJ=拍焦资料来源：（国际可再生能源署，2023a）。 图3：2020年、2030年和2050年全球清洁氢供应 （二）生产潜力分析 绿氢生产的关键在于获取丰富且廉价的可再生能源，同时考 虑土地、水资源和基础设施等因素。预计到2050年，全球绿氢 的开发潜力将达到全球一次能源需求量的近20倍。随着成�与可用可再生能力之间的平衡，绿氢的潜力将随着时间的推移而改变。 -5- 贸易形式可能包括纯氢和氢衍生物，且氢衍生物贸易可能更 重要。根据IRENA的1.5℃情景，到2050年，全球约25%的氢气需求将通过国际贸易实现。其中，约55%将以纯氢形式运输， 主要集中在两个区域市场：欧洲（占85%）和拉丁美洲。其余45% 将主要以氨的形式运输。1 注：PJ=拍焦；NH3=氨；H2=氢。 资料来源：（国际可再生能源署和世界贸易组织，2023）。 免责声明：本地图仅供参考。本地图上显示的边界和名称并不意味着国际可再生能源署的认可或接受。 图4：绿氢及其衍生物：1.5℃情景下2050年的贸易预测 三、绿氢生产的环境影响 （一）排放强度 1由于这些数字是基于成本优化模型得出的，因此没有考虑更多的决定性因素，如政治稳定、能源安全和经济发展 等。 -6- 氢价值链的可持续性取决于排放强度，不同生产途径的排放 强度不同。排放强度越低，对实现气候保护目标的贡献就越大。通过生命周期评估得知：绿氢的排放强度最低；灰氢的排放强度 最高；蓝氢的温室气体排放量仅比灰氢低9%-12%。 （二）电力供应 电解制氢的碳排放取决于电力来源，使用可再生电力可确保 零碳排放。尽管现在的电网并非净零排放，但在过去的十年中，全球可再生能源在电力容量中所占的比例一直在增加，从27.2% 增加到40.2%。随着电网的进一步绿化，电制氢的排放强度将得到降低。 （三）激励措施和法规影响 近年来，各国出台了一系列的激励计划、监管框架和机制等，如欧盟的碳边境调节机制旨在为进口氢气和氢衍生产品的排放定价。美国的《通胀削减法案》则为碳强度较低的氢气生产提供资金支持。日�正处于设计�国生产和进口氢气激励计划的早期阶段，计划采用差价合约方法。还有拍卖系统和税收抵免等措施。这些将对氢的生产和消费产生重大影响。 （四）水资源供应 水是仅次于电的第二大影响因素。绿氢的水足迹小于蓝氢或灰氢的生产，但全球到2050年所需的绿氢产量仍需大量水资源。 -7- 一些地区可能因水资源短缺面临挑战，需要综合考虑能源和水资源规划。在淡水资源不足的情况下，绿氢生产可能需要采用海水淡化方法。 四、氢载体技术推动绿氢运输和贸易 氢的运输形式多样。长距离运输可以气体形式通过管道运输，也可以冷却液体形式船上运输。氢还可以转化为氨、甲醇、液态有机载氢体以液态形式运输。 （一）氨（Ammonia） 可再生氨由可再生氢和氮气通过哈伯-博世过程制成，可作为能源载体或化学原料。国际上已有一定规模的氨运输基础设施-航运和港口，未来产能将扩大10到15倍，需要在储运方面加大投资。但氨是危险化学品，具有腐蚀性和毒性，在整个运输链需最大限度地降低泄漏风险。 在风光资源丰富的地区，可再生氨的成�约为720美元/吨。 预计到2030年，成�将降至480美元/吨，到2050年降至310美元/吨。 （二）液氢（Liquidhydrogen） 氢可通过林德循环或焦耳-汤姆孙膨胀循环法液化，在零下 253℃储存。氢通过船舶运输，成�非常高。目前，世界上♘有 -8- 一艘船2能够运输液氢。为满足全球液氢需求，液化厂、储罐、船舶和再气化装置等设施须新建。液氢的储存风险较小，复杂的隔热技术是关键。 液氢的低温控制成�高。因此液氢所需的投资是其他载体（如液态有机氢载体）的两倍。当制氢规模增加到每年10万吨时，成�将降低约75%。这种规模仍不足以实现价值链的商业化。 （三）液态有机氢载体（LOHCS） LOHCS可通过加氢和脱氢反应运输氢，主要利用现有的基础设施-油罐、卡车和船♘等。随着化石燃料的逐步淘汰，原�的油轮可以重新利用。LOHCS无毒、无爆炸性，但对水生环境有害。 LOHCS是专用化学品，产量有限。需要扩大产能才能满足新市场的需求。初期投资高。 （四）甲醇（Methanol） 可再生甲醇可由生物质或二氧化碳与绿氢合成，通常分为两类：一是生物甲醇，它是以生物质为原料生产的。生物质包括农林固体废弃物和副产品、沼气、城市固体废物（MSW）、纸浆/造纸工业产生的黑液。二是合成甲醇，也称为电转液（PtL），由生物或空气捕集的二氧化碳和绿氢制成。目前的石油基础设施改造后可用于甲醇的储运。甲醇易燃且有毒，在标准环境条件下储 2这艘船是川崎重工的SuisoFrontier号，它曾将煤制氢从澳大利亚运往日本。它可以装载1250立方米的氢气。 -9- 存易实现。 近三年，欧洲和中国的甲醇现货价格约为250美元/吨至500 美元/吨，美国约为400美元/吨至700美元/吨。目前合成甲醇的 生产成�估计在800-1600美元/吨之间。 （五）载体比较 不同氢载体在基础设施要求、技术特点、能源平衡等方面存在差异，各有优缺点，未来可能是多载体共存的局面。表1概述 了不同的载体以及在对载体进行比较时最重要的考虑因素。图5 和图6显示了各种氢载体长途供应链主要步骤中的各种能源消耗。 。 ） 表1：氢载体概述 氨 液氢 液态有机氢载体 甲醇 出口基础 已经大规模生产 可使用专门改装 可以利用现有的石油基础设施进行运输，因此适合多式联运。可以利用现有的油轮船队。甲苯与氢反应后会转化为甲基环己烷 （MCH）。在运输过程中，甲苯会被“氢化”——放入化学罐中——然后运往目的地到达目的地后，可对其进行“脱氢”以释放氢气，而甲苯则可运回重新使用。 液态甲醇首先储 设施 并在全球范围内 的隔离罐进行船 存在港口的储罐 交易。液化后可由 运。 中，然后装上化 化学品罐车运输 从装卸港出发的 学品油轮。 可直接用作（化工 配送可以使用拖 在目的港，甲醇 原料，无需对基础 车。可以直接交 可通过现有的化 设施进行重大改 付给客户。 工原料配送路线 造。 作为氢载体，它需要通过裂解重新转 另外，液氢还可以重新转化为气 体，并输送到电 （包括拖车和铁路运输）进行运输。 化为氢气。 网基础设施中。 进口化学品和甲 大规模裂解仍有待验证。 醇的基础设施已经具备，可以直接使用。 技术考虑 高能量密度和氢含量。 液化过程中的能源损耗高（目前 脱氢能耗高 （25%-35%）（进口地 甲醇是常用的基本化工原料。 。 -10- 无碳载体。 可直接用于某些用途（如肥料、发电、海上燃料）氨燃烧会产生氮氧化物排放，可能需要使用洗涤器 为30%-36%），因此需要更多的能源供应。 运输和储存期间的沸腾损失（每天0.05%-0.25% 区） 根据用途（如用于燃料电池），可能需要进一步净化所产生的氢气氢气的生产压力为1巴，需要压缩。 氢只占载体重量的 4%-7%。 没有最有吸引力的化合物 每个周期的载体损耗 （每个周期0.1%）。 它可以作为一种能量载体，在目的地回收氢气。脱氢步骤是复杂且高能耗过程。甲醇可直接用作燃料，无需脱氢二氧化碳来源 （如来自工业点源或从环境空气中捕集）是影响能源和成本效率的关键因素。 氢气生产转化与合成处理和储存国际运输处理和储存氢气回收 液氢 30-36% 36-43.2 MJ/kgH2 能源+沸腾 2.21 MJ/kgH2 沸腾＜0.1%每天，3.8天 +1天 0.58MJ/kgH2 能源+沸腾 2.21 MJ/kgH2 气化 0MJ/kgH2 总计 41-48.2 MJ/kgH2 氨 哈伯法 11.3-15.1 MJ/kgH2 能源+沸腾 0.74 MJ/kgH2 沸腾0.04% 每天，3.8天 +1天 0.23MJ/kgH2 能源+沸腾 0.74MJ/kgH2 裂解 （4.2-11 kWh/kg