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IEA《全球氢能评估报告2021》提出氢能未来发展战略建议

作者:中国储能网新闻中心 来源:先进能源科技战略情报研究中心 发布时间:2021-11-26 浏览:

中国储能网讯:近日,国际能源署(IEA)发布《全球氢能评估报告2021》指出,氢能将在全球能源转型中发挥关键作用。报告强调,氢能尤其在难减排的行业(如化工、钢铁、长途卡车运输、海运和航运等行业)具有重要应用潜力;全球到2030年需投资1.2万亿美元,以构建全球氢能市场,实现全球净零排放。针对氢能未来发展,报告提出了五大战略性建议:各国需要制定氢能战略/路线图;发展低碳制氢技术;推进氢能项目投资;加速技术创新和商业化;构建配套的认证、标准和监管体系。报告要点如下:

一、当前全球多国政府积极采取行动,推动氢能快速发展

迄今公布的氢能战略显示,几乎所有国家对氢能在其能源系统中所扮演角色的认识大致相同,都强调了其对交通运输和工业部门脱碳的重要性。具体国家氢能战略布局如表1所示:

表1 不同国家氢能战略布局情况

二、当前全球制氢技术正在清洁转型,但进度较为缓慢

2020年,全球氢气需求量达到9000万吨,几乎全部用于工业炼油和其他应用,且几乎完全通过化石燃料生产,给全球带来了近9亿吨CO2排放量。有迹象表明,过去5年,全球电解槽产能翻了一番,到2021年中旬达到300多兆瓦。目前全球正在开发的350个电解水制氢项目,到2030年将实现氢供应量超过800万吨。尽管发展显著,但这一数字仍远低于IEA《全球能源部门净零排放路线图》中设定到2050年实现净零排放发展的需求,即氢气供应量需要达到8000万吨。

欧洲在电解槽产能部署方面处于全球领先地位,占全球装机容量的40%,在欧盟和英国政府氢能战略的支持下,短期内欧洲仍将是全球最大的氢能市场。澳大利亚宣布将在几年之内赶上欧洲;拉丁美洲和中东地区也将部署大量电解槽;中国虽然起步较晚,但氢能项目建设数量正在迅速增加;美国近日也宣布了“氢能攻关计划”。目前,全球16个利用碳捕集、利用和封存(CCUS)技术制氢项目已投运,每年可生产70万吨氢气。另外50个制氢项目正在开发中,预计到2030年,每年氢能产量将增加到900万吨以上。加拿大和美国利用CCUS技术在化石燃料制氢领域处于全球领先地位,占全球产能的80%以上。

三、氢能应用领域正逐渐扩大

近年来,氢能在交通运输部门应用取得较为显著的进展。自2008年以来,由于技术进步和燃料电池汽车(FCEVs)销量的增加,燃料电池汽车制造成本下降了70%。在韩国、美国、中国和日本的努力下,投运的燃料电池汽车数量从2017年的7000辆增加到2021年中旬的超过4.3万辆,增长幅度达到6倍以上。2017年,几乎所有的燃料电池汽车均为乘用车;而目前,五分之一为公共汽车和卡车,这表明氢燃料电池汽车可以更好地与电动汽车相竞争。然而,燃料电池汽车部署数量仍远低于电动汽车,后者的部署规模为1100万辆。铁路、航运和海运方面使用氢基燃料的几个示范项目正在开发,预计将为创造氢需求开辟新的机会。此外,在工业部门,氢是工业脱碳的一个重要支柱,尽管大多数突破性技术仍处在萌芽阶段。今年,世界上第一个利用低碳氢生产无碳钢的示范项目在瑞典启动;一个使用波动性可再生氢生产氨的试点项目将于2021年底在西班牙启动;数个数万吨氢气产能规模的项目预计将在未来2-3年内投入使用。水泥、陶瓷和玻璃制造等工业应用中使用氢能的示范项目也在开发中。

四、具有潜在应用前景的新兴制氢技术现状

1、固体氧化物电解槽(SOEC)制氢技术

固体氧化物电解槽(SOEC)利用蒸汽替代水来制氢,这是与碱性水电解和质子交换膜电解槽一个关键区别。由于SOEC采用陶瓷作为电解质,因此材料成本较低。在高温环境下,其工作效率高达79%-84%,核能、太阳能热、地热以及工业余热都可作为SOEC的热源。此外,SOEC可以作为燃料电池在逆反应模式下将氢能转换成电能,这是区别于碱性质子交换膜电解槽的另一个特点。将SOEC与储氢设施相结合,可以为电网提供支撑服务,提高设备整体利用率。SOEC还可以促使水蒸汽与CO2共电解,从而制得合成燃料。

目前,SOEC仍处于大规模应用示范阶段(技术成熟度<TRL>为6-7级),通常应用于合成碳氢燃料。荷兰Rotterdam正在开发2.6兆瓦的SOEC制氢系统;丹麦计划在2023年前启动500兆瓦的SOEC制氢工厂。

2、甲烷热解制氢技术

甲烷热解(也称为甲烷裂解)制氢技术是将甲烷转化为气态氢和固态碳(如炭黑、石墨)的过程,此过程不会直接排放CO2。反应需要相对较高的温度(>800℃),可通过传统方式(如电加热装置)或使用等离子体来实现。甲烷热解每单位氢气耗电量比电解制氢减少3-5倍,但该方法与甲烷蒸汽重整制氢技术相比,需要消耗更多的天然气。甲烷热解制氢的转换效率为40%-45%,但其副产物炭黑可用于制造橡胶、轮胎、打印油墨和塑料制品,2020年全球炭黑需求量为1600万吨。此外,热解生成的碳还可用于建筑材料,或替代炼钢过程中所需的焦炭。

目前,正在开发的甲烷热解制氢技术TRL为3-6级。2020年美国Monolith材料公司启动了利用等离子体高温加热甲烷热解制氢工厂,并计划建立一个商业化规模的氨生产工厂;澳大利亚Hazer集团正在建造催化辅助流化床反应器示范工厂,用于将沼气转化为氢气和石墨;俄罗斯天然气公司正开发一种基于等离子体的甲烷热解制氢工艺;美国C-Zero公司正开发一种用于甲烷热解的电加热金属熔融反应器。

3、阴离子交换膜(AEM)电解制氢技术

阴离子交换膜(AEM)电解槽结合了碱性水电解和质子交换膜电解槽的优点,仅使用过渡金属催化剂(CeO2-La2O),并不需要铂金属。AEM电解槽一个关键的优点是AEM为固态电解质,避免了在碱性水电解中使用的腐蚀性电解质。

目前,AEM技术仍处于早期研发阶段(TRL为4-5级),德国Enapter公司正在开发千瓦级AEM电解槽系统。

4、电气化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氢技术

电气化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氢是一种利用电加热反应器代替燃气蒸汽重整反应器的工艺。目前,ESMR技术仅在实验室规模进行了测试(TRL为4级),一个正在部署的示范项目计划将沼气作为ESMR原料生产氢气和一氧化碳,然后转化为甲醇用于工业生产。

五、制氢、储氢、运氢及氢能应用全价值链技术成熟度情况

氢是一种用途广泛的燃料,可以使用各种能源(如煤炭、石油、天然气、生物质、可再生能源和核能)通过多种技术(重整、气化、电解、热解、水分解等)来生产。制氢、储氢、运氢及氢能应用全价值链技术成熟度情况如图1和图2所示。

图1 制氢、储氢、运氢过程技术成熟度

图2 氢能终端应用各项技术成熟度

六、各国政府需加大投资,促进低碳氢生产以及氢能创新需求

目前,采取氢能战略的国家已承诺资助370亿美元,并联合私营部门投资3000亿美元用于氢能工业生产(如图3所示)。但要使氢能行业在2050年前实现净零排放,到2030年前需投资1.2万亿美元用于低碳氢的生产和应用。当前,大多数政府关注重点是生产低碳氢,对氢能创新需求关注较少。要提高低碳氢在清洁能源转型中的作用,需要在创新需求方面做出努力,多国政府已宣布包括制定碳价、配额、公共采购等各种政策激励手段,但这些措施尚未生效。未来需加速推广氢能创新需求激励手段,大规模推进氢能项目示范部署,扩大氢能需求。

图3 承诺目标情景和净零排放情景中各领域氢能相关技术投资额需求(单位:十亿美元)

七、未来十年低碳氢的市场竞争力将日益增强

目前,发展低碳氢的一个主要障碍是其成本远高于化石燃料制氢成本。化石燃料制氢是世界上多数地区最具经济效益的方式之一。根据各地区天然气价格的不同,通过天然气生产氢气的平均成本为0.5-1.7美元/千克。使用CCUS技术来减少氢生产过程中的碳排放,将使氢生产成本提高到1-2美元/千克。而当前使用可再生能源制氢成本最高,为3-8美元/千克。通过技术创新和增加规模,将有效降低氢气生产成本。长远来看,根据IEA的2050净零排放情景,可再生能源电力制氢成本可降至1美元/千克(范围为1.0-3.0美元/千克),在一些地区,即使没有采用CCUS技术,太阳能光伏制氢的成本也将可以媲美天然气制氢成本。

八、实现气候承诺需采取更果断的行动,并加强国际合作

虽然氢燃料需求量和使用范围正不断增加,但以目前的发展进程仍无法达到2050年实现净零排放的要求。如果目前所有宣布的氢能计划都能实施,到2030年将实现如下进展:①与2050净零排放情景中超过2亿吨的氢能需求相比,目前总氢能需求将增加到1.05亿吨;②低碳氢产量将达到1700万吨,但这只是2050净零排放情景中所要求的八分之一;③电解槽装机容量将达到90吉瓦,但远低于2050净零排放情景中所要求的近850吉瓦;④最多可部署600万辆燃料电池汽车,但仅为2050净零排放情景中所要求部署规模的40%(1500万辆燃料电池汽车)。

国际合作对加速氢能市场构建至关重要,自2018年以来,日本一直通过氢能部长级会议引领该领域全球发展。此后,多个国家和组织宣布了若干双边和多边合作协议和倡议,包括清洁能源部长级氢能倡议、氢能创新使命和联合国工业发展组织的全球氢能伙伴关系。加强倡议间的协调对避免重复工作和确保有效进展具有重要意义。

九、国际能源署对构建全球氢能市场五大战略性建议

(1)各国需要制定氢能战略/路线图。特别是氢能需求较大的国家需要制定国家氢能战略/路线图,重点设定低碳氢产量的具体指标,通过刺激措施撬动更多的投资以扩大氢能市场价值,加速氢能项目部署速度,这将对利益相关方构建低碳氢潜在市场的信心至关重要。

(2)建立激励机制,发展低碳制氢技术以取代化石燃料。充分挖掘氢能作为清洁能源载体的潜力,一些国家/地区已经在利用碳价来缩小可再生能源制氢与化石燃料制氢之间的成本差距,但这还远远不够。为帮助行业降低风险和提高项目生产效益,政府应设计透明和可预测的政策框架和金融支持计划,如实施碳价、授权/配额、公共采购等措施。国际社会的积极参与将有助于推动氢能技术快速发展。

(3)推进氢能生产装置、基础设施和示范工厂的投资建设。在制氢领域,提升电解槽和碳捕集装置在制氢过程中的使用率,发展氢专用基础设施、提高氢能技术(如燃料电池和电解槽)的创新能力。政府需要缩短支撑技术的审批流程,允许私人企业和投资者进行投资,加快大规模低碳氢管道建设。此外,政府通过拨款、贷款和税收减免等措施为选定的旗舰项目提供量身定制的支撑,并建立今后的支持计划将有助于低碳氢的推广。

(4)加速技术创新,确保关键技术迅速实现商业化。持续的技术创新对降低用氢成本和提高氢能竞争力至关重要。本世纪初须实现的商业化技术包括:在钢铁冶炼过程中使用氢能、利用波动性可再生能源电解水制氢用于生产氨气和甲醇、在重型交通运输中使用氢能以及在航运中使用氢能。在这一领域,国际合作至关重要,下一步计划在“创新使命”计划中将氢能研发经费翻倍,并利用国际能源署和先进燃料电池技术合作计划,召集并促进国际研发和信息交流。

(5)构建配套的标准、认证和监管体系。氢气作为清洁能源有望刺激新市场和价值链的发展,因此需要加快构建配套的监管框架、认证计划和标准规范,以减少利益相关方推进氢能部署面临的障碍,在短期内需注重国际贸易、用氢安全、技术采用这三个领域标准的制定。标准制定之后需进行技术认证,以确保制造商遵守国际标准,激发低碳氢使用活力。此外,一个清晰、透明和支持性的监管框架将促进全球氢能市场快速发展。随着氢能需求和供应商数量的增加,以及全新的价值链和合作伙伴关系的出现,监管体系需变得动态灵活,以适应市场演变,并保障生产装置和基础设施投资的可靠性。最后,金融市场监管以及国际上对环境、社会和企业的碳排放监控将推动投资者将目光转向包括低碳氢在内的清洁能源领域。

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