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氢能产业:许多工业氢应用目前正面临着“死亡之谷”

2019-03-06 10:14
ERR能研微讯
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主要结论和建议

1.应优先启动工业氢经济布局

欧盟的目标是在2050年实现碳中和。当今社会中用能密度不同的各个领域-工业,交通运输,农业,住宅应用 –要么由电子(电),要么由分子(通过燃煤不同类型的燃料产生热能)提供驱动力。目前,在降低电力生产过程中的碳排放方面采取了几个重要措施,但分子的生产依然高度依赖于化石燃料。这是有问题的,正如大多数模型预测的那样,分子将继续在为我们的经济提供能源方面发挥重要作用。

提供无碳分子能源的技术路线是有限的。氢是唯一可以完全不含碳的分子基能量载体。绿色氢气可以通过使用可再生电力或核能来生产,蓝色氢气可以由化石燃料制得,并将二氧化碳副产品捕获和储存(碳中性)。这使得诸如合成气、生物甲醇、氨等产品可以用碳中性氢作为生产原料。简而言之,氢气对欧盟在2050年前实现无碳计划发挥着重要作用。

氢是一种能源载体,在许多不同的经济领域具有多种潜在应用。它可以帮助我们对运输,住宅环境(特别是供暖)和工业生产等领域消耗的能源的生产实施脱碳。本报告重点关注工业应用,并得出相关结论,认为工业氢经济的发展应优先启动的原因有两个:

首先,并非所有工业生产过程都可以用电来驱动,还有很多需要碳中性能源载体来使得工业生产完全脱碳。氢气只是可用于此目的的极少数物质之一。此外,氢及其衍生物已经成为许多行业的关键原料,特别是在化工生产和炼化方面。到目前为止,工业应用是氢气的最大消费领域。我们的分析和案例研究(见第2章)展示了氢气广泛的应用,例如使用氢气为工业过程提供能量(如高温加热)。在所有这些应用中,氢作为无碳替代物,在取代碳基工艺方面有巨大潜力。

第二个原因是工业活动有利于氢能在其他领域快速发展。宣称氢是最有前途的基于分子的能量载体是一回事,实现规模化、低成本的生产是另一回事。能够真正降低氢气生产成本所需的氢能规模是很大的。在工业应用中,少量较大体量的公司生产较大份额的氢气,它们足以影响和并推动氢的使用。与交通运输或住宅用途相比,这是一个优势。一般来说,运输和家用领域的利益相关者格局更加分散。最后,各行各业中已经拥有大量与氢相关的专业知识和基础设施。

2.许多工业氢应用目前正面临着“死亡之谷”

工业中产生的氢气目前主要还是碳基(灰氢),通常通过蒸汽甲烷重整(SMR)产生。随着时间的推移,制氢面临的挑战将是实现无碳或碳中性(绿色或蓝色氢)的技术来替代这些方法。这些技术的具体包括使用可再生电力通过电解产生氢气或通过碳的回收利用来产生可用作合成燃料的合成气。

许多此类无碳或碳中性技术仍处于技术成熟的早期阶段。它们已经经过技术验证,正在实施小规模的试验;目前,亟需这些技术以更大的规模推广应用,这样才有助于降低生产成本,并产生经济效益。换句话说,这些技术属于经济学家所谓的技术曲线的“死亡之谷”阶段。

我们针对把电解作为SMR无碳替代品的经济可行性进行了建模研究(见第3章),结果表明电解在2030年左右可能具有经济可行性。这是基于采取雄心勃勃的成本削减策略的假设得到的,与海上风电或太阳能光伏发电惊人的成本降低速度相比,这个假设是合理的。

无论如何,大规模部署绿色氢气的积极商业案例目前很少。降低成本和技术进步需要较长的时间周期。预计到2050年,我们仍需要大量以分子形式存在的能量载体,虽然我们设立了雄心勃勃的2050年碳中和目标,但按照目前的发展路线,我们很难实现目标。为了确保从2030年开始大规模推广碳中性氢应用,并在2050年之前实现绿色氢,我们需要立马采取行动。

图1:氢能应用正处于“死亡之谷”阶段

世界能源理事会发布《氢能—工业催化剂(加速世界经济在2030年前实现低碳目标)》

3. 蓝色氢可以减少排放,推动建立氢能经济

本报告认为,到2050年实现无碳经济很可能需要以氢为基础的技术,工业应用是启动氢经济的“主战场”。然而,目前工业生产中制取的大部分氢气并不是二氧化碳中性的,因为它主要来源于化石燃料(形成的是灰色氢气)。绿色氢气大规模上取代灰色氢气至少还需要十年以上的时间。

通过捕获和储存制造过程中排放的二氧化碳而获得的蓝色氢气提供了一种更快地减少排放的方法。我们的模型研究表明,带有碳捕获和储存(CCS)的SMR,已接近商业应用水平。如果碳交易(ETS)价格上涨到30欧元/吨左右,并且可以建成适当的运输和储存设施,蓝色氢气可能在未来几年而不是几十年内成为一种可行的选择。

因此,使用CCS使基于SMR的氢气生产过程碳中性,可以帮助以及时和具有成本效益的方式显著减少工业碳排放。同样重要的是,蓝氢有助于为绿色氢经济做好准备。如果从灰色到蓝色的过渡允许生产和使用更多的氢,那么可以建立工业氢经济的关键基础设施和供应链,如开发氢运输网络(管道,港口,船舶等)。鉴于不同工业部门之间的协同和共生相互联系的复杂性,这一点尤为重要。

以此来看,蓝色氢气不是绿色氢气的替代品,而是一种必要的技术过渡,它具有额外的好处 - 如果做得恰当 - 可以加速社会向绿色氢气的过渡。然而,为了使蓝色氢气生产变得切合实际,政府必须明确其社会可接受性,制定运输和储存价格体系,并在必要的时候将其纳入支持低碳技术发展的财政计划。

4. 政府需要及时推动氢能市场和技术的进步

我们分析了氢能在投资方面存在的障碍(见第4章)。第一个障碍是,与大多数其他形式的能源相比,蓝色氢能和绿色氢能都存在定价过高的问题。从经济角度来看,二氧化碳的负外部性在能源市场的价格方面体现不足。向绿色氢能转型以及可再生能源的发展是推动二氧化碳减排的重要举措之一,会产生明显的社会经济收益,但这在能源市场和社会经济中并没有得到充分的货币化,导致蓝色和绿色氢能的市场拉动不足。

为了消除这一障碍,政策制定者应确保碳交易价格充分反映碳排放的负外部性。建立一个稳定的欧洲排放交易体系(ETS)至关重要,同时还应引导形成合理的价格轨迹。由于担心扭曲其工业部门的公平竞争环境,并避免向国际能源市场发送扭曲的价格信号,各国政府对引入碳定价形式犹豫不决。此外,应认识到绿色或可再生氢良好的附加效应。政策制定者可以考虑以类似于刺激绿色电力市场的方式,建立绿色或可再生氢气市场。

第二个障碍是绿色氢能技术目前正面临技术曲线中的“死亡之谷”困境。我们认为氢应用最终应该充分发挥其优势,与其他涉及分子能量载体和纯电力的替代技术解决方案竞争。然而,正如历史上的许多例子所表明的那样,临时帮助特定技术跨越“死亡之谷”有很好的社会经济论据。一方面,学习和创新有很大的积极外部因素 - 海上风电的经验表明,旨在增加装机容量和规模的有针对性的政策可以大幅加快降低成本的步伐。最后,政府因为选择输家而损坏名誉的风险相对较小,因为到2050年碳中和的目标十分明确,而且工业氢的替代品很少。

鉴于这些因素,显然在一段时间内寻求公共财政支持是十分有必要的,尤其借助稳定的财政支持开展项目示范。公共机构也可以采用共同投资主体的方式(例如PPP模式等)。这将有助于当局实现承诺,同时与社会资本共同分担风险和回报。

5.制定有效的行动计划,促进共同协作并降低不确定性风险

工业氢能投资的第三个障碍是商业案例中关键驱动因素的不确定性。在很大程度上,这些不确定性与政府干预有关。一个例子是关于氢运输的监管和所有权的不确定性。整体而言,在实现2050碳减排目标的承诺以及基于分子能量载体脱碳的速度等方面,仍然存在不确定性。

减少此类不确定性的方法之一就是起草氢能发展战略,具体研究和阐述超国家层面协作的明确发展目标和行动计划。这种战略将进一步明确各国的承诺,从而降低与工业氢能投资相关的风险。此外,该战略应提出监管和所有权模式。运输和存储相配套的基础设施建设可能遭遇市场推动困难的问题。因此,该战略还应包括当局打算如何应对这些问题的指导方针。

第四个障碍是缺乏协调。案例研究表明,氢能项目通常涉及多个利益相关者,有时甚至是非常不同的利益相关者,并且往往涉及到相对复杂的、有关联的供应链,这些供应链根据具体情况而定。政府可以帮助协调这一点,例如在空间规划政策中。另一个需要协调的领域是欧盟成员国之间。成员国政策与碳交易定价、财政政策或基础设施使用相关的差异可能导致效率低下甚至无效,例如存在仅仅使得碳排放在空间上重新分布而不是减少的风险。这在以欧洲为代表的、工业活动竞争激烈的全球市场中尤为重要。能源和产业政策应协调一致,以创造一个公平的竞争环境,在这个领域中选择最佳技术并应用于最有意义的地区。

如果这些条件满足,本报告中涉及的证据表明,到2050年,有望在欧洲西北部开创繁荣的碳中性经济。为碳中性经济提供燃料所需的能源结构最终将由分子和电子组成。氢能将沿着从灰色到蓝色再到绿色的路径,成为发挥碳中性分子作用最富成效的技术方案。

翻译:Allan@ERR能研微讯团队

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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