香橙会研究院按:
4月15日,欧洲氢能组织(Hydrogen Europe)发布了《为实现欧洲绿色协议的2x40 GW绿氢行动计划》(Green Hydrogen for a European Green Deal A 2x40 GW Initiative)。
该项计划的发布者——欧洲氢能组织是FCH JU(Fuel Cell Hydrogen Joint Undertaking)三名成员组织之一。其除了具备传统的行业协会功能外还肩负着与政策制定者沟通,辅助制定合适政策的职能。FCH JU另外两个成员组织为欧盟政策提案和执行机构——欧洲委员会和欧洲研究界的代表——欧洲氢能研究所(Hydrogen Europe Research)。
欧洲氢能组织发布该计划的主要目的是推动2019年的FCH JU计划和完成欧盟的气候目标。该计划为欧洲未来十年氢能全产业的发展指明了道路——到2030年,氢的使用量将比2015年增加一倍多,达到665 TWh。
据了解,欧洲气候目标中的长期2050目标的核心依据是《欧洲绿色协议》)。该协议的核心精神是使欧洲在2050年成为一个温室气体净排放为零的经济体。此项协议与《巴黎协定》(Paris Agreement)对欧盟的行动要求保持一致。
FCH JU计划同样是基于《巴黎协定》并更聚焦“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2oC之内,并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1．5oC之内”的目标。FCH JU在2019年的《欧洲氢路线》(《Hydrogen Roadmap Europe》)报告中阐明了氢能在实现《巴黎协定》目标中所扮演的无法替代的重要角色。报告认为要使全球变暖“远低于工业化前水平2oC之内”,有必要制定一份雄心勃勃的路线图,让欧洲在不同领域使用氢。
以下是“欧洲2×40GW绿氢行动计划”中文版,由香橙会研究院翻译。
概要
氢气将在实现一个经济、清洁和繁荣的经济体中发挥关键作用。氢气可以帮助实现低成本的批量运输和可再生能源存储,并且可以借此把低碳能源使用在所有领域。
欧盟与北非、乌克兰和其他邻国一起,拥有实现绿氢系统独特机遇。包括乌克兰在内的欧洲有着良好的可再生能源资源,而北非也有着突出而丰富的资源。欧洲可以通过与北非和其他国家的互联来重新利用其天然气基础设施从而来运输和储存氢气。欧洲拥有全球领先的清洁氢生产产业,尤其是电解槽制造业。
如果欧盟与其邻国密切合作,希望利用这些独特的资源,打造一个世界领先的可再生氢生产产业,那么现在就是行动的时候了。专用和整合的数GW绿氢生产工厂,将因此释放出巨大的可再生能源潜力。
我们,欧洲的氢工业,致力于保持一个强大的和世界领先的电解槽工业和市场,并以与低碳(蓝)氢相同的并且最终更低的成本生产可再生的氢。一个先决条件是欧盟及其邻国(如北非和乌克兰)一起尽快发展2x40 GW的电解槽市场。
欧盟到2030年的40 GW电解槽产能路线图显示,将形成一个6 GW的专用市场(需求地区的氢气生产)和34 GW的氢通用市场(接近资源地区的氢生产)。到2030年,北非和乌克兰的电解槽产能将达到40 GW,其中包括国内市场的7．5 GW氢产能和出口的32．5 GW氢产能。
如果在2030年实现2x40 GW的电解槽市场,同时增加所需的可再生能源产能,可再生氢的成本将与化石(灰)氢形成竞争。风能和太阳能制氢厂的GW级电解槽生产可再生氢,其成本分别将在2025年与低碳制氢(1．5-2．0欧元/公斤)以及2030年与灰氢(1．0-1．5欧元/公斤)相比具有竞争力。
通过实现2x40 GW的电解槽容量,生产绿氢,欧盟每年可避免约8200万吨的二氧化碳排放。电解槽产能的总投资将达到250 -300亿欧元,为制造和维护2x40GW电解槽会创造14 -17万个就业岗位。
该行业需要欧盟及其成员国设计、创造和促进氢燃料市场、基础设施和经济。欧盟与北非、乌克兰和其他邻国之间在政治、社会和经济层面设计并实现新的、独特的、持久的相互合作机制至关重要。
欧盟及其邻国发展绿氢经济的独特机遇,将有助于经济增长、创造就业机会和建立可持续、经济且公平的能源体系。在这个基础上,欧洲和邻国成为绿色制氢技术的世界市场领导者。
氢在可持续能源系统中的关键作用
气候变化是一个严重的问题,它促使我们在所有领域大幅减少温室气体排放。这意味着需要朝着一个既具有建设性又有竞争力的可持续和循环经济进行根本的变革。氢在实现清洁和繁荣的经济方面可以发挥关键作用。
氢和电都是可以从化石能源资源和可再生能源资源中产生的无碳能源载体。在可持续能源系统中,这两种载体都是必要的,并且是相辅相成的。
氢可以用于长距离的低成本的批量运输能源,同时还是可以高效的储存大量的能源。因此,氢可以在地点和时间上减少能源的生产和使用。此外,氢可以用于所有能源领域使用实现脱碳:
在工业上,原料供应、高温加热,
在交通方面,公路、铁路、水路和航空运输,
在建筑物中,用于取暖和制冷,
在电力方面,平衡电力需求和供应。
图1氢可以在时间和地点方面平衡能源的生产和使用,以及为了最终脱碳使用(氢能委员会,氢能量产;可持续的全球能源之路过渡,2017)
可再生电力的价格持续下降,不久在专用制氢工厂(将风能和/或PV与电解槽在一个地点结合)生产的氢的成本将低于石油或天然气的成本。氢与电网基础设施、大规模的季节性储氢和小规模的昼夜储电相互并存,是实现可持续、可靠、零排放、低成本的能源体系的关键。
欧洲有独特的机会来实现绿色氢系统
欧洲和邻近地区有良好的可再生资源和工业产能,可以快速并且低成本的实现绿氢系统。欧洲还需要大量的氢来为工业、交通和建筑部门脱碳。
此外,欧洲拥有广泛的天然气基础设施。将现有天然气基础设施的一部分改造成运输和储存氢气的设施,将为欧洲提供一个独特的机会,实现其在可再生能源生产和使用方面的承诺,同时利用这一目前规模庞大的基础设施资产。它将为欧洲的氢工业提供竞争优势,以生产可持续和循环的产品和服务,同时创造许多绿色就业机会。
提高欧洲氢需求
欧洲是一个工业化地区,主要的石化和化学工业生产约占全球炼油和化工总产出的6 - 15%。目前生产的大部分氢被用作原料来制造其他材料。2015年,欧洲对氢的需求约为325 TWh,主要用于炼油厂、化工和农业综合企业生产甲醇和氨。目前这些工业中使用的氢大多是通过蒸汽甲烷重整从天然气中生产出来的。如果二氧化碳被释放到空气中,氢被称为灰氢(FCH JU,氢路线图欧洲,欧洲能源转型的可持续路径,2019)。
预计目前对氢气作为原料的需求将会增长。同时,氢作为原料的新机会也正在出现。在钢铁生产中,氢可以代替煤来还原铁矿石,氢和二氧化碳可以用来生产合成燃料,如甲醇和煤油。除了使用氢作为原料外,氢还可以用于工业生产高温热蒸汽,取代天然气和煤。通过改造现有的煤气炉和锅炉,氢气可以产生高温热量供工业使用。
氢动力汽车现在可以在汽车、出租车、厢式货车、公共汽车、卡车、叉车和拖拉机市场上买到。他们的市场份额在未来几十年将迅速增长。在其他运输市场,如铁路、航运和航空(包括无人机),氢燃料也将获得市场份额。氢燃料电池将主导未来的技术,氢将会被用化学的方法转化为驱动电动汽车的电能。
在建筑物中,氢可以用来供热和发电。氢气可以代替天然气或石油在锅炉中产生热量。氢锅炉和备氢锅炉(现在使用天然气的锅炉和未来使用氢的锅炉)已于2019年进入市场。除这些锅炉外,小型燃料电池微热电联产(热电联产)装置也进入市场。这些微型热电联产燃料电池为建筑物提供电力和热量。像BDR Thermea, Viessmann, Bosch等欧洲公司已经将这些新的氢设备推向市场。
最后但同样重要的是,氢是平衡电力系统的必需品。氢可以储存和运输,既便宜又容易,因此非常适合在时间和地点上满足电力供应和需求。在略微的调整后,氢可以在现有的发电厂中取代天然气,在燃气轮机和锅炉中都是如此。在未来,燃料电池可以用来平衡电力系统,无论是集中还是分散的峰值功率或热电联产工厂。
FCH JU(Fuel Cell Hydrogen Joint Undertaking)在2019年1月,发布报告“欧洲能路线图,对于欧洲能源转型的可持续的路径(FCH JU, 2019)。该报告指出,在欧盟实现能源转型将需要大规模的氢。没有氢,欧盟将无法实现脱碳目标。人们认为,要使全球变暖“远低于工业化前水平2摄氏度”,有必要制定一份雄心勃勃的路线图,让欧洲在不同领域使用氢。到2030年,氢的使用量将比2015年增加一倍多,达到665 TWh,见图4。
图2在“欧洲氢路线图,欧洲能源转型的可持续路径” 中描绘了欧盟氢能源发展的宏伟蓝图(FCH JU,2019年)。
良好的可再生能源远远不能满足需求
欧洲有很好的太阳能和风能资源,特别是在欧洲的北部和南部。在北非和中东的邻近地区甚至有更好的太阳能和风能资源。然而,资源丰富的地区通常远离在欧洲有能源需求的工业基地和城市。太阳能和风力发电场转换成氢气为远距离运输太阳能和风能提供了机会,相对便宜而且没有损失。
欧洲好的可再生能源
在欧洲,良好的可再生能源资源是按地域分布的。然而,这些能源在欧盟成员国之间的分布并不均匀,因此大规模的泛欧洲能源运输、贸易和储存是必要的。
在欧洲的一些地区,大规模的海上风力发电可以在没有补贴的情况下以有竞争力的价格进行(Vattenfall, 2019)(Guardian, 2019)。在北海、爱尔兰海、波罗的海和地中海部分地区,大型海上风力发电具有巨大的潜力。在希腊、英国、爱尔兰以及葡萄牙、波兰和德国等许多欧洲沿海地区,都可以发现大规模的陆上风能潜力。如今,大型太阳能光伏发电也可以无补贴、有竞争力地建造(Energylivenews, 2019),最显著的例子是在南欧,如西班牙、葡萄牙、意大利和希腊。
此外,在冰岛、挪威、瑞典、奥地利和瑞士等国可以进行低成本的水力发电,在冰岛、意大利、波兰和匈牙利也可以进行地热发电。虽然水力发电和地热发电的潜力有限,但将来引进海洋/潮汐能源转换设备可以进一步增加英国、葡萄牙、挪威和冰岛可再生电力和氢气的产量。乌克兰拥有良好的风能资源和巨大的生物质潜力。这些资源既可以用于绿氢生产,也可以用于生物质生产绿色二氧化碳(UkrainianHydrogenCouncil, 2019)。
图3欧洲上空80米高度的太阳辐射(左)和风速(右)
北非和中东突出的可再生能源资源
北非的太阳能资源比南欧要好得多,也丰富得多。撒哈拉沙漠是世界上全年阳光最充足的地区。这是一个面积很大的地区(940万平方公里,是欧盟面积的两倍多),平均每年有3600小时的日照,一些地区有4000小时(Varadi, Wouters, & Hoffmann, 2018)。这意味着每年每平方米的日照水平为2500 - 3000 kwh。一小部分(撒哈拉沙漠8-10%)的面积就可以产生全球的全部能源需求(van Wijk, van der Roest,& Boere, 2017年《人类太阳能》)
应该指出的是,撒哈拉沙漠也是地球上风力最大的地区之一,尤其是在西海岸。沙漠大部分地区地面平均年风速超过5 m/s,西部沿海地区达到8-9 m/s。风速随着地面高度的增加而增加,而撒哈拉沙漠的风全年都很稳定。此外,埃及的扎法拉纳地区与摩洛哥的大西洋海岸相当,风速高且稳定(van Wijk A．, Wouters, Rachidi, & Ikken, 2019)。在摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、利比亚和埃及,某些陆地地区的风速与地中海、波罗的海和北海部分地区的离岸风速相当。
图4欧洲和北非的太阳辐射和风速资源(Dii & FraunhoferISI, 2012)
北非不仅有丰富的太阳能和风能资源,中东也有很好的太阳能资源,在一些地方也有很好的风能资源。土耳其、阿曼、沙特阿拉伯、约旦、阿联酋等本地区国家有可能成为主要的绿氢出口国(van Son & Isenburg, 2019)。
可再生资源通过氢运输、存储
这些丰富的在欧洲、北非和中东的可再生资源距离欧洲有能源需求的工业城市和位置非常远。在这些良好的可再生能地区,可以进行丰富、廉价、但间歇性的太阳能和风能发电。现在的挑战是如何以低成本和低损失运输和储存这些能源。将生产现场的太阳能和风能转化为氢气为这一挑战提供了解决方案,因为氢气的运输和储存成本远低于电力。
通过管道运输氢气的成本要比用电缆输送电力的成本便宜10-20倍(Vermeulen, 2017)。电缆输送电力和管道输送氢气的根本区别在于基础设施的容量。一条电力传输电缆的容量在1-2 GW之间,而一条氢管道的容量在15 - 30 GW之间。此外,通过电缆输送电力会产生损耗,而通过管道输送氢气则不会产生损耗。除了运输成本,储氢成本也很便宜。盐穴储氢的成本至少比电池储电成本低100倍(van Wijk & Wouters, 2019)。
因此,在具有丰富太阳能和风能资源的地区,数GW的电能和风能发电厂是可以被实现用来生产电力并且通过水的电催化转化成为氢。这些不是太阳能和风能发电厂,而是太阳能和风能氢工厂。在数GW的太阳能和风力发电场生产廉价的氢,通过管道运输大规模的氢,并在盐穴储存氢,可以提供更低的整体能源系统成本,一个可靠的能源系统,最重要的是一个清洁的,脱碳的能源系统。
欧洲可以用它的天然气基础设施去运送和存储氢
对于快速扩大的欧洲可再生电的容量的一个挑战是有限的电网容量。在2018,德国可再生在和海上风力发电的接近十亿欧元的减少是因为2019年电网 (Bundesnetzagentur)容量约束。
在不需要大规模电网升级的情况下,将大量可再生能源整合到能源系统的解决方案的一部分是转换成氢气。
一个发达的天然气基础设施已经就位,连接着欧洲(北海、挪威和荷兰)和欧洲以外(俄罗斯、阿尔及利亚、利比亚)的天然气生产地区。天然气基础设施的能源传输能力至少比电网的能力大10倍。
再利用天然气管道运输氢
现有的天然气基础设施可以相对容易和快速转换,以适当的成本容纳氢(DNV-GL, 2017) (Kiwa, 2018)。此外,建设“新的”天然气基础设施比建设与“新的”电力基础设施相同的能源运输能力便宜10-20倍(Vermeulen, 2017)。然而,为了开发波罗的海的风能资源和希腊的风能和太阳能资源,需要新的氢管道基础设施。
欧洲天然气基础设施公司Gasunie通过改造天然气管道,已开始在荷兰建设氢主干管道基础设施。这个氢主干连接了从北海海上风能到盐穴储氢和工业集群的需求等氢生产站点,见图5。Gasunie已经将一条12公里长的天然气管道改造成一条氢管道,该管道自2018年11月开始运行(Gasunie, 2018)。
图5荷兰现有的氢气主干输送管道将是天然气管道转化为连接氢供应和氢储存的氢输送管道产业集群的需求(Gasunie,2019)
还在德国,FNB气体,该协会的大型天然气运输公司在德国,已经做好了计划建设5900公里氢输网,部分通过转换现有的天然气管道,连接未来在德国北部的氢生产中心,与大型储氢盐洞和在西部和南部的大客户,参见图6。
图6德国氢骨干网——由FNB气体提出,与规模较大德国国家天然气运输公司合作,开发了一个5900公里长的氢气运输网贯穿整个德国(数据取自德国《商报》28-1-2020)
图7概述了一个跨国的欧洲氢气基础设施主干,它可以从整个欧洲(包括乌克兰)的太阳能和风能资源区域运输大量的氢气。除了绿氢,蓝氢(氢来自化石燃料,二氧化碳捕获和存储)也可以插入这个支柱氢基础设施,即大量创造的氢可以是蓝氢,以相应大规模的需求中心和快速转换到氢基础设施中的天然气基础设施。
连接非洲和欧洲,提供绿色能源
北非的太阳能资源甚至比欧洲还要好、丰富,还有有吸引力的风能资源。这些太阳能和风能资源足以满足其自身的能源需求,事实上,它可以很容易地满足世界上所有的能源需求。到目前为止,北非从阿尔及利亚和利比亚出口天然气,有几条通往西班牙和意大利的管道。这些管道有能力连接超过60 GW (Timmerberg & Kaltschmitt,2019)的容量。此外,摩洛哥和西班牙之间还有两条电力运输电缆,每条都有0．7GW的容量。摩洛哥和西班牙在2019年签署了一份谅解备忘录,以实现第三个0．7GW的电力互联网络(Tsagas,2019),这也将用于从摩洛哥向西班牙出口太阳能电力。然而,这些电力互连的容量远远小于气体互连的容量。因此,对非洲和欧洲来说,开发北非的可再生能源出口潜力将是一件非常有吸引力的事情,因为北非国家将这些电力转化为氢气,并通过管道将这些能源输送到欧洲。部分天然气网格可以转换为容纳氢气(van Wijk A．, Wouters, Rachidi, & Ikken, 2019)。但是同样,与建造电缆相比,建造新的氢管道将是一个成本效益好的选择,可以将可再生能源运输到欧洲,见图8。
图8与欧洲相连的非洲潜在的氢基础设施——天然气、石油和天然气化学运输管道,有可能用于氢的运输。在北非和欧洲之间的天然气基础设施,有可能被用于运输氢气(Oldenbroek & Huegemann, 2019)。一种“新的”专用氢运输管道可以从意大利到希腊,穿越地中海到埃及是可以被建造的并最终扩展到埃塞俄比亚和中东地区(van Wijk A．, Wouters, Rachidi, & Ikken,2019)。而从希腊到黑海,沿伊比利亚半岛的南海岸而行专用氢气管道也必须建造。
新建一条从埃及经希腊到意大利的大型输氢管道,全长2500公里,装机容量66GW,2条管道各48英寸,这意味着要投资165亿欧元。负载系数为每年4500小时,每年可输送300 TWh或760万吨氢气。通过这样的管道输送氢气的平均成本为0．005€/kWh或0．2€/kg H2,这是输送氢气总成本的一个合理的比例(van Wijk & Wouters, 2019)。
《非洲氢伙伴计划》是一份关于非洲现有和计划中的天然气、石油和化学产品管道基础设施的概述。他们指出了什么类型的氢产品可以通过这些管道运输。穿越地中海的天然气管道也可能被用来运输氢气(Oldenbroek & Huegemann, 2019)。在未来,更多的氢管道运输能力是必要的。一个专用的大型管道基础设施,从意大利跨越希腊,穿过地中海到埃及,最终进一步延伸到埃塞俄比亚和中东,将非常有助于开发丰富和廉价的可再生能源潜力(van Wijk A．, Wouters, Rachidi, & Ikken, 2019)。图8概述了现有的管道基础设施以及非洲和欧洲之间的一条新的专用氢气管道
可用盐穴进行大规模储氢
欧洲的天然气需求,特别是北欧的天然气需求,表现出强烈的季节性变化。在冬季,天然气需求是夏季的2-3倍(BDEW, 2018)。然而,天然气产量全年保持不变。因此,大规模的天然气季节性储存是必要的。天然气大量储存在空旷的气田、多孔的岩层和盐穴中。大约15-20%的天然气总消耗量被储存起来以平衡天然气的生产和消费(Timmerberg & Kaltschmitt, 2019)(van Wijk & Wouters, 2019)。如今,天然气的储存对平衡电力供应和需求也至关重要。电力系统的平衡是通过抽水蓄能来完成的,但主要是通过可调度的发电厂,通常是燃气发电厂。
盐穴是盐生产的“遗留物”。许多盐穴用于天然气储存,其它一些盐穴中储存石油、压缩空气或其他产品,见图9．1和9．2。盐穴可以用来储存氢,就像它们可以储存天然气一样(HyUnder, 2013)。储存氢的盐穴已经使用了几十年,例如在英国利兹附近。
图9．1遍布欧洲的盐地层和盐穴。红钻是用于天然气储存的盐穴(Bunger, Michalski, Crotogino,& Kruck, 2016)
图9．2盐穴(van Wijk, van der Roest, & Boere, 2017)
在一个典型的盐穴中,氢可以储存在200巴左右的压力下。其储氢能力约为6000吨,即240 GWh。包括管道、压缩机和气体处理在内的总安装成本约为1亿欧元(Michalski等,2017)。相比之下,如果将这些能量储存在电池中,成本为100欧元/千瓦时,总投资成本将为240亿欧元。因此,在盐穴中以氢的形式储存能量比电池储存至少便宜100倍。
图10欧洲盐穴储氢潜力(Caglayan等,2019)
欧洲有许多可供大规模储氢的空盐穴。除了新的氢专用盐穴外,还可以在欧洲不同的盐地层中开发储氢能力。最近的一项研究表明,在欧洲盐穴中存在非常大的储氢潜力,见图10 (Caglayan等,2020)。也许氢可以储存在一些空的气田中,以满足储存氢的特定要求。
基础设施如何从天然气过渡到氢气?
困难但关键的问题是,如何在未来十年内从天然气基础设施向氢能源基础设施转型。提高氢气生产能力来填满新建的管道或将天然气管道改造成氢气运输管道需要时间,该管道的容量为15-20 GW。在2030年之前,将天然气运输管道改造成氢气管道或建造一条新的专用氢气管道是完全符合成本效益的。
从天然气到氢气的转变有几种可能的途径和解决方案
▲在电解制氢的同时,也刺激产生大量的碳中和氢,使其有足够的体积来填充运输管道。这使得天然气管道更早转化为氢输送管道成为可能。
▲将氢气与天然气混合。大约2-5%的氢气可以混合在天然气运输网络中,而不需要更换或调整压缩机。在5%以上,氢可以混合在一个特定的运输管道中,在那里压缩机被更换或调整。
▲在天然气管道中放置一个小的氢气管。在管道系统中安装这样的管道很可能更便宜、更快。通过这种方式,1-2GW的氢气可以输送到更远的地方,例如穿越地中海或北海,而不需要高昂的成本。与此同时,天然气仍然可以运输,尽管运力较低。
▲在港口地区建设绿色氨厂,通过运输氨出口氢。这种氨是氮和氢的混合物,可以用于化肥和化学工业,可以再分解成氢,也可以直接用作海上柴油发动机的燃料,或者用于发电厂。
▲在港区建设氢气液化工厂,使用类似LNG的专用低温容器出口液氢。液态氢可以很容易地在到达港重新气化并注入管道系统。或者,液态氢可以用装载液态氢的卡车运送到加氢站(液态氢运输的能量是加压氢运输的10倍)
▲其他运输氢的方法,如液态有机氢载体,将氢与二氧化碳结合产生甲醇、甲酸、煤油或另一种合成烃。
首选的解决方案将取决于地区特点。例如,在北海,天然气管道是可用的,混合或管道解决方案中的管道可能是一个更可取的选择。但是在摩洛哥,最可能的选择是将氨转化为氨并运输,因为摩洛哥已经在大规模的绿色氨生产中为本地肥料生产工作。因此,从天然气到氢气基础设施的转变,发展氢气的港口地区,将氢气分配到加氢站和建筑物,以及跨境的氢气进出口,都是需要更深入研究的课题,以提供聪明和经济有效的解决方案。
欧洲有世界一流的制氢电解槽工业
氢是一种能源载体,就像电一样,它必须由一种能源产生。它可以是(电)化学处理从化石能源,如天然气,石油,煤炭或化石电力,或从可再生资源,如绿色电力,沼气,生物质或直接从阳光。由沼气、生物质能和可再生电力通过电解水产生的氢被称为可再生氢或绿氢。在电解槽技术方面,欧洲拥有强大的市场地位,在全球处于领先地位。
虽然现在很少有专门的电解水制氢,但电解水并不是一项新技术。如今,全球约有20-25GW的电解槽容量主要用于氯的生产。通过电解盐在水中的溶解,从盐中产生氯,但同时从水中产生氢。氢是一种副产品,部分用来产生热量或蒸汽。在全球范围内,这些氯电解槽的很大一部分是由欧洲公司生产的,因此,电解槽行业和供应链在欧洲具有强大的世界市场地位。特别是欧洲工业提供先进的高质量的电解槽,满足高安全标准。这是一个良好的起点,以在欧洲建立一个领先的水电解槽行业。一些欧洲电解槽产品的例子如图11所示。
图11来自欧洲的电解器产品。
2x40GW绿氢计划
实现可再生氢经济将为欧洲、北非、乌克兰和其他邻近地区创造就业、经济增长和福利。与此同时,它将为欧洲、非洲以及更遥远的地方的更清洁、脱碳做出贡献。
然而,这种氢经济需要欧洲与非洲及其邻近地区(如中东)合作采取协调一致的方法。这种方法必须包括可再生能源(和低碳或蓝)氢,氢的市场开发结合氢基础设施的发展,密切配合电力市场的发展和电力基础设施以及氢的天然气基础设施。
在许多国家,包括日本、中国、美国、韩国、澳大利亚和加拿大,用于氢研究、创新和实施的预算大幅增加。特别是日本对于实现氢能源经济有着非常坚定的承诺,通过2020年的奥林匹克运动会向世界展示了它的承诺,这次运动会将被称为“氢能源运动会”。最值得注意的是,日本、中国和加拿大都出现了可再生氢设备制造业,与欧洲竞争。
欧洲电解槽行业和供应链在当今世界市场上具有很强的竞争力。如果欧盟想要建立一个世界领先的可再生氢生产电解槽行业,现在就是行动的时候了。
因此,我们建议在欧盟国家安装40GW的电解槽,并在邻国特别是北非和乌克兰安装40GW的电解槽,直至2030年。
我们,欧洲氢工业,正在致力于开发一个强大、世界领先的电解槽产业和市场,致力于生产 在平等和最终成本低于低碳(蓝)氢可再生氢。实现这一目标的先决条件是,到2030年,欧盟及其邻国(如北非和乌克兰)的2x40GW电解槽市场将得到发展。
2030年绿氢生产路线图2x40GW
今天,欧盟的水电装机容量非常有限。在过去的几年里,电解槽公司在欧盟的支持下,为降低成本、提高效率、扩大电解槽体积和扩大产量做出了巨大的努力。试点和示范项目设备已经安装,但现在的时间需要的是扩大电解槽市场,以进一步降低成本,并通过大规模推出发展一个强大的和有竞争力的欧洲电解槽行业。
目前大多数的制氢过程都发生在或接近氢被消耗的地方。氢的需求目前只普遍存在于氢被用作原料的地方,例如在化学工业和石油化学工业中。在一些化工和石化行业和地区之间,只有有限的私有氢管道基础设施。因此,目前的氢气生产被定性为“垄断”,没有大规模的公共氢气管道基础设施可用,除了点对点销售,没有规律和已存的通用氢气市场和基础设施。
在不久的将来,将出现一个可再生的低碳氢市场,用于生产化学品、石油化工产品、新型合成燃料(如煤油),以及用氢代替从铁矿石中生产“绿色钢铁”中的一氧化碳的还原过程。随着这些工业原料的应用,交通领域的氢市场、工业和建筑的高温和低温热能以及平衡目的的电力生产将会出现。
低碳和可再生的氢气生产既可以被放在特定位置(在氢气需求附近),也可以被控制在中心位置(在能源资源附近)。
垄断市场:氢气生产接近氢气需求地
如今,专属解决方案包括将天然气通过碳捕集转化生产的低碳氢,由天然气管道供应;以及通过水电解生产的可再生氢,通过电网供电。由于电网容量的限制,这些站点的电解槽容量被限制在最大几百兆瓦。
在不久的将来,交通燃料领域的氢市场将会出现。在加氢站,可以就地电解水生产氢气。可再生电力可以由电网提供,也可以由太阳能或风力涡轮机在当地生产。电解槽容量高达10兆瓦,可以生产足够的氢供应这样一个氢燃料补给站。此外,氢可以通过卡车或管道以气态形式提供给这些换料站,也可以通过特殊的低温卡车以液态形式提供给这些换料站。未来10年,氢燃料加气站的电解槽市场规模将扩大至1-10兆瓦。
为化学工业、精炼厂和钢铁生产生产部分可再生氢的电解槽市场,需要10- 20兆瓦的容量,并将在未来10年增长。
在不久的将来,这些用于工业和交通的氢气市场可能仍然是垄断市场,氢气将在使用氢气的地方就地生产。电解槽与电网相连,产生(近)基载氢。然而,在许多情况下,电网的容量限制和电网费用将成为低成本制氢的重要瓶颈。
氢市场:能源资源地的制氢
为了让化工和钢铁行业完全脱碳,需要具备数GW的电解槽容量,但由于电网容量不足,这些电解槽无法安装在这些工厂附近。此外,其他市场也需要氢,如流动性、高温和低温加热以及电力平衡等,这些都需要从氢生产中心供应。因此,GW电解槽市场将会有一个不同的市场结构。GW电解槽将安装在大型风力、太阳能、水力和/或地热发电生产基地附近。氢气将被输送到一个气网,最好是100%氢气网,这个气网将把氢气输送到各种各样的消费者那里:工业、交通、房屋、建筑物和平衡发电厂。因为这些电解槽连接到可再生电力生产,而不是电网,电解槽将不会产生基本负载。因此,这样的制氢工厂是不连接电网的,因此负荷系数取决于太阳能和/或风力发电场的可再生电力生产。
氢市场设计
GW电解槽市场需要一个欧洲氢气市场设计,在那里,法规的制定需要一个灵活的过程,并适合于目标,这为天然气基础设施公司、输电系统运营商(TSOs)和配电系统运营商(DSOs)(早期)市场创造提供了可能性。尽管如此,在市场发展的早期阶段,作为一项不受管制的活动,一个能够支持任何参与者将电力转到天然气投资的框架应该成为氢政策框架的一部分。
大量的低碳和可再生的氢在资源点或附近产生,将被输入一个氢网格。天然气基础设施公司,TSOs和DSOs,将创建一个开放获取的基础设施,以连接氢生产商和客户。此外,还需要开发氢储存设施,并将其与氢基础设施连接起来,保证在不受可再生电力(季节性)变化影响的情况下,随时向客户供应氢。一个跨国界的能源认证体系需要确保可再生的低碳氢能源市场的完整性。在这样一个跨国界的有组织的能源市场中,GW级电解槽将能够为新兴的氢市场生产和交易经过认证的氢。
电力、氢系统和市场之间的紧密互动将成为关键。一旦氢管道基础设施到位,10-100兆瓦的电解槽也可以安装在中小型可再生电力生产基地附近。如果将太阳能或风力发电场与电网连接的电网容量不足,部分太阳能或风力发电可以转化为氢气并网发电。这种电氢并网的混合方式,可以缓解电网的容量约束,在电力需求低于生产的时刻吸收电力。欧洲电力和天然气TSOs协会ENTSO-E和ENTSO-G最近进行的一项研究表明,到2050年,需要向电解槽提供300到800 TWh的电力,以稳定电力系统(Collins, 2020)。
欧洲市场设计的氢与其他地区市场相互联系,可以从天然气和电力市场设计中了解,但需要将适当的灵活性机制使市场参与者开关将电能转换为氢,不同的角色有生产商,基础设施公司,TSOs和DSOs,独立的监管机构,国家与其他地区之间的跨境市场机制,以及电网接入、定价、清算、天然气质量、安全等方面的明确规则。
2030年欧盟40GW电解槽容量路线图
表1描绘了欧盟到2030年达到40GW电解槽容量的发展路线图。到2030年,这40GW的氢气总产量将达到440万吨,100万吨的专属电解槽容量将达到6GW,340万吨的市场电解槽容量将达到34GW。根据欧洲氢路线图(FCH JU, 2019), 440万吨氢气(173 TWh)占欧盟总氢气需求(665 TWh)的25%。这将确保欧洲在新兴的全球氢经济中的领先地位,这对于成为并保持这一新兴技术的领导者至关重要。
到2030年,欧盟的电解槽产能将达到40GW,这一路线图既显示出60GW的专属产能,也显示出34GW的氢气市场。到2030年,这40GW的电解槽将生产440万吨或173千瓦时的氢,占欧盟氢市场总量的25%。
表1． 2030年欧盟40GW电解槽产能发展路线图显示了垄断市场(6GW= 6000MW)和氢气市场(34GW= 34000MW)。
2030年北非和乌克兰的40GW电解槽容量路线图
北非有非常有利的太阳能和风能资源,而乌克兰有良好的风能、太阳能和生物质能资源。这两个国家都有大规模生产可再生能源的空间,也有潜力生产必要的可再生能源供自己使用,并成为可再生能源的大规模净出口国。北非和乌克兰都是欧盟的邻近地区,这使得通过管道向欧盟输送氢气成为可能,也有利于向欧盟输送氢气。因为用管道运输氢气比用轮船或电缆运输更便宜,这就有了一个竞争优势。
在北非和乌克兰,氢气生产将接近大规模的可再生电力生产基地。在北非和乌克兰,绿氢的一个有吸引力而可行的用途是用于氨/化肥的生产。例如,摩洛哥没有化石资源,目前每年进口100万吨氨,花费超过4亿美元(Trendeconomy,2018)。我们估计,到2030年,电解槽的装机容量可以达到7．5GW,接近氨/化肥的生产。利用这一装机容量,在北非,埃及、阿尔及利亚和摩洛哥可生产约300万吨“绿色氨”。在乌克兰,预计可生产100万吨“绿色氨”。
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40GW的另一部分,大约32．5GW的电解槽容量将用于大规模的氢气生产,最终输送到出口氢气管道。根据欧洲氢路线图(FCH JU, 2019),到2030年,大约有300万吨(118 TWh)的氢可以出口到欧盟,占欧盟2030年氢总需求的17%。在北非和乌克兰40 GW电解槽容量开发路线图如表2．中所示。
通过与欧盟和北非/乌克兰合作开发这种电解槽能力,欧洲电解槽行业可以开发一个重要的市场,这对于成为并保持这种新兴技术的领导者至关重要。
到2030年,北非和乌克兰的电解槽产能将达到40GW,其中包括7．5GW的国内市场和32．5GW的出口市场。国内市场主要以合成氨生产为主,出口市场主要通过管道向欧盟出口,2030年约300万吨或118TWH氢气,占欧盟2030年氢气市场总量的17%。
表2 2030年北非和乌克兰的40GW电解槽容量路线图显示国内市场的发展(7．5GW)和出口市场的发展(32．5GW)
可再生氢的成本更具竞争力
碱性电解槽槽被认为是一种成熟的技术,目前用于生产氯。PEM和SOEC电解槽正在经历一个陡峭的学习曲线。碱性电解槽、PEM电解槽和SOEC电解槽可用于水电解制氢。这些电解槽技术由电解槽单元组成,这些电解槽单元组合在一起构成一个电堆。要构建GW规模的电解槽,需要将多个电堆并行放置。这些电解槽技术有望在未来十年中取得显著的技术进步。其中,更高的效率、更少的老化、更高的可用性、更大的电池尺寸、更高的操作压力、更少的关键材料使用以及整体材料使用的减少,将降低电解槽的制氢成本。
然而,随着这些技术的进步,尤其是装机容量和工厂规模的扩大,电解槽的成本将会降低。电解槽厂的技术结构与太阳能发电厂类似。电解槽和太阳能电站都是通过生产电池、将大量电池组装到太阳能模块/电解槽堆中,并安装大量模块/堆来实现所需的电站容量来建造的。虽然不同,类似太阳能发电厂的成本降低过程可以预见电解槽厂的情况。电解槽、电池组件、电池和电堆的自动化生产将降低成本,GW规模电解槽工厂的建造会减少工厂每千瓦成本。工厂成本费用的降低包括压缩机、气体净化,去除矿物质水生产、变压器和安装成本。大量的电解槽市场容量以及实现GW规模的电解槽,是显著降低成本的关键因素(IEA, 2019)(氢化理事会,2020)。
电解槽厂的成本固然重要,但制氢成本的主导因素是电价,决定了制氢成本的60-80%。因此,尽可能降低可再生电力的成本是非常重要的。同时,实现大规模的可再生能源发电-制氢一体化也是降低成本的重要途径。整合可再生电氢生产可以减少成本,由于技术整合, 如 避免AC-DC和DC-AC转换成本和损失,并由于业务整合, 如集成项目发展,建设,也减少交易成本、许可成本,电网成本和税收。
总而言之,技术发展、容量、GW规模、低可再生电力生产成本以及一体化的可再生电制氢,将使电解槽生产的可再生氢在2025年左右与低碳氢形成竞争。使用CCS(碳捕获与封存)的SMR(蒸汽甲烷转化)或ATR(自动热转化)天然气生产的低碳氢在欧洲的成本为每公斤1．5-2．0欧元(氢化委员会,2020年)。
到2025年,可再生氢将与低碳氢(1．5-2．0欧元/公斤)或灰氢竞争,每吨二氧化碳的价格为50欧元(氢化委员会,2020年)。(从天然气中生产氢气时,每吨二氧化碳价格上涨10欧元,氢气价格就会上涨约0．1欧元/公斤。)
到2030年,可再生氢燃料有望与灰氢燃料形成竞争,价格为每公斤1．0-1．5欧元。
在北非,太阳能和风能发电的成本很可能比欧洲低,因为那里有更好的太阳能和风能资源,而且土地成本更低。因此,制氢成本将低于欧洲。但是来自北非的氢气必须通过管道或船运到欧洲。大规模的长距离氢气管道运输将使每公斤氢气增加约0．2欧元。海运比管道运输贵。
然而,从北非进口氢肯定会与欧洲的氢生产竞争。
如果能在2030年之前在欧盟、北非和乌克兰建立一个2x40GW的电解槽市场,电解槽行业将致力于电解设备的资本支出、运营成本和效率发展,如表3所示。资本支出和电力成本在一个范围内。低资本支出和电力成本将在“离网”数GW的太阳能和风能氢能工厂实现,这些工厂位于良好的可再生能源基地。高资本支出和电力成本将被用于太阳能/风能发电厂和电网相连的多兆瓦规模电解槽上,该电解槽位于氢需求附近。虽然资本支出和运营成本的降低是重要的,但电力成本的降低是最重要的。(当电解效率达到80%时,每减少10€/MWh的电力成本HHV(较高的热值),转化为氢成本降低0．5€/kg)
*需要运输的氢的状态是30 bar压力,99．99%纯度
**HHV=高热值
表3绿色制氢成本开发
氢的价格是每公斤1欧元
7€/GJ H2
0．025€/kWh H2
0,09€/m3 H2
0．24欧元/立方米天然气当量
绿色制氢成本开发
在良好的风能和太阳能集成电制氢基地,GW规模的电解槽可以生产可再生的氢,其成本可与低碳氢(2025年1．5-2．0欧元/公斤)和灰氢(2030年1．0-1．5欧元/公斤)相媲美。
2x40GW的绿氢气生产的影响
可再生氢的生产不会排放二氧化碳等温室气体,而且在工业和重型运输等难以减少的行业,可将实现能源使用的脱碳。
最重要的是,到2030年实现2x40GW的电解槽产能,可以在欧洲打造世界领先的电解槽产业。这一工业不仅将促进欧盟的经济增长和就业,而且还将促进北非和乌克兰的经济增长和就业。在北非创造经济增长和就业机会可能有助于减少移民。
减少二氧化碳排放
太阳能和风能产生的氢气不会增加大气中的二氧化碳排放。假设用绿氢气代替由甲烷蒸气重整生成的灰氢气。根据CertifHy对氢的认证,灰氢的平均温室气体排放因子(CO2当量排放)为10．9 kg/kg H2 (CertifHy, 2019)。
总氢气产量为2x40GW,H2估计为930万吨。因此,避免的二氧化碳排放总量为9000万吨二氧化碳。然而,在北非和乌克兰生产的部分氢气是自用的,并不出口到欧盟。欧盟绿色制氢和从北非和乌克兰进口的二氧化碳排放量约为8200万吨。
2x40GW绿氢气生产的总二氧化碳排放量为每年9000万吨。通过在欧洲制氢和从北非和乌克拉导入绿氢气,欧盟每年减少8200万吨 CO2排放。
投资2x40GW电解槽产能
根据欧洲和北非/乌克兰电解槽产能发展路线图和表3所示的电解槽资本支出,可以计算电解槽投资总额。对于接近氢需求的圈养制氢和分散制氢,使用较高的资本支出数字来计算这些电解槽投资。对于多GW的太阳能和风能综合制氢工厂,较低的资本支出数据用于计算这些电解槽投资。2×40GW电解槽产能的总投资预计在250亿到300亿欧元之间。根据路线图,超过85%的电解槽产能将在2025-2030年期间实现,这就解释了相对较低的总投资成本。
这些电解槽的投资成本,不包括太阳能和风力发电场的投资。此外,在基础设施、管道、压缩机、盐穴储存和必要的氢应用设备方面的投资费用不包括在这个数字中。特别是在必要的和额外的太阳能和风能容量大约100-150GW的投资成本将大大超过电解槽容量的投资成本。根据太阳能、陆上风能和海上风能的份额,总投资成本大概在1000亿到3000亿欧元之间。
2x40GW电解槽的总投资在250亿到300亿欧元之间
创造工作
电解槽的生产和维护可以创造工作岗位,一项研究估计FCH JU(燃料电池氢联合企业)电解槽生产每百万欧元价值(FCH居,2019年9月)大约产生5．5等效全职工作(直接和间接就业)。这是整个电解槽供应链中所创造的工作岗位。如果我们假设2x40GW电解槽的全部产能将在欧盟生产和维护,那么到2030年,欧盟将创造14万至17万个全职工作岗位。通过发展一个强大和有竞争力的欧洲电解槽行业,到2030年将创造更多的就业机会,但在2030年后将创造更多的就业机会。此外,实现可再生能源的互联互通将创造大量的就业机会。
到2030年,2x40GW电解槽的制造和维护工作岗位在14万至17万之间
终
我们提供什么,我们需要什么
我们,氢工业,致力于发展一个强大的和世界领先的电解槽工业和供应链,并承诺到2030年在欧洲、北非和乌克兰实现2x40GW的电解槽产能。但我们需要欧盟及其成员国设计、创造和促进氢市场、基础设施和经济。
2030年绿氢计划2x40GW
我们能提供什么
▲电解槽成本显著下降
▲可再生氢的竞争力在2025年与低碳氢,在2030年与灰氢相比有竞争力
▲在欧洲拥有GW规模的电解槽和部件生产设施
▲具备投资条件和资金来源的技术和项目
▲投资2X40GW电解槽产能
▲增加与氢相关的研究和创新的行业预算
▲更多的绿色工作
▲实现大规模可再生电力更快、更便宜的融合
▲通过进口廉价的可再生氢,一个有竞争力的可持续能源系统可以更快更便宜地实现。
▲世界领先和有竞争力的电解槽和可再生氢工业
我们需要什么
▲氢气市场设计,灵活和综合的市场监管。
▲执行欧盟能源政策、法规和标准
▲通过改造部分天然气基础设施建设氢气基础设施
▲开放使用公共氢气基础设施
▲金融部门、银行、养老基金、欧洲投资银行、投资基金、欧盟基金(IPCEI基础设施基金等)支持
▲大型储氢设施
▲大量的氢研发和创新预算
▲刺激氢气市场的计划,例如脱碳气体的清洁氢气配额
▲欧盟可再生电力-氢生产的招标
▲需要设计和实现欧盟与北非之间在政治、社会和经济层面上新的、独特的、持久的相互合作。
欧盟面临着发展绿氢经济的独特机遇,这将有助于经济增长、就业以及可持续、可负担和公平的能源体系。基于这一地位,欧盟可以确保其电解槽和绿氢生产的世界市场领导者的地位。
香橙会研究院是上海大智慧股份有限公司(601519．SH)旗下子公司,是领先的氢能服务机构。提供数据研报、资讯PR、政府招商、战略咨询、融资FA等服务。
