国际能源署(IEA)发布《全球氢能进展报告》

国际能源署(IEA)发布《全球氢能进展报告》

近日,国际能源署(IEA)发布《全球氢能进展报告》指出,电解制氢等低碳制氢技术正加速扩张,氢能在交通运输领域的应用也以前所未有的速度发展,但低碳氢在工业中的应用进展缓慢,向现有天然气管网中注入氢气是快速提升低碳氢需求以促进其发展的有效方法。报告认为,当前氢能发展正面临前所未有的政治机遇,但仍需做出更多努力以进一步促进其发展,并提出了相关行动建议。关键内容如下:

1、低碳制氢产能正加速扩张,尤其是电解制氢

目前,全球大部分氢气生产主要通过排放密集型天然气重整制氢和煤气化制氢两条路线。发展低碳制氢技术对清洁能源转型至关重要,当前主要的低碳制氢技术路线包括:将常规制氢技术与碳捕集、利用与封存(CCUS)集成;通过电解水制氢。由于生产成本低于电解水等其他低碳技术,在短中期内,将常规制氢与CCUS相结合仍然是低碳制氢的主要途径,这一途径正日益受到关注。截至2019年底,共有6个集成CCUS的常规制氢项目投产,每年可生产低碳氢35万吨,还有20多个新项目宣布将在2020年代投产,主要集中在欧洲北海周边国家。

近年来,电解制氢项目数量和装机容量大幅增长,从2010年的不足1 MW增至2019年超过25 MW。此外,项目规模显著增加,2010年代初期的大多数项目规模低于0.5 MW,而2017-2019年规模最大的项目为6 MW,其他项目在1-5 MW之间。日本2020年3月投运了一个10 MW项目,加拿大的20 MW项目正在建设中。此外,预计有数百兆瓦的电解制氢项目将在2020年代早期开始运营。碱性电解槽作为最成熟的电解技术在市场上占据主导地位,特别是对于大型项目。许多新项目选择质子交换膜(PEM)电解槽。与碱性电解槽相比,PEM电解槽处于早期开发阶段,但其运行更灵活,因此更适合波动性可再生能源发电。部分已公布项目采用了高效的固体氧化物电解槽(SOEC),几乎都位于欧洲。然而,与碱性电解槽相比,用户对于PEM的灵活性和SOEC的高效带来的运行效益是否值得投入更高成本仍存在分歧。

2、氢能在交通运输中的应用正以前所未有的速度增长,但氢燃料电池汽车只占新型低碳汽车销量的0.5%

在亚洲市场的推动下,全球燃料电池汽车市场开始蓬勃发展。到2019年底,全球燃料电池汽车保有量几乎翻倍达到25 210辆,销售量达到12 350辆,比2018年的5800辆增加了一倍多。美国销量从2018年的超过2300辆略有下降至2100辆,但其仍是全球燃料电池汽车最大保有国,占全球保有量的1/3,其次是中国、日本和韩国。2019年亚洲市场大幅扩张,缩小了与美国的差距,日本、韩国和中国燃料电池汽车销售量均有所增长。中国2019年燃料电池汽车销量接近4400辆,主要原因是对燃料电池公交车和轻型卡车的政策支持,两者保有量分别达到近4300辆和1800多辆,这使得中国燃料电池公交车(97%)和卡车(98%)保有量在全球遥遥领先。

3、2019年全球在运加氢站数量增长超过20%

截至2019年底,全球在运行加氢站共有470个,同比增长20%以上。日本以113个加氢站继续位居榜首,其次是德国(81个)和美国(64个)。韩国(+20)、日本(+13)和德国(+12)新增加氢站数量大幅增加,而美国仅增加了1个加氢站。2019年,中国在运加氢站数量从20个增加到61个,位居全球第四,紧随其后的是韩国和法国。

4、氢能在非道路运输的应用正逐渐得到认可

2018年底,阿尔斯通公司生产的两列燃料电池列车在德国投入运营,试运行成功后,又宣布将有14列将于2021年投运。英国和荷兰也对阿尔斯通的氢动力列车表现出了兴趣。2019年,中国在佛山投运一辆燃料电池有轨电车,并在进一步探索氢燃料铁路的可能性。

5、向天然气管网中注入氢气可以显著提高低碳氢的需求

除交通运输外,家庭和工业供热也可能增加低碳氢的需求,可利用现有的基础设施(如天然气网络)注入氢气。法国GRHYD项目于2018年开始向天然气网注入掺入6%氢气的天然气,2019年掺混率已达到20%,证明了这种方法的技术可行性。由于高压下材料的不相容性以及工业用户可以接受的混合氢浓度公差较低,向天然气输送管道中注入氢气更具挑战性,一些试点项目正在测试其可行性,意大利天然气管网运营公司Snam公司开发的一个项目已经证明了掺混高达10%氢气的可行性。世界各地的几个项目已经在向天然气网中注入氢气,越来越多国家开始对此感兴趣,目前世界各地在建装置每年可向天然气网输入2900吨氢气。

6、低碳氢的工业应用进展缓慢

在所有部门中,工业对氢的需求量最大,特别是炼油、化工和钢铁制造业。由于这些行业使用高碳氢,用低碳氢替代高碳氢将是在短期内扩大需求、减少温室气体排放的理想机会。在化工和炼油行业,人们对用低碳氢替代高碳氢的兴趣日益增加,一些大型项目已经将碳捕集应用于这两个领域的化石燃料制氢中(例如壳牌公司的Quest项目)。电解制氢仍局限于一些试点或小规模试验,但2019年已经公开了一些大规模项目(高达100 MW),预计将在2020年代早期投入使用,这些项目大多涉及炼油或甲醇及氨的生产。此外,在欧洲目前正在进行的试点项目基础上,电解制氢在钢铁行业的扩张正在加快。在不对现有直接还原炼钢炉进行任何重大改造的情况下,氢气可替代高达35%的天然气,一些钢铁制造商正尝试将氢气与天然气混合作为过渡策略,以推进部署利用纯氢直接还原炼铁的部署方式。瑞典正在建设一个大型试点工厂,预计2025年将进行第一次示范试验。

7、全球范围内对氢能的政策支持力度快速加强

越来越多国家在2019年宣布了氢能战略和路线图,一些国家制定了氢能技术部署的目标。各国的路线图和战略目标仍然主要集中在氢能的交通应用上,但自2018年以来许多国家已经开始设定氢能在工业、建筑和发电等部门的目标。

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8、进一步促进氢能发展的行动建议

(1)确立氢能在国家长期政策和战略中的作用

各国政府应制定明确的氢能目标和发展途径以确定该行业的发展预期,增强投资者对氢能的信心。这也将有助于工业等部门制定氢能长期目标,特别是在炼油、化工、钢铁和长途运输等关键行业。

(2)促进国际合作

通过国际合作展开全球规模的行动,包括:①建立一条国际贸易通道以启动国际氢贸易至关重要,亚太地区是推出第一条路线的有力候选者,日本和澳大利亚之间开发的氢能供应链为实现这一目标提供了一个良好的先行模式;②发展沿海氢中心,扩大低碳氢的生产和利用,从而将低碳氢扩大到其他部门,欧洲北海、中国东南部、印度西北部、墨西哥湾或波斯湾等地区是先期较为理想的选择。

(3)重点支持短期发展机遇

现有的基础设施,如天然气管网,可以提供创造和扩大低碳氢需求的机遇。支持天然气网中掺混氢的政策和法规(如可再生燃料义务指令和低碳燃料标准)可以通过将低碳氢与安全的能源需求联系起来,加快低碳氢的部署。即使进行低浓度掺混(约5%),也能显著增加氢供应技术的部署,并降低成本。当这一做法被证明在经济上可持续,就可逐步将掺混率提高至20%,几乎无需新建基础设施。短期内,还可增加燃料电池在交通运输中的使用,创造低碳氢需求。不同国家的情况可能不同,决策者需要确定重点关注哪种车型,以及鼓励基础设施开发策略以优化利用率。

(4)消除氢开发的关键障碍

目前的法规限制了低碳氢的部署,监管者应致力于解决所有障碍,并采用一套协调一致的标准,以促进氢能在所有部门和不同基础设施中的广泛使用。尤其应关注:①氢气在天然气管网中的掺混限制;②示范新应用的安全案例,特别是在家用和工业部门;③加氢站加氢标准及许可流程。

(5)刺激低碳氢需求,解决先行风险

低碳氢仍然比现有燃料和原料更昂贵。为此,应采取适当政策,促进低碳氢可持续市场的发展。这将为供应商、分销商和用户提供投资保障,加强和扩大供应链,以推动成本降低。氢的新应用、低碳氢供应以及基础设施的开发和改造都是高度不确定的,存在着涉及资本和运营成本的风险。平衡这些风险的政策工具,如贷款担保、税收减免等工具,可以鼓励私营部门投资并降低风险。

(6)确保强有力的研发支持,以降低成本,提高竞争力

尽管规模经济对大幅削减成本至关重要,但研发也将对减少支出和提高低碳氢技术的竞争力至关重要。燃料电池和电解槽等较成熟技术(技术成熟度>7级)可通过研发改善其性能和制造工艺,从而降低材料和系统成本,延长其使用寿命,并解决示范过程中可能发现的任何其他性能和寿命问题。氢衍生燃料等中等成熟度技术(技术成熟度5-7级),可以通过财政研发支持获得成功示范,从而增强投资者的信心,这将降低风险认知和融资成本。低成熟度技术(技术成熟度<5级),如配备CCUS的生物质气化以及海水电解,将需要研发支持和知识共享,以推进其验证过程和长期商业化。政府的行动,包括使用公共资金,对于制定研究议程和风险承担水平,以及吸引私人资本进行创新至关重要。工业界在制定长期战略时,应将研发作为优先事项之一,以缩小与高碳氢技术的差距,增强低碳氢的竞争力。

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