氢的前景

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fleur_jaouault_new_energy_solar. 弗勒Jouault 2020年3月5日

必威最大投注新能源太阳能投资可再生能源的授权意味着我们定期监控新技术,以确定它们可能变得可行,并确定其投资潜力和能力提供有吸引力的风险调整的回报。在这种洞察中,我们简要描述了氢气及其用途,然后检查当前挑战,以其广泛的部署。

氢气作为燃料具有显着的吸引力,但与其吸引力一起有很多炒作。由于最近关于氢在能量系统中的作用的作者所指出的“氢技术”,经历了过度期望的循环,随后是幻灭“。1

然而,技术的进展,商业化驾驶成本和加强政治意愿,以解决气候变化使得重新重点归属于氢气的潜力,以促进能源系统的脱模,特别是在热量和运输等复杂的部门中。因此,虽然在氢气真正竞争之前,在成本和技术的挑战仍然存在和相当大的进展中,但“中期未来的这种竞争力似乎不再是一个不切实际的前景”。2

为什么氢?

由于多种原因,氢气作为能量解决方案是一个非常受欢迎的概念。首先,氢气充足,是地球上最基本和最常见的元素。不幸的是,它不存在于地球上的纯H2形式,但结合氧气,水和结合碳,形成煤和甲烷等化合物3.。其次,它也是我们今天使用的最有效的燃料之一,每质量燃料的能量最高4.。最后,由于氢使用的副产品是热和水,因此它在最终应用方面比化石燃料具有显著的环境优势。

电流使用和生产

今天,可用的氢可以从水、生物质、煤或天然气中分离出来。全球大约生产了7000万吨,其中大约900万吨在美国用于提炼和处理金属,食品加工以及NASA的太空计划5.

氢气主要(占总产量的76%)是通过一种叫做蒸汽重整的过程产生的,该过程将天然气中的氢原子与碳原子分离,而大约23%的氢气是从煤中产生的。该工艺是目前最具成本效益的生产方法,所产生的氢气称为“黑氢”。

蒸汽重整生产会产生二氧化碳(CO2),需要大量的热量,这些热量通常是由燃烧气体产生的。不同的燃料基有不同的二氧化碳输出:

  • 天然气中每产生一吨氢气就会产生10吨二氧化碳;
  • 石油产品每生产一吨氢就会产生12吨二氧化碳;和
  • 煤制氢每吨产生19吨二氧化碳。

因此,全球氢气产量今天负责每年8.3亿公吨 - 对应印度尼西亚和英国的年度二氧化碳排放量6.。据估计,黑色H2携带的具体排放量为85kg CO2-e/GJ,比天然气的排放强度大66%7.。因此,除非碳捕获和储存变得更有效和可行,否则通过蒸汽重整生产的氢作为低排放燃料没有任何优势8.。通过采用碳捕获和储存的生产链生产的氢被称为“蓝色H2”。

绿色的氢

另一种方法是,利用可再生能源,如风能和太阳能,电解水来生产氢。通过这种方法产生的氢称为“绿色氢气”。该方法产生零碳排放,从而避免了黑色H2的嵌入式排放。不到0.1%的全球专用氢生产来自水电解9.

氢燃料

氢是如何变成能源的?

  • 直接燃烧 - 氢气可用于简单的燃烧以产生热量,运动和最终电力,没有排放。
  • 氢燃料电池-电化学燃料电池促进氢和氧的结合,以生产电力和水,没有排放。这种燃料电池可以用在车辆或固定装置上。
  • 作为合成燃料的组成部分——合成燃料是碳氢化合物,但与汽油和柴油不同,它们可以从生物质能或沼气厂提取非化石碳,或从空气和低碳氢中提取,在这种情况下,它们造成的温室气体净排放较低或为零。

氢还被用作制造塑料和肥料等产品的原料。

挑战在于生产成本、储存和运输

尽管人们普遍认为氢气具有巨大的前景,但技术上的挑战仍然存在,这些挑战主要围绕着氢气的生产成本以及储存和运输。每一个挑战都会降低氢的效率,特别是在特定的应用领域。例如,对于电力生产的使用,电解、运输、泵送和燃料电池转换回电力的过程会留下大约20-25%的原始电力10.

生产成本

从天然气中提取黑色氢气是最经济有效的制氢方法。在其生产过程中,燃料估计占生产成本的45%至75%,因此成本取决于天然气和煤炭的获取和成本。在没有碳捕获技术的情况下,从天然气中提取黑色氢气的成本在不同地区差别很大,但在中东和美国,成本可能低至1美元/公斤11.

采用碳捕获和储存技术生产蓝色氢气,估计比黑色氢气贵50%左右12.。显然,这项技术还处于商业化的早期阶段,而且就二氧化碳储存而言,还需要克服公众的阻力。

目前,绿色氢气生产是非常耗能的,因此,相对昂贵。利用电解水生产目前全球生产的7000万吨氢气,估计需要3 600千瓦时的电力,比欧盟每年的总发电量还要多13.

水电解制氢的生产成本受到转换效率、年运行时间和电力成本等技术因素的影响。此外,电解槽装置的资本费用非常高,尽管人们认为技术的商业化和革新本身将导致生产成本的大幅度降低。下图是从国际能源机构的报告“氢的未来”中提取的,它展示了电力成本、电解槽利用率、运营和资本成本之间的关系。

从上图可以看出,目前使用现有技术生产的“最有利的情况”将导致绿色氢气价格约为每公斤8-9美元。要使绿色氢气更可行,关键的成本挑战在于开发规模更大的电解槽技术,即100到300兆瓦的电解槽,而不是目前使用的5到10兆瓦的电解槽,以及提高制氢装置的利用率。后一种挑战需要持续的能源,而不是使用过剩的可再生能源。

在波士顿咨询集团的一份出版物中,作者写道:“氢气可以说是目前最不划算的发电选择之一。这是正确的,即使有人采取经常吹捧的方法,设置一个电解槽,只有当有过剩的可再生能源——因此是免费的——电力时才运行。14.

存储

在质量基础上,氢的能量含量几乎是汽油的三倍,而在体积基础上,情况正好相反。存储方面的挑战主要围绕着开发重量轻、容量小的存储。例如,在考虑使用现有的加油站运输基础设施进行储存时,其中一个考虑因素是压缩氢气的能量密度只有汽油的15%,因此加油站需要更多的物理空间来供应同样数量的燃料15.。这可以通过增加加油站的地下储存来管理,但在密集的城市地区,许多现有的加油站不适合氢。

在压缩状态下储存氢气需要大量的能量来压缩气体,而且使用高压容器还存在安全问题,尤其是在交通运输等应用领域。加压和低温贮氢罐可以提供100千瓦时(kWh)(加压贮氢罐)和100千瓦时(kWh)(低温贮氢罐)之间的储氢能力,两者都是成熟的技术。在金属氢化物或碳纳米结构中储存氢也是实现高体积密度的有前途的选择,但仍处于发展的早期阶段16.

需要进一步的研究来确定未来使用氢的优选存储选项,其中大部分将取决于哪些应用最适合氢,这反过来依赖于生产和运输的成本。

运输

由于其低密度,运输氢面对储存的类似挑战。国际能源机构指出,如果氢气在使用前必须长途行进,则传输和分配的成本可能是氢生产成本的三倍17.

运输的选择通常可以归结为液化、压缩或将氢气与更容易作为液体运输的大分子结合。液化被视为一种合理的选择,因为它比运输压缩气体更节能——一船液态氢相当于五船200巴的氢气——液化天然气行业的经验被引用为一种成功的气体运输解决方案。然而,天然气在-162℃液化,氢气要到-253℃才能液化,而冷却到这个温度需要大量的能量。液化氢每千克氢需要12千瓦时的电力,相当于氢在燃料电池中释放能量的25%18.

运输的替代形式包括将氢转化为氢基燃料和原料,如合成甲烷、合成液体燃料和氨,它们可以利用现有的基础设施进行运输、储存和分配。然而,使用这些原料的好处必须与将氢转化为这些产品,然后将其提取以供最终使用的成本进行权衡。许多生产这些物质的技术途径还处于非常早期的阶段,因此无论从金钱上还是从能源上都很昂贵。

氨是最先进的氢载体之一。最后,通过将氨通过热催化剂释放出氢气,生成剩余氨、氮气和氢气的混合物。澳大利亚国家研究机构CSIRO最近展示了一种膜技术,该技术使用选择性渗透的钯和钒管来提取纯度足够高的氢气流,直接注入燃料电池。然而,这项技术仍有待大规模示范——事实上,氨的生产是非常耗能的。19.

缩小氢的应用

考虑到在整个能源领域使用氢气所需的成本和技术进步,许多评论人士建议对氢气应用进行有针对性的投资,以降低投资风险20.而不是通过广泛投资来实现所谓的“氢经济”。

一些评论人士建议,必须把精力集中在廉价技术不适合的氢使用上,以及低碳氢可以大规模使用并利用现有基础设施的地方。在一篇名为《氢的真正前景》的论文中,波士顿咨询集团建议各国政府集中投资于氢在工业过程中的使用,如氨气、钢铁和化学制造,以及潜在的重型运输。例如,某些重型或专用车辆,如公共汽车和卡车车队,有基地或中央燃料补给库,因此不需要综合燃料补给基础设施,需要多次储存和运输,可以提供高利用率和需求确定性所需的投资。在这些领域,氢气作为一种燃料在短期内是可行的,追求发展的商业风险更小。

澳大利亚的氢策略

2019年11月22日,澳大利亚州和联邦能源部长通过了一项基于首席科学家Alan Finkel提出的国家氢战略。联邦新闻稿宣布了该战略的采用和资金筹措”的策略集路径澳大利亚成为全球主要球员氢工业到2030年……战略看起来鼓励“氢中心”——集群的创建大规模的国内需求,这将有助于建立所需的技能和投资澳大利亚开发氢具有全球竞争力的出口行业。21.

在报告的介绍中,艾伦·芬克尔写道:

“能源是文明的基础。为了满足未来的需求,同时避免当前能源的副产品,我们必须找到替代能源。这将是一种混合的一次能源,如太阳能和风能,和二次能源载体,其中氢将作为一种高密度、零排放的燃料作出重要贡献。22.

COAG能源委员会同意Finkel的观点,认为氢气生产是“技术中立”的,联邦能源部长Angus Taylor特别阻止了能源部长Shane Rattenbury的努力,以确保COAG能源委员会承诺只使用可再生能源生产氢气。联邦资源部长Matt Canavan在会后表示,政府将鼓励所有形式的氢气生产,包括使用褐煤生产23.

在全球范围内,其他有19个清洁的氢策略和路线图,包括日本,大韩民国,中国,德国,英国,欧盟和新西兰的举措。在这些计划中共同的关键点是,对低成本和低排放电力的访问对于中期氢出口贸易至关重要,以及碳捕获和储存的可用性24.

许多国家将重点放在使用氢气上,因此预计需求将很大。专注于生产氢的国家越来越少,澳大利亚被认为在这个基础上处于有利地位,原因如下25.

  • 世界上最好的风能和太阳能资源——仅根据风能、太阳能和水力资源的质量,澳大利亚地球科学估计,澳大利亚约11%的土地适合生产氢,尽管对大量水资源的需求使适合生产氢的土地面积减少到3%。这将超过2050年全球对氢的需求。
  • 水——虽然对水的需求是巨大的,但与其他工业用途相比,这并不罕见。2050年,澳大利亚要成为全球大规模氢工业的主要供应商,可能需要相当于目前澳大利亚矿业用水量的三分之一左右。
  • 化石燃料和碳捕获和储存——生产地点需要靠近煤炭和天然气来源,并且可行地在地下储存二氧化碳。假设碳捕获实现了成本效益可行性,并假设成功的社区参与,这些地区可能包括卡纳冯盆地;西澳大利亚近海,吉普斯兰盆地,维多利亚近海和靠近库珀盆地和苏拉特盆地的陆地。
  • 支持性行业和适应清洁能源金融公司,澳大利亚北部基础设施基金和各种国家举措等开发融资设施。
  • 不断增长的氢技术——澳大利亚有30多个试点项目,在联邦、州和地方政府的支持下,发展氢的生产、储存、运输和使用能力。
  • 天然气和可再生能源专家——澳大利亚的液化天然气工业已经成为世界上最大的液化天然气出口国之一,最近澳大利亚已经成为可再生能源部署的领导者,主要是在家用太阳能方面。

值得注意的是,国家氢战略指出,成功的氢未来依赖于:在技术上取得重大突破;大幅降低制氢成本;通过改进现有的清洁能源技术和水电储存或迅速出现的电池储存解决方案,并没有实质性地满足全球需求。

氢气作为一项新投资主张

氢气具有显着的潜力,作为低碳能量来源,但显然在开发的早期阶段。虽然新能源太阳能的任务将允许以这种形式的能必威最大投注源技术投资,但我们不太可能调查投资命题,直到绿色H2以足以获得有吸引力的风险调整的回报的经济利率。在这个阶段,氢是未来的燃料,但希望它不会总是如此。

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