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《氢能脱碳途径》:大规模氢能可行,可大幅减少温室气体排放

作者:中国储能网新闻中心 来源:风能专委会CWEA 发布时间:2021-02-01 浏览:

2021年1月,氢能理事会发布最新《氢能脱碳途径》报告显示,大规模低碳氢的供应在经济和环境上都是可行的,如果采用正确的本地化生产和实践方法,氢能将具有巨大的社会效益。该报告还表明,单纯依靠单一的生产途径来制氢,难以实现较低的生命周期温室气体(GHG)排放,相反,采用基于事实的方法充分利用好区域资源,包括不同生产途径的组合,可实现减排并降低成本,最终有助于使能源系统脱碳并限制全球变暖。

使用可再生能源的低碳氢,可以大大减少温室气体的排放;与传统化石能源相比,使用光伏和风能进行电解氢,所需的总水量也非常低。

不同能源和制氢途径的结合,使可再生能源和低碳氢的供应成为可能,并将在2050年支持进一步降低氢的成本。

2020年,有超过15个国家启动了氢计划和相关政策,行业参与者认为到2030年将有超过35GW的氢能项目。随着氢能的加速发展,决策者必须更加注重氢能的脱碳作用,以确保氢能发挥其作为全球清洁能源转型中关键解决方案的潜力,为净零排放做出重大贡献。

氢能理事会发布的最新氢能报告分为两部分:第一部分,《生命周期评估》,基于不同的氢供应途径产生的温室气体排放以及针对不同氢应用的生命周期温室气体排放的评估所提供的最新数据。报告第二部分, 《潜在的供应方案》,提出了3种假设的氢供应方案,以衡量大规模部署可再生和低碳氢的可行性和影响。

报告指出,生产氢的方法很多,尽管其中温室气体排放量差异很大,但是不同的氢生产途径和最终用途中,都可以实现很高的二氧化碳减排效果。

例如,通过可再生能源通过水电解产生的“绿氢”可达到最低排放,但由具有高二氧化碳排放的天然气生产“蓝氢”如果能使用最佳技术并遵循最佳实践,则通过捕获和存储技术,同样可以实现低排放。

报告探索了八种示例性途径,分析表明,如果使用氢,则可以显著减少温室气体的排放。比传统的化石能源减排多达60-90%。

此外,报告认为,未来完全可以实现低碳氢的大规模供应。

在调查了两个假设的边界情景(“仅绿氢”和“仅蓝氢”情景)以评估脱碳氢供应的可行性和影响后,报告发现这两种情景都是可行的:也即氢的供应和增长,不受全球可再生能源潜力的限制或碳封存(CCS)容量的限制,其增长速度不会超过行业扩展的速度。

氢能理事会曾经在2017年进行的“扩大氢能规模”研究显示,到2050年,对氢的需求已确定为21800 TWh。而要实现这一目标,电解槽和CCS的复合年增长率需要达到30-35%。这一部署比率与近十年来海上风电和太阳能光伏产业的增长率差不多。

氢能理事会于2020年1月发布的数据已经显示,到2030年,在可再生和低碳氢成本下降的推动下,广泛的氢应用将变得具有竞争力。最新的研究表明,“绿氢”和“蓝氢”生产路径的组合,将导致相对于任何一种边界情景而言氢成本的降低。

通过利用“蓝氢”在近期的成本优势,同时扩大“绿氢”的中长期的优势,在许多地区是最具成本效益的选择。相对于任何一种边界情景,这样的蓝绿组合,均可降低从现在到2050年的氢能平均成本。

鉴于氢能是能源转型的关键之一,使其在经济上可行不仅重要,而且对于使脱碳影响最大化并使其资源需求最小化也很重要。

第一部分–生命周期评估

本研究中的生命周期评估(LCA)分析涉及到供应链的各个方面,从一次能源提取到终端能源的使用。

报告从一次能源到氢能过程选择了8个价值链进行说明。

通过对氢能途径和应用的分析,发现通过使用绿氢(太阳能、风能)和蓝氢,都可实现较高的温室气体排放量减少。

在生命周期评估(LCA)研究中,可再生能源+电解的方式,温室气体减排效果最大(非常高,大约90%以上),最佳情形下的蓝氢途径,减排效果也不错(高,大约60%以上),但两者处于相同的数量级。

第二部分–潜在的供应方案

目前大多数氢是通过化石途径产生的。

氢理事会在其《扩大氢能规模》报告(2017年)中所设想的那样,要在2050年之前使氢能的供应增加十倍,就必须使现在使用的氢及未来潜在的氢需求都要实现脱碳。

研究提供了三种假设脱碳氢供应情景:

1)“仅绿氢”,可再生能源为基础;

2)“仅蓝氢”,依靠碳捕集;

3)两种脱碳途径相结合的方案,该方案根据来源的预期区域成本情况,使用绿氢和蓝氢的特定组合。

研究发现,无论生产途径如何,都可以保证脱碳氢的供应。

而组合的形式,可以在大规模扩张期间保证成本最低。

在某些地区充分利用“蓝氢”的近期成本优势,可实现一定的规模化。

依据条件不同,不一定非得用仅绿氢的方案。

该报告由氢能理事会在Ludwig-Bölkow-Systemtechnik(LBST)和麦肯锡公司的分析支持下共同完成。生命周期评估部分基于氢能理事会先前的工作,结合LBST在氢和燃料电池及生命周期评估方面的专业知识。供应方案部分借鉴了氢能理事会和麦肯锡公司此前开展的工作,包括《扩大氢能规模》报告(2018年),《氢能平价之路》报告(2020年)以及正在进行的《氢能洞察》研究(2021年)。

部分图表:

图1:2030和2050年制氢途径的碳排放量比较

注:能源生产排放(energy production,浅灰色块)是指氢能工厂所用不同的能源原始来源(天然气、煤炭、电力)所产生的温室气体排放量,而H2生产(H2 production,深灰色块)是指氢能工厂直接的温室气体排放,包括来自工厂辅助电力的使用等。

氢生产过程各中方法的用水量比较

从生产到使用的氢能路径,6个过程各种具体形式

8种描述路径

长距离乘用车使用情形,东亚,使用进口的蓝氢

船运,挪威,使用蓝氢情形

工业供热,北欧,使用蓝氢

发电,东亚,使用蓝氢

作为化肥原料,从绿氢制作化肥用的氨

大巴,使用绿氢

重型卡车运输,采用绿氢

钢铁生产,西欧的绿色钢铁生产过程

不同氢类型的消费和排放情况(灰、蓝、绿)

蓝氢和绿氢混合情景

氢脱碳情景下可再生能源需求情况(混合模式下,用太阳能的话面积相当于40%西班牙国土面积,用海上风电则需要在英国和爱尔兰海域全部安装上风机)

来源:氢能理事会 HydrogenCouncil

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关键字:氢能

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