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2050 氢能展望报告 2022年能源转型展望 系列报告之一 2 目录 前言 3 概要 4 1 简介 8 1.1 氢的特性 9 1.2 当今氢的工业用途和抱负 12 1.3 氢的价值链 15 1.4 安 全、风 险 和 危 害 20 1.5 氢的投资风险 26 2 氢政策和战略 30 2.1 政策和氢转型 30 2.2 政策和监管形势 34 2.3 区域氢能政策制定 37 2.4 本氢能预测报告中的政策因素 46 3 氢的生产 48 3.1 制氢方法 48 3.2 化石燃料制氢：甲烷重整制氢和煤气化制氢 50 3.3 电力制氢：电解制氢 52 4 氢的储存和运输 56 4.1 氢的运输和储存方法 56 4.2 储存 58 4.3 运输系统 61 4.4 输配管道 65 4.5 氢的船运 66 5 氢 ：供 需 预 测 70 5.1 氢的生产 73 5.2 氢作为原料 78 5.3 氢作为能源 81 6 贸易基础设施 92 6.1 跨区域海上运输 93 6.2 管道运输 94 参考资料 96 DNV — 2050氢能展望报告 3 欢迎参阅 DNV对 2050年能源转型中氢能的首份独立预 测报告。 尽管有雄心勃勃的声明显示氢在能源转型中可能发挥的 重要作用，但目前生产的低碳和可再生氢的数量几乎可 以忽略不计。 这当然会改变。但关键问题是，何时改变以及改变多少？ 我们发现，到 2050年，氢能可能仅满足全球能源需求的 5%，比净零路径中应有的份额少三分之二。显然，全球 需要更强有力的政策将氢能推向满足《巴黎协定》所需 的水平。在这里，参考欧洲的扶持政策是有指导意义的： 到 2050年，氢可能占能 源 结构的 11%。 全球能源需求的 5%意味着超过 2亿吨氢转化为能源载 体，这仍然是一个巨大的数字。其中五分之一是氨，另外 五分之一包括 e-燃料，如 e-甲醇和清洁航空燃料，其余为 纯氢。 氢是宇宙中最富含的元素，但我们只能在化石燃料、气 体和水等化合物中制取。释放这些氢分子需要大量的 能源—通过对天然气进行蒸汽甲烷重整加以 CCS以“蓝 氢”形式制取，或者通过电解从水和可再生电力中以“绿 氢”形式制取。 到 2050年，超过 70%的氢将以绿氢方式制取。由于制造 绿氢过程中会有能量损失，理想情况下，应首先利用可 再生能源在电力结构中替代煤炭，并在一定程度上替代 天然气。在实践中，会有一些重叠，因为氢是可变可再生 能源的一种重要储存形式。但不可否认，风能和太阳能 光伏是绿色氢能的先决条件；我们雄心越大，这些资 源的用途就越大。 与直接电气化相比，氢能价格高昂且效率低下。在很多方 面，应该考虑作为最 后的低碳能 源 。但 是，氢能 又 是 迫 切需要的。在那些难以或不可能电气化的领域，如航空、 航运和高温工艺流程，尤其需要氢能。在某些国家，如 英国，氢在某种程度上可以通过现有的天然气配送网络 以低于转换为电力的批发成本交付给最终用户使用。 前言 前言 Remi Eriksen 集团总裁兼首席执行官 DNV 由于氢对脱碳至关重要，因此安全不能成为其致命弱 点。 DNV在这方面处于领先地位：氢设施可以设计成与 广泛接受的天然气设施一样安全或更好。这意味着必须 在氢能生产和配送系统中设计安全措施，且必须在其整 个生命周期内正确运行和维护。同样的方法必须扩展到 作为氢载体的氨，它将被大量用于航运的脱碳目标。就 这一方面而言，其毒性是一个重点关注问题，必须进行 相应的管理。 对启动和扩大氢能规模的技术和政策进行分析，然后模 拟氢如何与其他能源载体竞争并非易事。 正如我们在本报告中解释的那样，将会有许多氢价值 链，不仅在成本方面进行竞争，而且在时间、地 理、排 放强度、风险接受标准、纯度和最终用途的适应性方面 进行竞争。对于我的同事们为向您提供这一重要预测报 告所做的工作，我深表骄傲，并一如既往地期待您的反 馈。 4 概要 图示1 用于能源目的的氢及其衍生物生产的全球年平均 支出额 不包括与非能源原料使用相关的支出 单位：十亿USD/年 图示2 按生产路线分列的用于能源目的的氢及其衍生物 的全球产量 专用可再生电解 基于化石能源并采用CCS 并网电解 单位：吨null 2/年 DNV — 2050氢能展望报告 预测 • 可再生和低碳氢对于实现《巴黎协定》中难以减排行业的脱碳目标至关重要。为了实现目标，到本世纪中 叶，氢能需要满足世界能源需求的 15%左右。 • 我们预测，与《巴黎协定》的要求相比，全球氢的应用规模非常低且较晚―― 到 2030年达到全球最终能 源结构的 0.5%，到 2050年达到 5%， 尽管氢在世界一些地区的能源结构中所占的份额将是这些百分比 的两倍。 • 从现在到 2050年，全球生产能源用氢的支出将达到 6.8万亿美元 ，另外 1800亿美元用于氢管道， 5300亿 美元用于建设和运营氨终端。 概要 5 • 到 2050年，基于电网的电解成本将大幅下降，届时平均约为 1.5美元 /千克，在某些地区，专用可再生电解产 生的绿氢及蓝氢也将达到这一成本水平。蓝氢的全球平均价格将从 2030年的 2.5美元 /千克降至 2050年的 2.2美元 /千克。在美国等能够获得廉价天然气的地区，成本已经达到 2美元 /千克。在全球范围内，绿氢将 在未来十年内达到与蓝氢的成本平价。 • 在大多数地区，绿氢将越来越多地成为最便宜的生产形式。 到 2050年， 72%用作能源载体的氢及其衍生物 将基于电力， 28%的蓝氢来自使用 CCS的 化 石燃 料，低 于 2030年的 34%。一些天然气价格低廉的地区将拥 有更高的蓝氢份额。 • 出于成本方面的考虑，全球超过 50%的氢管道从天然气管道重新利用 ，在 某 些地区高达 80%，因为重新利 用管道的成本预计仅为新建工程成本的 10-35%。 图示null 氢气的平准化成本 甲烷重整加CCS 专用可再生电解 基于电网的电解 获得支持后的平准化生产成本 单位：USD/kgnull 2 加权世界平均值 图示4 全球氢能管网容量 新建 基于天然气管道重新利用 包括运输、配送和交易管道。 以太瓦公里为单位的容量；峰值流量乘以管道长 度的复合度量 单位：TW-km 6 图示null 全球对氢及其衍生物作为能源载体的需求 （按行业划分） 运输 - NH 3 和合成汽油 运输 ‒ 氢气 发电 建筑 制造 其他能源使用 所有非运输用途都是纯氢 单位：百万吨H 2/年 图示5 2050 年氢和氨的运输量 海运区域间运输 管道区域间运输 区域内生产和消费 区域间运输仅涵盖本报告中定义的 10 个区域之间的运输。 所有数字均 以量表示：百万吨H 2或百万吨NH 3。 H2转化成氨的质量是H 2质量的5.6倍。 单位：百万吨/年 • 氢将通过管道在国家内部和中等距离的国家之间进行运输，但不会在各大洲之间运输。氨更安全、更方便 运输（例如通过船舶运输），到2050 年， 59%与能源相关的氨将在区域之间进行交易。 • 氢的直接使用将由制造业主导 ，在高温工艺中取代煤炭和天然气。钢铁等行业也是 2020年代后期最先开始 氢应用的行业。 • 氨 、甲 醇 和 e-燃料等 氢衍生物 将在重型运输部门（航空、海运和部分卡车运输）的 脱碳中发挥关键作用 ，但 在 2030年代后期，氢衍生物的应用才会规模化。 • 我们预计小客车不会进行氢的应用 ，在发电领域仅会进行有限的应用。用于建筑物供暖的氢气，通常与天 然气混合，在某些地区已进行早期应用，但不会在全球范围内扩大规模。 概要 DNV — 2050氢能展望报告 7 洞见 • 氢 需要大量宝贵的可再生能源或广泛的碳捕获和储存， 应优先用于难以减排的行业 。在其他领域，与直 接使用电力相比，氢效率低下且成本高昂。 • 作为工业原料（非能源）用于化肥和炼油厂的 化石氢 ， 可以立即被绿氢和蓝氢取代 ――这是各能源行业 大规模燃料替换之前的重要需求来源。 • 氢的安全性和氨的毒性是主要风险 。公众认知风险和财务风险对于确保增加氢的应用规模也很 重要。 • 我们所预测的氢的低量且迟缓的应用表明， 要使氢在净零排放的竞赛中发挥最佳作用，需要更强有力的 政策 ，以更强效的指令需求面的措施给予生产商信心，以及更高的碳价格，来使氢的应用规模超越目前 的预测。 概要 8 100多年来，氢作为化学原料在化肥生产和炼油厂中大量 使用。然而，目前氢作为能源载体的使用是微不足道的。 这是因为制氢本身要先脱碳（目前成本很高），才能在推 动能源系统的脱碳中发挥重要作用。尽管做出投资决定 并处于建设阶段的项目数量不多，但这一巨大的成本障 碍并没有阻止能源行业对氢的兴趣。随着创新渠道的进 一步发展，现有技术供应商进行了众多的可行性研究，初 创企业正在开发更高效和更大规模的概念。 与直接使用电力相比，通常氢具有明显的成本、复杂性、 效率以及安全性等方面的缺点。然而，对于许多能源部 门来说，直接使用电力是不可行的，氢及其衍生物如氨、 甲醇和 e-燃料是主要的低碳竞争者――有时与生物燃料 互相竞争。 正在涌现的新共识是，低碳和可再生氢将在未来的脱碳 能源系统中发挥重要作用。作用的重要性仍然不确定， 但各种估计表明，氢在未来低碳能源系统中占全球能源 使用量的 10%到 20%。 DNV的“净零之路”报告预计到 2050年，氢将占净零能源结构的 13%，届时将迅速提高 份额。 本预测中，我们目前的任务不在于说明氢在 2050年能源 结构中应该占据的份额，而是说明它可能占据的份额。 我们发现，到本世纪中叶，氢还没有完全履行其在净零 排放中的角色，事实上远未达到。我们的预测显示，到 2050年，氢可能仅能 满足 5%的能源需求。 扩大全球氢使用规模受到一系列挑战的困扰：可用性、 成本、可接受性、安全性、效率和纯度。虽然人们普遍 认为为达成《巴黎协定》，需要尽快扩大全球氢的使用 规模，而目前其发展速度太慢，远不及我们在可再生能 源、电网和电池存储装置中看到的加速发展。但是，利 益相关者和媒体对氢的承诺却兴趣盎然。然而，却很少 有评论者对可能的全球氢增长路径背后的细节进行冷 静仔细的研究。 本报告是 DNV年度能源转型展望 (ETO)报告系列的一部 分。这里提供的结果将成为 2022年 10月即将发布的 2022 年版 ETO主报告的一部分。我们在本氢预测报告中的洞 见和结论基于 DNV的 ETO模 型中更详 细 的 氢 能 建 模 ，包 括用于氢贸易和运输的新模型，以及对新制氢方法和氢 衍生物更深入的研究。 我们进行本预测的目的不在于说明氢在2050 年能源结构中应该占据的份额，而是说明它可 能占据的份额。 本报告首先解释了氢的特性和目前的使用情况，以及安 全和投资风险，然后描述了当前未来可能的氢政策和 战略。第 3章和第 4章 详 细介 绍了用于生 产、储存和运输 的氢技术。第 5章介绍了 DNV氢 能 应 用 模 型 的 结 果，该 章 着眼于不同能源部门的制氢和使用。第 6章涉及氢贸易。 最后一章深入介绍了不同氢供应链的示例和比较。 1 简介 DNV — 2050氢能展望报告 9 1.1 氢的特性 氢既类似又不同于能源系统中的任何其他物质。氢是一 种可以通过可再生能源生产的能源载体，并且与电力一 样，它可以用来为电池（由燃料电池组成）“充电”。与化 石燃料一样，氢具有爆炸性，燃烧时会产生热量。它可以 从碳氢化合物中提取，保存在罐中，通过管道运输并长 期储存；它可以在气态和液态之间转换，还能转化为衍 生物。 这些特性使氢在能源转型中有着光明的前景，但也在安 全、基础设施、生产、应用案例和商业可行性方面对氢的 使用设置了障碍。 作为低碳和可再生能源载体，资源丰富但生产成本高 氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上它仅作为化合物 的一部分，最常见的是与氧一起以水的形式存在，但也存 在于碳氢化合物中。 1 作为低碳能源载体，资源丰富 但生产成本高 2 可燃，但表现与天然气不同 3 重量轻，但能量密度低是一个问题 4 液态氢及其衍生物克服了限制， 但转化效率低 5 潜力巨大，但挑战也很大 图 1.1 氢的特性 $ 简介 1 10 为了用作能量载体或零排放燃料，氢必须暂时从其与氧的 键中释放出来或从碳氢化合物中提取。氢是所有元素中最 简单的，但生产纯氢的过程却不那么简单：生产过程是能源 密集型的，涉及大量能源消耗，成本高昂，并且会产生碳排 放。大规模使用氢的主要驱动力是使能源系统脱碳，更具 体地说，是使能源系统中那些难以减排（即不能直接电气 化）的行业脱碳。 这使得生产和运输低排放或零排放的氢变得至关重要，同 时还能有效利用水与废热和氧气等副产品。 氢是所有元素中最简单的，但生产纯氢的过程 却不那么简单：生产过程是能源密集型的，涉及 大量能源消耗，成本高昂，并且会产生碳排放。 可 燃 ，但 表 现 与 天 然 气 不 同 氢在正常大气压和温度下是可燃的气体，但它的表现与天 然气不同，需要进行基础设施、设备和安全标准的调整或 开发。 相对于天然气或汽油蒸气等熟悉的替代品，氢以非常低 的能量点燃并且具有广泛的可燃性范围。由于氢原子小， 其分散行为不同于其他气体。氢是无色、无嗅、无味，这 意味着需要特定的传感器或加臭剂来检测它，并且在燃 烧氢时需要添加剂来产生熟悉的可见颜色火焰。 重量轻，但能量密度低是个问题 氢是最轻的元素，与其重量相比具有高能量密度，当重量 成为问题时拥有应用优势，例如重型公路运输。总体而 言，与体积相比，考虑氢的能量密度更为重要，因为与其 他燃料相比，氢的能量密度非常低。这使得氢更难以储 存和运输。低能量密度也降低了氢（至少是以氢气形式） 在不能直接或常规电气化的用例中的可行性，例如航运 和航空。解决方案是将氢气冷凝成液体—而这只能部分 解决这个挑战—或者将其转化为氨、甲醇或合成燃料等 衍生物。 液态氢及其衍生物可以克服限制，但转化效率低且成本高 压缩氢通常是长距离运输大容量氢的最具成本效益的 方式，但这需要管道，同时还带来技术上的挑战。氢可 能需要在与天然气 /生物甲烷不同的压力（或速度）下运 行，并且可能对材料（例如管道和阀门）产生不利影响。 为了匹配液体燃料（例如汽油和柴油）的密度和灵活 性优势，氢可以冷凝成液体，但氢液化的温度极低， 为 -253ºC，需要大 量能 源 。即使 是 液 态氢，其能 量密度 也不如可比的化石燃料。液态氢还具有与压缩气态氢不 同的安全特性—例如，在释放时会变成可能会积聚的重 气体，而不是像压缩氢那样上升和消散。 氢可以转化为衍 生物，例如氨，其 单位体 积的能 量密度比 液态氢高，可以在低压下以液体形式储存和运输，也可以 在约 -33°C和 1bar的低温罐中储存和运输。氨可以通过 管道、轮船、卡车和其他散装方式以低成本运输。需要注 意的是，氨合成及其随后的脱氢来释放氢，都需要大量 的能源。 潜力巨大，但也面临重大挑战 氢的特性使其在能源转型中具有巨大的潜力，并且有解 决方案来应对氢的特性所带来的挑战。权衡标准往往是 实施这些解决方案所需的能源。制氢的分离或提取过程 DNV — 2050氢能展望报告 11 需要能源，输出氢的能源含量总是小于输入燃料的能源 含量，加上制氢过程所需的能源。换句话说，生产和转 化氢效率低下，而且损失很大。与其他传统燃料相比，氢 的储存和运输通常也更耗能。纯氢对用户或整个社会的 价值必须足以证明其生产、运输和使用过程中的能源损 失是合理的。 氢的特性需要根据应用和背景考虑整个氢价值链，来确 定最佳来源、状态和衍生物以及相关的基础设施和设 备，以最大限度地提高氢的特性所带来的好处，并且最 大限度地减少其负面影响。成功的氢价值链将平衡氢与 其他能源载体和燃料的利弊、物理风险和安全风险、成 本和收益以及脱碳潜力。 一个主要考虑因素是更高的电气化和大规模使用氢之间 的关系。如果通过一个部门的直接电气化来实现脱碳是 可行的，而将电力转化为氢的效率又低下，那么电气化是 首选。 如果电气化不是一种选择或者是一种非常糟糕的选择， 那么氢是最好的选择，就像众多难以减排的部门一样。 能源行业很清楚氢和电气化可以在哪些方面发挥作用： 我们调查的大约 80%的能源专业人士认为，氢和电气化 将协 同工作，帮助两者扩大 规 模；只有 16%的人认为氢和 电气化将在能源结构中竞争相同的份额。 简介 1 12 1.2 当前的工业用途和抱负 当前，氢及其衍生物大量生产，但作为一种能源载体，它 的用途可以忽略不计。然而，为了实现《巴黎协定》的目 标，现有的氢工业生产必须脱碳。更关键的是，需要额外 大量的低碳氢及其衍生物作为能源载体 -包括工业、航运 和航空的供暖以及能源储存。 制氢已是一个蓬勃发展的产业 制氢已是一个庞大而蓬勃发展的产业。然而，现今蓬勃 发展的却不是低碳制氢。现今生产的氢主要用于化肥或 化学原料，由煤或天然气生产，没有碳捕获。相关的排放 量很大： 2020年约为 9亿吨二氧化碳，或高于法国和德国 的当年二氧化碳排放总量。 全球对作为工业原料的氢及其衍生物（即非能源氢）的 需求量约为每年 9000万吨（ 2020年） 2 。在能源方面，这 相当于大约 12EJ或大约 2%的世界能源需求。从这个角度 来看， DNV预测，直到 2040年代初，对氢作为能源载体 的需求才会达到这个水平。然而，非能源氢将在能源转型 中发挥作用。解决其排放问题将有助于扩大和加速碳捕 获和减排技术。 目前，氢用于炼油、化肥和工业流程 目前，对氢的需求分为炼油中的纯氢使用以及化学生产 （如生产氨和甲醇等衍生物）中对氢的需求。在化学生产 历史数据来源： IEA Future of Hydrogen (2019) 图 按地区划分，全球氢及其衍生物的生产支出 单位： 百万吨H 2 /年 作为能源载体 作为非能源原料 DNV — 2050氢能展望报告 13 中使用的氢，大约四分之三用于制氨，四分之一用于制甲 醇。相对较小比例的氢需求也直接用于钢铁生产。在化学 生产中使用的氢，大约四分之三用于制氨，四分之一用于 制甲醇。相对较小比例的氢需求也直接用于钢铁生产。 — 炼油 — 炼油厂是最大的氢消费者（ 2020年约为 3700 万吨），使用氢来降低柴油的硫含量，并将重质渣油 升级为价值更高的石油产品。随着全球石油需求保持 在当前水平，对氢的需求将在未来几年继续存在，然 后随着石油需求的下降从 2030年前后开始下降。 — 氨 — 每年大约使用 3300万吨的氢来制氨 (NH3)，其 中 70%用作生产肥料的重要前体物。因此，氨需求与 持续增长的全球农业生产相关。氨贸易在全球范围内 进行，全 球出口量约占总产量的 10%-这表明氨运输和 全球氨贸易将成为未来氢生态系统的重要推动力。 — 甲醇 — 每年约有 1300万吨的氢用于生产甲醇，被用 于生产化学甲醛的工艺流程以及用于生产塑料和涂 料。 — 钢铁 — 每年使用近 500万吨的氢在钢铁生产中直接 还原铁（ DRI）。目前，化石燃料以焦炭形式在整个炼 钢过程中用作还原剂，并用于炼铁和炼钢过程的各个 热密集阶段，而所有这些都可以被低碳氢取代。 目前生产的氢几乎完全来自化石燃料（灰色、黑色和棕色 氢，分别来自天然气和煤炭）。然而，由于日益上涨的碳价 格，尤其是在欧洲，所有行业都面临着越来越大的脱碳压 力――尤其是石油和天然气行业。从一个角度来看，在炼 油、制氨和其他工业用途中，从灰氢 /黑氢 /棕氢向蓝氢和 绿氢（由经碳捕获的化石燃料或可再生能源生产）的转型 可以确保对低碳氢的早期需求，帮助氢“生态系统”――即 支持氢作为能源载体的价值链――扩大规模。从另一个角 度来看，这些也都是之后将与能源用户争夺低碳氢的大型 产业。 氢作为能源载体的雄心壮志 作为能源转型中可行和快速发展的重要支柱，氢具有全 新的地位。 DNV在 2022年所做的调研中，六成的能源资 深专业人士表示，到 2030年，氢将成为能 源 结构的重要 组成部分，近一半的人表示他们的组织正在积极进入氢 市场。不仅如此，近几年的氢承诺、氢计划和氢试点已经 开始演变为具体的承诺、投资和大规模的项目。 为了实现未来几年绿氢和蓝氢产量不断增长的雄心壮 志，生产商需要更大的确定性才能对大规模投资和项目 充满信心。这将需要雄心勃勃的政策和政府战略，多个 行业同时构建氢价值链的需求面，并实现可再生能源发 电的预期巨大增长。这一增长必须加速到超过对可再生 电力的需求，并创造低成本的清洁绿氢生产，以增加对用 于储能的氢需求。 根据气候和净零目标，许多行业迫切需要通过重新配置 他们的工厂、机 器、模 型和实践，以替换 碳密集 型 工艺来 向氢转型――氢可替代任何一种基于化石燃料的能源或 这些行业的原料需求。例如，长途卡车车队可以用氢燃料 电池代替柴油；水泥、铝和炼钢中的加热过程可以使用氢 作为燃料；制氨的化工企业可以将灰氢 /棕氢原料换成蓝 氢 /绿氢。 我们将在第 5章介绍预测的需求和供应。 简介 1 14 低碳衍生物是氢作为能源载体广泛使用的关键 正如现今的氢在某些工业应用中转化为氨和甲醇一样， 氢作为能源载体的广泛使用也将依赖于氢衍生物和氢基 合成燃料，这些能源载体的特性比纯氢更适合应用。氢 衍生物需要以低碳方式生产。 航空和航运是使用低碳氢衍生物最重要的两个行业。两 者的共同点是它们难以电气化而且需要大量的能源，这 意味着电气化或纯氢不是它们目前所依赖的化石燃料的 可行替代品。纯氢和电池的能量密度都太低，无法广泛 用于这些行业。航空和航运与其他行业不同的地方。 — 航空 — 氢基合成燃料（合成煤油或类似燃料）可能会 用于航空，我们预计纯氢将在中程航班上有所使， 但我们预计 2040年代之前不会大量使用。 — 航运 — 没有相关的电池电力选项可用于使深海航运 部门脱碳，合成燃料如氨、氢和生物燃料是最现实的 低碳替代品。根据 DNV的最新预测，这些高成本燃料 将在柴油和燃气推进的混合配置中得到大量使用， 2050年将在海上燃料结构中占略高于 42%的比例。 氢衍生物也将用于氢的运输和储存，我们将在第 5章中进 一步探讨。 图 1.3 能源行业对氢的雄心壮志 资料来源： DNV 2022 年能源行业洞见，基于 2022 年 1月完成的一项调研。 总体 油气 电力 耗能行业 可再生能源 62% 56%68%66%59% 47% 35%61%40%46% 到 2030 年，氢将成为能源结构的重要组成部分 我所在的组织正在积极进入氢市场 DNV — 2050氢能展望报告 15 1.3 氢价值链 氢作为能源载体的市场和价值链还处于起步阶段—尽管 对其潜力已经争论了几十年。目前的氢市场主要是专用 的，氢的生产活动发生在重要氢消费者处或附近。除了氨 和甲醇等氢衍生物市场外，几乎没有开放的氢商品市场。 目前，氢几乎完全由天然气和煤炭生产，而没有利用 CCS 技术。在许多（如果不是大多数）情况下，完全脱碳氢价 值链要通过生产蓝氢（即基于 CCS的化石燃料生产氢） 作为中间过渡，然后再到有充足的剩余或专用可再生能 源用于大规模生产绿氢。 要使氢作为战略性脱碳能源载体发挥有意义的作用，需 要新的价值链和氢市场的发展。 到 2050年，许多不同的氢价值链将得到发展。这是由于 氢的多功能性：它可以由煤炭、天然气、电网或专用可再 生能源生产；它可以以纯氢形式储存、运输和使用，与天 然气混合或转化为衍生物；它将在一系列行业和应用中 得以使 用，包 括 海 运 、供 热 、公 路 运 输 和 航 空 。 简介 1 16 来源 太阳能 专用可再生 能源生产 发电 煤炭和 生物质 天然气 风能 水电 核能 转化为氨 氨船运 NH3 NH3 氢船运 氢管道 长管拖车 管道 航空 工业 海事 炼油 卡车 建筑 供热 工业 供热 化肥 电力 燃气管网 转化为甲醇 /e-燃料 直接使用氢 电解 通过 CCS = 二氧化碳足迹的大小，包括生命周期排放。 通过 CCS 水 跨区域 区域性 气化 甲烷重整 nullnull 20null nullnull 转换 运输 利用 化石能源 2050年氢的生产和使用 DNV — 2050氢能展望报告 17 来源 太阳能 专用可再生 能源生产 发电 煤炭和 生物质 天然气 风能 水电 核能 转化为氨 氨船运 NH3 NH3 氢船运 氢管道 长管拖车 管道 航空 工业 海事 炼油 卡车 建筑 供热 工业 供热 化肥 电力 燃气管网 转化为甲醇 /e-燃料 直接使用氢 电解 通过 CCS = 二氧化碳足迹的大小，包括生命周期排放。 通过 CCS 水 跨区域 区域性 气化 甲烷重整 nullnull 20null nullnull 转换 运输 利用 化石能源 该图显示了 2050年氢的生产和使用流量。流量线的粗细 近似于每个流量的体积，表明了 2050年主要生产路线和 最终用途。然而，与第 68页上显示的桑基图相比。此处未 显示任何损失。到 2050年，生产的绝大多数氢是来自可 再生资源或经过 CCS的化石能源生产低碳氢。 简介 1 18 DNV Hydrogen Report 2022 Introduction 1 图 1.4 所选氢价值链及其竞争对手的比较 一次能源 能源载体 能源服务 最终能源 含量 空间供暖 客车 船舶 有用的热量 可再生电力 电解 锅炉氢 57% 33%损失 4% 运输损失 6% 损失 有用的热量 天然气 锅炉 85% 9% 损失 6% 运输 损失 Dedicated renewable electricity 有用的热量 发电量 (2020 年世界平均组合 ) 热 泵 (2020 年平均效率 ) 电网电力 135%51%损失 3% 运输损失 可再生电力 化 石 、核 能 、生 物 质 能 环境热 有用的热量 发电量 (2050 年世界平均组合 ) 热 泵 (2050 年平均效率 ) 电网电力 307% 22% 损失 4% 运输损失 可再生电力 化 石 、核 能 、生 物 质 能 环境热 72% 损失油 内燃机 可用能源 16% CCS甲烷重整 氢 24% 损失 4% 运输损失损失 6%加工和运输损失 38% 损失 天然气 燃料电池发动机 可用能源 27% Dedicated renewable electricity 发电量 (2020 年世界平均组合 ) 电网电力 51% 损失 3% 运输损失损失 11% 损失 可再生电力 化 石 、核 能 、生 物 质 能 电动发动机 可用能源 35% 12% 炼油和运输损失 49% 损失 油 内燃机 可用能源 39% 可再生电力 电解和氨合成 氨 48%损失 3% 运输损失损失 27% 损失 内燃机 可用能源 22% 可再生电力 电解和甲醇合成 e-燃料 51%损失 3% 运输损失损失 26%损失 内燃机 可用能源 20% 发电量 (2050 年世界平均组合 ) 电网电力 22%损失 4% 运输损失损失 11% 损失 可再生电力 化 石 、核 能 、生 物 质 能 电动发动机 可用能源 63% 12% 炼油和运输损失 — 2050氢能展望报告 19 效率、经济、排放和地理因素是确定可行价值链的关键 确定可行的氢价值链不仅仅是将生产与消费联系起来，还 需要考虑的是能源效率和损失、经济性、温室气体排放和 地理因素 -无论是运输地点，还是生产用的天然气和可再 生能源等资源。此外，在第 1.4节中讨论的公众接受度和 安全问题也非常重要。 图 1.4显示了备选的氢价值链及其相关的能源损失。在决 定价值链时，能源损失很重要，因为它决定了经济情况。 然而，整体经济情况通常是氢价值链建立和设计的主要 决定因素。氢的生产与每个价值链中的重大损失相关， 但是当氢的生产来源（如未来几十年的可再生电力）充足 时，从长远来看，能源损失不那么重要。 价值链温室气体排放将是建立特定氢价值链的决定性因 素。氢的获取者，例如国家或最终使用部门，将对价值链 温室气体排放有偏好，从而激励其实施。氢的运输是影 响氢价值链的另一个决定性因素。世界一些地区可能无 法满足其对氢的区域需求，因此不得不通过管道或海运 进口氢。与此相关的是地理因素。世界上一些地区可以利 用丰富的风能和太阳能资源来生产绿氢，而其他地区可 能需要依赖从天然气中获得氢。当然，上述所有因素都 被经济评估所左右，因为氢的生产成本很高，需要合理 使用。如图 1.4所 示，有很多氢价 值链 排列，其中包括上 述因素的影响。在后面的章节中更详细地介绍了这些价 值链中每一个链的具体细节，例如来源、转换、运输、最 终用途等。 成功实施新价值链的关键是技能和标准 在能源系统中实施氢价值链将在整个供应链中重新利 用能源产业现有的技能和服务。这将从石油和天然气 部门转移到对蓝氢和绿氢的支持。与蓝氢相关的石油 和天然气工艺必须保留，用来生产天然气，供炼油厂重 整为蓝氢。 现有海上作业的标准和程序将有助于确保新氢工业的安 全和成功。例如，海上风电连接绿氢后，将涉及安装更大 的风机，因此需要了解深水中的浮式和固定结构以及在 恶劣的天气情况下运行。 氢供应链还将包括港口和物流、管道设计和制造输配 基础设施、安全评估、地上储罐和地下地质储氢。这些都 需要有熟练技能的人力资源。 第 7章将更深入地探讨价值链的演变，举例说明它们的经 济原理和可能的增长路径。 最终能源 含量 价值链温室气体排放将是建立特定氢价值链的 决定性因素。 简介 1 20 1.4 安全、风险和危害 氢对社会来说并不新鲜。它已经被大量生产和使用了一 个多世纪。然而，这主要是在工业环境中，有良好的控制 程度，设施由对潜在危害有清晰认识的人管理。 作为能源载体，氢的市场预计将显著增长，这将引入许多 与我们过去设施大不相同的新设施。此外，一些设施将 更靠近公众，并将由可能没有氢安全相关经验的新入行 者建造和运营。因此，我们之前在氢安全方面的经验，充 其量只能作为未来可能发生事情的不完善指南。 风险认知将是接受使用氢的一个重要因素。与传统燃料 类似的事件（至少在最初）相比，涉及氢的事故可能会受 氢的爆炸在代表许多场景的规模上是完全可能的，而传统的碳氢化合物并非如此。 图片显示了在英国 DNV的 Spadeadam研究中心进行的 15立方米氢爆炸的静止图像。 DNV — 2050氢能展望报告 21 到更多媒体的关注，这可能会激起公众的抵制，并促使 监管环境更加严格。对风险和风险认知的敏感度可能会 因行业而异，但在公众接近氢实际使用的地方（如航空 和家庭供暖）的敏感度最高，而在氢储存等更多工业类 型的应用中则敏感度较低。 安全对于投资者和开发商来说是一个重大的商业风险。 已经有一些例子表明，加氢站事故将导致车辆用氢在很 长一段时间内停滞。 业内已经尝试和测试了有关可燃气体安全性的管理方 法，这些方法已经使用了几十年，还带来了来之不易的重 要教训。首先，安全必须基于对氢和氢衍生物的特性如 何影响潜在危害的理解。其次，在设计阶段早期添加适 当的降低风险措施，是迄今为止最有效的方法（在安全 性和成本效益方面）。在许多情况下，如果尽早解决，这 些措施可以以很少（有时甚至没有）的额外成本纳入，并 且可以使设计更具本质安全性。最后，设计意图需要在 整个生命周期中保持：安全措施始终不降级。 要实现上述目标，需要了解产生危害的氢（及其衍生物） 的重要特性。由于氢与其衍生物非常不同，我们需要分别 考虑。 氢的危害 氢在环境条件下是一种易燃的无毒气体。参考另一种 被社会广泛接受的易燃无毒气体：天然气（或其主要成 分甲烷），可能最好地理解其特性对危害和危害管理的 影响。 氢的特性如何改变潜在的危害呢？对于氢，与天然气一 样，因意外释放而点燃可能导致火灾和爆炸。对这些 领域的研究非常活跃， DNV正在位于英国坎布里亚郡 Spadeadam的研究和测试中心进行大规模的实验研 究 5 。 尽管我们对氢的了解还在进行中，但目前所掌握的知识 已足够知道应在哪些方面集中精力进行研究。表 1.1总结 了气态氢和液态氢与天然气 /甲烷之间的区别。 点燃可燃气体云并不总是导致爆炸。当气体云被限制在 封闭空间中，或加速到高速（或两者兼而有之）时，就会 产生压力。这可能发生在各种可能的情况下，从家庭环境 中的低压泄漏、制氢设施或海洋应用的中压泄漏，到储 存设施的高压泄漏。 爆炸的严重程度取决于许多因素，但总的来说，燃料“反 应越活跃”，爆炸就越严重。从这个意义上说，反应活跃 度与火焰在可燃气云中移动的速度有关。 在最坏的情况下，氢火焰的燃烧速度比天然气快一个数 量 级，比最常用的碳氢化合 物快 得多。 除此之外，当火焰以超音速传播得非常快时，爆炸可以 升级到爆轰。爆轰是一种自我维持的爆炸过程，其前导 冲击为 20bar，将气体压缩到自燃点。随后的燃烧提供了 维持冲击波的能量。 对于未来可能发生的情况，我们之前在氢安全 方面的经验充其量只是一个不完善的指南。 简介 1 22 DNV的 HyStreet设施位于世界上最完整的陆上氢使用示范区的尽头。 HyStreet展示了为国内终端用户提供 100%的氢锅炉供暖， Northern Gas Network的 H21项目展示了低于 7 barg的氢气配送， National Grids的在建项目 FutureGrid设施将展示大直径、高压系统（高达至 70 bar）的 氢 气 运 输 DNV — 2050氢能展望报告 23 甲烷分子 氢分子 表 1.1 氢和天然气 /甲烷的特性和危险结果的比较 氢的特性 气态（压缩）氢 密度 释放率 密度仅为甲烷的八分之一，在同等条件下，氢的体积流量是甲烷的 2.8倍；相反，甲烷的质 量流量是氢的 2.8倍。隔离的氢压力系统将比甲烷更快地减压，但可能会产生更大的易燃气 云。每单位质量氢的更高能量密度意味着能量流（类似的）是相似的。 扩散和气体聚集 氢比甲烷更具浮力，并且具有强烈的向上移动趋势，这可用于最大限度地减少危险浓度增 加的可能性。 可燃性 点火能量 点燃氢气 -空气混合物所需的最小火花能量不到甲烷或天然气所需能量的十分之一。然而， 这并不一定会显著增加点火的机会。 DNV的测试表明，许多潜在的点火源要么点燃氢和天 然气混合物，要么都不点燃。只有一小部分会点燃氢但不会点燃天然气。此外，经批准用 于氢气系统的设备也随时可用。 易燃性 氢气在空气中的浓度为 4%到 75%之间时是易燃的，这比天然气 (5-15%) 的范围大得多。这 将增加点燃的可能性。 燃烧 火 释放的压缩氢气将作为喷射火燃烧。火焰长度与能量流率有很好的相关性，因为这对于氢 气和甲烷来说是相似的，在类似的条件下，喷射火灾的危险是相似的。 爆炸 与甲烷相比，氢气的爆炸潜力要大得多，因为在空中浓度较高（ 20%）时，火焰的速度要 比甲烷快 得多。此外，氢气 -空气混合物可以在现实条件下发生爆炸，而甲烷不会发生这种 情况。 液态氢（除压缩气体危害外） 温度 液化 在许多方面，液态氢是一种低温液体，类似于液化天然气 (LNG)。但由于温度较低，溢出物 会液化和固化大气中的空气。 由此产生的液态氢和液态 /固态空气的混合物在小规模的现场实验中有爆炸情况。液化天 然气不会发生这种情况。 密度 浮力和分散 当液态氢蒸发并与空气混合时，它会冷却空气，增加其密度。 因此，由液态氢释放产生的氢空气云不会像在气态氢情况下那样具有强烈的浮力。液化天 然气也会发生这种情况，但在这种情况下，液化天然气 -空气混合物将比空气更稠密。 简介 1 24 爆轰可能性因燃料而异，在任何实际情况下天然气都不 会发生爆轰，而氢气爆轰则完全可能发生。还值得注意 的是，目前业内使用的爆炸模拟方法无法模拟从爆炸到 爆轰的过渡，而只能显示何时可能发生，尽管此方面仍 存在相当大的不确定性。 对于氢设 施 来说，这 听 起 来 是 个坏消息，但我 们 知道 这 些 特性取决于其在空气中的浓度。如果空气中氢的浓度保 持在 15%以下，那么在相似浓度下它并不比甲烷安全 性 差。这意味着管理氢安全的一个关键要素是控制气体扩 散和积聚，尽可能防止