俄乌战争背景下如何满足未来低碳氢需求？- 大数跨境

中科富海

2022-11-02

“如果欧盟减少对俄罗斯天然气的依赖，到2030年，会有2000万吨的低碳氢缺口(其中一半需求要在本土生产，另一半则会通过进口来满足)。然而，要满足这一目标将需要100-125GW的太阳能和80-100GW的风电——比欧盟在俄乌战争前设定的目标高出约30%。”

世界的能源体系正处于剧烈的变革当中，而《巴黎协定》无疑是这场变革过程中的指南针，其远期目标是将全球平均气温较工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度控制在1.5摄氏度以内。

要想达成这一目标，从根本上来说就需要使用可再生能源替代化石燃料。然而，除非技术取得重大进展，否则仅依靠电力或电气化，将无法满足航运、航空、钢铁、水泥等行业的能源需求。

一系列低碳燃料(low-carbon fuels)是最有希望满足这些传统行业和其他关键行业需求的环境友好型能源，包括低碳氢(low carbon hydrogen)及各种氢基低碳合成燃料(hydogen-based low carbon fuels)(即完全使用可再生能源生产的低碳氢制成的所谓Power-to-X(P2X)燃料)，如氨、甲醇和煤油等。

根据国际能源署的数据，如果我们要在2050年之前实现《巴黎协定》的净零排放目标，上述这些燃料必须占全球能源消耗的10%-12%。

01 供求关系

根据对未来低碳燃料需求的分析，要想将全球变暖限制在2℃以内，每年将需要3.8亿吨低碳氢及其基于低碳氢的合成燃料(如氨、甲醇及其他碳氢化合物燃料)，而要想实现《巴黎协定》1.5℃的目标，这一数字将会增加到5.65亿吨。

要满足这一需求，就需要同步发展和应用低碳氢及其衍生燃料的生产技术。低碳氢气生产涉及到天然气制氢+碳捕获技术以及可再生能源电解水制氢技术。由于未来获取廉价而丰富的天然气资源或可再生能源将取决于当地条件以及生产、运输及传输技术的创新，因此单一技术很难占到主导地位。

在国际能源署2°C宏观情景要求下，低碳氢及其衍生燃料需求会逐年显著增长，如图1所示。普遍预期：随着技术改进和相关政策导向，在未来可再生能源制氢会比天然气制氢更具有竞争力，从而相应的生产比重也会增加。核能制氢或许也会发挥作用，但是核能在许多地方面临重大的政治挑战，并且能源生产成本也比其他技术要高。

图1 国际能源署2°C宏观情景要求下，低碳氢及其衍生燃料需求预测

02 四大挑战

要想满足未来低碳氢气的需求并不容易。低碳氢要想经天然气或可再生能源制备，前期就得高度依赖行政措施-通过税收或其他机制将碳价格设定得足够高，从而确保与化石燃料制氢的成本竞争力。政府部门还得尽可能的投入生产补贴，从而缩小与其他低碳燃料之间的成本差距。天然气制氢需要确保大量廉价天然气的供应，并制定严格的政策来限制逸散性甲烷排放。可再生能源制氢需要足够的廉价可再生能源供应以及对应的海陆发电基建。

如今，几乎所有来自风能和太阳能的可再生能源都被用于直接发电，从成本的角度来看，这是最具经济性的脱碳路线。为了避免侵占可直接利用的可再生能源，政策制定者和其他利益相关者必须确保存在一个专门用于制备氢气和P2X燃料的大型可再生能源来源。

为了满足P2X燃料生产而增加额外的电网投入对欧盟来说是不太能接受的，因此欧盟已经在考虑单独建设用于生产P2X燃料的可再生能源、出台专用电力购买协议以及将所需的发电设施部署在P2X燃料生产地点附近。

到2030年，要想满足在IEA的2°C情景要求下的P2X燃料供应量，所需的可再生能源将比当前目标可获得的可再生能源增加12%以上，而要想满足1.5°C情景，这一数字将会是30%，如图2所示。

图2 用于制氢的额外可再生能源需求量预估

此外，陆风和太阳能项目规划的时间跨度可能长达六年，海风项目和配套的高压长距离输电的审批建设可能需要长达八年的时间。这就意味着大规模的可再生能源扩容会是一项艰巨的挑战，需要对审批进程实时关注并提供税收抵免等补贴以降低开发商的风险。政策制定者必须发挥积极作用，促进低碳氢生产所需的额外可再生能源发电和配电能力的发展，减少电网的额外投资。P2X工厂甚至可以将多余的电力灵活回售给电网，这对低碳氢和P2X生产商来说是一个很有潜力的副产品收入。

除了提高产能这个问题之外，要想满足制备低碳氢和P2X燃料的可再生能源需求还得解决成本、基础设施、供应链和原料四个问题。

成本：获得大量低成本可再生能源是P2X燃料增长的先决条件。生产足够的可再生能源所需的土地面积是非常大的：使用太阳能生产5.65亿吨一半的氢气(或等效能量的燃料)——与之对应的可再生能源将需要多达30000平方公里的土地，大约相当于比利时的大小。此外，在生产设备寿命周期内，要想太阳能发电成本不超过30$/MWh，世界上只有约20%的土地能满足需求，而只有在30$/MWh这个价格带上，才能够使得P2X燃料与其他低碳燃料解决方案和化石燃料竞争。而这20%的土地里面有超过75%的土地位于拉丁美洲，中东和非洲，这部分地区对低碳燃料的需求非常有限。

因此，如果P2X燃料在经济层面上已具备可行性，就需要开发廉价的长距离运输氢气及其衍生燃料的方法。目前来看，氢衍生燃料如氨、甲醇，和液体燃料煤油等的长途运输已经具有成本效益。但氢气运输的基础设施建设需要进一步的技术发展，如氨裂解等。
基础设施：随着对生产P2X燃料的可再生能源的需求不断增长，需要在电力和天然气管网等基础设施建设上进行大规模投资。最近对德国和斯堪的纳维亚区域国家的研究表明，电力和天然气管网的升级改造投资成本将占实现净零排放所需总投资的25%-35%。任何基础设施的落后都将阻碍P2X燃料生产的本地化和区域性发展，并迫使像日本，韩国和西欧等能源需求中心选择更昂贵的船运来实现能源进口。对于部分发展中国家来说，如果无法解决巨大的基础设施建设(尤其是可再生能源发电)成本的问题,分布式解决方案(decentralized solutions)或许可行，例如利用现有的化石燃料基础设施管网来输送P2X燃料。
供应链：用于满足P2X制备的额外可再生能源需求可能会给生产氢气，风能和太阳能的设备制造商带去供应链压力。如何获取廉价的稀土材料预计将成为某些技术的制约因素，例如质子交换膜(PEM)电解槽，其中铂金属是保持PEM高性能的关键。然而，生产商可能能够通过材料科学创新开发出第二代电解槽技术(如固体氧化物系统，SOEC)来解决这些问题。
原料：氢气需求的近一半可能必须通过增加天然气制氢的产量来满足。这又回到了需要更多的天然气的问题上了，同时我们需要开发和扩大碳捕获和储存(CCS)技术最大限度地减少生产排放。包括德国在内的一些政府已经表现出降低对天然气依赖性的态度，从而也没有太大意愿开发CCS技术。然而，俄罗斯入侵乌克兰引发的能源危机可能会鼓励德国改变目前关于国内天然气制氢和碳储存的政策。