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2050氢能展望报告2022能源转型展望系列报告之一2目录 前言 3 概要 41 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 262 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 463 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 524 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 665 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 816 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 96DNV 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；我们的雄心越大，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H2/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3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/kgH2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-km6图示6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-NH3 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H2/年图示52050 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H2或百万吨NH3。H2转化成氨的质量是H2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8100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，然后描述了当前和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91.1 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 110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-253C，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-33C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 1121.2 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H2/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 114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用，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151.3 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 116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水气化甲烷重整40%转换化石能源2050年氢的生产和使用 DNV 2050氢能展望报告17氨船运NH3NH3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跨区域区域性20%40%运输利用该图显示了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的化石能源生产的低碳氢。简介 118DNV Hydrogen Report 2022Introduction 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 DNV 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。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 1201.4 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 122DNV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，因为在空气中浓度较高（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 124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，尽可能防止空气中的氢浓度超过15%。在扩散空间受限的情况下（例如船上），这是一个特殊的挑战。气体检测和氢库存的快速隔离将是关键措施。通风率和通风模式也是非常关键的考虑因素。重要的是，对于目前的模拟方法来模拟气体扩散和积聚，可具有信心。DNV 2020年白皮书中描述了氨用于航运的可行性：氨作为船用燃料。DNV 船级符号“Gas fueled ammonia”于2021年7月发布总而言之，虽然氢的高爆炸反应性令人担忧，但通过意识到这一问题并进行设计以避免空气中的高氢浓度，有理由期望我们可以设计出与被广泛接受的天然气设施一样安全或更好的设施。如果基于良好的技术理解并在早期设计中得到解决，此类工程解决方案的成本可能就不会太高。氢衍生物可以说，与危害管理相关最重要的氢衍生物是氨。氨是可燃的，但相对较难点燃，而且由于其燃烧速度远低于甲烷，因此爆炸风险很小。氨的主要危害是其毒性；它对人员的有害性，可发生于浓度远低于空气中15%的可燃下限时，例如，英国HSE表明0.36%的浓度在30分钟的接触中可能导致1%的死亡率，5.5%的浓度在接触5分钟后可能导致50%的死亡率。虽然氨已被广泛制造了100多年，并在化肥制造中大量使用，但现在需要在新能源转型应用的背景下了解其潜在危害，就像氢一样。相关例子是海事行业可能使用氨作为燃料。船体内部氨泄露有可能在密闭空间中产生潜在的致命浓度。与氢不同，这种危险不能通过降低点燃概率来降低；氨如果释放并与人员接触会产生直接影响。因此，即使它没有真正的爆炸潜力，也不能保证风险低于氢。风险评估将涉及标准危害管理方法的应用，并且需要考虑诸如可能发生的泄露类型、可能产生的潜在浓度以及人员暴露于有害浓度的可能性等方面。缓解方法将包括氨泄露检测和氨系统和通风的紧急关闭，但也可能需要紧急呼吸装置和非常明确的逃生路线。DNV 2050氢能展望报告25管理氢安全的一个关键要素是控制气体扩散和积聚，尽可能防止空气中氢浓度超过15%。液态有机氢载体（LOHC）的安全风险最低，因为它们的特性与已经大量处理的液态碳氢化合物接近。安全管理应该简单明了，但须注意的是，氢在生产过程中是必需的，并且在使用时会产生氢（氨也可能是这种情况）。简介 126 1.5 氢的投资风险目前，人们对可再生和低碳氢作为能源载体、燃料和清洁分子能源产生了前所未有的兴趣。然而，还有很长的路要走：首先是投资流向研究和试点项目之外的商业项目，其次是实现许多大型氢项目，以及开发或改造基础设施。大规模能源用途的价值链需要巨额投资2021年，全球投资120亿美元用于作为能源载体的氢。到2030年，每年对氢及其衍生物的投资将达到1290亿美元，到2050年将达到4400亿美元，届时氢作为能源载体将迅速增长，并将持续到本世纪下半叶。尽管这些数字令人印象深刻，但仍需要更多的氢投资，以便更快确保符合巴黎标准的能源转型。DNV的 净零排放路径报告认为2050年氢将占全球能源需求的13%左右，是我们对氢最有可能的未来预测的两倍多。图按地区划分，全球氢及其衍生物的生产支出单位：十亿USD/年包括资本及运营支出NAM 北美LAM 拉丁美洲EUR 欧洲SSA 撒哈拉以南非洲MEA 中东和北非NEE 欧亚大陆东北部CHN 大中华区IND 印度次大陆SEA 东南亚OPA 经合组织太平洋DNV 2050氢能展望报告27问题是氢的更快、更大的未来是否可以负担得起。在世界能源支出的背景下，答案是肯定的。我们预测，由于主要与电气化相关的效率提高，能源支出占世界国内生产总值(GDP)的百分比将从2019年的3.2%下降到2050年的1.6%。如果当前用于能源