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虽然已经设定了各种目标以实现能量独立性(图1),但关键是使用可再生能源的剩余电力(主要是太阳能发电)生产绿色氢。可再生能源的扩散将导致化石燃料和能源进口的降低,如果使用可再生能源产生的绿色氢变得更加普遍,则可能会取代灰氢,该氢氢是从化石燃料和当今生产的大多数氢而得出的。在这种情况下,可以改用使用绿色氢来产生氨,甲醇,化肥和其他氢衍生的产物,从而进一步加速脱碳和能量独立性的过程。政府的能源独立目标是在该国这些情况的背景下设定的。
1.2常规生产和氢和氨的使用最常见的产生氢的过程是蒸汽甲烷改革(SMR),称为“灰色”氢1。每年,大约6%的世界天然气和2%的煤炭用于制造灰氢2。在炼油厂中使用了大约51%的纯氢,例如去除杂质,例如燃料中的硫,约43%作为氨合成3的输入。其他应用将氢用作气体混合物的一部分,包括用于工业应用和化学制造的甲醇的产生,以及使用电弧形炉生产钢的铁。对纯氢的需求每年达到约7000万吨(MTH 2 /年),自1970年代以来3倍。
氢气也有望在可再生能源的发电,运输,加热和缓冲中发挥更重要的作用[2]。目前,所产生的氢的大多数(95%)是所谓的灰氢。这意味着在生产过程中释放温室气体。绿色氢是通过用可再生能量拆分来产生的[1]。Mueller-Langer等。[5]对氢生产进行了技术经济评估,并得出结论,水电解在近期和中期将起重要作用。这是由于它能够生成高纯氢的能力以及它是一种完善的技术[6]。目前,市场由聚合物电解质膜(PEM)和碱性电解主导。后者是一种强大而验证的技术[7]。碱性电解也不同于其他
最近的研究表明,与灰氢相比,蓝氢可减少温室气体 (GHG) 排放 5 – 36%,6 而对上游甲烷泄漏和碳捕获率的不同假设则可使蓝氢与灰氢相比减少 26 – 75%。7 电力来源导致电解氢 1,3,7 – 10 的温室气体足迹存在很大差异,差异最高可达 200%(即绝对差异除以平均值),如何在氢气和联产氧气之间分配温室气体排放的“多功能性”问题也是如此(差异为 158% 11)。具体而言,绿色氢的温室气体足迹因使用不同的可再生电力(风能或太阳能光伏)而有所不同:102 – 120% 的差异,9 不同的电解技术(碱性电解或聚合物电解质膜电解):16 – 40% 的差异,9 以及对未来改进的各种假设(提高效率和延长使用寿命):18% 的差异。8 绿色氢的温室气体足迹范围很广,这需要进一步了解如何评估这些足迹,它们如何出现差异以及如何降低它们。对于绿色氢,特别值得关注的是额外性原则,12 这指的是仅使用新安装的、额外的、可再生电力容量来生产绿色氢,以满足电解器日益增长的需求(从而防止额外的化石电力发电)。欧盟委员会的 2020 年氢能战略说明了额外性的相关性,该战略预计到 2030 年绿色氢气产量将达到 1000 万吨,2 这将需要欧盟 2020 年所有风力涡轮机发电量 394 TW h 的 140%(参考文献 13),以每千克氢气 55 kW h 的电力需求计算。10
该公司表示,其他类型的氢气生产,即所谓的蓝氢、灰氢和棕氢,主要使用天然气或煤炭,或低温气化(<2,000C),产生的合成气“含有有毒焦油且氢气含量低”。其他绿色氢气生产商使用电解法,使用大量可再生能源和去离子水,如果 100% 来自可再生能源,则被认为是绿色的。海上风电行业正考虑成为风力发电氢气生产的主要参与者,通过电解水,直接替代化石燃料生产的氢气。
• 得益于技术的进步、太阳能和风能的扩张及其低碳足迹,绿色氢能使发展中国家清洁和可持续能源的未来迫在眉睫。 • 成本效益在促进绿色氢能的大规模普及方面起着至关重要的作用。 • 试点项目的成功实施将为绿色氢能的生产、储存和利用奠定基础。 • 绿色氢能发展道路应从化学原料行业开始,然后是重型和长途运输,最终是电力行业。 • 对于发展中国家,路线图最初重点关注灰氢(蓝氢),目标是到 2030 年代末发展成为氢能出口中心。这一转变将得到旨在提高绿色氢能竞争力的三阶段政策框架的支持。联合国和发达国家推动的国际合作发挥着至关重要的作用。