来自天然气的氢—深度脱碳的关键（特别推荐）
Pöyry发布《来自天然气的氢—深度脱碳的关键》（特别推荐）
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翻译：MadJolie@ERR能研微讯团队
编辑&校核：Mirakuru@ERR能研微讯团队
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执行摘要
本讨论文件受Zukunft ERDGAS委托，为欧洲能源部门的深脱碳要求达到巴黎协议的目标做出贡献。
先前的讨论文件提出了大量依赖“全电”（All-Electric）解决方案的脱碳路径。这些主要取决于可再生电力，以提供所有部门的脱碳。本文提出了一种“全电”解决方案的替代方案，即通过构建一种替代路径，将基于气体的技术与“全电”路径技术结合起来。新的路径表明，天然气中的氢气可以是可再生电力的必要补充。该路径还考虑了在欧洲利用甲烷裂解技术生产零碳氢的好处。
近年来，人们对气候变化的影响和深度脱碳的需求大大增加。为了应对这种日益增长的意识和脱碳的紧迫性，决策者们采取了行动，2015达成了所谓的《巴黎协议》。这就设定了一个目标，即将全球平均气温预期增幅控制在显著低于2°C的水平，并将其控制在低于1.5°C的水平。
为了实现这些必要和雄心勃勃的目标，欧洲经济，特别是能源部门，需要将二氧化碳排放量大幅减少到目前水平的一小部分（如-80%，-95%），人们越来越一致认为净零排放是必要的。我们的工作方式、旅行方式、取暖方式以及如何获得开展所有这些活动所需的能源，都需要进行许多改变。
从1990年基线的57.01亿吨二氧化碳来看，到2016遍，欧洲（EU28加挪威和瑞士）的二氧化碳排放量必须减少24%。将2050年升温控制到1.5℃需要完成当前减排量的3倍。2018年，欧盟公布了其在欧洲能源未来的愿景：“面向所有人的清洁星球”，其目标是在2050年创造一个“繁荣、现代、竞争和气候中性的经济”，已经开发和评估了一系列依赖于可再生能源和能源效率的路径，其中天然气和氢气的作用有限。
欧洲范围内脱碳挑战—排放量，按部门划分（MtCO2e）
为了研究替代脱碳情景，Pöyry使用路径方法，想象和建模欧洲能源系统的不同可能的未来和分析的含义和风险选择一个特定的路径。一条路径是由对某些有助于脱碳的技术的限制来定义的。通过保持潜在假设，如需求发展、技术发展和商品成本之间的路径一致，我们能够看到不同约束的影响。本文的分析基于Pöyry的“全能源部门脱碳研究”，它将“全电”路径与更平衡的“零碳气”路径进行了比较。在“全电”路径中，脱碳主要是通过限制通电选项实现的，不允许使用氢气或其他零碳或脱碳气体。另一方面，“零碳气体”路径允许各种形式的“零碳气体”在经济基础上作出贡献。与“全电动”路径相比，该路径显示了交付风险和成本的降低。在这项研究中，我们开发了一种“零碳氢”路径，它采用了与“零碳气体”路径相同的假设，并将热解作为一种可用的技术，在电解和蒸汽甲烷重整的同时，利用碳捕获和储存（ccs）制备氢气。
可再生能源作为一种具有成本效益的清洁能源，将在未来的所有道路上发挥重要作用。在“零碳氢”路径中，可再生能源在电力部门占主导地位，客运车辆和非过程供热部门实现电气化。
在“全电力”的未来，依靠非常高水平的电气化是一项高风险战略。如果将天然气中的氢气包含在溶液中，则更可能实现欧盟目标。“全电”路径依赖于新的核能、快速电网增强和季节性存储的固有缺陷的解决方案。它也有可能无法将不易电气化的部门脱碳，这可能会导致整体脱碳目标失败。
天然气产生的零碳氢可以作为能源结构的一部分而显著降低这些风险。因此，它可以成为可再生能源在欧洲经济中成功的深度脱碳的必要补充。氢对重运输供热部门作出重大贡献，并允许电气化不可行的非过程热脱碳。
热解技术的发展将使氢气的大规模开发具有成本效益、实用性和安全性，并促进能源部门的竞争。热解技术具有关键的优势—它比电解技术更便宜、更具可扩展性，并且克服了广泛应用碳捕获与封存技术的许多障碍（这对于SMR生产零碳氢是必要的）。
“零碳氢”路径降低了欧洲无法实现脱碳目标的风险。它还可以降低成本，最大限度地减少对住宅和工业用户的干扰。分析表明，有一个“全电”路径的几个先决条件，如果不满足，将危及会议脱碳目标。让氢发挥作用将大大降低这些风险。下表列出了脱碳的风险以及对我们分析的不同路径的影响。
氢为那些非常困难或不可能通电的部门和应用提供了一种可行和实用的选择。其中包括：
工业过程热。高温工艺热应用（例如玻璃生产、塑料和橡胶制造）不能带电，否则只能用生物质或CCS脱碳。这反过来又引入了供应链、政治和技术问题；
集中供暖。许多建筑物不适合使用热泵（例如绝缘不良、天气寒冷、没有散热器或地板下供暖的空间、对家庭或企业的过度干扰）；
重型公路运输。在运输部门使用非常大的电池/架空线路是不切实际的；
水运。由于长途旅行，因此在可能重新充电之间的间隔较长，因此不可能通电。
为了使氢在这些领域发挥作用，它需要一种可利用天然气实现的可扩展和低碳生产方法。
热解可以是一种成本效益和可扩展的氢生产方案。
这是第一个考虑甲烷热解作为第三氢生产方法，同时伴随CCS和电解的蒸汽甲烷重整的欧洲脱碳研究。
蒸汽甲烷重整（SMR）是目前已经使用的一种热处理方法。该过程将甲烷（CH4）与蒸汽反应生成氢气和CO2。为了达到碳中和，它需要与二氧化碳的碳捕获和储存（CCS）相结合。这项技术的关键优势在于，它是目前最成熟的选择，特别是在规模上，因此即使加上碳捕获和封存，也是最具成本效益的制氢形式。缺点是需要复杂的二氧化碳储存，但并非所有国家都有，而且在许多国家面临政治上的反对。
电解是利用电将水（H2O）分解为氢和氧的另一种现有技术。如果所用电本身是零碳的，那么所产生的氢只能被视为零碳。事实上，没有直接的碳排放，也没有其他需要储存的副产品，这使得这一选择很有吸引力，尽管有关于更高成本和可扩展性的问题。
热解是甲烷分解成氢气和固体碳的过程。一个发展中的技术，它有潜力在未来的氢生产中发挥重要作用。这是因为碳是固态的，而不是气态的，因此不需要像ccs那样在地下洞穴中进行复杂的储存。固体碳可用于现有工业中，如轮胎用炭黑、建筑用混凝土或石墨烯等新用途。
普遍的CCS部署在那些政治反对或面临技术挑战的国家可能是不可能的，热解减弱了这种风险。
“零碳氢”路径洞察
我们对“零碳氢”路径的分析确定了以下观点：
热泵和氢锅炉使空间和水加热部门脱碳。在实际情况下，采用热泵，占总供热装机的50%，其中氢气锅炉占27%。氢占所用燃料的49%；到2050年，生物甲烷和电各占14%左右。燃烧后CCS捕捉气用于可用的过程加热，而在其他国家部署氢气。碳捕获和封存占该领域装机的18%，而氢在2050年占56%。
由于电池电动汽车的高效率，轻型客运大多实现电气化的。然而，大型车辆使用氢气脱碳，因为较长的行程和较重的重量使电池在这一领域不切实际。2050年，氢占运输业（LDV和HDV部门）所有燃料的42%。可再生能源（太阳能光伏和风能）占电力装机的76%，发电量的72%。随着常规火力发电厂退役，它们被氢和碳捕获与封存发电厂所取代。没有新的核电站投产。
“零碳氢”路径下的欧洲交通部门
“零碳氢”路径下的欧洲发电转型
氢的需求主要通过热解和蒸汽甲烷重整与CCS捕捉气体来满足。由于缺乏灵活的需求侧响应，特别是来自电动车辆的电力需求不足，因此电解部署是有限的，因为通常存在与过度可再生发电相关的低电量价格时期。热解技术在没有CCS的国家得到了广泛的应用。热解占氢气产量的55%，而带有CCS的SMR占30%，2050年电解占15%。
政策必须在实现脱碳方面发挥重要作用。具体来说，它必须使工业能够作出必要的投资和适应，以开发氢能经济。因此，欧洲和国家政策制定者将需要认识到天然气在脱碳过程中所起的重要作用，并考虑以下几点。
支持氢在脱碳过程中发挥作用的政策，并允许不同技术（包括零碳气）在平等的基础上竞争，以获得最有效的结果。
欧洲能源结构中的零碳气体的目标应该被设定（包括来自生物来源的可再生气体和脱碳气体），以便在零碳气期权中投资成为有吸引力的和用于创新的进步。
应支持氢技术的实施研究。其中包括燃料电池、氢基燃料和甲烷热解方法，以及最终用途碳产品的用途。
应根据投资对脱碳的影响来考虑对能源网络的投资。应该认识到天然气中氢气的作用以及现有的天然气管网在实现脱碳方面的作用，应该支持将天然气管网转化为氢气的研究。这应该包括从概念证明到实施的示范项目。政策制定者应该确保基础设施投资的公平竞争，以支持脱碳，无论是电网扩张还是天然气管网的转换。
氢的需求和供给
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提取码：45fl
氢—一种可再生能源视角
氢经济—低碳发展的路径
氢的发展潜力
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