氢能时代：对即将到来的美国能源转型的洞察

本文原文有295页，全英文版本，为最新发布。小伙伴有兴趣的可以在这篇文章结尾左下角选择阅读原文。《Global Hydrogen Review 2024》由国际能源署（IEA）发布，该报告全面且深入地剖析了全球氢能领域在 2023 - 2024 年的发展状况，涵盖生产、需求、贸易、投资、政策等多个关键方面，为了解全球氢能产业动态提供了极具价值的参考。全球氢气审查总结进展执行摘要项目进展与挑战并存：2023 年，全球氢能需求攀升至 97 Mt，同比增长 2.5%，然而，需求依旧高度集中于炼油和化工领域，且主要由未减排的化石燃料制氢满足。低排放氢产量在 2023 年不足 1 Mt ，不过基于已宣布的项目，到 2030 年有望飙升至 49 Mtpa，这一增长主要得益于电解水制氢项目，已宣布的电解水制氢装机容量高达近 520 GW。尽管项目数量和最终投资决策（FID）数量有所增加，已宣布的 FID 项目产能相比去年翻倍，达到 3.4 Mtpa，但多数潜在生产项目仍处于规划或更早阶段。实现全部项目投产，需要该行业在 2024 - 2030 年间以超过 90% 的复合年增长率发展，这一增速远超太阳能光伏快速扩张阶段。目前，不少项目面临延迟和取消的困境，主要原因包括需求信号不明、融资困难、激励措施延迟、监管不确定性、许可审批问题以及运营挑战等。 图2.12019-2030年2050年地区、历史和零排放量的净氢需求 （注： NZE =到2050年的净零排放情景。“其他”项目包括建筑和生物燃料的升级。2024年的e=估计为2024年。2024年的估值是基于到2024年6月之前观察到的趋势的预测。2023年，氢需求达到97万吨，但仍集中在工业和炼油的传统应用） 中国引领电解水制氢发展：全球已宣布达到 FID 的电解水制氢装机容量目前为 20 GW，过去 12 个月内新增 6.5 GW。中国在这一领域的领导地位不断巩固，在新增容量中占比超 40%，并且拥有全球 60% 的电解槽制造产能。随着中国持续扩大制造规模，电解槽成本有望像太阳能光伏和电池制造一样降低。此外，多家中国大型太阳能面板制造商进军电解槽制造领域，目前约占中国电解槽制造产能的三分之一。与此同时，其他地区也在加大投入，欧洲过去一年电解水制氢项目 FID 数量增长四倍，超过 2 GW，印度凭借一个 1.3 GW 的 FID 项目成为重要参与者。 技术创新与成本变化：自 2016 年以来，政府对氢能技术研发（RD&D）的投入持续增长，现已初见成效。目前，供应侧技术取得较多进展，众多技术已商业化或接近商业化。终端应用技术也取得积极成果，工业和发电领域的部分应用已进入示范阶段，运输领域尤其是航运方面进展显著。2022 年，专利申请数量激增 47%，主要源于受气候变化驱动的技术。短期内，低排放氢成本依然较高，由于采用新数据，报告上调了当前电解槽成本。不过，若能实现 IEA 净零排放情景（NZE Scenario）中的部署规模，到 2030 年，可再生电力制低排放氢的成本有望降至 2 - 9 美元 / 千克，与未减排化石燃料制氢的成本差距将大幅缩小。 需求创造任重道远：各国政府开始实施关键政策（如德国的碳差价合约和欧盟在航空、航运领域的指令）以刺 激低排放氢需求，行业也积极响应，签署了更多承购协议并启动采购招标。然而，这些努力的规模仍不足以推动氢能为实现气候目标做出显著贡献。政府设定的 2030 年氢能需求政策和目标总量约为 11 Mt，较去年有所下调，而已达到 FID 或已运营的低排放氢产量仅为 4 Mtpa，远低于需求目标。此外，政府的需求政策和目标明显落后于生产目标，政策措施在创造足够需求以推动生产规模扩大方面仍显不足，部分雄心勃勃的政策尚未转化为国家立法，且政府对供应侧的支持力度比需求侧高出 50%。 认证与互认取得进展：各国政府加速制定低排放氢环境属性相关法规，旨在为长期投资提供确定性。然而，不同地区的法规框架和认证计划缺乏一致性，存在市场碎片化风险。在 COP 28 上，37 个国家政府承诺相互认可国家认证计划，拉丁美洲推出区域认证框架 “CertHiLAC”。国际标准化组织（ISO）发布了确定氢生产相关温室气体排放的方法，预计 2025 或 2026 年将形成完整标准，为证书互认提供通用方法，但仍有部分问题尚未解决。 拉美机遇与挑战：凭借丰富的自然和可再生能源资源以及低碳电力结构，拉美在低排放氢生产方面极具潜力。基于已宣布项目，到 2030 年，拉美有望生产超过 7 Mtpa 的低排放氢，其碳强度远低于使用未减排天然气的水平，符合多个现有法规要求。但要充分实现这一潜力，需要大幅增加发电容量（相当于该地区当前发电量的 20%）并对基础设施进行大量投资。许多拉美国家已制定氢能战略，重点关注出口机会，但由于全球氢市场规模不确定，这些计划可能需要调整。目前，全球与氢及氢基燃料贸易相关的已宣布项目没有增长，拉美地区的应用主要集中在炼油和氨生产领域，随着市场发展，钢铁、航运和航空等新应用以及氢枢纽将逐渐涌现 。 氢能需求需求分布与增长：2023 年，全球氢能需求突破 97 Mt，预计 2024 年将接近 100 Mt 。需求增长主要受经济趋势驱动，而非政策实施成果。需求分布仍集中于传统应用领域，如炼油、化工（氨和甲醇生产）和钢铁制造，这些领域几乎完全依赖未减排化石燃料制氢。在向净零排放能源系统过渡的过程中，这些领域对未减排化石燃料制氢的需求需被低排放氢替代，同时，低排放氢在难以减排的新应用领域的使用也需扩大。尽管 2023 年新应用领域的氢使用量相比 2022 年增长近 40%，但占全球需求的比例仍不足 1%。在 NZE 情景中，到 2030 年，氢能需求将接近 150 Mtpa，其中低排放氢占 45%，新应用领域的需求占近 40%，这意味着新应用领域的需求需在 2030 年前增长超 80 倍。 各领域需求情况炼油：2023 年，炼油领域的氢能需求达到 43 Mt，再创历史新高，增长主要集中在中国和中东地区。尽管未来对精炼油产品的需求增长预计将放缓，但在 NZE 情景中，到 2030 年全球炼油领域的氢能需求需降至 35 Mt 以下，目前仍有较大差距。2023 年，炼油领域对低排放氢的需求几乎全部来自中国的两个项目，随着多个项目的推进，预计到 2030 年，低排放氢在炼油领域的使用量有望达到 1.6 Mtpa，约满足 NZE 情景需求的四分之一。此外，生物炼油厂对低排放氢的兴趣日益增加，部分项目计划使用低排放氢升级生物燃料。 工业：2023 年，全球工业领域的氢能需求达到 54 Mt，同比增长近 2%，主要用于氨、甲醇和钢铁生产。在 NZE 情景中，到 2030 年，工业领域的氢能需求将增长至 70 Mtpa，约四分之一需由低排放氢满足。2023 年，工业领域的低排放氢产量约为 280 kt，预计 2024 年将增长至 370 kt 。已宣布的项目若全部实现，到 2030 年，低排放氢产量有望达到 6.2 Mtpa，但仍与 NZE 情景目标存在差距。此外，氢在工业加热应用方面的研发项目正在推进 。 交通：在道路运输方面，2023 年氢燃料电池汽车的使用量增长，其中重型燃料电池卡车和公交车的增长尤为显著，但整体需求依然较低。不同地区的发展态势有所不同，中国侧重于重型车辆，而韩国和日本则聚焦于轻型车辆，但该领域增长逐渐放缓。在航运领域，氢基燃料有望在实现国际海事组织温室气体减排目标中发挥重要作用，尽管面临生产规模扩大的挑战，但替代燃料就绪船舶的订单数量不断增加，各国政府也纷纷采取行动推动其发展。在航空领域，短期内氢相关活动主要集中在可持续航空燃料的生产，多家航空公司签署了采购协议，但直接使用氢的技术仍处于开发阶段，面临诸多挑战 。 建筑：2023 年，建筑领域的氢能应用进展甚微，在当前政策下，预计到 2030 年，氢能在建筑领域的使用量仅为 20 ktpa，占该领域总能源需求的比例极小。目前，建筑领域使用氢的技术部署进展缓慢，部分试点项目因社会接受度低而延迟 。 电力：2023 年，氢在发电领域的使用占全球发电总量的比例不足 0.2%，但氢和氨有望成为重要的低排放电力系统灵活性来源。自 2023 年以来，多个国家和地区开展了相关项目，韩国、日本等国的公司积极推进示范项目，部分国家还通过拍卖支持氢和氨在电力领域的应用。基于已宣布项目，到 2030 年，全球氢和氨发电装机容量有望达到 7100 MW，但与 NZE 情景目标相比仍有较大差距 。 氢能生产生产现状与展望：2023 年，全球氢气产量达到 97 Mt，几乎全部来自未减排的化石燃料，其中未减排天然气制氢占主导地位，约为总产量的三分之二，中国是最大的生产国。低排放氢产量在过去两年略有增长，占比仍不足 1%。基于已宣布的项目，到 2030 年，低排放氢产量有望达到 49 Mtpa，欧洲、拉丁美洲和美国将成为主要生产地区。然而，项目面临诸多挑战，部分项目延迟或取消，实际产量与 NZE 情景目标仍存在差距 。 电解水制氢：2023 年底，全球水电解槽装机容量达到 1.4 GW，预计 2024 年底将达到 5 GW，中国在新增容量中占比约四分之三。从技术类型来看，碱性电解槽占比最大，其次是质子交换膜（PEM）电解槽。基于已宣布项目，到 2030 年，电解槽装机容量有望达到 230 - 520 GW，但多数项目处于早期阶段，不确定性较大。过去 12 个月，约 6.5 GW 的电解水制氢项目达到 FID，主要用于工业应用和运输燃料生产。电解槽制造产能在 2023 年翻倍，达到 25 GW/yr，中国占比 60%，预计到 2030 年，产能有望超过 165 GW/yr 。随着规模效应和大规模制造的实现，电解槽成本有望降低 。 化石燃料结合 CCUS 制氢：全球约有 15 个氢气生产设施配备了碳捕获、利用和存储（CCUS）技术，累计二氧化碳捕获能力约为 12 Mtpa，但多数设施仅实现部分捕获，低排放氢产量有限。在政策支持下，美国、欧洲、加拿大和中东等地的相关项目取得进展。若已宣布项目全部实现，到 2030 年，低排放氢产量将大幅增长，但仍比 NZE 情景目标低约 6 Mt 。 不同生产路线对比：氢气生产成本受多种因素影响，未减排天然气制氢成本因天然气价格波动而变化，2023 年价格有所回落。在 NZE 情景下，到 2030 年，可再生电力制氢成本有望与化石燃料结合 CCUS 制氢成本相当。低排放氢的成本溢价对不同终端产品价格的影响程度不同，在食品、航空、钢铁等行业，成本溢价在供应链下游逐渐降低，但仍需考虑对不同利益相关者的影响。此外，氢气生产需考虑水资源利用问题，约 40% 的计划低排放氢生产项目位于水资源紧张地区，项目开发商正探索利用海水淡化和处理后废水等方式保障供水 。 新兴生产路线：天然氢的勘探和开发在过去几年有所进展，但目前尚无商业可行的天然氢井。多个国家和地区开展了相关地质调查，部分项目正在推进。生物质制氢可通过多种方式实现，部分项目已投入运营，公共部门也对新兴生产路线提供了支持 。 氢基燃料和原料：基于已宣布项目，预计 2024 年氢基燃料和原料的总产量将增长近 15%，达到近 0.5 Mtpa -eq，到 2030 年有望达到近 10 Mtpa（若考虑早期阶段项目则为 20 Mtpa），但多数项目处于早期阶段。氨是主要的目标产品，其生产成本较高，在 NZE 情景下，到 2030 年成本有望降低 。 贸易与基础设施贸易现状与项目目前，氢能贸易规模较小，主要是邻近国家之间的小规模、本地化运输以及氢基产品（如氨和甲醇）的贸易。在 NZE 情景中，到 2050 年，氢和氢基燃料的区域间贸易量将超过 70 Mtpa -eq 。近年来，一些试点项目开展了低排放氢及氢基燃料的贸易，如氨的运输。已宣布的出口导向型项目若全部实现，到 2030 年，出口量有望达到 16 Mtpa -eq，但多数项目处于早期阶段，不确定性较大。氨是最主要的贸易载体，澳大利亚和美国有望成为最大的出口国，欧洲则是主要的进口市场 。 基础设施发展管道运输：全球天然气管道网络庞大，部分可用于氢气运输。目前，全球已运营的氢气管道长度约为 5000 km，已宣布的新建管道项目长度到 2035 年有望接近 40000 km，但仅有 2% 的项目达到 FID。欧洲、中国等地区和国家积极推进管道建设相关政策和项目，但面临生产和需求不确定性、监管框架不完善等挑战 。 地下存储：全球地下天然气存储容量较大，但氢存储设施的发展相对滞后。已宣布的地下氢存储项目容量与 NZE 情景需求差距较大，到 2035 年和 2050 年的预计容量远低于需求。目前，一些盐穴、硬岩洞穴和多孔储层等存储项目正在推进，但仍需加快发展以满足未来需求 。 船舶运输：对于长途运输，船舶运输氢具有一定优势，但需要发展专用的港口基础设施和新型油轮。目前，全球有多个港口基础设施项目正在规划中，包括氨、甲醇和纯氢的相关设施。同时，新型液化氢油轮的设计和研发也在进行中 。 投资、融资与创新投资情况：2023 年，项目开发商在氢能供应项目建设上投入了 35 亿美元，其中约 80% 用于电解水制氢设施建设，其余用于与 CCUS 结合的项目。电解水制氢项目投资相比 2022 年增长超 350%，预计 2024 年将继续增长。多边金融机构对氢能的融资在 2023 年较为活跃，2024 年进入实施阶段，但整体投资水平仍远低于 NZE 情景要求 。 金融表现：氢能公司整体财务状况不够稳健，在公开市场上表现不佳，公司市值有所下降。然而，初创企业的融资额在 2023 年有所增加，达到 37 亿美元，尽管预计 2024 年受宏观经济影响融资额可能下降 。 技术创新：在制氢技术方面，电解水制氢技术不断创新，如降低催化剂成本、提高氢气出口压力等；化石燃料结合 CCUS 制氢技术也有进展，如采用新的重整技术和甲烷热解技术等。在终端应用技术方面，钢铁、化工、运输和电力等领域的创新项目取得了一定成果，如氢基直接还原铁（DRI）技术、氨燃料发动机等。此外，2022 年全球氢专利申请数量大幅增长，表明对低排放氢技术的信心和研发投入增加 。 政策战略与目标：过去 12 个月，19 个国家发布了新的氢能战略，多数为新兴市场和发展中经济体，使发布氢能战略的国家覆盖了全球 84% 以上的能源相关二氧化碳排放。多数新战略设定了生产目标，但尚未转化为具体立法和约束性目标 。 需求创造政策：自 2023 年以来，共发布了 26 项旨在创造需求的政策，主要政策工具包括补贴、配额等，但多数资金处于宣布阶段，尚未转化为实际法律。政策推动的低排放氢需求在 2030 年有望达到 6 Mtpa，但仍远低于生产目标和 NZE 情景需求 。 投资风险缓解政策：各国采用多种政策工具缓解投资风险，如直接补贴、税收优惠、竞争性招标、差价合约等。部分国家出台了支持电解槽制造的政策，以促进国内制造业发展 。 研发与知识共享：政府对氢能研发的投入在 2023 年继续增加，超过了 2022 年的历史记录。国际合作也在加强，多个国际组织和国家在氢能领域开展合作，推动知识共享和标准制定 。 认证、标准与法规：各国政府积极推进氢能认证、标准和法规的制定工作，在 COP 28 上取得了重要进展，如发布了确定氢生产相关温室气体排放的方法，部分国家和地区也制定或更新了相关标准和法规，但仍需进一步协调和统一 。 来源：气瓶设计的小工程师