关于氢的未来
《The Future of Hydrogen》是国际能源署（IEA）为 2019 年日本担任 G20 主席国期间编写的关于氢能源的报告，主要对氢能源的现状、潜力以及发展策略进行了全面分析
下面是对文章中的一些数据进行提取
氢能源生产与消费数据
生产情况
全球产量：2018 年全球氢气年产量约为 7000 万吨（70 Mt），其中约 60% 来自天然气，23% 来自煤炭，2% 来自水电解。
生产能耗：生产 70 Mt 氢气每年消耗约 2050 亿立方米的天然气（6% 的全球天然气使用量）和 107 Mt 的煤炭（2% 的全球煤炭使用量）。
各领域需求
工业领域：石油精炼是最大的氢气消费领域，占总需求的 33%；其次是氨生产，占 27%；甲醇生产占 11%；钢铁生产（通过直接还原铁矿石）占 3%。
其他领域：纯氢需求中，约 45 Mt 用于工业生产，如钢铁和甲醇生产，这些氢气在生产过程中与其他气体混合使用。
消费趋势
全球需求增长：自 1975 年以来，全球氢气需求增长了三倍多，目前仍在持续上升。预计到 2030 年，炼油、化工等行业对氢气的需求将进一步增加。
特定领域需求变化
石油精炼：随着环保要求的提高，炼油 行业对氢气的需求将受到油品硫含量限制的推动。例如，许多国家已将道路运输燃料中的硫含量要求降低，这将增加氢气在炼油过程中的使用量。预计到 2030 年，炼油 行业的氢气需求将增加 7% - 41 Mt。
化工行业
氨和甲醇需求：预计到 2030 年，氨和甲醇的需求将分别增长 1.7% 和 3.6%/ 年。氨主要用于生产化肥，甲醇则用于生产多种化工产品和燃料。
新应用需求：随着氢基燃料在新领域的应用开发，如作为运输燃料和能源储存介质，化工行业对氢气的需求有望进一步增长。
氢能源生产成本数据
不同生产方式成本
天然气制氢
成本范围：全球范围内，天然气制氢成本因地区和天然气价格不同而有所差异。2018 年，中东地区天然气制氢成本低至 1 美元 / 千克（USD 1/kgH₂），而其他地区如美国、欧洲和亚洲成本较高。
影响因素：燃料成本占生产成本的 45% - 75%，是最大的成本组成部分。此外，资本支出（CAPEX）和二氧化碳捕集成本也对成本产生重要影响。添加碳捕集与储存（CCUS）技术可使成本增加约 50%（CAPEX）和 10%（燃料成本）。
水电解制氢
技术成本
电解槽成本：目前，碱性电解槽成本约为 500 - 1400 美元 / 千瓦（USD 500 - 1400/kWe），质子交换膜（PEM）电解槽成本为 1100 - 1800 美元 / 千瓦，固体氧化物电解槽（SOEC）成本约为 2800 - 5600 美元 / 千瓦。
转换效率与成本：电解槽的效率范围为 60% - 81%，转换效率和电力成本是影响水电解制氢成本的重要因素。随着电解槽运行小时数的增加，资本成本对氢气成本的影响下降，电力成本的影响上升。
能源成本
电力成本：水电解制氢的电力成本是关键因素。例如，在日本，使用电网电力电解水制氢时，非常低成本的电力通常仅在一年中的少数小时内可用，这导致电解槽利用率低，氢气成本高。
可再生能源电力成本：随着太阳能光伏和风力发电成本的下降，在太阳能资源和风力资源丰富的地区，使用可再生能源电力制氢可能成为低成本的供应选择。例如，在澳大利亚的一些项目中，通过太阳能和风力发电制氢，有望降低成本。
未来成本预测
成本下降趋势：通过技术创新和规模经济，水电解制氢成本有望降低。例如，通过使用多堆栈系统，PEM 电解槽的成本有望降低。同时，随着可再生能源成本的下降，氢基燃料的生产成本也有望降低。
成本竞争力：在未来，低排放氢气生产的成本竞争力将受到多种因素的影响，包括天然气和电力价格、碳价格、技术进步等。一般来说，在低天然气价格和高电力价格地区，可再生能源制氢可能更具竞争力；而在高天然气价格地区，天然气制氢与 CCUS 结合可能更具优势。
氢能源存储与传输数据
存储数据
存储方式
地下存储：盐穴、枯竭的天然气或石油储层和含水层是主要的地下存储选择。盐穴存储成本低（低于 0.6 美元 / 千克），效率高（约 98%），但对设备要求较高。
储罐存储：压缩或液化氢的储罐具有高放电率和高效率，适用于小规模应用。目前，研究重点是减少储罐体积，提高存储密度，如开发能够承受 800 巴压力的地下储罐和使用固态材料存储氢气。
存储容量
全球规模：全球现有约 3000 公里的氢管道，以及数百万立方米的地下存储容量。一些国家正在计划或建设大型氢存储项目，如美国的一些盐穴存储系统可以存储数万吨氢气。
传输数据
传输方式成本
管道传输：对于距离较短（约 1500 公里以内）的传输，管道传输是最经济的方式。输送 1500 公里左右的氢气，成本约为 1 美元 / 千克。随着传输距离的增加，成本会上升，且需要更多的压缩机站。
船舶运输
液化氢运输：将氢气液化后通过船舶运输成本较高，包括液化成本、储存成本和运输成本。例如，将氢气从澳大利亚运输到日本，运输成本可能占总成本的 30% - 45%。
氨或液有机氢载体（LOHC）运输：对于长距离海外运输，氨或 LOHC 运输可能更具成本效益，但转换和再转换过程会增加成本。
国际运输现状
贸易量：目前，全球氢气贸易量较少，主要是氨的贸易，相当于约 3 MtH₂/ 年。一些国家和地区正在积极发展氢气贸易，如澳大利亚、智利、中国等，预计到 2030 年，氢气贸易量将有所增加。
贸易路线
亚洲太平洋地区：日本、韩国和中国等国家是该地区的主要市场，他们计划通过进口氢气来满足国内需求，同时也在发展本地的氢气生产和出口。例如，澳大利亚计划通过建设电解厂和相关设施，向亚洲国家出口氢气。
欧洲地区：欧洲国家之间的氢气贸易潜力较大，通过利用现有天然气管道网络和建设新的氢气传输基础设施，实现氢气的跨境传输。
氢能源在各领域应用数据
交通领域
车辆数量与增长
全球汽车数量：截至 2018 年，全球汽车保有量超过 10 亿辆，其中燃料电池汽车约 11200 辆，主要分布在美国、日本、欧洲和韩国等国家。
车辆增长趋势：预计到 2030 年，全球汽车保有量将继续增长，特别是在发展中国家，这将为氢燃料电池汽车的发展提供市场机遇。
加氢站数量与分布
全球加氢站数量：2018 年，全球加氢站总数达到 381 座，主要分布在日本、德国和美国等国家。
地区分布差异：不同地区加氢站的分布密度和发展速度差异较大。例如，中国的加氢站数量在近年来迅速增加，但仍相对较少。
成本与竞争力
汽车成本：氢燃料电池汽车目前比电池电动汽车成本高，主要是由于燃料电池和燃料罐的成本较高。但随着技术进步和规模经济的发展，成本有望降低。例如，通过提高燃料电池的效率和降低铂含量，成本有望下降。
加氢站成本：加氢站的建设和运营成本较高，包括压缩机、储罐和管道等设备的成本。目前，加氢站的成本在 0.6 - 200 万美元之间，具体成本取决于加氢站的规模和技术水平。
建筑领域
能源需求
全球建筑能耗：全球建筑部门占最终能源使用的 30%，其中近四分之三用于空间供暖、热水生产和烹饪。
天然气使用：2017 年，全球建筑部门使用的天然气约为 620 Mtoe，占建筑能源需求的大部分。
氢能源应用潜力
混合供暖：在一些国家，如加拿大、美国和西欧，将少量氢气（3% - 5% 体积比）混入天然气中进行供暖，对终端使用设备影响较小，但需要确保系统安全和效率。
100% 氢气使用：对于大型商业建筑和建筑群，以及区域能源网络，使用 100% 氢气进行供暖具有吸引力。例如，在英国的一些项目中，计划将氢气供应到建筑物中，为供暖和电力供应提供清洁能源。
工业领域
钢铁行业
氢气需求：钢铁行业是氢气的重要消费领域之一，目前全球钢铁需求预计到 2030 年将增长约 6%。其中，直接还原铁矿石（DRI）工艺是氢气的主要需求来源，占总需求的 4 MtH₂/ 年左右。
生产工艺变革：为了减少碳排放，钢铁行业正在探索使用氢气作为关键还原剂的生产工艺，如 HYBRIT、SALCOS 等项目。这些项目旨在实现钢铁生产的低碳化，但需要克服技术和成本挑战。
化工行业
氨和甲醇生产：化工行业是氢气的第二大消费领域，氨和甲醇的生产是主要应用。2018 年，全球氨产量约为 31 MtH₂，甲醇产量约为 12 MtH₂。
生产过程排放：氨和甲醇生产过程中会产生大量的二氧化碳排放。例如，全球氨生产的平均直接排放强度为 2.4 吨二氧化碳 / 吨（tCO₂/t），甲醇的平均排放强度为 2.3 tCO₂/t。
政策支持数据
政策数量与目标
政策数量增长：越来越多的国家制定了直接支持氢技术投资的政策，截至 2019 年中期，全球直接支持氢气投资的政策目标、任务和激励措施总数约为 50 个。
政策目标设定：许多国家制定了氢能源发展的目标，如 2030 年或 2050 年的氢气产量、使用量和基础设施建设目标。例如，欧盟制定了长期脱碳战略，包括氢能源发展路径；中国提出了在一些城市推广氢燃料电池汽车的目标。
投资与补贴
政府投资：一些国家政府加大了对氢能源研发和示范项目的投资，如澳大利亚、日本和韩国等。例如，澳大利亚宣布在未来几年内投入超过 1 亿美元支持氢研究和试点项目。
补贴政策：政府通过补贴氢气生产、加氢站建设和燃料电池汽车购买等方式，促进氢能源的发展。例如，美国的 45Q 税收抵免政策奖励二氧化碳的储存和转化，包括与氢气相关的项目。
技术发展数据
电解槽技术进步
技术类型：目前主要的电解槽技术包括碱性电解槽、PEM 电解槽和 SOEC 电解槽。碱性电解槽技术成熟，PEM 电解槽在小型和分布式应用中具有优势，SOEC 电解槽具有高温和高效的特点，但目前仍处于发展阶段。
技术指标变化
效率提升：不同电解槽技术的效率在过去十年中有所提高。例如，PEM 电解槽的效率范围从 70% - 80%（目前）有望提高到未来的 63 - 68%（长期）。
规模扩大：电解槽的规模也在不断扩大，平均单元尺寸从 2000 - 2009 年的 0.1 兆瓦（MW）增加到 2015 - 2019 年的 1.0 兆瓦，一些项目的电解槽规模已达到 10 兆瓦或以上。
燃料电池技术发展
成本降低：燃料电池成本在过去十年中经历了显著下降。例如，燃料细胞的成本从 2015 年的约 230 美元 / 千瓦下降到目前的约 180 美元 / 千瓦，预计未来有望进一步下降到 100 美元 / 千瓦以下。
耐久性提高：燃料电池的耐久性也在不断提高，目前的燃料电池运行时间已达到 10000 小时以上，一些先进的燃料电池甚至可以运行 80000 小时。
市场价格数据
能源价格对比
氢与其他燃料价格：在一些国家，氢燃料的价格与其他能源价格存在一定的竞争关系。例如，在道路运输领域，氢燃料电池汽车的燃料成本与汽油和柴油价格相比，在一定条件下具有竞争力。以美国为例，氢燃料的价格（包括生产、储存和运输成本）在某些情况下与汽油价格相当。
氢气价格差异：氢气价格因生产方式、地区和市场需求等因素而异。例如，在欧洲，由于天然气价格较高，氢气价格也相对较高；而在一些可再生能源资源丰富的地区，如智利和澳大利亚，使用可再生能源电力制氢的成本较低，氢气价格也更具竞争力。
碳价格影响
对生产成本的影响：碳价格对氢能源生产成本有重要影响。例如，在天然气制氢中，添加 CCUS 技术的成本与碳价格密切相关。当碳价格高于 50 美元 / 吨（USD 50/tCO₂）时，天然气制氢与 CCUS 结合在大多数地区在经济上具有吸引力。
对市场竞争力的影响：碳价格的变化会影响氢基燃料与化石燃料的竞争力。例如，对于合成柴油和甲烷等氢基燃料，当碳价格较高时，它们与化石柴油和天然气的竞争优势会增强。
