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BCG:氢能源蕴含的市场机遇| 观点与方案

佚名 来自: 波士顿 2021-08-05

BCG:氢能源蕴含的市场机遇

距离人们首次提出将氢能作为清洁能源的主要来源已经过去几十年的时间了。随着各种重大技术的进步,丰富的氢气资源或许终于能够开始为应对气候变化做出贡献了。但是,在氢能真正成为一种具有成本效益的减排方法之前,还有许多技术、经济和政策方面的挑战。

使用氢能以减少温室气体排放的呼声由来已久,但若想充分发挥氢能的潜力,就必须降低成本,提高生产、分销和使用效率。两大必要的趋势需要形成合力,方能实现最终目标。

首先,政府决策者和监管机构必须继续通过直接补贴和政策调整,支撑低碳氢能的生产和使用,使氢能在温室气体减排方面发挥最大的潜力。1为了实现温室气体减排目标,一些国家的政府已经在努力将氢能纳入减排举措中,以达到减排目标。例如,欧盟已经将氢能作为到2050年实现零排放战略的关键要素。

其次,为了实现氢经济,整个生态系统的利益相关方都需要做出贡献。特别是机械制造商,即开发和制造必要机械、设备和部件的企业,与此同时,投资者也必须尽自己的一份力量。在整个氢价值链的支撑下,假设全球减少温室气体排放的努力能够与巴黎协定的目标保持一致,到2050年,与氢能相关的机械、设备和部件的市场规模将达到每年2,000亿美金以上。2

目前,新兴的低碳氢市场高度复杂又非常分散,但拥有广阔的前景。来自政府和私人投资者的资金开始流入这一领域,同时,大企业、中小企业和初创企业也在迅速进入该领域。然而,对市场而言,商业模式、技术以及政府支撑等方面的不确定性仍然很高。驾驭市场需要大量的专业常识和贯彻始终、深思熟虑的战略。

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本文重点分析低碳氢市场的结构及其机遇、市场效益以及挑战。

氢能价值链

氢能对减少温室气体排放的潜力很大。到2050年,在基础化学品生产、炼油、重型车辆上的燃料电池,以及钢铁工业还原剂等方面使用清洁氢,每年可减少50至60亿吨温室气体排放。总体而言,这些变化将使大家早期绿色技术分析中所包括的350亿吨排放总量减少15%(参阅图1)。3

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氢气的生产方式多种多样,其中有些方式比其他方式“更清洁”。为了最大限度地提高环境效益,必须在不排放温室气体的情况下生产氢气。最清洁的制氢方法是利用可再生能源发电,通过电解将水分解成大家重点关注的“绿色”氢气。

专题:低碳氢的制造方法

为了最大限度地保护环境,氢必须是“绿色的”,即完全由可再生能源进行生产。然而,大家也会继续采用其他方法制氢,有些方法更为绿色环保(参阅图表)。

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目前,最常用的方法是灰氢,即使用化石燃料将水加热成蒸汽,将蒸汽与甲烷混合,然后采集释放的氢气。蓝氢虽然也由化石燃料制得,但添加一个过滤器来捕捉生产过程中排放的二氧化碳,从而实现碳中和。在甲烷储量丰富的地区,尤其是在碳捕捉技术完全发展之后,蓝氢很可能继续保持经济优势。

■ 氢气生产,主要通过电解槽系统。

■ 分销,包括压缩、管道和储存。

■ 氢气转化为可运输形式,主要是部件和物料搬运设备。

■ 运输和工业应用,包括燃料电池、燃烧和作为原料使用。

图2对2050年氢价值链各环节所需的设备和部件的潜在市场进行细分,每年的资本支出为2,000亿美金:

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这些细分市场的成熟时间不同。尽管生产和分销的发展需要独立于氢气的使用地点和方式,但是氢气转化成可运输形式及其具体用途取决于现有技术和其他绿色替代品的经济竞争力,以及政府政策和客户偏好。

大家的情境分析表明,以每千克2美金的氢气价格计算,到2030年,欧洲有一些应用将可能具有经济竞争力。对于重型运输,单位经济效益将会较早出现。使用电池电力系统直接电气化是运输应用中另一种绿色的替代方案,但在重型运输领域,燃料电池和氢基燃料由于其具有更高的功率密度和更快的加注时间,与电池电力相比更具有操作优势。大家预计,电池电力将主导乘用车和轻型商用车领域,因为其通常具有更高的往返效率(能量转换效率)。

为了使氢气在这些重型应用中具有竞争力,除了要考虑单位经济效益外,还需要考虑处理和分销成本。这将需要进一步降低氢生产成本,或者发展分散的生产和供应网络。无论采用哪种方式,企业还需要克服相关障碍,包括提供氢气所需基础设施的高密集资本,以及工业规模生产氢动力交通工具和设备的可行性(参阅图3)。

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随着生产成本的下降,到2030年,氢能在化工部门和钢铁行业的应用也将在经济上变得可行。主要障碍将是转向低碳氢生产所需的高投资,保持化工和钢铁生产所需的操作连续性,以及所需的长投资周期和规划周期。

尽管存在这些挑战,但在未来十年,氢气应用的经济可行性将会提高。税收或温室气体排放成本上升得越高,基础设施和工业规模设备可用性方面的障碍消除得越快,每种应用在经济上可行的时间就越早。

发展和扩大所需的设备和工艺,以降低氢气生产、分销和开发用途成本的任务,将主要落在世界机械制造商的肩上。接下来,大家将分析氢能市场的四个部分:生产、分销、转化和应用,以及每个部分为机械制造商提供的机遇。

氢的生产

未来,生产的大部分氢将是低碳的绿氢或蓝氢。大家主要研究的是通过电解生产的绿氢。尽管蓝氢也可能在氢气供应总量中占据相当大一部分,但生产蓝氢所需的碳捕捉技术,其市场仍将远远小于电解槽市场。

国际能源署(IEA)的可持续发展情景预计,到2030年,用于生产氢气的电解装机容量将增至130吉瓦,其中欧盟占80吉瓦,包括进口的氢气产量。为所有这些电解槽供电以生产绿氢将需要生产约600太瓦时的可再生能源,这为可再生能源发电行业提供了一个巨大的新市场(本分析未涉及可再生能源发电行业)。但要满足低碳氢的预期需求,必须降低电解成本,提高电解效率。

目前,正在使用中的电解槽有几种不同的类型。最常见的是聚合物电解质或质子交换膜(PEM)电解槽,它将一堆固态聚合物膜置于电解槽的阴极和阳极之间。还有碱性电解电池(AECs),它使用液体碱性溶液作为电解质。固体氧化物电解电池(SOECs)使用固体电解质从蒸汽中产生氢气;这项技术还不太成熟,但有潜力达到80%的效率水平。

电解槽的生产和运行成本都很高,很大程度上是由于当前电解槽技术效率低下以及所需的端到端支撑系统(参阅图4)。提高整体效率为机械制造商提供了一个重大机遇。例如,通过改进电池堆中使用的材料,将PEM电解槽的系统效率从60%提高到70%或许可行。

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目前,建立所需电解槽容量的成本太高,难以实现。资本成本高存在几个原因。一方面,电解槽需要大量昂贵的材料,如贵重金属。这一点对于PEM电解槽来说尤其如此,这些电解槽大部分在阴极侧使用铂膜,在阳极侧使用铱或钌膜。研发人员正在探索在不影响耐久性的前提下减少贵金属用量的方法。

其他因素也导致了高资本支出。其中一个问题是,目前生产的电解槽数量很少。由于缺乏生产自动化,制造成本也很高。电解槽通常在十个非常薄的层中包含多达150个电池;考虑到其制造所需的精度,自动化过程是极其困难的,需要相当多的专业常识。缺乏质量标准也是其中一个因素,迫使运营商要确保每台电解槽的质量,这进一步增加了成本。最后,运行中的电解槽最大容量只有10兆瓦。在目前容量相对较小的情况下,为每个电解槽安装外围组件的成本非常高。

如果AEC每年的产量能从50台增加到1,000台,那么通过降低材料成本、提高自动化和标准化水平可以将电池堆所需的资本支出降低30%至40%。在这种规模下,辅助设备(BOP)所需的资本支出将减少20%至30%,使整个系统成本约为每千瓦280美金至350美金,不包括利润、管理费用和销售总务管理支出(SG&A)。对于PEM电解槽,电池堆所需的资本支出需要降低40%至50%,辅助设备的资本支出需要降低20%至30%,从而将整体系统成本降低到每千瓦320美金至400美金。

随着氢气电解槽产量的增加,老牌的系统制造商可能更有优势,因为他们更有可能建立符合质量标准的大型电解厂。然而,随着专业化程度的提高,这一情况有望发生改变,这为电解堆使用的膜和双极板以及整个电解系统的压缩机、泵、电力电子元件和气体分析等部件供应商提供了机遇。


“氢气生产为机械制造商提供了各种机遇,到2050年,每年的总价值将达到600亿至650亿美金。”

总体而言,氢价值链的生产端为机械制造商提供了各种各样的机遇,到2050年,每年的总价值将达到600亿至650亿美金。建造和提高所需电解槽的效率只是其中的一部分。需要进行更多的研发来提高电解槽的反应和启动时间,以及在不同条件下电解槽的运行方法。

氢的分销和储存

如果氢市场要充分发挥潜力,企业必须克服分销和储存方面的几个重大障碍。与当前的石油和天然气行业不同,低碳氢生态系统需要将集中和分散的生产、分销和储存结合起来,这取决于可再生能源的可用性、现有基础设施和高效利用氢气的地点。

与碳氢化合物不同,氢的挥发性很强,比空气轻,使得运输和储存十分棘手。因此在短期内,将制氢地点设在使用地附近是有意义的。然而,随着时间的推移,低碳氢需求不断增加,在靠近主要可再生能源(特别是太阳能)的南半球,大量生产氢气的成本优势将进一步推动国际氢气市场的增长。发展长距离运输网络成为必需,最有可能的是利用船舶。对于较短的距离,大量的氢气可以通过管道输送,而火车和卡车可以运输少量的氢气(参阅图5)。

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氢气易燃、易爆、易逸出,且密度相对较低。最好以密度较高的形式进行运输,但这需要压缩、液化或转化。氢气还会与许多金属发生反应,使其脆化。

这些因素为机械制造商,特别是专门生产危险材料的机械制造商,以及能够将其产品用于氢气使用的供应商打开了许多潜在的市场。

由于氢气的密度较低,必须进行高度压缩才能有效地储存并运送到目的地。目前,有几种技术正在酝酿中。氢气在-252°C的温度下变成液体,但远距离运输液态氢的效率只有70%;由于需要超低温的储罐以及持续的主动冷却来防止压力上升和相关的爆炸风险,运输效率会受到限制。此外,一些液体仍会不可避免地回到气态,并以蒸发气体的形式逸出。为了使长距离运输液态氢具有经济竞争力,需要开发改进液化氢的方法和绝热材料。此外,必须设计和建造能够保持氢气低温的新船舶;也必须破除监管障碍:因为目前尚不允许运输液态氢。

长途运输的另一种选择是将氢转化为另一种形式。转化后的氢可以通过天然气行业现有的运输基础设施来处理。但如果转化后的氢需要在目的地进行再转化,那么效率损失甚至比液态氢还要高。

跨越几千公里距离的氢气运输,最经济的方式是通过管道,这为管道建设和再利用开拓了新机遇。例如,截至2018年,欧洲只有2,000公里的氢气输送管道,但到2040年,将有23,000公里的甲烷气体管道可以改造成氢气输送管道。为氢气设计的新管道也可以安装在现有管道内,这样就不需要对现有管道进行重新涂漆和密封。

无论采用哪种方式,对于能够承受数十年氢气输送的管道材料,以及在氢气通过管道时保持压缩状态所需的设备,都将有很高的需求。防漏密封材料、泵、气体流量管理系统、热交换器以及阀门等较小的零部件必不可少。

根据储存量的不同,储存氢气以备未来运输和使用的机会也不同。从储存少量压缩氢的气瓶到储存大量压缩氢的盐穴和岩洞,解决方案各不相同。中等数量的氢很可能以压缩、液化或转化的形式储存在较大的容器或储罐中。

氢的转化

氢气一旦产生,就可以转化成其他形式,如氨和合成碳氢化合物(如甲醇),或与液体有机载体结合,如甲苯。这使得氢能够通过现有的商品基础设施,包括储罐、船舶和管道进行储存和运输(参阅图6)。例如,日本预计到2030年每年进口30万吨氢气。能够运输50吨液化氢的船舶正在研发中,这将需要5,000至6,000艘船的装载量。但是,如果将氢气转化为氨气进行运输则可以减少100倍的船载量。

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将氢气转化为氨气时,能效损失约为12%;将氢气转化为甲醇或与其他载体结合时,能效损失将超过20%;将其转化为合成碳氢化合物时,能效损失高达约35%。在后一种情况下,所需增加的碳必须来自化石燃料以外的来源,例如通过一种称为直接从空气中进行碳捕获的工艺。

根据其用途,转换后的氢气不一定需要重新转换为纯氢气。例如,氨可以直接作为化学工业原料,用来制造化肥;甲醇可以通过燃烧转化为供应钢铁工业的动力和热能。只要生产的绿氢与其他生产方式相比具有竞争力,这两种工艺都具有相当大的潜力。氨和合成碳氢化合物最终可能在其他用途中被直接燃烧,但这取决于用适合氨或合成燃料的发动机和涡轮机能否取代传统的内燃机和涡轮机,而这在2030年之前不太可能大规模实现。

另一种可能性是将氢气与毒性比氨小的液态有机载体相结合(如甲苯),进行运输,然后在到达目的地后将其还原为气态。目前,转化和再转化或脱氢过程会导致50%的氢气损失,效率远低于其他转化过程。脱氢液体的有机载体必须被运回最初转化氢气的地方,这样才能被重复利用。但是转化和运输方面的技术进步可以使这种方法更加节能。

氢的应用

氢的用途广泛。对于机械制造商来说,最大的用途是作为运输的燃料电池和钢铁工业的原料(参阅图7)。从长远来看,氢气也有望用于直接燃烧,以产生动力和热能。这些因素加起来,到2050年,机械制造商每年的潜在收入将达到800亿至900亿美金。然而,氢的成本效益远不如当前一些其他的应用技术,在某些用途上必须与其他低碳技术进行竞争。

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交通运输

作为卡车、火车和船舶的燃料,氢有许多优点。由于能量密度较高,与通过电池电力系统直接电气化相比,氢在运输范围和添加燃料的时间方面具有相当大的优势。但是,根据运输方式的不同,代替该行业现有温室气体减排方案的成本可能很高。

由于在电解过程和燃料电池的使用中都不可避免地会造成相当大的效率损失,直接电气化具有更高的循往返效率(能量转换效率)。尽管电池电动汽车的总拥有成本较低,但由于充电时间长、电池重量大,燃料电池汽车在重型卡车、矿用卡车、挖掘机,以及长途公共汽车等应用中具有优势,考虑到这些车辆负载重、行驶里程长、燃料消耗高,且需要快速补充燃料。

在铁路运输中,燃料电池在电力牵引架空接触网系统无法使用的情况下提供了一种绿色替代方案。未来十年,燃料电池很可能会与柴油进行竞争。由于需要的加气站较少,基础设施方面的挑战比公路运输要小。首批氢动力火车如今已经在欧洲投入客运运营。

燃料电池也可以用于其他形式的运输。在渡轮等特定类型的运输中,很可能将成为生物燃料的绿色替代品,因为靠近一些海岸线的地方可能会有排放限制。对于其他形式的运输,从绿氢中提取的氨和甲醇很可能成为电池电力的首选绿色替代品,尽管这些应用可能不会在2030年前得到大规模开发。

补充阅读

在交通运输领域,燃料电池技术已经非常先进,政策制定者和汽车制造商都开始大力推广这一技术。大家预计,未来十年,运输部门的氢使用量将迅速增长,尽管起点较低,但最终为机械企业提供一个到2050年每年创造450亿到500亿美金的市场机会。这一机会可以分为三个方面:

■ 加氢站。如果重型公路车辆对氢气的需求上升到每年4,000万吨至4,500万吨,到2050年,全球将需要超过5万个加氢站,而2019年全球仅需要450个。平均每个加气站将需要每年供应800吨至900吨的氢气,主要通过管道或其他方式向加氢站提供稳定的氢气供应,在加氢站储存足够的氢气,以及加氢站利用太阳能电池板和风力涡轮机自己生产氢气。为了确保加气时间与柴油或汽油的加油时间一样短,还必须对氢气进行预冷和压缩。

■ 燃料罐。用氢气为汽车提供动力有三种实现方式:1)在发动机中直接燃烧氢气;2)在燃料电池中转化氢气进行发电从而为电动发动机提供动力;3)将氢气转化为合成燃料或电子燃料,从而驱动内燃机。前两种方式要求能够将氢气紧凑、安全、低价地存储在车辆上。储罐必须能够承受高压,且密封性良好。对于机械企业而言,机会还包括改进和降低储罐以及用于制造储罐的碳纤维的生产成本。

■ 燃料电池。最大的挑战或许是开发和生产高质量、高效率、低价的燃料电池,为电动汽车提供动力。燃料电池由数百个独立的发电电池膜制成。这些电池膜组合成电池堆,并配有冷却系统、压缩机、泵、控制装置和气流管理系统,形成了一个完整的燃料系统。总而言之,燃料电池为机械制造商提供了许多机会。必须改进电池的效率、耐用性、寿命和成本,同时减少制造电池所用的铂等贵金属。还需要开发一种回收这些金属的方法,以便实现重复利用。

目前,燃料电池主要是手工制作的,这种方法非常耗时。工序必须以每个不到2秒的速度实现全自动化,从而使工厂在高公差和极端压力下每年生产多达100万个燃料电池。不同种类的燃料电池堆和系统将需要为特定的应用而制造。这将增加对非常复杂的装配线设备的需求,同时制造进入全燃料系统的许多部件所需设备的需求也会增加。


工业生产过程

氢气可用于各种工业应用。在化学工业中,氢气已经开始被用作生产原料,显著降低了该行业设备市场的潜力。然而,得益于绿氢或蓝氢的生产过程,产生的温室气体排放将大大减少。

如果在生产过程使用蓝氢,可以通过改造蒸汽甲烷转化炉、安装碳捕捉和压缩设备,在现场生产清洁的蓝氢。通过提供碳捕捉设备和过滤温室气体的膜技术,到2050年,机械制造商每年将会有50亿至70亿美金的商机。

钢铁工业是第二大最有前景的工业应用领域,氢气可以代替甲烷作为还原剂,直接还原铁,然后在电弧炉中用于生产钢铁。

假设世界各国都遵守《巴黎协定》,到2050年,氢在钢铁工业中的应用市场年产值将达到160亿至200亿美金,包括冷却、热量回收和压缩所需的设备,以及加湿器和气体干燥系统。然而,要实现这一潜力,必须克服若干挑战。这些措施包括提高使用氢气生产钢材的质量,动态管理现场电解槽的氢气供应,优化使用氢气的炼炉设计和还原工艺,从而提高系统的整体效率,还需要更换所有现有的传统高炉。

最后,氢气可以用于各种发电和供热应用,到2050年,这个市场的年产值将达到80亿至100亿美金。例如,氢气可以用作大型固定涡轮发动机和发电机的燃烧燃料,也可以用于生产工业用热。氢气燃料电池也可以作为分散的固定电源应用,可以发电,产生的热量作为副产品可以被捕获并用于其他工业应用。

注:

1低碳氢是指通过释放少量温室气体的方法所产生的氢气。

2计算是基于国际能源署的可持续发展情景,其中假设存在更快的创新案例。

3大家收集了经济合作与发展组织(OECD)中不包括韩国和墨西哥在内的34个成员国,以及巴西、俄罗斯、印度和中国金砖四国的排放数据。温室气体排放量以二氧化碳当量(CO2e)表示,这是一种惯用的表示所有温室气体全球变暖潜能的方法。例如,甲烷对全球变暖的潜在影响是二氧化碳的28倍。

关于编辑

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