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三、氫供應(yīng)
2030年前，在最佳地區(qū)，可再生氫氣可能與灰H2達到盈虧平衡。可再生氫氣生產(chǎn)成本的下降速度繼續(xù)快于先前預期。 與《2020年氫理事會研究》報告相比，氫競爭力之路：從成本角度來看，今年的更新結(jié)果導致對可再生氫氣生產(chǎn)的成本降低預期更加激進。
有三個因素驅(qū)動著這種加速。 首先，資本支出需求正在下降。 我們預計，到2030年，系統(tǒng)級電解槽的資本支出將顯著下降，降至200-250美元/kW左右（包括電解槽堆、電壓供應(yīng)和整流、干燥/凈化和壓縮至30巴）。 這比我們?nèi)ツ甑念A期低了30%-50%，這是因為成本路線圖加快，電解槽供應(yīng)鏈的擴張速度加快。 例如，一些電解廠制造商宣布近期產(chǎn)能擴容，總計每年超過3吉瓦。
其次，能源成本(LCOE)水平正在下降。 可再生能源成本持續(xù)下降，比先前預期低15%，原因是大規(guī)模可再生能源的使用，特別是在太陽能輻射高的地區(qū)（可再生能源拍賣繼續(xù)打破歷史低點）。 在擁有最佳資源的地區(qū)，包括西班牙、智利和中東，預計降幅最大。
第三，利用水平繼續(xù)提高。 大規(guī)模、一體化的可再生氫氣項目正在達到較高的電解槽利用率。 這種性能主要受生產(chǎn)集中化、可再生能源（如陸上風能和太陽能光伏）的更佳組合以及綜合設(shè)計優(yōu)化（例如，為優(yōu)化利用而過度調(diào)整可再生能源容量與電解槽容量）的推動。低碳氫氣生產(chǎn)勢頭強勁，成本降低更多低碳氫氣的生產(chǎn)也繼續(xù)取得勢頭。 改進包括提高自熱重整(ATR)的二氧化碳捕獲率，從去年的報告的95%提高到98%，同時減少捕獲裝置的規(guī)模和降低壓縮要求，從而降低資本支出。 在較高溫度下導電ATR還可提高甲烷 — 氫的轉(zhuǎn)化率，從而降低產(chǎn)物氣體中甲烷含量，進一步減少排放。
CO2成本的引入可以使清潔氫氣最早達到盈虧平衡，包括與灰色和低碳氫氣生產(chǎn)相關(guān)的碳排放成本，對灰色和可再生氫氣的平衡動態(tài)影響很大。 假設(shè)到2030年碳成本為每噸CO2e約50美元，到2040年為每噸CO2e約150美元，到2050年為每噸CO2e約300美元，可將可再生氫最早的盈虧平衡提前到2028年2034年。 具體年份將取決于當?shù)刭Y源的可用性。
在可再生能源最優(yōu)、但平均成本天然氣（如智利）的國家，最早可能在2028年實現(xiàn)收支平衡。 在兩條路徑（如德國）均有平均資源的地區(qū)，到2032年可能實現(xiàn)盈虧平衡。 同時，兩條途徑（如美國的某些地區(qū)）資源豐富且最優(yōu)的位置到2034年將出現(xiàn)灰色和可再生氫氣的盈虧平衡。 到2025-2030年，低碳氫氣可能會在灰氣中恢復平衡，但須遵守CO2的儲存和運輸基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模，預計每噸CO2e的成本約為35-50美元。
與2020年氫理事會研究報告氫競爭力之路：成本視角。
對于中歐的海上、風基電解等平均項目，可再生氫氣生產(chǎn)成本可能從2020年的5.4美元/千克降至2030年的2.3美元/千克，LCOE下降對成本降低的影響最大。 由于電力成本的相關(guān)性較高，與使用成本較低的可再生能源的地點相比，效率提高的影響也略高一些。
對于中東使用太陽能光伏電解等低成本可再生能源的項目，2030年基于可再生能源的氫氣生產(chǎn)成本可能降至1.5美元/千克。 在這種情況下，由于電解槽利用率低于海上風裝置，資本支出成本的下降對降低成本的影響最大。 中歐和中東的設(shè)置配置也可以從綜合設(shè)計優(yōu)化中獲益，在可再生能源容量過大導致的利用率提高和電力縮減導致的LCOE懲罰之間取得平衡。
真正的最佳位置可能包括風能和太陽能的組合，以獲得額外的收益。 澳大利亞、智利或沙特阿拉伯等國家有潛力從這種綜合資源中獲益。在快速的全球擴張中，節(jié)約電解槽資本支出可以快速降低成本。
電解槽系統(tǒng)成本可能從2020年的約1,120美元/千瓦降至2030年的約230美元/千瓦。 該計算包括堆垛和植物平衡（如變壓器和整流器、干燥/凈化至99.9%純度、壓縮至30巴）。 它不包括將電解槽運至現(xiàn)場、安裝和裝配（包括網(wǎng)格連接）、建筑成本（用于室內(nèi)安裝），以及項目開發(fā)、現(xiàn)場服務(wù)和首填等間接成本。根據(jù)項目具體情況，到2030年，這些成本可能翻一番。
由于電解槽系統(tǒng)資本支出應(yīng)會大幅下降，因此其他成本要素（包括安裝、組裝和間接成本）將隨著時間的推移在成本中占據(jù)更大的份額。 這是因為，在前幾個大規(guī)模項目部署后，對價值鏈中工程、采購和建設(shè)(EPC)部分的學習曲線影響將受到限制。
電解槽項目的總成本還包括融資成本。 與項目的加權(quán)平均資本成本(WACC)要求相符的貢獻率應(yīng)與其他資本支出要素一起分攤。 因此，融資成為降低氫氣生產(chǎn)成本的重要途徑。 例如，將WACC從7%降至5%，將使項目的總資本支出承諾減少近20%。
預期的電解槽學習曲線可能過于保守。
目前對于聚合物電解質(zhì)膜(PEM)和堿性技術(shù)的電解槽規(guī)模的學習曲線期望值在2020年至2030年之間為11%-12%。 然而，與電池、太陽能光伏或陸上風等低碳技術(shù)的早期發(fā)展相比，這些學習曲線顯得保守。 2010年至2020年，陸上風能的學習率約為20%至40%。 15%、20%或25%的潛在高學歷率，將使成本在2030年前分別減少10-20%、40-50%或60-70%。
四、氫分配和全球供應(yīng)鏈
隨著氫氣生產(chǎn)成本的下降，氫氣分銷成本變得越來越重要。 在生產(chǎn)和分銷方面，正在出現(xiàn)三種類型的價值鏈。 大型氫燃料供應(yīng)商將使用現(xiàn)場生產(chǎn)，它們靠近有利的可再生能源或天然氣和碳儲存場所。 較小的辦事員，如加油站或家庭，將需要區(qū)域分布。
在沒有最佳資源的地區(qū)，大小供應(yīng)商都可能依賴氫進口。國際分配的出現(xiàn)是由可再生能源稟賦、天然氣和碳儲存場所的供應(yīng)、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、擴建的便利性和時間要求、土地使用限制以及轉(zhuǎn)讓當?shù)乜稍偕茉粗苯与姎饣芰Φ仍斐傻臍錃馍a(chǎn)成本差異所驅(qū)動。 許多預期中的氫需求中心，包括歐洲、韓國、日本和中國部分地區(qū)，都經(jīng)歷了這種限制。
在某些情況下，氫氣供應(yīng)商將通過進口氫氣而非本地生產(chǎn)氫氣，更有效地滿足這一需求。對于較長的距離，新的和經(jīng)過改造的海底輸送管道在規(guī)模運輸方面比航運更便宜，但并不適用于所有地區(qū)。 如果管道不可用，則運輸選擇涉及一系列不同的運輸工具。 其中，LH2、LOHC和NH3三個模型的研究最多。 由于所有三種載體都屬于可比成本范圍，因此最佳選擇取決于目標最終用途和氫凈化和壓力水平方面的要求，詳見下文。
氫氣管道
氫氣管道比輸電線便宜
氫氣管道可以有效的遠距離輸送可再生氫氣。 它們能以八分之一的成本運輸10倍的能源，這是與輸電線路相關(guān)的成本。 此外，氫管道的壽命比電力傳輸線更長，并提供雙功能性，作為綠色能源的傳輸和存儲介質(zhì)。
管道使國際和區(qū)域/最后一英里運輸成為可能，以低成本將H2運至5000公里……
盡管分銷網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域和最后一英里運輸，但陸上和海底輸送管道可以將氫氣輸送到500至5000公里或更遠的距離。 與替代運輸方式相比，管道可以實現(xiàn)極低成本的H2運輸，特別是在可能對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進行改造的情況下。 例如，改造管道可節(jié)省綠地管道開發(fā)成本的60-90%。
改造的選擇取決于現(xiàn)有管道（材料、年齡、位置）、運行條件和可用性，這些可能因長期天然氣傳輸協(xié)議而受到限制。
雖然氫管道比許多替代品提供更便宜的運輸，但氫網(wǎng)絡(luò)的實際成本卻因種類、網(wǎng)絡(luò)長度以及改造后的管道本身的狀況而有所不同。 包括壓縮在內(nèi)的陸上傳輸網(wǎng)絡(luò)的典型資本支出成本將為每公里0.6至120萬美元，新建的H2管道為每公里2.2至450萬美元，從而造成H2運輸成本為0.13至0.23美元/千克/1000公里。
氫氣管道比較
在海上/海底輸送管道方面，考慮到海底管道建設(shè)和運營的新項目和改造的具體挑戰(zhàn)和條件，成本是1.3至2.3倍。 由于輸送管道直徑較小，壓力較低，因此輸送管道比輸送管道便宜得多（大約占輸送管道成本的15%）。 然而，直到2040年，當住宅和商業(yè)建筑對氫氣的需求超過天然氣電網(wǎng)中高達20%的氫氣混合供應(yīng)的門檻時，配電管道才可能成為現(xiàn)實。
改造與新建管道的成本取決于各種因素，包括管徑和壓力、所用材料的質(zhì)量、管道的整體狀況、裂縫的存在、建設(shè)的社會成本等。 這些因素中有許多是因地而異的，因此使一些地區(qū)和國家在改造天然氣電網(wǎng)方面具有優(yōu)勢。 例如，在荷蘭，平行的天然氣電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施允許企業(yè)在逐步淘汰天然氣的同時對氫的使用進行改造。
改造的成本可以根據(jù)管道升級和計量站、閥門和壓縮機站等連接設(shè)備的存在而改變。
除管道外，三種碳中性H2載體在長距離輸氫方面具有競爭力。
由于氣態(tài)氫不適合長途運輸，供應(yīng)商可以液化氫氣，將其轉(zhuǎn)化為氨，或?qū)⑵渑c液態(tài)有機氫載體結(jié)合。 如果價值鏈的每一步都使用綠色能源（燃料和/或電力），而氫氣是由低碳源產(chǎn)生的，那么這三種載體都可以視為低碳。
最佳載體取決于預期的最終用途、純度要求和長期存儲的需要。
載體的長期最優(yōu)選擇取決于一系列因素。 如果目的地需要液體或高純氫，則LH2最有效；如果氫在港口著陸后需要與卡車一起分配，則LH2具有優(yōu)勢。 例如，汽車或卡車的氫加氣站通常是這樣。 與NH↓[3]和LOHC相比，LH↓[2]不需要脫氫或裂解轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫，既節(jié)約了成本，又避免了純度載體殘留帶來的挑戰(zhàn)。 LH2的主要缺點是體積能量密度比氨低，這限制了每船的氫量，并限制了每天儲存時的蒸發(fā)損失。 盡管液化是一項經(jīng)過驗證的商業(yè)化技術(shù)，但液氫運輸和大規(guī)模儲存 — 這要求供應(yīng)商管理沸騰損失 — 仍處于部署的初期階段。
對于需要氨作為原料的終端用途，氨是直接的答案，因此可以避免將NH3裂解成氫氣（例如用于肥料、運輸燃料、共燃或氨燃燒發(fā)電）。 然而，供應(yīng)商也在考慮對其他氫使用案例采用這種方法。 與液氫相比，氨的體積能量密度更高，因此供應(yīng)商可以使用市售的氨船，以比LH2更高的成本有效地運輸氨。 然而，使用氨作為氫載體的兩個缺點是將氨重新裂解為氫的成本很高，以及可實現(xiàn)的純度水平。 此外，由于氨是有毒的，它可能面臨居住區(qū)的處理和儲存限制，以及有限的土地分配選擇。
液態(tài)有機氫載體可以利用現(xiàn)有的柴油基礎(chǔ)設(shè)施，長期安全儲存氫氣，不損失。 9 LOHC在使用BT等不易燃、無毒的載體材料時，可以使用現(xiàn)有的工業(yè)級柴油基礎(chǔ)設(shè)施，無需任何額外的安全法規(guī)。 LOHC的主要缺點是脫氫過程的新穎性，它需要大量熱量從載體中釋放氫氣，并且與LH2和NH3相比，氫的承載能力有限。 使用比其它運營商所需的更便宜的儲罐的能力，在一定程度上超過了這些問題。
雖然BT包括甲苯，但鑒于BT噸甲苯含量有限，它不屬于毒性規(guī)定。
第15號展示了從沙特阿拉伯向西歐運送可再生氫的運輸工具的比較，這些運輸工具假設(shè)要進行大規(guī)模的氫生產(chǎn)和運輸基礎(chǔ)設(shè)施。 如果最終應(yīng)用需要氨，將氫作為氨運輸可能導致氫的降落成本低至每千克3美元。 如果最終應(yīng)用需要氫氣，則著陸成本在3到5之間。 因此，本示例中的承運人的最佳選擇最終將取決于目標最終用途、由此導致的進一步陸上運輸?shù)男枰约邦A計的儲存時間。
氫全球運輸成本在二 — 三美元/千克以下。
到2030年，假設(shè)按規(guī)模生產(chǎn)和運輸基礎(chǔ)設(shè)施，氫能可以從澳大利亞、智利或中東等地運至預計的需求中心，其氫能成本為2-3美元/千克。 這一成本，加上極低的氫氣生產(chǎn)成本，使許多關(guān)鍵部門（如運輸、工業(yè)、原料等）在使用時的需求解鎖。
五、結(jié)束應(yīng)用程序
氫端應(yīng)用的成本競爭力
Hhon Insights的報告分析了2030年各部門氫應(yīng)用與常規(guī)和低碳替代品相比的競爭力。 所有區(qū)域氫生產(chǎn)和分銷成本的降低將提高所有終端應(yīng)用的成本競爭力，這反映在成本競爭力矩陣中右傾向與2020年氫理事會研究"氫競爭力之路：成本視角。
除了氫能作為總體成本驅(qū)動因素的作用外，Hhon Insights報告還列出了另外三個成本驅(qū)動因素，這些因素對個別終端應(yīng)用具有影響。 包括通過DRI和廢鋼相結(jié)合，優(yōu)化綠色鋼的路線，幫助綠色鋼實現(xiàn)成本競爭力；電池技術(shù)的改進，這些技術(shù)在運輸部門用低碳替代品影響氫氣的盈虧平衡；以及氫或氫基燃料使用的新應(yīng)用。
更新的成本展望顯示，從總擁有成本（包括氫氣生產(chǎn)、分銷和零售成本）的角度看，22種氫應(yīng)用可能是最具競爭力的低碳解決方案。 除了以前具有競爭力的應(yīng)用，包括商用車輛，火車，遠程運輸應(yīng)用和鍋爐，今天的改善前景還增加了化肥，精煉，鋼鐵，航空和航運應(yīng)用。
雖然此分析側(cè)重于最終用途應(yīng)用程序的成本競爭力，但其他因素也推動了公司和客戶的購買決策。 其中一些包括政府目標、能源安全、降低未來能源成本的不確定性，以及政府的溢價無碳解決方案的客戶，以及投資者對符合ESG標準的商業(yè)模式的偏好。 例如，航空、游輪、集裝箱航運和鋼鐵業(yè)正在經(jīng)歷客戶和政府在COVID-19之后更環(huán)保地重啟的努力。
氫氣生產(chǎn)成本盈虧平衡
按1.6-2.3美元/千克的氫氣生產(chǎn)成本計算，大部分公路運輸應(yīng)用和工業(yè)用氫原料是"有錢的"（見圖18）。 由于2030年藍色和綠色氫成本目標之間存在氫成本，且碳排放成本為零，氫在較重的公路運輸應(yīng)用（不包括乘用車）中只具有競爭力。 碳以每噸100美元/噸二氧化碳的成本可能推動鋼鐵、氨和精煉等工業(yè)原料達到盈虧平衡。 其他運輸形式，如航運和航空，只會以更高的碳成本（> 70美元/tCo2e）實現(xiàn)盈虧平衡，但需要氫基燃料作為實現(xiàn)脫碳目標的唯一零碳燃料可能性。
盡管建筑物和電力的最終應(yīng)用需要更高的碳（約200美元/噸二氧化碳）價格才能提高成本競爭力，但我們相信它們將會呈現(xiàn)強勁勢頭。 例如，在英國，多個地標性項目正在將氫氣混合到天然氣電網(wǎng)中，用于住宅供暖。 他們還使用氫氣作為備份電源解決方案，尤其是用于數(shù)據(jù)中心等大功率應(yīng)用。 原因在于，盡管氫可能無法戰(zhàn)勝常規(guī)解決方案，但氫可能是最經(jīng)濟劃算的低碳解決方案。
在越野環(huán)境中所經(jīng)歷的條件使得氫燃燒作為燃料電池的替代燃料在越野應(yīng)用中具有吸引力。
TCO使用案例視角：要求長途運輸?shù)陌葱柚剌d運輸
我們設(shè)計了一款長途重型8級貨車，用于靈活、高要求的長途運輸，車齡為10年，年里程為15萬公里。 我們的按需卡車使用箱需要800公里的高燃油范圍。 2030年，我們假設(shè)分配器的氫價格為約4美元/千克，基礎(chǔ)成本為約50美元/噸的CO2e。 在模型中，將重型載貨汽車(HDT)燃料電池電動車與電池式載貨汽車(CEV)和柴油式載貨汽車(DC)進行了對比。
我們預計，在2030年前，按需HDT FCEV將成為總體擁有成本方面最便宜的選項。 在2025年左右，電池電動車(BEV)和內(nèi)燃機(ICE)HDT（2028年）實現(xiàn)收支平衡。 總的來說，燃料成本的降低（我們預計H2成本在2020年到2030年間將下降約60%）將推動約80%的TCO變化。 其余20%來自設(shè)備成本的下降（2020年至2030年，動力總成成本預計將下降約70%）。 在短期內(nèi)，燃料成本占TCO的一半左右，而燃料電池動力總成成本約占12%，其中燃料電池系統(tǒng)成本為45%，油箱成本為40%，其他部件為15%。 在中期，燃料成本將占30%，動力系成本占總成本的7%。
在特定情況下 — 如存在補貼或其他支持機制 — 盈虧平衡點可以向前移動。 瑞士的收費豁免或加州的低碳燃料標準(LCFS)信用只是此類政策的例子。
TCO使用案例視角：礦用露天自卸車
TCO分析模擬了智利礦業(yè)運營中使用的300t露天自卸車，每年運行6,200小時，壽命為12年。 高功率要求（約2,000千瓦）使礦用卡車成為氫內(nèi)燃機的有趣應(yīng)用，因為這種高功率要求的燃料電池卡車還沒有經(jīng)過檢驗。
2030年，我們在分配器處假定氫價為1.4美元/千克（現(xiàn)場產(chǎn)氫），而CO2e基礎(chǔ)成本為50美元/噸。 我們沒有為電池電動礦用卡車建模，因為其可行性頗具挑戰(zhàn)性，尤其是在充電方面。 由于正常運行時間在采礦操作中至關(guān)重要，因此需要高速充電才能滿足所需的電池容量。 此外，由于涉及的電池非常大，許多礦井已關(guān)閉，更換電池變得困難和昂貴。
H2 ICE車輛和FCEV在2030年前都應(yīng)與常規(guī)柴油卡車保持平衡。 我們預計H2 ICE卡車在FCEV之前會盈虧平衡，因為與傳統(tǒng)柴油機相比，它們只需要很小的調(diào)整（預期資本支出最多比柴油機資本支出高15—20%）。 此外，本地產(chǎn)氫應(yīng)使氫成本相對較低，抵消燃料電池和內(nèi)燃機之間的效率差距，即FC為5055%,ICE為40-45%，以罐到輪為基礎(chǔ)。
對于FCEV卡車，約20%的TCO變化是由于燃料電池動力總成成本的降低，另外60%是由于氫氣生產(chǎn)成本的降低。 H2 ICE卡車受益于氫成本的降低。 這款車90%以上的TCO變化是燃料成本下降（到2030年為76%）的結(jié)果，因為動力總成技術(shù)已經(jīng)成熟（例如，在2030年，它只對預期的TCO下降貢獻了4%）。
TCO使用案例視角：家庭用SUV
我們還為家庭使用的SUV設(shè)計了模型，所需燃料范圍為600公里，壽命為15年，年里程為2萬公里。 我們比較了燃料電池SUV，電池電動SUV和柴油動力SUV。
我們預計，F(xiàn)CEV在2028年前將在總體擁有成本方面與北車相抗衡，而與柴油動力的SUV相比，競爭力要長一到兩年。 2030年，我們假設(shè)分配器的氫價格為約4美元/千克，基礎(chǔ)成本為50美元/噸CO2e。
降低FCEV TCO的主要驅(qū)動因素是設(shè)備成本（燃料電池系統(tǒng)和氫氣罐支出）和降低泵中氫的成本。 到2030年，氫燃料成本占總擁有成本的40%，而近60%是動力總成成本下降的結(jié)果。
氨
迄今為止，全球工業(yè)生產(chǎn)了1.8億噸氨，其中80%用作肥料原料，其余20%用于工業(yè)化學品生產(chǎn)。 氨占全球氫氣產(chǎn)量的45%左右，成為當今最大的氫消費國。 灰色氨產(chǎn)量占全球排放量的2%左右，大約0.5億噸CO2因其產(chǎn)量而排放。
隨著跨部門脫碳的推進力度不斷加大，氨氣將出現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域。 氨是貨運行業(yè)中有效的可持續(xù)航運燃料（如可持續(xù)航運燃料一章中更詳細論述），它還可以作為氫（特別是新地區(qū)出口項目）的運輸載體，并在現(xiàn)有火力發(fā)電廠中用于共同燃燒時實現(xiàn)電力生產(chǎn)脫碳。
脫碳替代品
氨是通過Haber-Bosch法生產(chǎn)的，該法將氫和氮結(jié)合在一起。 作為一個高度原料密集的過程，氨的碳排放中很大一部分來自原料的碳強度(30-40%的搖籃到工廠的溫室氣體(GHG)每噸氨排放量)。 因此，除了將綠色電力作為轉(zhuǎn)化過程的投入之外，氨生產(chǎn)脫碳的唯一選擇是替代灰色天然氣中的氫，含有可再生或低碳氫。
TCO透視
鑒于原料強度在總TCO(65-80%)中，氨生產(chǎn)對清潔氫的生產(chǎn)成本非常敏感。 由于產(chǎn)氫成本是區(qū)域性的，主要由可再生能源(RES)和碳捕獲和儲存(CCS)成本驅(qū)動，因此清潔氨與天然氣中灰氨的競爭力因地點而異。
如今，在北歐生產(chǎn)清潔氨的成本至少為650-800美元/t，而且要達到盈虧平衡，碳價必須達到140-220美元/t的二氧化碳。 如圖22所示，到2030年，清潔氨的競爭力將發(fā)生巨大變化。 在歐洲，到2030年清潔氨所需氫氣價格將達到與常規(guī)氨氣持平的1.4美元/千克左右。 在歐洲，最佳氫氣輸送成本約為1.7美元/千克（例如，西班牙的基于光伏的電解），因此綠色氨需要低于50美元/噸CO2e的碳價才能實現(xiàn)收支平衡。 鑒于北歐地區(qū)的平均可再生能源，盈虧平衡需要大約100美元/噸二氧化碳的碳價。
在北美和中東等原料成本較低的地區(qū)，盈虧平衡成本將更低。 在可再生能源和CCS有限的地區(qū)，從最佳生產(chǎn)地點進口清潔氨可能是替代國內(nèi)生產(chǎn)的氨的替代品。
氨生產(chǎn)成本
2030年歐洲USD/噸NH3
天然氣價格6.9美元/百萬英熱單位(MMBtu),2030年氫氣價格為1.7/2.1/1.8，采用CCS技術(shù)實現(xiàn)最佳可再生能源（西班牙太陽能）/平均可再生能源（德國海上風能）/SMR
鋼鐵
鋼鐵業(yè)是全球三大二氧化碳排放國之一。 根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會的數(shù)據(jù)，2018年每生產(chǎn)一噸鋼，平均排放1.85噸二氧化碳，相當于全球排放量的8%。 低碳鋼產(chǎn)品需求的不斷增長、客戶需求的不斷變化以及碳排放法規(guī)的收緊，只是鋼鐵業(yè)首要任務(wù)脫碳的幾個原因。 因此，該行業(yè)需要大幅減少排放，以保持經(jīng)濟競爭力（和運行中）。
脫碳替代品
鋼鐵生產(chǎn)脫碳的兩條主要途徑是：一種集成高爐(BF)和基礎(chǔ)氧爐(BOF)的組合，或電弧爐(EAF)。 BF-BOF法以煤為還原劑，由鐵礦石生產(chǎn)鋼，而EAF法的主要輸入是直接還原鐵(DRI)或廢鋼。 雖然這兩條生產(chǎn)路線都導致碳排放，但傳統(tǒng)的BF-BOF路線由于對煤的依賴而碳密集度是傳統(tǒng)路線的14倍。
盡管有減少BF/BOF路線排放的策略，包括減少生產(chǎn)損失、提高效率和CCU，但這些并沒有完全消除排放，也無法證明其成本效益。 相比之下，DRI-EAF路線完全脫碳。 這要求鋼鐵制造商使用可再生電力為電爐供電，然后增加清潔能源需要少量天然氣，導致每噸粗鋼約4千克二氧化碳的排放 — 為了完全脫碳，這些排放需要減排。
氫或生物質(zhì)作為還原劑生產(chǎn)DRI。由于生物質(zhì)資源的可獲得性可能會受到限制，因此我們將重點放在利用氫的脫碳上。
廢料在電爐中的使用是生產(chǎn)成本總額的重要推動力。 廢料的供應(yīng)和質(zhì)量在很大程度上取決于該地區(qū)。 廢料占比增加通常意味著成本降低，因為DRI通常更貴。 廢鋼的質(zhì)量通常也會降低，這意味著在生產(chǎn)鋼材的質(zhì)量與從更高比例的廢金屬中優(yōu)化成本之間做出權(quán)衡。
TCO透視
在廢鋼40%、DRI60%的優(yōu)化設(shè)置中，考慮到碳的實際預期成本，到2030年，清潔鋼將與通過BF-BOF生產(chǎn)的鋼成本相競爭。 比如，歐洲清潔鋼產(chǎn)量每噸粗鋼成本可能低至約515美元。 這超過了BF-BOF無碳成本的粗鋼450美元/噸的估計數(shù)，因為 — 盡管資本支出成本降低約30%--H2原料成本和電力需求的增加使其運營成本明顯提高。 這一成本差額可被碳成本約45美元/噸CO2e所抵消，使BF-BOF生產(chǎn)的鋼與H2-DRI和廢鋼達到相同水平。 使用純DRI設(shè)置會因為更高的資本支出、更高的電力需求以及更高的DRI成本而顯著增加DRI-EAF路由的成本。 在可再生能源價格較低和含氫成本較高的地區(qū)，清潔鋼的生產(chǎn)成本甚至可能低于上述歐洲H2-DRI+廢鋼的515美元/噸粗鋼。
例如，對于中東一個優(yōu)化的工廠，以約25美元/兆瓦時的可再生能源電和1.4美元/千克的氫氣進入，清潔鋼的成本可能低至約445美元/噸。 汽車原設(shè)備制造商等客戶對以少量溢價采購綠色鋼材的興趣，為清潔鋼材創(chuàng)造了額外的動力，同時也帶來了有利的未來成本前景。
可持續(xù)航運燃料
迄今為止，國際商業(yè)航運占CO2e的0.9 Gt，相當于全球溫室氣體排放量的2.6%。 假設(shè)一切照舊，到2050年，商業(yè)航運排放最多可增加1.7 Gt的CO2e。
為應(yīng)對氣候變化，國際海事組織(IMO)不僅力求到2050年將航運業(yè)的溫室氣體排放量與2008年的基準相比至少減少50%（至0.5 Gt的二氧化碳），還希望在本世紀盡早使航運業(yè)徹底脫碳。
技術(shù)進步和目標能效措施降低的能源需求可節(jié)約0.5~0.9 Gt的CO2e。 但是，需要替代低碳運輸燃料來彌補工業(yè)所剩0.3至0.7Gt的CO2e缺口，以便達到IMO 2050年CO2e0.5Gt的目標。
脫碳替代品
要向低碳或零碳運輸轉(zhuǎn)變，必須同時進行兩個創(chuàng)新：生產(chǎn)脫碳燃料和開發(fā)新的推進系統(tǒng)，使這些低碳燃料得以高效使用。
推進系統(tǒng)展開的階段
推進系統(tǒng)的發(fā)展可能會以重疊的階段進行：在過渡期，使用常規(guī)重燃料油(HFO)和替代燃料的雙燃料發(fā)動機將允許逐步轉(zhuǎn)向脫碳燃料，同時盡量減少對現(xiàn)有推進系統(tǒng)的改造影響。
使用低碳或零碳燃料的ICE推進系統(tǒng)代表了邁向脫碳的下一步，因為與未來幾年替代推進系統(tǒng)相比，ICE推進系統(tǒng) — 取決于燃料類型 — 以相對較低的成本實現(xiàn)了巨大的減排甚至零排放。
在最后階段，替代推進系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用，例如電動或燃料電池系統(tǒng)，這些系統(tǒng)保證氫基燃料的高燃料效率。
評估不同的燃料選擇
行業(yè)參與者正在討論各種燃料替代物12，以取代傳統(tǒng)液體化石燃料，后者在原料供應(yīng)和技術(shù)成熟度方面各不相同。 此外，根據(jù)監(jiān)管引起的約束、路線和駕駛模式，不同船型的替代燃料的適用性也會有所不同。
液化天然氣產(chǎn)生的二氧化碳排放比重低30%。然而，生產(chǎn)過程和發(fā)動機中甲烷的滑動是一個真正的危險，因為甲烷作為溫室氣體的效力比二氧化碳高25%，因此對氣候有害。 因此，LNG作為低碳燃料的適用性越來越受到質(zhì)疑。 然而，從長遠看，生物甲烷和合成甲烷可能是切實可行的未來選擇。
液化天然氣、生物燃料（如水合植物油）、合成甲烷（不在本報告范圍內(nèi)）、液態(tài)清潔氫、綠色氨和綠色甲醇。
液體生物燃料可以作為過渡燃料，因為它可以與常規(guī)的ICE推進系統(tǒng)一起使用，而不需要大量的改造投資。 然而，原料供應(yīng)受到限制，其他脫碳行業(yè)需求增加，可能導致價格上漲和供應(yīng)受限。 此外，根據(jù)原料的不同，生物燃料在減少二氧化碳排放潛力方面存在差異，與重油燃料相比，在生命周期中生物燃料的減少潛力在70%至90%之間。
液體清潔氫可以以碳中性方式生產(chǎn)，并且作為燃料，由于其較高的能量密度，其優(yōu)選于氣態(tài)清潔氫。 LH2大大減少了氣候影響，因為它消除了CO2和所有非CO2排放(例如，氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx))。 因此，LH2對于那些受到嚴格排放法規(guī)的船型是可能的選擇，例如通過自然保護區(qū)航行的小型客船。 然而，與其它高密度運輸燃料相比，儲存所需的大量量使LH2成為遠程運輸?shù)母豢扇〉倪x擇。
氨是氮和氫的化合物，具有高能量密度（比LH2高50%）。 企業(yè)可以通過電解的可再生氫氣中和地生產(chǎn)碳。 NH3易于儲存，可利用現(xiàn)有的氨供應(yīng)鏈和基礎(chǔ)設(shè)施。 由于氨的毒性，某些船型（如載客船只）可能會面臨氨的挑戰(zhàn)，原因是安全方面的顧慮，以及未來可能對其船上和靠近高人口地區(qū)的加油地點的儲存進行監(jiān)管。 為了最大限度地發(fā)揮氨作為可持續(xù)運輸燃料的影響，必須制定嚴格控制NOx和其他非CO2排放的措施。
甲醇是由CO2和氫氣混合而成。 供應(yīng)商可以通過可再生氫氣和DAC產(chǎn)生的CO2、生物CO2或減少的碳排放來中和地生產(chǎn)CO，如果工業(yè)排放的CO2用作原料的話。 無論生產(chǎn)路線如何，用甲醇為推進系統(tǒng)加燃料都會導致CO2排放，部分抵消了生產(chǎn)所節(jié)省的CO2。 與氨氣一樣，甲醇受益于現(xiàn)有的全球基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)有船舶有限的轉(zhuǎn)化成本。
TCO視角
最具成本效益的脫碳路徑不同于商業(yè)航運的每個子段，因為每個子段都具有不同的運營特性和經(jīng)濟性。 為了解釋這些差異并研究氫基燃料可能發(fā)揮的作用，我們選擇了集裝箱船和游輪進行建模。
這兩個選定的子部門在全球航運業(yè)都扮演著關(guān)鍵角色：集裝箱船在全球船隊排放中所占份額最大，為23%，在COVID-19大流行病爆發(fā)前，郵輪是增長最快的部分。 此外，這兩個領(lǐng)域都可能是脫碳戰(zhàn)略的早期實施者，因為它們與最終消費者的距離較近，后者表現(xiàn)出更高的支付意愿并面臨外部監(jiān)管壓力。
集裝箱船
從長期看，綠色氨將是集裝箱船最便宜的零碳燃料，如第24號圖所示，需要85美元/t的二氧化碳才能用六氟甲烷實現(xiàn)盈虧平衡。 雙燃料ICE發(fā)動機將在未來10到15年的過渡期加速脫碳，而替代燃料和推進系統(tǒng)將達到規(guī)模。 長期而言，氨燃料電池應(yīng)該成為首選的推進系統(tǒng)，因為與內(nèi)燃機相比，氨燃料電池的燃料效率更高，而且預期隨著時間推移，資本支出將顯著減少。
集裝箱船運商應(yīng)該能夠?qū)⑴c替代燃料相關(guān)的額外成本完全分配給最終客戶，因為成本增加只占裝運產(chǎn)品最終價格的一小部分。 例如，一條零售價60美元、從東南亞運往美國的牛仔褲，如果用氨氣ICE引擎驅(qū)動的船運，比用重油運行的船運貴不到1%（0.13美元）。
游輪
與集裝箱船相比，游輪表現(xiàn)出不同的航線輪廓，行程長度更短，停靠次數(shù)更多，安全法規(guī)和風險考慮更為嚴格，所有這些都可能排除氨因其毒性而使用。 鑒于這種可能性，碳中性甲醇和液氫成為最可行的燃料選擇，如圖25所示，需要約300美元/t的二氧化碳才能與重油氣實現(xiàn)平衡。
與集裝箱船一樣，雙燃料ICE發(fā)動機為游輪提供過渡技術(shù)，直到甲醇ICE和LH2燃料電池全面推出。 短期而言，與完全脫碳的驅(qū)動器類型相比，此混合解決方案可提供高達25%的成本降低。
生物柴油和液化天然氣 — 兩者都被討論為過渡性燃料 — 減少但沒有消除溫室氣體排放。 LNG還存在甲烷滑動的額外缺點，甲烷滑動對氣候的負面影響比CO2更強。 因此，潛在的零排放法規(guī)很可能排除某些船舶使用任何一種燃料的可能。
與集裝箱船相比，郵輪運營商還可能將由此帶來的轉(zhuǎn)向綠色甲醇或LH2的成本增加轉(zhuǎn)嫁給終端消費者，因為某些郵輪乘客可能既有支付脫碳的手段，也有意愿。 例如，一次10天的波羅的海航游，一般1400美元，如果所有增加的成本全部分配給客戶，那么甲醇的平均票價將增加660美元左右。
由于來自其他部門的高需求（如航運燃料章所述），原料可能短缺。
合成噴氣燃料（又稱合成燃料）是另一種噴氣燃料替代品，供應(yīng)商可以通過可再生氫氣和二氧化碳的反應(yīng)以低碳方式生產(chǎn)。 與純氫溶液不同，合成燃料可以使用現(xiàn)有的噴氣燃料基礎(chǔ)設(shè)施和推進系統(tǒng)。 CO2脫碳潛力取決于CO2原料來源 — 直接空氣捕獲與工業(yè)二氧化碳排放形成對比，能創(chuàng)造零碳燃料。 盡管合成燃料不能消除二氧化碳以外的排放，從而在比純氫更小的程度上降低總體氣候影響，但從成本角度看，它們是實現(xiàn)遠程航班脫碳的唯一可行選擇之一。
液體清潔氫是該集團最新興的技術(shù)，因為它需要新的推進系統(tǒng)（如氫燃燒渦輪機或燃料電池）以及儲存和儲存管理系統(tǒng)。 氫是唯一能減少飛行所有二氧化碳排放的替代燃料。 此外，LH2可以減少所有非CO2排放中的相當大比例，如NOx和SOx，從而使氣候影響總體減少50-90%，超過所有其他替代燃料的減排潛力。 與其他可持續(xù)航空燃料相反，LH2要求對現(xiàn)有燃料基礎(chǔ)設(shè)施進行徹底改造。
TCO視角
在航空領(lǐng)域，最佳低碳燃料的選擇取決于飛機的尺寸和覆蓋距離。 為了給整個航空業(yè)提供一個視角，我們建立了5個不同的使用案例：一架通勤噴氣式飛機（19架PAX,500公里）、一架支線噴氣式飛機（80架PAX,1,000公里）、一架短程飛機（165架PAX,2,000公里）、一架中程飛機（250架PAX,7,000公里）和一架遠程飛機（3220公里）5百富，超過10,000公里)。 模型化的成本代表所有直接和間接成本，包括飛機的資本支出增加以及基礎(chǔ)設(shè)施需求。
總體而言，研究結(jié)果表明，規(guī)模化氫能經(jīng)濟高效地使飛機脫碳至中短程，占全球航空CO2e排放量的70%。 如圖26所強調(diào)的，對于這一范圍的四個使用案例，液氫是最具競爭力的減排選擇，到2040年，其成本為90-150美元/噸的CO2e。 在每座位公里(CASK)上，它的成本也比synfuel高出15-85%。
在1萬公里以外，對儲存空間的要求使氫在成本上不可行。 因此，對于占全球CO2e排放量30%的長程航班而言，合成燃料是成本競爭性最強的脫碳選擇，成本為200美元/噸的CO2e。
請注意，與報告其余部分不同，我們從2040年的角度來看，因為氫基飛機較早投入使用和商業(yè)化的假設(shè)仍然不太可能。
2040年不同用途航空燃料的總擁有費
氫推進被認為是基于燃料電池的往返航班和區(qū)域航班，以及短/中/遠程飛機的氫渦輪。 采用反向水煤氣變換反應(yīng)和直接空氣捕獲(DAC)生產(chǎn)合成燃料。
歐洲生產(chǎn)
大短距離段。 在短途飛行中，氫是比合燃料更有競爭力的脫碳替代品，因為氫在成本和氣候影響方面都優(yōu)于合燃料。 隨著時間推移，氫相對于合成燃料的成本優(yōu)勢將隨著生產(chǎn)碳中性合成燃料所需的直接空氣捕獲技術(shù)成本下降而降低。
從煤油轉(zhuǎn)向氫氣意味著約100美元/t的CO2e成本。 如果這筆額外費用完全分配給最終消費者，那么在2030年，從法蘭克福飛往倫敦的單程航班的機票價格可能會提高3035%，或25美元。
放大遠程段。 對于遠程飛行段，合成燃料是最具成本競爭力的可行脫碳選擇，因為所需的儲罐尺寸將排除1萬公里以上距離的氫氣。 盡管在不久的將來合成燃料仍然很昂貴，但在氫和二氧化碳的原料價格不斷下降的推動下，合成燃料的成本應(yīng)該會大幅下降（2020年到2040年間將降低50%以上）。 然而，要想與煤油實現(xiàn)平衡，仍需要200美元至250美元/t的CO2e的高碳成本。 如圖28所示，在2030年二氧化碳成本為50美元/噸、到2040年碳成本大幅加速至200美元/噸CO2的情況下，在2038年至2043年間，長途飛行中，合成燃料可能與常規(guī)航空燃料發(fā)生沖突。
對最終客戶來說，如果航空公司將成本完全分配給最終客戶，從倫敦到新加坡的長途航班（平均票價為600美元）的票價到2040年可能會上漲至多300美元。
六、實施：把它們集合起來，以捕捉氫氣的希望
世界各國政府對深度脫碳的堅定承諾，已在氫能行業(yè)掀起了前所未有的熱潮。 金融支持、監(jiān)管、清晰的氫戰(zhàn)略和目標，加上政府承諾的700億美元公共資金支持氫氣轉(zhuǎn)型，已導致價值鏈擴大、成本下降，投資攀上新高。
氫氣故事的下一章要求利益相關(guān)方將其雄心勃勃的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)化為具體措施。 政府、企業(yè)和投資者應(yīng)該制定部門層面的戰(zhàn)略（如鋼鐵脫碳），制定長期目標、短期里程碑和必要的監(jiān)管框架。 它們必須發(fā)展設(shè)備價值鏈、擴大制造、吸引人才、構(gòu)建能力，并加快產(chǎn)品和解決方案的開發(fā)。 這種規(guī)模的擴大需要資本，投資者在開發(fā)和推動大規(guī)模部署方面可以發(fā)揮超大作用。 所有這些都需要建立新的伙伴關(guān)系和生態(tài)系統(tǒng)，企業(yè)和政府都扮演重要角色。
要想啟動這些計劃，戰(zhàn)略應(yīng)該著眼于關(guān)鍵的解鎖，比如降低氫氣生產(chǎn)和分銷的成本。 我們估計，要將成本降至灰氫的盈虧平衡水平，需要大約65GW的電解。 這相當于約500億美金的資金缺口。
支持部署的一個地方是發(fā)展以大規(guī)模氫源為核心的集群。 這將推動設(shè)備價值鏈的規(guī)模化，降低氫氣生產(chǎn)成本。 通過將多個供應(yīng)商合并，參與者可以共享投資和風險并開始建立積極強化的合作循環(huán)。 在這些聚集區(qū)附近，其他規(guī)模較小的氫氣供應(yīng)商則可以在成本較低的氫氣供應(yīng)上回回運轉(zhuǎn)，從而使它們的運營更快地實現(xiàn)盈虧平衡。
基于這些核心特征，我們看到幾種聚類類型正在獲得廣泛的吸引力，包括：
— 燃料加油、港口物流、運輸港區(qū)
— 支持精煉、發(fā)電和化肥或鋼鐵生產(chǎn)的工業(yè)中心
— 資源富裕國家的出口中心
要使集群取得成功，它們應(yīng)包括整個價值鏈上的參與者以優(yōu)化成本、利用多個收入流并最大限度地提高共享資產(chǎn)的利用率。 它們應(yīng)該向更多參與者開放，基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)允許盡可能方便的接入。
未來幾年將對氫生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展、實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)脫碳目標具有決定性作用。 正如本報告所顯示的，過去一年的進展令人印象深刻，勢頭空前。 但未來還有很多事情要做。 氫能理事會的公司致力于將氫能作為解決氣候挑戰(zhàn)的關(guān)鍵部分，而氫能洞察將提供關(guān)于所取得的進展和未來挑戰(zhàn)的定期更新、客觀和全球視角。
