欧洲绿色氢气生产的区域评价

欧盟委员会(EC) 2019年提出的《欧洲绿色协议》概述了到2050年实现温室气体(GHG)净零排放的主要政策举措。清洁氢已被确定为到2050年实现碳中和的优先领域。

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两个关键方面是氢的脱碳和利用氢作为工业和运输的灵活能源载体，以减少温室气体和颗粒排放。第一阶段(从现在到2030年)的目标是在2020年到2024年期间安装至少6吉瓦由可再生能源提供动力的电解槽。

第二阶段(从2030年到2050年)将看到对可再生氢的需求增加。绿色协议的实施预计将减少石油产品需求和相关的氢消耗。然而，工业的深度脱碳可能会抵消这种下降。

目前，全世界每年生产近1.2亿吨氢，其中三分之二是纯氢，三分之一与其他气体混合。大约95%的氢是由天然气和煤产生的，大约5%是氯气生产的副产品。目前，可再生能源的氢气产量并不可观。

据估计，可再生能源发电产生的氢的全球经济潜力从19千兆瓦(5277太瓦时或135公吨)到80千兆瓦(22222太瓦时或568公吨，不一定都来自可再生能源)不等。

可再生氢具有巨大的脱碳潜力，因此是最符合欧盟气候中和目标的选择。VNG、Uniper、Terrawatt和DBI计划在德国的一个化学工业基地附近建设一个40兆瓦的风力发电厂，并配备有电解槽。在其他欧洲国家以及澳大利亚、中国、日本和其他地方，也正在进行类似的升级努力。

当技术规模扩大并达到市场成熟(蓝色氢气)时，化石基氢碳捕获和储存(CCS)将是一个额外的选择。然而，这样的氢不一定是CO₂无。

通过传统蒸汽甲烷重整(SMR)或煤气化生产的化石基氢目前是全球制氢(灰色氢)的主要来源。这种做法是不可持续的，而且会导致排放。氢也可以通过核能生产，但会带来很高的社会经济风险。

本文首次分析和估计了利用结合当地RES资源的电解槽生产绿色氢气以脱碳氢气需求的技术潜力。这是第一项利用开放来源的地理参考数据，对在国家和区域一级用绿色氢气满足现有氢需求的潜在技术能力进行估计的研究。

数据与方法

本文评价了利用太阳能、风能和水能资源生产绿色氢气的可行性。该分析基本上比较了转向绿色氢工业生产的潜在电力需求与可再生能源潜力(太阳能、风能、水力)网的需求，以覆盖所有部门现有的总电力消费。这是通过收集、协调和聚合几个开源数据来实现的。

欧盟国家和区域层面的氢气生产和能源需求

欧洲氢气年产量约为9756万吨。炼油厂(约52%)和制氨(约43%)行业是氢气的主要消费者。

这是一个地理空间分析，所以第一步是确定欧洲氢气生产的主要枢纽，它们构成了目前的年产量:商人，向其他工业客户供应氢气;俘虏，氢留在现场使用，最后，在过程中或现场没有进一步使用的氢。只有最后一类中的氢可以用于其他用途。

氢气生产枢纽位于地理位置上的GIS环境中，年产量在NUTS2区域水平上汇总，如图1所示。这些选定的集散中心通常是拥有专用制氢厂和制氨厂的炼油厂。

图1所示。欧盟27 +英国主要氢气生产中心的分布。绿色和蓝色的点代表生产氢和氨的化学工业。阴影多边形显示欧盟煤区过渡(CRiT)。背景颜色代表每年总需求(TWh)，即仅产氢地区的电耗电量和电解的潜在需求之和。图片来源:能源转换和管理2021年

表1显示，位于地理位置的氢气产量占欧盟和英国年度估计总产量的68%。在NUTS2级别(欧盟27 +英国)，开发的数据集有109个地区(总共272个地区)生产氢或氨的工业的地理参考信息。

表1。欧盟27 +英国氢气产量根据现有数据来源的总和。来源:2021年能源转换与管理

源	年度H2生产*
	kt	bn米3.
欧洲氢气路线图2015	756年9	109.5
化工数据库	716年8	97.2
其中纯H2(不是地理定位)	2 090年	23.5
其中纯H2(地理)	2 886年	32.1
οf which H2对NH3.生产(地理)	3 740	41.6

*-标准环境温度和压力(SATP)，标准环境温度为25℃标准压力为1bar。

将电转化为氢的能量消耗因电解槽技术的不同而不同，并且会不断改进。本研究采用较低热值(LHV)下的电解槽效率值为48 kWh/kg。因此，电解用电需求最高的国家是德国(102.8太瓦时)，其次是荷兰(74太瓦时)。

净零碳和气候缓解战略涉及大规模部署RES以满足电力需求。利用可再生能源生产绿色氢气的努力不应影响向清洁发电系统的过渡。

图1显示了区域层面各部门每年(2019年)的电力需求计算结果，包括当前水电解氢的消耗和需求。

绿色电力潜力

本文的分析考虑了风力发电、太阳能光伏发电和水力发电资源的技术潜力。就水力发电而言，分析假定容量不会在目前水平上大幅增加。

太阳能光伏发电技术潜力

估算了每个NUTS2地区地面安装和屋顶系统的太阳能光伏发电技术潜力。对于地面安装的系统，分析遵循了以前报道的方法。

风能技术潜力

作为JRC ENSPRESO开放数据集的一部分，可以获得国家和区域一级的风能潜力。对于陆上风力，在土地使用限制较大的情况下，以及在建筑物和风力涡轮机地点之间允许的距离较小的情况下，提供了值。该分析选择了高约束情景，排除了风力特征不那么有利的陆上站点。

当关注CF高于25%的近海区域时，也排除了需要浮动系统的深水位置深度。分析使用了参考场景，排除了所有类型的海上浮式风。估计容量系数为15%-20%的潜在海上风力装置也被省略了。

分析还考虑了EMHIRES数据集，该数据集提供了30年期间(1986-2015年)国家和地区的平均生产率，具有小时时间步长和NUTS2空间分辨率。

水电

利用两个不同的开源数据库对欧洲现有的水力发电进行了估计:JRC水电数据库和JRC开放发电厂数据库。水电厂位于地理位置，并与相关的NUTS 2区域相关联;最后，在NUTS2级别进行聚合。

结果与讨论

该研究确定了从可再生能源中生产氢气的充足资源。在国家一级，图2a显示了每个国家的总电力需求。图2b显示了来自风能、太阳能光伏和水力发电的绿色电力的技术潜力。

图2。a:国家当前电力消耗的细目和电解的假定电力需求;b:国家层面每项技术的总绿色能源潜力(太瓦时)。图片来源:能源转换和管理2021年

图3比较了每个国家的供给和需求值。西班牙和法国是绿色能源过剩潜力最大的国家，其次是罗马尼亚和波兰。英国有大量剩余的可再生绿色电力潜力(+900太瓦时)，而瑞士将有- 34太瓦时的净赤字。

图3。欧盟27国和英国的总电力需求(当前消耗+拟用于氢电解的电力)与各国绿色电力潜力的比较。标记的大小表示每个国家计算出的电解氢的电量。黑线是1:1的线。图片来源:能源转换和管理2021年

区域层面

对于109个NUTS2(欧盟27 +英国)地区，如图4所示，绿色电力的总技术潜力为4334太瓦时。

图4。比较所有产氢区域的RES技术潜力和电力需求(当前消耗+拟议的电解制氢)。图片来源:能源转换和管理2021年

在单个区域层面，图5a显示了绿色电力的技术潜力，图5b显示了与制氢有关的区域估计技术潜力最大的可再生技术。

图5。对于NUTS2的109个产氢区域，面板a显示了每个区域绿色电力的总技术潜力，而面板b显示了该区域在本研究考虑的类别中最大的单一资源:地面太阳能光伏、屋顶太阳能光伏、陆上和海上风能以及水力发电。图片来源:能源转换和管理2021年

图5b还展示了每个NUTS2相关区域的最大单一资源潜力。地面安装的光伏和风能占主导地位，前者主要用于内陆地区，后者用于靠近海岸的地区。屋顶光伏技术在后者中是次要的。

图6突出显示了RES电力潜力覆盖总需求的过剩和不足区域。

图6。减去所有部门目前的消耗以及从现有的氢气生产从灰色转为绿色所需的消耗后，绿色电力技术潜力过剩或不足的地区。阴影区域代表CRiTs，黑体轮廓多边形代表NUTS2和当前的产氢量。图片来源:能源转换和管理2021年

这项研究的一项关键发现是，所审查的大多数欧洲区域具有足够高的技术潜力，可以利用可再生能源自力更生。在评估工业和能源部门是否可能部署高份额的可再生资源时，也应考虑到对就业的影响。

本研究可作为未来涉及许多其他因素的全面技术经济分析的基础。这里提出的分析表明，脱碳目前的氢气生产是一个没有遗憾的选择，可以确保未来的氢气生产将以碳中性的方式。

结论

该研究评估了欧盟27国和英国在区域层面(NUTS2)通过可再生能源的电解发电取代灰色氢气生产绿色氢气的情况。

研究结果与制定实施欧盟能源转型的政策有关，特别是与绿色氢的作用和在区域一级部署可再生发电能力的影响有关。

还需要进行进一步的研究，以解决诸如综合绿色制氢的区域能源系统的详细技术-经济分析等因素;跨区域输送和储存绿色氢气的可能性，以及工业、运输和供热新应用氢气需求增长的影响。

期刊引用

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参考资料及进一步阅读

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