解读欧洲能源转型的可持续发展路径

愿景：氢能是欧洲能源转型必由之路

欧洲正在向脱碳能源系统过渡。 欧盟28个成员国签署并批准了巴黎协议，以保持全球变暖“远低于工业化前水平2摄氏度以上，并努力将温度上升进一步限制在1.5摄氏度以下”。

这一转变将从根本上改变欧盟如何生产、分配、储存和消费能源。它实际上需要无碳发电，提高能源效率，以及运输、建筑和工业的深度脱碳。利益相关者必须采取一切可行的措施，在2050年之前，将与能源有关的二氧化碳排放量限制在每年7.7兆吨（Mt）以下（见图1）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）最近的报告强调了要彻底减少排放的紧迫性：到2030年，全球变暖不超过1.5摄氏度，排放量必须下降45%（与2010年的水平相比），到2050年必须降至“零排放”。否则，将导致更极端的温度、海平面上升和生物多样性严重损失等主要气候影响。

该报告表明，实现欧盟能源转型将需要大规模的氢气。没有它，欧盟将无法实现其脱碳目标。燃料为这种转变提供了一个多用途、清洁和灵活的能量载体。虽然氢气不是唯一的脱碳杠杆，但它是一系列其他技术中必不可少的杠杆。它使可再生能源的大规模接入成为可能，因为它使能源运营商能够转换和储存能源作为可再生气体。它可用于跨部门和区域的能源分配，并作为可再生能源的缓冲区。它为电力、交通、建筑和工业部门提供了一种脱碳方法，否则很难脱碳。

需要氢气的信念基于三个基本论点：

首先，氢是运输、工业和建筑业大规模脱碳的最佳（或唯一）选择。特别是：

连接欧洲工业并为欧盟家庭提供超过40%的供热和15%的欧盟发电的天然气供应网脱碳需要氢气。沼气，虽然是一个重要的杠杆，但无法在获得所需的规模。用热泵供电可以代替天然气为新建筑供暖，但需要对旧建筑进行昂贵甚至不可能的改造，旧建筑占建筑物二氧化碳排放量的90%。完全直接电气化还将导致电力需求的重大季节性失衡，进而需要大规模的储能机制。氢不受这些缺点的影响，可以作为热泵的补充。生产商可以在不需要进行重大升级的情况下，通过将氢气混合到现有的天然气网中来输配，甚至直接输送纯氢气，或者用氢气和二氧化碳制成的合成天然气代替天然气。所有基于气体的加热系统都可以通过使用燃料电池的热电联供（CHP）技术来提高能源效率。

在运输方面，氢是卡车、公共汽车、轮船、大型汽车和商用车最有前途的脱碳选择，其中较低的能量密度（因此较低的范围）、较高的初始成本和电池的缓慢充电性能是主要缺点。与电池和内燃机相比，燃料电池需要更少的原材料。由于运输部门约占欧盟二氧化碳排放总量的三分之一，因此脱碳是实现能源转型的关键因素。此外，氢燃料补给设施具有显著的优势：与快速充电相比，它仅需要城市和高速公路的大约十分之一的空间。同样，供应商可灵活供应氢气，而大规模部署快速充电设施需对电网进行重大升级。最后，一旦实现了最小规模的推广，氢气为运营商提供了一个有吸引力的商业案例。在航空业，氢和基于氢的合成燃料是大规模脱碳的唯一选择。

工业可以燃烧氢以产生高等级的热量，并将燃料在几个过程中作为原料，直接或与二氧化碳一起作为合成燃料/电燃料。在炼钢中，例如，氢可以作为还原剂，取代煤基高炉。在炼油厂用作氨生产和加氢处理的原料时，未来可采用低碳源生产。与二氧化碳一起，氢还可以在化学过程中取代诸如天然气的碳氢化合物，例如烯烃和烃溶剂（BTX）的生产，其构成原料用途的主要部分。这提供了一个碳汇，也就是说，有机会使用二氧化碳而不是排放。

其次，氢能可实现跨部门、时间和地点灵活转移能源，在向可再生能源转型中发挥系统性作用

部门。欧盟的能源转型几乎需要完全脱碳发电，这意味着需要将可再生能源整合到电网中。氢是终端用能耦合的唯一规模化技术，允许将发电转换为可用形式，存储它，并将其输送到终端使用部门以满足需求。电解槽可以将可再生电力转化为一种具有所有灵活性但不排放任何天然气碳的气体。

时间。由于电力满足了更高的能源需求，而不断增加的能源来自可再生能源，短期和长期的供需失衡将加剧。这就需要增加全年的平衡和季节性储能。虽然电池和需求方措施可以提供短期灵活性，但氢是唯一可用于长期储能的大规模技术。 它可以利用现有的天然气网络，盐穴和贫瘠的气田，以较低的成本长期储存能源。

地点。氢提供了低成本可再生能源地区与需求中心地区之间的联系，例如，将欧洲北部地热和风能资源丰富的地区连接到主要大陆，或作为从北非进口可再生能源的手段。氢可以通过管道、船只或卡车远距离输送能量，无论是气态的、液化的还是以其他形式储存的，其成本远低于输电线路。

第三，向氢的转变符合客户的偏好和便利性。这是关键，因为不符合客户偏好的低碳替代品可能面临采用困难。在运输过程中，氢提供与内燃机汽车同样的续航里程和燃料补给速度。能源公司可以利用现有的管道将氢气或合成甲烷通过电力输送到天然气发电厂，从而将开关“隐形”给消费者。虽然后来改用100%氢气需要升级设备和管道，但它仍然使建筑物内现有的供热基础设施完好无损。

提高：实现氢在欧洲的潜力的路线图

本报告描述了欧盟为实现2度目标而部署氢气的雄心勃勃的设想。这一设想是基于全球氢理事会的观点，来自氢欧洲（代表欧洲氢和燃料电池行业）的投入，更具体地说，来自活跃于氢和燃料电池技术领域的17家成员公司的数据。

在整个行业中，我们看到2050年欧洲可能产生大约2,250太瓦时（TWh）的氢气，约占欧盟总能源需求的四分之一（见图2）。这一数字将为大约4200万辆大型汽车、170万辆卡车、大约25万辆公共汽车和5500多辆火车提供燃料。它的供热量将超过相当于5200万户（约465太瓦时），并提供高达10%的建筑用电需求。在工业中，大约160 TWh的氢将产生高等级的热量，另外140 TWh将以直接还原铁（DRI）的形式取代炼钢过程中的煤。120 TWh的氢与生物质中捕获的碳或碳结合，也将在2050年为40 Mt化学品生产合成原料。

实现这一愿景将使欧盟走上到2050年减少约560 Mt二氧化碳排放量的道路，这相当于实现2度方案所需减排量的一半（见图1）。欧盟需要在2050年将其二氧化碳排放量从目前的3,500Mt减少到770Mt。部署现有技术以及欧洲国家现有的能源和气候相关承诺将缩小约60％的差距（参考技术方案约为1,700Mt）。在终端部门使用氢气有助于减少剩余1100Mt的一半，并实现2度方案。此外，它还可以使电力部门实现深度脱碳，从而间接减少碳排放。

除了减少碳排放外，氢和燃料电池技术的部署将消除当地的排放。在运输方面，2050年每年的氮氧化物排放量可减少50Mt。河流，湖泊和港口污染较少，钢铁和其他工业厂房将避免灰尘和焦油废气，柴油火车和卡车的噪音将大幅下降。

预计到2030年，氢的部署将为欧盟公司的燃料和相关设备创造1300亿欧元的产业，到2050年将达到8200亿欧元。这将为欧盟工业创造一个本地市场，作为在新的氢经济中进行全球竞争的跳板。2030年的出口潜力预计将达到700亿欧元，净出口额将达到500亿欧元。总的来说，到2030年，欧盟氢工业可以为大约100万高失业工人提供就业机会，到2050年达到540万人。

实现这一目标需要在整个价值链上进行大量的活动。随着氢和燃料电池技术在技术上已为大多数领域做好准备，欧盟工业必须扩大规模，以降低成本，并在全球能源转型经济中占据领先地位（见图3）。到2030年，部署的重点应放在优先领域，如将氢气混合到天然气网络中，并用于商业运输车队、大型乘用车、重型运输（卡车、火车、轮船）、材料处理和现有制氢脱碳。我们提出以下具体里程碑：

在运输方面，到2030年，燃料电池电动汽车（FCEVs）可能占22辆乘用车中的1辆和销售的12量轻型商用车（LCV）中的1辆，从而形成了370万辆燃料电池乘用车和50万辆燃料电池LCV的车队。此外，到2030年，约有45,000辆燃料电池卡车和公共汽车可以上路。到2030年，燃料电池列车还可以替换大约570辆柴油列车。

对于建筑部门来说，到2030年，氢可以替代7%的天然气（按体积计），到2040年，氢可以替代32%，相当于2030年约30太瓦时，2040年约120太瓦时。2030年，这一数量相当于德国、英国、荷兰、法国和丹麦将高达7.5%的氢气（按体积计）混合到电网中，五个中等城市（约30万居民）转换到纯氢气网络中。除商业建筑外，2030年和2040年的供热需求分别为250万户和1100多万户。与此同时，到2040年部署超过250万个燃料电池CHP，提高能源效率并将占电网中15 TWh的电力份额。

在工业上，到2030年，包括炼油厂和氨生产在内的所有应用都可以实现向三分之一超低碳氢生产的过渡。此外，具有较大减排潜力的应用，如DRI炼钢，必须进行大规模的可行性试验。

在电力部门，“过剩”可再生能源的大规模转换为氢气，大规模的氢气发电示范以及可再生能源-氢气发电厂也可能在2030年之前实现。

氢供应可能来自超低碳源的混合。虽然生产方法的确切分割可能因应用而异，并且取决于技术和成本的发展，但电解和蒸汽甲烷重整/碳捕获和储存的自热重整（SMR / ATR与CCS）很可能发挥关键作用，电解可以提供可再生能源整合所需的终端耦合机制。目前，电解槽可以小规模（<1兆瓦）的生产，并正在进行大规模（高达10兆瓦）的示范项目。SMR是目前可用于大规模低成本制氢的成熟技术，可用CCS脱碳。 仅依赖于这两种生产途径中的一种的情景似乎是不现实的，并且不能满足所需的部署。这意味着政策制定者和行业必须关注这两种途径的发展和扩大。

要实现这些雄心勃勃的里程碑，需要政策制定者，行业和投资者采取协调一致的方法。 如果没有出现这种合作水平并且现行政策仍然存在，氢气的部署水平将会大大降低，脱碳目标仍将无法满足。 该报告描述了这种开发，即一切照旧（BAU）场景。 在这种情况下，2050年的氢需求量仅为780 TWh左右（雄心勃勃的情景为2,250 TWh）。到2050年，使用氢气将减少约100 Mt二氧化碳，与2度情景相比，差距约为960万吨。

钢铁、重型运输和建筑等行业的深度脱碳将不会发生，这使得2度脱碳方案遥不可及。在运输领域，燃料电池汽车的部署可能会完全失败，尤其是在动力不足的情况下，燃料电池汽车和加氢站（HRS）将成为利基解决方案，决策者和行业对其进一步发展的资金不足。由于欧盟工业缺乏强大的国内市场，也不会大规模发展其氢能工业，因此在国际上它很可能仍然缺乏竞争力。即使发展不动摇，但跟踪我们的BAU情景，我们估计收入仍将比雄心勃勃的情景低约80%，到2050年，与氢和燃料电池相关的就业岗位将减少约440万。

立即行动：监管者、行业和投资者必须共同启动欧盟的氢气路线图

实现氢路线图的显著好处是需要大量但可实现的投资。在向2030年扩大工业规模的过程中，在理想的情况下，整个欧盟每年的投资约为80亿欧元。这相当于德国支付的可再生能源上网电价（fits）的三分之一，不到国际能源署（IEA）预计欧洲能源转型投资的十分之一，也不到欧洲能源和汽车资产年度总投资的5%。

为所需的基础设施提供资金也是可能的：要达到一个数量级，每升汽油和柴油征收1%的3年税，将很容易为整个欧盟范围内的基本氢燃料补充基础设施的建设提供资金，到2030年为止，这项基础设施的建设将耗资约80亿欧元。通过智能规划和行业参与，这一必要的初始融资可能会进一步减少。此外，还需要充分的市场吸收政策框架，以促进和加速对不同价值链的投资。

欧盟拥有几项资产，使其特别适合领导氢和燃料电池技术。首先，它在氢和燃料电池价值链上拥有世界级的参与者，可以推动氢解决方案的开发和部署。第二，它在氢能方面拥有强大的研究机构，并在欧盟、国家和区域各级支持研究、开发和部署（研发）。第三，欧盟致力于实现环境目标，如增加可再生能源、减少碳排放和减少地方排放，其公民的环境意识和意识很高。第四，它拥有广泛的天然气网络，可以依靠它来实现家庭和工业的脱碳。为了开始部署，我们提出了分段的战略优先顺序。对于每一部分，我们考虑预期的商业化时间表、商业化的确定性以及对碳排放的影响。从这一逻辑中，我们得出了几点不无遗憾的举措——无论什么都需要发展的细分市场；大机遇——那些可能产生巨大影响但应该消除风险的细分市场；以及选择——那些可能变得有吸引力但有风险的细分市场。根据这一优先顺序，我们得出一组行动，总结如下：

总体建议

1、监管者和工业界应共同为所有部门和子行业制定明确、长期、现实和整体的脱碳途径。这类路径除了为终端应用设定目标（例如，车辆排放目标或建筑脱碳目标），还应考虑能源生产和配电所需的基础设施。它们还应为该行业提供可靠的长期指导，以开放对产品开发和基础设施的投资。

2、欧洲工业应投资氢和燃料电池技术，以保持竞争力，并抓住新机遇。应从长远的角度看待氢和脱碳，并需要横向和纵向合作来克服困难。同样，行业应与监管机构密切合作，在欧盟内部建立强大的国内市场和价值链。还应与亚洲（如中国、日本、韩国）快速增长的氢和燃料电池市场参与者开展产业合作，以规避市场风险。

跨四个部门启动部署

3、监管机构和天然气公司应该开始对天然气网络脱碳。作为强制机制，它们可以使用天然气网络中可再生能源占比的约束目标或其他工具，如差价合约（CFD）、上网电价（FITS）或超低碳氢投资支持（如沼气）。这样的政策几乎没有什么重大障碍：以适度的浓度混合氢气与当前的基础设施和设备兼容，不会大幅提高天然气价格，还可降低碳排放，也不会产生二氧化碳泄漏的风险。然而，有必要对有关氢与天然气网络混合的法规进行现代化和协调，目前各成员国的法规有所不同。

4、在电力系统中，监管机构应鼓励电解制氢以平衡电网供需，例如，免除电解制氢的电网费用，并确保在市场上有竞争力地获得可再生能源。与在常规电力市场使用配合类似，可以使用诸如柔性制氢等绿色替代品取代二氧化碳排放平衡（例如，燃气轮机提供的旋转储备）的机制平衡电力市场。监管者和工业界应在欧洲启动一个分布式电力-天然气市场，以大幅降低生产成本，同时建立一个部门耦合机制，通过稳定价格和应对季节性失衡，为电力系统带来好处。这也有助于提高可再生能源在电力系统的比例。从中长期来看，利益相关者应制定季节性和长期储能框架。

5、在运输方面，监管机构应通过制定清晰可信的路线图、制定零排放机动化政策以及相应的资金和保障机制来解决鸡蛋问题，以解决氢燃料补给基础设施的投资问题。这种在整个欧盟范围内实现基本覆盖的路线图能够为汽车企业及其供应商带来信心，以扩大FCEV的生产，从而显著降低成本并扩大消费者的选择。它还可以使HRS的制造工业化，从而降低泵的氢成本。

在开发加油基础设施的同时，工业应该投资于产品开发，并在最适合该技术的领域广泛部署：卡车，公共汽车，货车和大型乘用车。相关行业应跨越传统行业壁垒进行合作，提供解决方案、捆绑基础设施、设备和维护。监管机构应通过提供激励措施来鼓励此类投资，例如公共采购FCEV公交车，实施燃料电池卡车，长途汽车和出租车运营商规章，以及对FCEV驾驶者进行非货币奖励。

6、在工业领域，利益相关者应推动从灰色氢向低碳氢的转变，并进一步用新的氢替代化石燃料。监管者应确保无碳氢产量计入可再生目标（例如，可再生能源第二号导则中规定的用于精炼的目标），并在所有主要氢用途（例如，在氨生产中）设定低碳目标。这样的过渡将促成氢气生产技术在规模和成本方面的显着变化，使氢解决方案不仅对工业更具吸引力，而且对其他行业更具吸引力。

建设超低碳制氢供应体系

7、为了大规模生产超低碳氢，企业应将电解操作扩大到商业水平，并证明CCS在未来十年内可以大规模生产极低碳强度的氢。上述天燃气网无碳氢目标或cfds/fits（见建议3）将激励电解行业产生所需投资。从电解中集中生产氢气和为电网提供稳定性的分散式解决方案都应得到充分的激励。原产地保证（gos），如来自certifHy项目的保证，应被法规和国家政策制定者使用和接受。对于采用CCS技术的SMR，利益相关者应考虑支持行业规模的示范项目，然后制定未来部署的路线图。

支持和启用额外的氢应用

8、行业和监管利益相关者应继续开发更多的氢和燃料电池应用，并计划扩大已成功证明的应用。例如，最近氢气列车的成功应该是欧洲范围内替代柴油列车的开始。在航运方面，除国际海事组织的海运目标外，监管机构还应制定港口、河流和湖泊的脱碳目标，并支持氢燃料加注能力的推广。推进微热电联供（MCHPS）和热电联产（CHPS）在住宅和商业物业中的应用，应提高建筑的能源效率，充分利用氢气和天然气。

本报告旨在证明氢是能源转型的关键支柱，欧洲可以引领氢工业的发展。 获得这些收益将需要大规模扩大整个价值链的活动，但是，通过有针对性的干预措施，我们相信欧盟可以实现强化的良性循环。

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