《美国能源部出版氢能源战略框架:能源与环境》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: pengh
  • 发布时间:2020-11-16
  • “氢是一种令人兴奋的燃料,有整合我国能源资源的潜力,但要充分认识到它在整个经济中的潜力,我们需要降低成本,并看到氢的供应和需求的显著增加,”能源部长丹·布劳利特(Dan Brouillette)说。“本届政府对该计划中所概述的国务院范围内的努力和合作感到兴奋,这些努力和合作将解决这些问题,并帮助确保氢作为国家未来能源的一种选择。”

    根据能源部的说法,该计划将作为制定氢气项目战略方向的总体文件,并补充能源部各部门从事氢气研发活动的多年技术和项目计划。

    能源部副部长马克·梅内塞斯(Mark Menezes)和各部门负责人在给利益相关者的一份信息中表示,氢是一种多功能燃料,为实现经济的长期可持续增长提供了途径。它可以为多个经济部门增加价值,作为可持续的交通燃料,为家庭生产电力和供暖,甚至可以出口。“但是,要实现氢的真正潜力,需要继续致力于研究和开发,并与私营部门加强演示和部署,以实现规模。”与其他燃料不同,氢需要更多的化石能源、核能和可再生能源系统的整合,它将采取来自所有能源部门的综合方法,以实现氢的全部潜力和好处,”他们说。

    该计划的战略框架将能源效率和可再生能源、化石能源、核能、电力、科学和美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)的研究、开发和示范工作结合起来,以推进氢的生产、运输、储存和使用。

    梅内塞斯说:“几十年来,能源部一直在支持各种技术的开发,以补充我们传统来源的氢燃料生产。”该计划中概述的RD&D活动将有助于这一重要的部门范围内的努力,以支持我们的最高能源战略。”

    该战略的一个关键方面是,利用国内各种低碳能源,包括可再生能源、核能和化石燃料(碳捕获、利用和储存- CCUS),实现制氢。

    能源部负责核能的助理部长Rita Baranwal表示,该计划将使能源部在氢研发方面的努力合理化。她在推特上写道:“@GovNuclear(美国核能办公室)目前正努力展示美国反应堆的高温和低温电解,以大规模生产氢气,这可能为核工业打开新市场。”

    10月能源部选择两个项目推进的轻水反应堆操作灵活综合制氢系统接收成本分享资金通过核能源办公室的美国工业先进核技术发展的机会宣布融资机会,合作办公室的能源效率和可再生能源的氢和燃料电池技术办公室。

    在其中一个项目中,位于明尼阿波利斯的Xcel能源公司将与爱达荷国家实验室(INL)合作,展示一个利用核电站的蒸汽和电力来分解水的系统。由此产生的氢气最初将用于发电厂,但最终可能会出售给其他行业。INL本周表示,该系统可能会在Prairie Island核电站进行演示。

    第二个提议是,康涅狄格州的FuelCell能源公司与INL合作,演示并验证一种固体氧化物电解电池制氢系统,将其集成到核电站中。

    2019年9月,能源港(Energy Harbor)俄亥俄州托莱多市附近的戴维斯-贝斯(Davis-Besse)核电站一个为期两年的项目获得了美国能源部的资助,该项目通过低温电解来演示商业制氢。在同一奖项下,亚利桑那州公共服务部门也在评估帕洛弗德核电站核能与氢生产的整合。

相关报告
  • 《美国能源部发布国家清洁氢能战略和路线图草案》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2022-11-30
    • 近日,美国能源部(DOE)发布《国家清洁氢能战略和路线图(草案)》,指出到2050年清洁氢能将贡献约10%的碳减排量,到2030、2040和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000、2000和5000万吨/年。该草案确定了美国清洁氢能价值链的近、中、长期行动,关键要点如下: 一、关键战略方向 该路线图草案优先考虑三个关键战略方向,以确保清洁氢能作为有效的脱碳工具被开发和利用,并为美国带来最大利益。包括: 1、明确清洁氢能的战略性地位及高影响力用途。这将确保清洁氢能被用于价值最高的应用场景。在这些应用场景中,通常深度脱碳替代方案有限。具体包括工业部门、重型卡车和实现清洁电网的长期储能。长期机遇包括出口清洁氢或氢载体的潜力,以及为美国的盟友实现能源安全。 2、降低清洁氢能成本。“氢能攻关计划”已于2021年启动,将促进氢能创新和规模化发展,刺激私营部门投资,促进整个氢能供应链发展,并大幅降低清洁氢能成本。还将努力解决关键材料和供应链的脆弱性,并针对效率、耐用性和可回收性进行设计。 3、专注于区域网络建设。包括区域清洁氢能中心,以实现区域大规模清洁氢能生产和终端应用,建设关键基础设施,推动规模化发展,促进市场腾飞。优先事项将包括短期影响,创造工作机会,以及快速启动国内制造业和私人投资。 二、近、中、长期行动时间表 路线图草案制定了清洁氢能的近、中、长期行动时间表,如图1所示。 图1 美国清洁氢能战略和路线图近中长期行动时间表 三、各阶段支持行动 1、清洁制氢 近期(2022-2025年):①从生命周期、可持续性、成本、区域和公平角度评估路径,以优先考虑策略,确定差距;②建立清洁氢标准;③示范热解制氢、废物制氢、可再生能源制氢和核能制氢等清洁技术;④通过对制造工艺、电堆、辅助系统组件的研发、示范和部署,大规模降低电解槽成本;⑤通过模块化设计和过程强化的研发、示范和部署,降低热解制氢技术成本;⑥开发低成本、耐用的膜和分离材料;⑦促进组件标准化,减少对关键材料的依赖,并建立稳健的供应链;⑧设计并实施加速应力试验技术以评估和改善耐久性;⑨发布关于路径、排放和成本的个案研究;⑩为今后的部署制定严格的数据收集和监测框架。 中期(2026-2029年):①实现电解制氢成本2美元/千克;②实现国内吉瓦级规模电解槽生产能力;③可最大限度地减少关键材料用量,同时实现性能和耐久性有竞争力的催化剂和组件;④优化电解槽和清洁能源供应之间的集成,以降低成本,提高效率和弹性;⑤提出目前实验室规模下最有前景的制氢概念,如热化学、光电化学或生物法制氢;⑥从真实环境的示范中收集数据,为研发、示范和部署提供信息,并持续改善性能和耐久性;⑦细化和更新路径评估,以确保以最可持续、公平、弹性和可负担的方法为目标;⑧通过分析经验教训、最佳做法和利益相关方反馈来确定扩大规模的途径和好处。 长期(2030-2035年):①大规模部署可再生能源制氢、核能制氢和化石能源结合CCS制氢;②到2030年,清洁氢产能至少达到1000万吨/年;③不同来源的清洁氢成本达到1美元/千克;④示范可最大限度地减少关键材料使用,并达到目标性能和耐久性的电解电堆;⑤利用不同原料(如废水或高温热)大规模生产氢的商业可行方法;⑥确保建设弹性和可持续的国内供应链,适用于所采用的所有制氢途径,并能够不依赖于进口;⑦从真实环境的部署中持续收集数据,为研发、示范和部署提供信息,确定差距并完善战略;⑧应用最佳做法、经验教训和分析,包括通过全球合作和可持续性框架,确保提出最可持续、公平、弹性且经济的办法,以最大限度地发挥效益。 2、输送和存储基础设施 近期(2022-2025年):①开发和更新分析模型和工具,以评估输送和存储技术路径、确定差距并确定策略的优先顺序;②开发严格监测和减少氢泄漏和汽化损耗的技术;③评估管道和组件材料与氢气和氢气/天然气混合物的相容性;④提出低成本、高效的氢液化和降低汽化损耗的新方法;⑤发现和开发用于大量存储和分配的氢载体材料;⑥识别可用于大量储氢的地质地层,以及相关的开发和运行要求;⑦开发和优化关键应用中的氢基础设施设计,如工业和储能;⑧制定和协调氢用于重型卡车和越野车辆的燃料协议;⑨加快研发、示范和部署,以降低高压和液氢储罐成本,包括碳纤维复合材料容器;⑩建立数据监测和收集框架,评估上游和现场排放。 中期(2026-2029年):①验证和改进分析模型和工具,以确定各种应用的输送和存储优先顺序;②示范高效可靠的氢气管道压缩机运行;③量化气氢和液氢基础设施损耗,为大规模部署提供信息;④开发商业规模的新型高效氢气液化系统设计;⑤提出有前景的氢载体系统概念,设计可靠、低成本的系统;⑥启动区域大规模储氢示范,包括地下储氢,并确保当地利益;⑦示范新型、高效、低成本的大规模氢气输送方法;⑧部署可扩展的加氢站,以支持氢能交通早期市场,如重型卡车和公共汽车;⑨部署针对潜在的氢气和其他排放/释放的监测系统,确保数据收集;在关键地点设计可持续和公平的区域清洁氢能网络,以最大限度地发挥效益,确保能源正义、环境的正义和公平。 长期(2030-2035年):①与当地社区和利益相关方合作,设计针对区域供需优化的氢能基础设施网络,以最大限度地发挥效益,确保实现能源、环境和公平目标;②示范先进液化技术,比当前概念的效率提高一倍;③制定长期储氢计划/氢战略储备,以确保供应弹性;④部署至少4个拥有先进低成本清洁氢存储和基础设施的区域清洁氢能中心;⑤从实际环境中的氢分配示范(如通过管道或载体)收集数据,包括排放数据,为研发、示范和部署提供信息,从而降低成本并提高可靠性;⑥持续收集数据,为扩大最佳输送和存储技术部署以及研发、示范和部署提供信息;⑦确保在不同的利益相关方之间共享与氢能基础设施相关的任何安全或其他最佳实践,以实现持续改进;⑧通过氢能基础设施的全球合作,为长期投资计划和氢出口机会提供信息。 3、终端应用和市场采用 近期(2022-2025年):①为清洁氢的生产、加工、输运、存储和终端应用的大规模部署奠定监管基础;②开展跨领域工作(如核能、可再生能源、化石燃料、CCS、储能),确定监管和政策差距,以及解决这些差距的关键战略,以最大限度地减少影响;③制定氢气管道和大型项目的最新指南,促进利益相关方参与并解决环境、能源和公平优先事项;④启动难脱碳行业向清洁氢过渡,并确定可能扩大规模的具体场景(如氨、炼油厂、钢铁);⑤推进有效的终端应用技术并扩大规模;⑥通过建模和改进数据采集,量化氢气泄漏的气候影响;⑦制定最佳做法和指南,以评估实际部署的清洁氢的生命周期排放,并为“原产地保证”和认证计划提供信息。 中期(2026-2029年):①使氢能技术相关的规范和标准能够实现国际协调;②开发市场模式以加快部署进展,克服监管障碍,促进可再生能源电力用于电解槽;③通过公开访问的平台分享安全最佳做法以及从早期部署中汲取的经验教训;④部署至少两个清洁氢能中心,示范氢在难脱碳行业(如工业和重型卡车)中的使用;⑤制定国家对氢掺混限制的指南;⑥供应清洁氢,使得到2030年利用生物质和废物生产至少30亿加仑的可持续航空燃料;⑦提高电解槽、燃料电池和氢价值链中其他部件的原料回收和循环利用的效率和成本效益,以使其能够不赖依于进口。 长期(2030-2035年):①开发市场模式监管指南,以实现清洁氢的出口;②利用从大规模部署中获得的经验教训,确定未来增长的优先领域,重点是支持最有效、经济、与气候目标一致的整体方法,最大限度地改善公共健康安全和环境;③示范和量化氢能在改进未来清洁能源系统的弹性和避免中断供应方面的益处;④到2030年示范用于发电的纯氢燃料超低氮氧化物排放燃气轮机和低铂族金属含量燃料电池;⑤启动至少一个清洁氢能中心,示范氢在清洁电网储能中的应用,并量化氢支持到2035年实现零碳电网的机会,包括区域因素。 4、使能因素、能源及环境正义 近期(2022-2025年):①制定和实施广泛和包容性的利益相关方参与框架,并收集反馈;②为团队和组织以及联邦资助的示范项目的地理/社区选址确定多样性、公平性、包容性和其他关键优先事项的衡量标准;③推出工具和平台,以促进伙伴关系、包容性和市场部署;④为工人制定再培训计划,使其能够获得近期和长期的高薪工作;⑤为学生制定招聘和职业计划,并促进多样性、公平性和包容性;⑥制定和实施可持续性框架以及环保最佳做法;⑦开发教育资源,以支持氢能中心社区推广和参与战略;⑧改进区域优先事项数据收集并确定应用,为清洁氢的部署提供参考。 中期(2026-2029年):①完善和不断改进利益相关方的参与和包容性,并应用所学到的经验;②促进公私合作关系,以实现包容性并加速进展;③与氢能中心所在地区的弱势社区制定和执行社区获利协议;④部署氢能技术以减少未达标地区的排放,并为当地和弱势社区提供弹性、工作和其他关键利益;⑤评估氢能技术对区域水供应和其他资源的影响;⑥进行环境和风险评估,总结经验教训,包括通过全球和区域协作;⑦与工会合作,发展和扩大氢能技术的注册学徒计划;⑧利用氢能安全中心和其他平台,分享最佳做法和经验教训。 长期(2030-2035年):①量化部署氢能的益处,并确定额外的政策或计划优先事项,以加快进展;②在弱势社区部署清洁氢能技术的制造设施;③评估区域清洁氢能中心的技术-社会-经济影响;④开发和完善市场结构,以公平分配新技术的成本和收益;⑤确保将适应性、网络、弹性和其他缓解方法纳入扩大规模的战略计划;⑥更新和完善可持续性框架和最佳做法,为未来部署提供信息;⑦利用全球合作和倡议,最大限度地取得研发、示范和部署的成功,并确保清洁能源转型公平。
  • 《南非能源战略》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-03-08
    • 位于非洲大陆架最南端的南非共和国,过去几十年间依靠丰富的矿产资源出口创汇,跻身中等发达国家行列。南非以能源领域为主战场之一,大力支持“全民能源”发展,将消除种族歧视、创造就业,培养青年人才,提高国际地位等目标纳入能源发展战略统筹考虑。尽管当前南非能源发展面临一系列挑战,但也充满机遇,中南合作具有广阔前景。   南非能源战略演进与其政治格局高度相关   “富煤炭、少油气、缺水能”的能源资源禀赋导致南非一直保持以煤为主的能源结构,目前一次能源消费中油气占28%左右,除少量的核能、可再生能源外,其余基本都是煤炭。从南非能源战略演进来看,政治格局的剧烈变化是促成其能源结构转变、能源技术发展的根本原因,尤其是两次明显的能源转型。   20世纪后半叶,南非的反种族歧视和种族隔离活动由之前的非暴力形式逐步升级,引起国际社会强烈反对,并直接导致国际社会开始对南非进行全面制裁。外资撤离截断了资金的重要来源、贸易制裁减少了外汇储备、国外贷款的终止恶化了债务危机。   南非经济危机直接传导到能源领域,海外油气资源的巨大缺口使其更加重视煤炭液化技术。南非政府直接以强硬的行政手段对主要从事煤制油业务的国有企业沙索公司(Sasol)保驾护航,采用了要求南非石油公司大量购买沙索公司产品、对沙索公司运营和产品价格进行直接补贴等措施。   第一次能源转型出现在1994年,南非种族歧视和种族隔离政策废除后,政治格局的改变直接打破其原有的能源状况,压抑已久的能源需求大量释放。1994年前,电力只供给少量统治阶层的白人,底层人民多使用生物质等低品味能源维持生活。在种族隔离破除后,政治层面上要求能源使用权平等。   随着国际制裁的解除,南非政府不仅与国外石油公司进行合作,还加大的沿海油气资源的勘探和开发,但能源需求激增直接将能源领域基础设施建设、能源供应能力和水平不足等矛盾推向台面。为了解决这一问题,从曼德拉政府开始,南非的能源价格开始不断上涨,限电现象频发。在这一阶段,南非对煤炭的依赖程度越来越高。而在核能发展方面,自1984年库贝赫核电站投入生产以来,南非没有建设其他核电站以及大型核能应用设施。可再生能源方面,南非直到2003年才开始考虑可再生能源发展,但并未在战略和政策上强力规划和实施。   破除种族歧视以来,南非更加注重国际政治环境。在能源领域,南非政府顺应世界能源发展趋势,一直是巴黎协定的积极支持者,并进行了第二次能源转型,主要是对可再生能源开发利用和煤炭依赖型能源发展模式转变的态度明显转向强硬。在此期间,《综合电力资源规划2010》《综合能源计划草案2012》《综合能源计划草案2015》等文件陆续出炉。2018年,南非在能源规划上再出重拳,对核能,煤炭等多方面能源进行了强势的规划,包括停建核电、关停火电、控制民用煤炉、加大光能设施建设补贴和分红等方式,通过行政和补贴等手段力图加速第二次能源转型。   南非能源发展面临的三大挑战   首先,煤电发电量居高不下,经济问题是幕后推手。煤炭是南非最易获得,较为低廉的能源资源,而且煤炭能源基础设施体系已形成多年,路径依赖性愈发明显。在南非一系列能源规划中均强调了降低煤电比重,但目前南非煤电比重仍超过90%,五年内降低比例不到4%。   为此,南非政府为了替代煤电的发展,对可再生能源发展采取了一系列支持措施。但是,可再生能源引资之路却并不顺利。2016年7月,南非国家电力公司(Eskom)以某些条件尚不成熟为名,将原定该月与27家独立电力生产商签订的电力购买协议(PPAs)取消并无限期延迟,直到2018年4月,延期两年的PPAs才得以签约,此时距离公布招标结果已过去三年不止。虽然Eskom未公布此事原因,但业内普遍认同Eskom是因为不愿意承担光热成本和投资的排外保内想法而做出相应决定。尤其当前Eskom负债总额已达4190亿兰特,并考虑向国家财政转移1000亿兰特债务作为自救举措之一,一旦通过该提议,有关数据显示南非国家债务规模占GDP比重将提升近2个百分点,严重影响国家主权信用评级。   因此,虽然南非可再生能源独立电力生产商采购计划(REIPPP)收益率可观,且项目建设期内政府承诺承担汇率波动损失,但推进并不顺利,南非激进的土改政策、庞大的国家债务规模,都是外资担忧的考量之一,2018年内兰特贬值幅最大超过26%也在一定程度上表明了国际资本的态度。   第二,限电频频与电价上涨问题难以改善。南非国家电力公司在2017年宣称南非已经进入电力稳定供给阶段,虽然电力缺口存在,但整体电力供应形势良好。但从实际情况看,南非电网分别在2018年6和11月由于员工涨薪问题和能源储备问题采取限电措施。同时,南非近两年几乎没有大型的新建项目,近期其能源监管机构表示Eskom发电机组可用率已降至72.8%并刷新自2015年来的最低水平,在限电问题上也一直没有出台明确的解决措施和规划,未来限电现象恐难以避免。从价格方面看,南非在近十年的电价增长了四倍,每年电价的增幅都不低于8%。2018年底,深陷腐败漩涡的南非电力公司再次申请调高2019年电价至少15%,高电价已经对其国内工业发展造成严重负担。   第三,电力基础设施严重不足。南非宜居陆地多分布在南非北部矿产区及长达2798公里的海岸线上,形成了南非能源需求较为分散的特点,电力、天然气等依赖于基础设施的能源品种将在能源配置和设施维护上付出巨大的建设和运营成本。人口分布狭长并不是南非的独有特点,但却直指其能源基础设施严重不足的痛点。   世界经济论坛(WEF)发布报告称南非基础设施总体质量排名第59位,在金砖国家中居于中国和印度之后、俄罗斯和巴西之前。但从分项来看,南非电力部门基础设施建设水平仅位列112位,金砖五国排名倒数第一,难以满足民众基础生产和生活需求。南非风险管理研究所(IRMSA)也曾发布报告指出本国基础设施和网络、关键基础设施缺失或不足均位列产业管理十大风险的前五位。   全民能源是解决南非能源问题的重要方式   能源问题一直与世界各国经济社会发展息息相关,而从南非能源特点来看,以能源业为突破口,通过全民参与能源建设的方式,既可以直接缓解其能源短缺、能源结构失衡、能源歧视(包含尚未完全消除的少部分种族歧视)等问题,更是解决就业、教育和人才体系建设等深层次社会问题的重要措施,是南非能源领域的一大特色。   具体来看,全民能源主要体现在鼓励分布式可再生能源发展,在大能源供给体系的基础上实现区域能源自给,从全民层面上协助解决能源短缺问题,是在降低煤电依赖的同时解决能源短缺问题的重要方式。南非能源部在分布式能源的研发和建设等方面予以鼓励,未来还计划对其维护和监管进行相应的投入。虽然以南非电网发展水平,目前尚存在稳定并网和安全供给等问题,但南非政府依旧对其表现出了浓厚的兴趣。   更重要的是,在政策上鼓励全民平等参与能源建设,助力进一步消除种族歧视和性别歧视,在能源领域给予平等就业机会,缓解本国就业矛盾。南非能源部长拉德贝曾表示,能源系统未来将成为妇女和青年的重要保障之一,并为其提供更多的资源以提高他们的参与度,也曾明确表示南非能源建设可以为本国提供足够的就业岗位,降低一直居高不下的失业率。  同时,以新能源发展为抓手,完善能够支撑经济可持续发展的人才体系建设。纵观“金砖五国”和其它新兴经济体,新兴战略性产业快速成长,并伴随着传统矿产、钢铁和机械制造等行业的衰落逐步成为经济发展最重要的动能之一。   据2019年最新数据显示,南非的青年失业率全球最高,达到52.8%。劳动力素质不胜任岗位是主要原因,实质是教育体系不够完善,青年职业技能缺乏是基础教育缺失的直接体现。从相关统计数据来看,南非科研能力薄弱,相比新一代信息技术、生物医药和生物农业、高端装备制造、新材料等行业,新能源产业基础和实现条件具有一定优势,是比较好的现实选择之一。目前,南非一方面在基础教育上提供资源,同时在几所知名大学加大能源方面研究的投入力度,将培训本土劳动力和引进高级人才相结合,提高南非能源系统就业规模和劳动力素质。   中南合作前景展望   第一,当前世界经济下行,民粹主义有抬头倾向,稳定的社会环境是经济各个领域可持续发展的重要基础。我国能源电力发展一贯以经济社会大局为重,尤其对“三区三州”贫困地区、边远地区和少数民族聚集地区等,能源行业在扶贫帮困、创造就业、通过改善生产生活条件提高当地可持续发展能力等方面具有丰富的实践经验,与南非“全民能源”的发展方向不谋而合,我国能源企业在南非大有可为。   第二,建议我国能源企业以解决就业为突破口,抓住南非巨大的新能源产业和电网基础设施发展空间。目前,南非在政策方面相继推出了比较重要的综合电气化计划(INEP)、独立协议(IPP)以及可再生能源独立电力生产商采购计划(REIPPPP)等,对可再生资源方面的建设提供了可观的补贴和建设支持。我国可以利用资金、技术、产能和人才优势,主打就业牌,抢占南非太阳能发电、风电和输配电网建设市场。