歐洲2×40GW綠氫行動計劃全文
歐洲好的可再生能源
在歐洲,良好的可再生能源資源是按地域分布的。然而,這些能源在歐盟成員國之間的分布并不均勻,因此大規(guī)模的泛歐洲能源運輸、貿(mào)易和儲存是必要的。
在歐洲的一些地區(qū),大規(guī)模的海上風(fēng)力發(fā)電可以在沒有補貼的情況下以有競爭力的價格進(jìn)行(Vattenfall, 2019)(Guardian, 2019)。在北海、愛爾蘭海、波羅的海和地中海部分地區(qū),大型海上風(fēng)力發(fā)電具有巨大的潛力。在希臘、英國、愛爾蘭以及葡萄牙、波蘭和德國等許多歐洲沿海地區(qū),都可以發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的陸上風(fēng)能潛力。如今,大型太陽能光伏發(fā)電也可以無補貼、有競爭力地建造(Energylivenews, 2019),最顯著的例子是在南歐,如西班牙、葡萄牙、意大利和希臘。
此外,在冰島、挪威、瑞典、奧地利和瑞士等國可以進(jìn)行低成本的水力發(fā)電,在冰島、意大利、波蘭和匈牙利也可以進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電。雖然水力發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電的潛力有限,但將來引進(jìn)海洋/潮汐能源轉(zhuǎn)換設(shè)備可以進(jìn)一步增加英國、葡萄牙、挪威和冰島可再生電力和氫氣的產(chǎn)量。烏克蘭擁有良好的風(fēng)能資源和巨大的生物質(zhì)潛力。這些資源既可以用于綠氫生產(chǎn),也可以用于生物質(zhì)生產(chǎn)綠色二氧化碳(UkrainianHydrogenCouncil, 2019)。
圖3歐洲上空80米高度的太陽輻射(左)和風(fēng)速(右)
北非和中東突出的可再生能源資源
北非的太陽能資源比南歐要好得多,也豐富得多。撒哈拉沙漠是世界上全年陽光最充足的地區(qū)。這是一個面積很大的地區(qū)(940萬平方公里,是歐盟面積的兩倍多),平均每年有3600小時的日照,一些地區(qū)有4000小時(Varadi, Wouters, & Hoffmann, 2018)。這意味著每年每平方米的日照水平為2500 - 3000 kwh。一小部分(撒哈拉沙漠8-10%)的面積就可以產(chǎn)生全球的全部能源需求(van Wijk, van der Roest,& Boere, 2017年《人類太陽能》)
應(yīng)該指出的是,撒哈拉沙漠也是地球上風(fēng)力最大的地區(qū)之一,尤其是在西海岸。沙漠大部分地區(qū)地面平均年風(fēng)速超過5 m/s,西部沿海地區(qū)達(dá)到8-9 m/s。風(fēng)速隨著地面高度的增加而增加,而撒哈拉沙漠的風(fēng)全年都很穩(wěn)定。此外,埃及的扎法拉納地區(qū)與摩洛哥的大西洋海岸相當(dāng),風(fēng)速高且穩(wěn)定(van Wijk A., Wouters, Rachidi, & Ikken, 2019)。在摩洛哥、阿爾及利亞、突尼斯、利比亞和埃及,某些陸地地區(qū)的風(fēng)速與地中海、波羅的海和北海部分地區(qū)的離岸風(fēng)速相當(dāng)。
圖4歐洲和北非的太陽輻射和風(fēng)速資源(Dii & FraunhoferISI, 2012)
北非不僅有豐富的太陽能和風(fēng)能資源,中東也有很好的太陽能資源,在一些地方也有很好的風(fēng)能資源。土耳其、阿曼、沙特阿拉伯、約旦、阿聯(lián)酋等本地區(qū)國家有可能成為主要的綠氫出口國(van Son & Isenburg, 2019)。
可再生資源通過氫運輸、存儲
這些豐富的在歐洲、北非和中東的可再生資源距離歐洲有能源需求的工業(yè)城市和位置非常遠(yuǎn)。在這些良好的可再生能地區(qū),可以進(jìn)行豐富、廉價、但間歇性的太陽能和風(fēng)能發(fā)電,F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何以低成本和低損失運輸和儲存這些能源。將生產(chǎn)現(xiàn)場的太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫氣為這一挑戰(zhàn)提供了解決方案,因為氫氣的運輸和儲存成本遠(yuǎn)低于電力。
通過管道運輸氫氣的成本要比用電纜輸送電力的成本便宜10-20倍(Vermeulen, 2017)。電纜輸送電力和管道輸送氫氣的根本區(qū)別在于基礎(chǔ)設(shè)施的容量。一條電力傳輸電纜的容量在1-2 GW之間,而一條氫管道的容量在15 - 30 GW之間。此外,通過電纜輸送電力會產(chǎn)生損耗,而通過管道輸送氫氣則不會產(chǎn)生損耗。除了運輸成本,儲氫成本也很便宜。鹽穴儲氫的成本至少比電池儲電成本低100倍(van Wijk & Wouters, 2019)。
因此,在具有豐富太陽能和風(fēng)能資源的地區(qū),數(shù)GW的電能和風(fēng)能發(fā)電廠是可以被實現(xiàn)用來生產(chǎn)電力并且通過水的電催化轉(zhuǎn)化成為氫。這些不是太陽能和風(fēng)能發(fā)電廠,而是太陽能和風(fēng)能氫工廠。在數(shù)GW的太陽能和風(fēng)力發(fā)電場生產(chǎn)廉價的氫,通過管道運輸大規(guī)模的氫,并在鹽穴儲存氫,可以提供更低的整體能源系統(tǒng)成本,一個可靠的能源系統(tǒng),最重要的是一個清潔的,脫碳的能源系統(tǒng)。
歐洲可以用它的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施去運送和存儲氫
對于快速擴(kuò)大的歐洲可再生電的容量的一個挑戰(zhàn)是有限的電網(wǎng)容量。在2018,德國可再生在和海上風(fēng)力發(fā)電的接近十億歐元的減少是因為2019年電網(wǎng) (Bundesnetzagentur)容量約束。
在不需要大規(guī)模電網(wǎng)升級的情況下,將大量可再生能源整合到能源系統(tǒng)的解決方案的一部分是轉(zhuǎn)換成氫氣。
一個發(fā)達(dá)的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)就位,連接著歐洲(北海、挪威和荷蘭)和歐洲以外(俄羅斯、阿爾及利亞、利比亞)的天然氣生產(chǎn)地區(qū)。天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的能源傳輸能力至少比電網(wǎng)的能力大10倍。
再利用天然氣管道運輸氫
現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施可以相對容易和快速轉(zhuǎn)換,以適當(dāng)?shù)某杀救菁{氫(DNV-GL, 2017) (Kiwa, 2018)。此外,建設(shè)“新的”天然氣基礎(chǔ)設(shè)施比建設(shè)與“新的”電力基礎(chǔ)設(shè)施相同的能源運輸能力便宜10-20倍(Vermeulen, 2017)。然而,為了開發(fā)波羅的海的風(fēng)能資源和希臘的風(fēng)能和太陽能資源,需要新的氫管道基礎(chǔ)設(shè)施。
歐洲天然氣基礎(chǔ)設(shè)施公司Gasunie通過改造天然氣管道,已開始在荷蘭建設(shè)氫主干管道基礎(chǔ)設(shè)施。這個氫主干連接了從北海海上風(fēng)能到鹽穴儲氫和工業(yè)集群的需求等氫生產(chǎn)站點,見圖5。Gasunie已經(jīng)將一條12公里長的天然氣管道改造成一條氫管道,該管道自2018年11月開始運行(Gasunie, 2018)。
圖5荷蘭現(xiàn)有的氫氣主干輸送管道將是天然氣管道轉(zhuǎn)化為連接氫供應(yīng)和氫儲存的氫輸送管道產(chǎn)業(yè)集群的需求(Gasunie,2019)
還在德國,F(xiàn)NB氣體,該協(xié)會的大型天然氣運輸公司在德國,已經(jīng)做好了計劃建設(shè)5900公里氫輸網(wǎng),部分通過轉(zhuǎn)換現(xiàn)有的天然氣管道,連接未來在德國北部的氫生產(chǎn)中心,與大型儲氫鹽洞和在西部和南部的大客戶,參見圖6。
圖6德國氫骨干網(wǎng)——由FNB氣體提出,與規(guī)模較大德國國家天然氣運輸公司合作,開發(fā)了一個5900公里長的氫氣運輸網(wǎng)貫穿整個德國(數(shù)據(jù)取自德國《商報》28-1-2020)
圖7概述了一個跨國的歐洲氫氣基礎(chǔ)設(shè)施主干,它可以從整個歐洲(包括烏克蘭)的太陽能和風(fēng)能資源區(qū)域運輸大量的氫氣。除了綠氫,藍(lán)氫(氫來自化石燃料,二氧化碳捕獲和存儲)也可以插入這個支柱氫基礎(chǔ)設(shè)施,即大量創(chuàng)造的氫可以是藍(lán)氫,以相應(yīng)大規(guī)模的需求中心和快速轉(zhuǎn)換到氫基礎(chǔ)設(shè)施中的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。
連接非洲和歐洲,提供綠色能源
北非的太陽能資源甚至比歐洲還要好、豐富,還有有吸引力的風(fēng)能資源。這些太陽能和風(fēng)能資源足以滿足其自身的能源需求,事實上,它可以很容易地滿足世界上所有的能源需求。到目前為止,北非從阿爾及利亞和利比亞出口天然氣,有幾條通往西班牙和意大利的管道。這些管道有能力連接超過60 GW (Timmerberg & Kaltschmitt,2019)的容量。此外,摩洛哥和西班牙之間還有兩條電力運輸電纜,每條都有0.7GW的容量。摩洛哥和西班牙在2019年簽署了一份諒解備忘錄,以實現(xiàn)第三個0.7GW的電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Tsagas,2019),這也將用于從摩洛哥向西班牙出口太陽能電力。然而,這些電力互連的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體互連的容量。因此,對非洲和歐洲來說,開發(fā)北非的可再生能源出口潛力將是一件非常有吸引力的事情,因為北非國家將這些電力轉(zhuǎn)化為氫氣,并通過管道將這些能源輸送到歐洲。部分天然氣網(wǎng)格可以轉(zhuǎn)換為容納氫氣(van Wijk A., Wouters, Rachidi, & Ikken, 2019)。但是同樣,與建造電纜相比,建造新的氫管道將是一個成本效益好的選擇,可以將可再生能源運輸?shù)綒W洲,見圖8。
圖8與歐洲相連的非洲潛在的氫基礎(chǔ)設(shè)施
天然氣、石油和天然氣化學(xué)運輸管道,有可能用于氫的運輸。在北非和歐洲之間的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施,有可能被用于運輸氫氣(Oldenbroek & Huegemann, 2019)。一種“新的”專用氫運輸管道可以從意大利到希臘,穿越地中海到埃及是可以被建造的并最終擴(kuò)展到埃塞俄比亞和中東地區(qū)(van Wijk A., Wouters, Rachidi, & Ikken,2019)。而從希臘到黑海,沿伊比利亞半島的南海岸而行專用氫氣管道也必須建造。
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