ABB：携手共筑能源未来白皮书（2021）（14页）.pdf

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1、 思想领导力携手共筑能源未来覆盖整个氢生态系统的资深技术和集成合作伙伴2前言Peter Terwiesch博士，ABB过程自动化事业部总裁Brandon Spencer，ABB能源工业业务单元总裁Peter TerwieschBrandon Spencer氢(H2)可以作为良好的能源载体和清洁能源，同时对于节能减排具有重要意义。在全球能源转型过程中，氢成为能源界和工业界万众瞩目的“明星”。然而，从依靠可再生能源运营的生产设施到氢燃料电池的创新应用，尽管激动人心的项目不断涌现，但要大面积推广氢，使之成为更可持续经济和能源体系的核心，依然任重道远。在过程工业、混合工业、能源工业和交通领域，我们的客

2、户不断寻求提高运营的安全性、效率和环境可持续性。ABB将经济成果与社会的积极影响相结合，帮助客户实现这些目标。ABB与全球客户和合作伙伴们紧密合作，共同构筑全新的氢生态系统。从法国的新建绿色制氢生产厂、澳大利亚与日本之间的氢液化和远距离输送，到船用燃料电池等创新应用，我们很荣幸能与客户携手合作，共同为世界可持续发展贡献力量。我们身处百年未遇的变革之中：能源正在向更清洁、更可持续的方向转变。作为全球最大的能源工业技术供应商之一，ABB清楚地认识到氢的市场热度不断高涨，氢有潜力帮助我们实现气候目标、改善能源系统的可靠性和韧性，开辟可持续的新业务模式来实现低碳未来。ABB致力于帮助客户迈向清洁能源的

3、未来。我们携手并进，通过提升地球资源利用的安全性、智能化和可持续性，让世界变得更加美好。氢能产业技术虽已日趋成熟，但其未来发展仍取决于制氢方法的转变，即从使用化石燃料（作为燃料和原料）制氢转变为利用可再生能源进行零碳电解制氢。实现这一目标困难重重，降低成本十分重要，还包括对碳定价以便向市场释放正确的投资信号。对于氢行业参与者来说，加强整个氢价值链，从整体角度看待该行业的发展至关重要。目标需要高远，但成败取决于细节。作为自动化和电气化领域的全球领导者，ABB深耕过程工业超过一个世纪，眼光独到。本文从行业现状入手，为氢行业发挥其全部潜力提供了一条路线图。概述The Future of Hydrog

4、en，国际能源署(IEA)3作为全球最大的过程工业技术供应商之一，ABB清楚地认识到，氢的市场热度不断高涨，且前景广阔。氢潜力无限，可以帮助我们实现气候目标，提高能源系统的可靠性和韧性，开辟可持续的新业务模式，来实现低碳未来。氢行业面临着不少挑战，但最关键的或许是需要一种全局思维。Atkins在一份题为“Engineering Net Zero(2020)/零碳工程2020”的技术报告1中表达了这一观点：尽管如此，世界各地的公共政策仍趋向于支持以低碳生产和广泛应用为基础的氢产业的发展。这一领域的发展将依赖于加强电力和生产之间、多种使用情景之间以及生产、运输、储存和终端消费之间的接口。要发挥氢的

5、潜力，行业参与者应努力打通整条价值链，进而降低成本、创造需求并进一步扩大氢能市场。氢经济的潜在参与者特别应该：甄别并发掘容易实现的目标（例如，将氢气添加到天然气网络中）在行业各环节中，寻找应用与业务模式之间的协同增效 在制氢及其他各方面推动规模经济 侧重新建设施的集成、整体设计和长期价值本文提供了ABB对氢能产业现状的评估，并详述了ABB的一些贡献实例。随后将探讨氢在近期的发展趋势，以及对氢行业长期发展提供了几点建议。在氢能生产、运输、存储以及终端应用过程中要强调各环节之间相辅相成的关系，以及配套能源（即电力）基础设施。国际能源署(IEA)于2019年6月在日本G20峰会上发布的名为“The

6、Future of Hydrogen”的报告2中指出：“其它清洁能源技术最近也有大幅增长，最重要的是直接使用电力的解决方案，这意味着氢的未来可能更多地是融入一个多元化的、互补的能源网络之中。”“最大限度发挥氢的长期潜在优势，关键在于突破氢的现有工业用途，以及发掘氢在各种新领域中作为多用途燃料的新应用。很大程度上取决于这些新应用是否能够帮助推动燃料多样化，以及在以低碳方式生产时，能否支持能源行业的清洁转型。”“氢经济中复杂的接口带来了技术挑战，有可能导致各环节之间出现脱节，或更为糟糕实现重复投资。此外，每个接口代表一个潜在的商业交易和风险。如果没有政府政策和承诺背书的明确氢战略，氢经济就有可能根

7、本无法发展。为应对这一风险，在任何应用中使用氢时都需要对能源系统架构有全局性视角，以确保能源系统各个环节相互协调。”天然气196 Mtoe炼油38 Mt H2氨31 Mt H2运输0.01 Mt H2其他4 Mt H2甲醇12 Mt H2DRI4 Mt H2其他如制热26 Mt H2生产对纯氢的需求与其他气体混合的氢需求煤75 Mtoe石油2 Mtoe电力/其他2 Mtoe副产物氢损耗48 Mt H2其中0.3 Mt氢来自可再生资源69 Mt H2氢的背景知识01氢的“颜色”绿氢可再生资源制氢，无碳排放粉氢用核能和/或余热提取（电解、重整）401 当今全球氢工业的价值链（来源：国际能源署）其中

8、0.4 Mt氢来自碳捕获、利用与封存技术(CCUS)其中0.1 Mt氢来自可再生资源氢是一种良好的能量储存介质和能源载体，其单位质量能量是汽油的三倍，但体积能量密度（常温常压下单位体积所能释放的能量）却很低。因此，在交付同等能量的情况下，需要运输更大体积的氢（是天然气的三倍）。全球每年生产约7000万吨纯氢气，另外还有4500万吨氢气作为与其他气体混合物的一部分。绝大多数(85%)氢气制出后就地消耗，因此该行业高度本地化。世界上大部分氢用于以下三种用途：33%在炼油中用作脱硫剂 27%用于氨合成，主要是用于化肥生产 11%用于甲醇生产，甲醇是一种生产其他化学品的常见原料。上述应用的氢供应基于成

9、熟的技术和成熟的市场。而备受瞩目的“绿色”应用，比如燃料电池电动汽车(FCEVs)，其实仅占氢能供应量的小部分，尽管这一领域正在快速发展，并呈现出强劲的未来需求（例如，如果长途货车换为使用燃料电池的电驱动）。图1表示氢能产业的投入和产出情况。H2通常来自化石燃料的热化学反应重整，其中最常见的是蒸汽甲烷重整(SMR)。这是成本最低的方法，但会带来大量的碳排放。或者，也可通过电解水获得氢，该过程用能量“分解”水分子并收集释放的氢。当与零碳能源结合时，可实现制氢过程中无二氧化碳释放，但电解工艺需要消耗大量的电和水。制氢成本因地而异，主要取决于投入成本（天然气、煤、电力）、运输距离和当地监管要求。美国

10、的制氢成本约为1美元每千克，而欧洲的制氢成本约为2.30美元每千克，导致差异的主要原因是美国拥有大量廉价的天然气。在上世纪20年代到60年代间，电解水制氢是工业氢的主要来源，使用江河的水和水力，在此之后，则通过天然气制氢。最近，行业观察者们提炼了一系列术语，以便快速区分各种制氢法。蓝氢天然气制氢，辅以碳捕捉、利用与封存(CCUS)灰氢天然气制氢，无碳捕捉、利用与封存(CCUS)，碳排放高棕氢煤/褐煤制氢，辅以碳捕捉、利用与封存(CCUS)（汽化）黑氢煤制氢，无碳捕捉、利用与封存(CCUS)（汽化）根据国际能源署(IEA)提供的数据，电解水制氢的成本是蒸汽甲烷重整(SMR)的两倍。只有电价在每兆

11、瓦时10美元至40美元之间，工厂每年满负荷运行3000至6000小时，电解水制氢才具有成本竞争力。此外，还需要考虑对蒸汽甲烷重整(SMR)过程中释放的CO2进行捕捉、利用和封存。简而言之，必须根据市场力量对碳进行定价，才能对绿色氢（见下文“氢的颜色”）进行定价。氢：准备好彻底颠覆欧洲气候中和氢能战略，欧盟委员会，2020年7月5国际能源署(IEA)的数据还显示，在蒸汽甲烷重整(SMR)过程中应用碳捕捉、利用与封存(CCUS)技术，会增加50%的投资成本和100%的运营成本。但是，在最合适的地区使用SMR+CCUS技术，可维持1.50美元每千克的制氢成本。制氢对环境的影响非常大。全球范围内，制氢

12、每年消耗2%的全球一次能源和6%的天然气，每年排放8.3亿吨CO2，相当于印尼和英国的总和。用电解水方法获得1千克氢需要消耗9升水，显然，这种制氢方法对环境的影响与使用电解槽供电的环境友好度相同。支持氢能的公共政策各有不同。欧盟已将氢能技术确定为欧盟产业政策的战略价值链，并将其认定为“欧洲共同利益的重要项目”。该称号授予具有较高科研含量并涉及多个欧盟成员国用于实现全面工业部署的高附加值项目。大部分欧盟国家以及澳大利亚、新西兰和其他国家都已制定氢发展战略。虽然美国尚未制定国家级氢战略，但一些州已自行出台措施，如加利福尼亚州的低碳燃料标准，将对制氢业进行补贴，鼓励购买氢能汽车，并资助建设加氢站网络

13、3。政府尤其重视资助绿色氢能项目，从而降低电解水制氢的成本。从严格的监管角度来讲，氢能需遵守化工行业的法规，例如，氢能受欧盟塞维索指令III(Seveso III Directive)对特定阈值以上化学物质储存的监管。然而，正如HyLaw在其2019年欧盟政策文件6中所指，氢行业的发展仍面临重重阻碍。HyLaw发现，在某些方面，欧洲法规与氢能产业的发展趋势脱节，例如：未明确区分制氢方法 缺乏针对小批量制氢的规则和流程 错误地将现场制氢的加氢站划分到工业范围内这些法规不仅抑制了行业发展，还增加了氢能的运输成本，甚至阻碍了氢对减少碳排放的贡献。即便如此，在各种应用的推动下，氢行业仍在不断发展，并扩

14、展到了尚未开发的市场，如交通和能源。相应地，各种技术也在发展，特别是用于制氢的电解槽技术和终端应用中的燃料电池。IHSMarkit的数据显示，截至2019年，欧洲已有40家水电解厂，这些工厂的规模不到10MW，但电解槽制造商已可提供十倍于此的生产能力。氢能产业是一个稳定、成熟的行业，但展望未来，仅仅是短期未来，已明显出现了颠覆性变革的迹象。首先，大型能源行业内正发生一些结构性变革，包括大力发展输配电系统，特别是欧洲在强调电力的去中心化（例如使用微电网），重新关注能源系统的可靠性和韧性，以及远离化石燃料、寻求燃料多样化。氢作为一种储能选择和低碳燃料（即燃料电池），有着独特的卖点，可支持这些广泛目

15、标的实现。“氢可用作原料、燃料或能源载体和存储介质，在工业、运输、电力和建筑行业具有广泛的应用潜力。最重要的是，氢在应用过程中不会排放二氧化碳，且几乎不会造成空气污染。在工业和经济领域，减少碳排放迫在眉睫但挑战重重，而氢是工业和经济脱碳的极佳解决方案。”天然气电力生产碳捕捉、利用与封存(CCUS)蒸汽甲烷重整(SMR)电解运输储存燃料电池智慧城市出行工业生产运输终端应用氢能项目的经济性制氢602业内观察人士也认为氢能有着巨大的发展潜力，但商业化绝非易事。天然气或电力等生产能耗和成本管理至关重要。随着越来越多的地区对碳定价，温室气体(GHG)排放可能通过碳交易系统或税收导致额外成本。如果美国改变

16、政策以推动电解技术的发展，此项成本的影响将会更大。最后，还要考虑资本成本。如果氢能项目无法筹措到资金支持，或者如果融资仅限于少数大型投资者，就会阻碍行业发展。另一方面，如果可以轻松从各种资源获得资金，则将加速氢行业的发展。02 氢价值链总览当前，全球大多数氢供应源自对化石燃料（通常是天然气）进行热化学反应重整，从而生成氢和副产物CO2等。蒸汽甲烷重整(SMR)是成本最低、应用最广泛的工艺，拥有庞大的安装基数，约占全球制氢量的75%。高温蒸汽与甲烷混合生成氢气、一氧化碳和少量CO2。丙烷、汽油，甚至乙醇都可作为制氢原料。蒸汽甲烷重整(SMR)是一种能源密集型技术，因为需要大量热能才能发生反应。热

17、量可从多个来源中产生，但目前主要来自燃烧化石燃料。最后，每通过SMR生产1千克氢，平均排放9.3千克CO2，略多于生产一加仑汽油的排放量（9.1千克）。部分氧化(POX)是一种类似的工艺，是利用某些输入气体的放热氧化（比如燃烧）来产生所需热量。这种工艺最常用于从煤或重油中提取氢，比如加拿大油砂中发现的重油。自热重整(ATR)将蒸汽重整反应和燃料氧化结合成了一个过程。与部分氧化(POX)一样，放热氧化为重整过程提供热量，但自热重整(ATR)比部分氧化(POX)效率更高，产氢量也更多，其排放量也比部分氧化(POX)或蒸汽甲烷重整(SMR)低，且排放过程可控，因此更易于实现减排。ABB在制氢领域提供

18、：电网和工厂电气、自动化解决方案 整流器 能源优化模型 资产管理，包括状态监控和预防性维护 安全管理 气体分析仪表制氢的主要挑战项目实例Lhyfe：为工业级绿色制氢提供自动化解决方案 气化是另一种从化石燃料中分离氢的技术，已在一些先进的燃煤电厂中得到应用。煤原料经化学反应转化为合成气体或“合成气”，合成气再分离为纯氢和CO2。CO2可以被捕捉、封存或调配用于其他用途，如提高原油采收率。考虑到气化厂的投资成本，这项技术可能只能用于少数应用场景，比如，在制氢与发电的同时，进行碳捕捉、利用与封存(CCUS)。电解水工艺利用电将水分子分解为氢和氧。现有技术使该工艺的效率达到60-80%，但是正如前文所

19、述，其成本是蒸汽甲烷重整(SMR)的两倍，且几乎完全取决于产地的电价。只有当所用的电是无碳能源发电时，才能获得完整有效的电解绿色认证，已知的无碳能源包括水能、太阳能和风能。在开发和市场接受程度方面，其他新兴技术也在发展。甲烷裂解是一种制氢技术，目前尚处于研发阶段，但可提供一些非常吸引人的优势。这种技术使用甲烷作为原料，依靠电力来提供热量，使甲烷受热分解出氢气和固态碳，从而避免了二氧化碳排放。其用电量比电解工艺低三到五倍。鉴于此，如果甲烷裂解可以得到大规模推广，则可能改变制氢规则。假设长期来看制氢转向低碳或无碳生产，电解和重整设施的运营商都需要考虑几个因素：第一，是提高性能、效率和安全性，同时降

20、低成本，当然这适用于几乎所有工业过程。对于电解制氢，需要将电解槽扩大至兆瓦级安装量，提高转换效率，为新建工厂寻找最佳位置，以便能够使用廉价且理想的无碳能源。可能还需要安装一定数量的现场发电设备，从而将制氢和发电在同一地点进行。如此，至少要对电力系统进行工程设计，以满足所有工况下电解制氢的特殊要求。短期内，蒸汽甲烷重整(SMR)仍将是主流制氢工艺，因此，业界可能会通过增加CCUS和微调工艺控制来缓解设施对环境的影响。但是，CCUS价格不菲，许多工厂都可能无力负担。同时，为提高效率并轻松捕获碳副产物，蒸汽甲烷重整(SMR)工厂可能改用自热重整(ATR)。沙特阿拉伯Sadara超大型石化综合体展示了

21、未来大规模制氢的光明前景。该综合体包括26个独立的石化厂，由18套分布式控制系统(ABB Ability 800 xA)监测并控制超过15万个数据点。由五个冗余控制室管理整个运营过程，每个控制室都能看到生产的任意阶段。该设施为其他过程生产氢原料，同一地点还配套有其他相关生产过程。对于氢能的商业化，这种布局可能是未来的所趋。法国Lhyfe公司致力于发展绿色制氢。在其Vendee地区的Bouin新工厂中，使用了ABB的Freelance分布式控制系统和ABB Ability制造运营管理数字化平台，彻底实现了过程控制和制造运营管理。该系统全方位把控生产，从而提高了整个生产过程的效率、安全性和生产力。

22、这家位于Bouin的工厂是Lhyfe的首家工厂，到2021年投产时，每天会生产400千克氢，其目标是日产量达到1吨以上。Lhyfe公司创始人Matthieu Guesne表示：“纵观全球，ABB的创新型解决方案正在不断提升行业效率、生产力和质量，并不断将环境的影响降至最低。此外，ABB在氢和可再生能源领域大举发力。他们的经验和广泛的产品组合引领我们就未来项目展开合作。我们很高兴能够和如此致力于可再生能源的企业携手并行。”生产运输终端应用氢的配送 814条高压输电线1000米宽用电网输送42GW能量与用管道输送氢气的对比1条管道20米宽VS不同输送方法天然气碳捕捉、利用与封存(CCUS)蒸汽甲烷

23、重整(SMR)电解燃料电池出行工业电力生产智慧城市运输储存氢的能量密度和沸点都很低，而甲烷的能量密度是氢的三倍，因此，氢的运输和储存难度更大。事实上，国际能源署的数据显示，将氢运至目的地后，其交付价格会比生产成本高三倍。因此，几乎所有的氢都在当地使用和生产。管道运输是最经济的氢气内陆运输方式，但对于长距离运输和海运来讲，氢气需要液化或转换成其他载体，才能实现最佳的经济效益。氢液化需消耗相当于初始H2量35%的能量，远高于天然气。根据国际能源署的数据，将氢转化为氨所需的能量较少，在7%和18%之间。但是，在目的地再次提取氢还需要消耗相同的能量。除此之外氨有毒且对环境有害，所以用氨作为载体会增加额

24、外的风险。也可将其他物质氢化，制成液态有机氢化合物(LOHC)，然后采用液态燃料运输技术来运输这些化合物，这样就避免了氨的毒性问题。制造LOHC的过程为能量密集型工艺，所需能量为输入氢能量的30-40%，但端到端的成本更低。实际上，根据国际能源署的估计，将氢转化并用船舶运输1500km，采用LOHC的成本是0.60美元每千克，采用氨为1.20美元每千克，而采用液态氢则为2.00美元每千克。转化成本会基于所需氢的纯度不同而有所变化。氢运输和储存面临的挑战毫无疑问，安全问题至关重要，尤其是在处理高压存储的气体时。管道首先连通收集系统和灌装设施，以此储存氢气，并随后通过管网将氢输送出去。管理此类设施

25、和优化终端运营需要专业的技术和深厚的知识底蕴。罐区等新工业设施的选址也面临挑战，需要集中建造，以容纳大量的氢。ABB在氢能输配领域提供：集装箱式模块化电气和自动化系统 罐区自动化和优化 远程监控和运营 压缩机和泵站 管道安全监控 泄漏检测 燃料电池通过电力传输或氢、氨及其他化合物等能源载体都可完成能量的输送。虽然电网可能是最具吸引力的方式，但实际上，通过管道运输气态氢占用的基础设施更少。例如，输送42GW电力需要14条高压输电线，占用一公里宽的公共用地。输送同样能量的氢只需一条管道，占用20米宽的公共用地。因此，虽然以电力传输的形式传递能量可能会有优势，但电网需要扩大到近乎不可思议的水平，才能

26、满足强劲的氢工业运输需求。氢的应用9项目实例氢能源供应链（简称HESC）项目：全球首个氢能传输和交易项目天然气碳捕捉、利用与封存(CCUS)蒸汽甲烷重整(SMR)电解运输储存生产运输终端应用电力生产智慧城市ABB在氢能应用领域提供：燃料电池出行工业氢能源供应链（简称HESC）项目将在澳大利亚通过褐煤气化生产氢气，再将氢气液化，然后存储并装载到专用运输船上，运输至日本。这将成为澳大利亚首个氢气液化终端。整个项目代表了全球首次将氢液化和运输技术实现商业化运营。ABB将为澳大利亚的制氢和液化提供电气和仪表解决方案，以及端到端的工程、项目管理和调试服务。此外，ABB还将为日本的再气化工厂提供自动化系统

27、。位于澳大利亚Hastings港的试点设施于2019年开工建设，试点阶段从2020年开始持续约一年左右。该项目有望带来14亿美元的出口创收，使澳大利亚成为制氢领域的全球领导者。ABB工业自动化事业部总裁Peter Terwiesch表示：“ABB很高兴能就这一世界级项目与客户展开合作，支持澳大利亚实现氢能液化和运输技术的商业化运营，并随后向日本输送清洁能源，减少排放。”当前和未来的氢能应用都反映了这种燃料和能源载体的灵活性。最受瞩目的应用之一是为电网提供能量存储及发电支持。如今的燃气轮机已经可以使用5%氢气与95%甲烷2的混合物，新的设计还能接纳更高的浓度。国际能源署进一步建议，“柔性电厂的装

28、机容量往往很低，在这种情况下，成本低于2.50美元每千克的氢作为发电燃料有很大的竞争潜力。”用氢能替代天然气（或是煤碳）将改善空气质量和公众健康状况。氢还可以提供备用系统，增强恢复力。从存储看，最具吸引力的氢应用之一是在非高峰时段利用过剩可再生能源发电（例如风能）来制氢。德国已在尝试将制氢与海上风电结合。能源领域中，最引人注目的氢能应用是将氢融入现有的天然气管网中。燃气灶等家用电器可接受高达30%的氢，且没有任何不良的影响。工业过程在这一方面各有不同，但用氢取代5%的天然气管网流量是非常易于实现的目标，此举还将大幅提升全球的氢需求量。反过来，这将刺激制氢投资，推动更多创新型多用途应用。模块化集

29、装箱式电气和自动化系统 状态监控 跨网络氢能用量优化 面向氢能源汽车的加氢基础设施 CHP（热电联产）涡轮机自动化 燃料电池项目实例欧盟FLAGSHIPS创新项目：罗纳河上的氢动力伦敦帝国理工学院的碳捕捉研究10在交通运输方面，氢的用途极为广泛，主要是为电动机供能的氢动力燃料电池。此类燃料电池已在汽车上成功应用，因其能量密度更大，所能提供的续航里程也大于锂离子电池，因此，车队往往是燃料电池汽车(FCEV)的尝鲜者随着现场加氢需求的增加，加氢站的成本会下降，使消费者的使用成本进一步降低。燃料电池的性能有望在未来几年内达到兆瓦级，因此也有潜力成为大型远洋船舶的通用能源。事实上，2020年4月，AB

30、B与Hydrogene de France(HDF)签署了一份谅解备忘录，共同制造兆瓦级燃料电池系统。新系统将用于ABB和Ballard Power Systems联合开发的兆瓦级燃料电池电厂。燃料电池已被广泛用于供热和供电，尤其是在医院等关键基础设施中应用广泛。住宅规模系统的成本仍然很高，但如果技术进步和其他领域对氢气需求的刺激能够使成本降低，这部分市场将代表氢能的巨大的潜力。长期以来，氢一直广泛用于化学和过程工业，根据国际能源署的数据，到2030年，氢能在这些领域的用量将增长近30%。氢既能用作原料，又能用作过程加热的燃料。如前所述，目前化工行业的氢主要用于氨、甲醇和炼油，但用量仍可能进一

31、步增长。随着公共政策日益向低碳燃料倾斜，氢可在减少石油燃料的硫含量和CO2排放量方面发挥巨大作用。大多数炼油厂都已配置蒸汽甲烷重整(SMR)设备。此外，额外添加碳捕捉、利用与封存(CCUS)技术可能比改为电解制氢更有效，也是基于这一原因，重整技术在未来数年仍将作为主要制氢方法。炼油和石化业务为使用氢能打造互补性应用提供了绝佳实例。石油化工蒸汽裂解装置往往产生多余的氢，而炼油厂生产的低价值燃气又可为蒸汽裂解设备所用。因此将这些厂房布置在一起将是双赢之举。FLAGSHIPS创新项目由欧盟资助，旨在在内陆和近海部署商业运营的零排放船。根据该计划，ABB将与由Hydrogen Europe、LMG M

32、arin、NCE Maritime CleanTech和PersEE组成的联合体合作，为法国Sogestran集团子公司Compagnie Fluviale de Transport(CFT)的新建船提供燃料电池供电和推进解决方案。这是全球首批纯氢动力内河船之一，预计于2021年交付，随后在法国罗纳河上投入运营。燃料电池内的氢将由岸上的可再生能源供应，因此整条船都将是零排放。像FLAGSHIPS项目（见插图）这样的小规模船舶应用已经处于试点阶段，甚至已有小型工作船在使用电力推进系统。据Motorship的报道，“由挪威电动发动机制造商Evoy的联合创始人和首席执行官Leif A.Stavstr

33、and所设计的一种新型电动养鱼船，在船速达25节的正常运营中，船载可充电蓄电池可支持Evoy-1号运行大约1小时。在4节到5节的更低船速下，运营时间可提升至数小时。船舶可使用快速充电器在30分钟内充满电。”4从工业过程中捕捉碳，然后储存或用于其他用途，被视为是减少化石燃料CO2排放的关键举措。2012年，英国伦敦帝国理工学院在南肯辛顿校区利用ABB的无线控制技术创建了一个碳捕捉试验系统。该系统是全球最先进的碳捕捉系统，为碳捕捉技术的未来发展提供了学习机会。CFT首席运营官Matthieu Blanc说道：“半个多世纪以来，CFT一直是内河航道的创新者。以可持续方式为内河运输提供电力是一项全新挑

34、战，但减少欧洲内河航道的排放，尤其是城市中心的排放，已经变得至关重要。我们希望通过这个项目证明零排放运营不但可行，而且能够实现商业盈利。”如何实现目标：加强氢价值链11上述实例说明，即使在当下，氢的影响也是如此广泛。展望未来，氢还能：支持产业竞争力与创新：促进跨行业跨区域的能源配送，通过经济规模降低氢原料的成本，从而降低次级产品的成本 改善公众健康和安全：降低CO2、NOx和其他化石燃料相关污染物的排放 增强能源系统韧性：对在役、关键电力应用进行去化石燃料的多样化举措 实现能源与运输系统脱碳：吸收过剩电力、替代现有管网中的天然气，以及在供热和出行方面替代化石燃料。这些都是减少温室气体(GHG)

35、最具挑战的领域实现氢能的优势需要公共政策与私人投资相辅相成。下面简要介绍ABB对氢经济发展的展望。新建电解水厂在设计阶段会面临许多挑战。选择电解槽技术（质子交换膜或是碱性电解槽技术）、确定系统规模、选择平行生产线，所有这些都需认真考虑，尤其是在工厂电气方面。对制氢商而言，寻求模块化解决方案，以便在扩大生产的同时确保安全性和可靠性至关重要。将系统、设备和工程都囊括在内的最终工厂概念标准化设计将大幅减少后续项目的成本。设计一套坚固耐用又经济划算的配电系统至关重要。比如，运营商必须考虑电气设计中的运营灵活性，因为这会影响系统稳定性。此外，使用大型整流器还需处理谐波，以便维持电能质量。控制可再生能源的

36、不稳定性将是关键。这需要使用蓄电池储能和由鲁棒算法支持的控制原理。在最终设计中，必须考虑并优化所有这些因素。各个供应商在电解槽拓扑结构之间也存在较大差异，必须针对所选方法优化电解槽与电力系统之间的接口。为解决上述问题，制氢商必须寻找专业合作伙伴，来提供工厂电气设备。该部分费用约占项目总投资成本的三分之一，但对确保长期可靠性、运营灵活性和工厂绩效至关重要。虽然制氢本身并不是一项新技术，但大规模生产却是全新难题。一些不擅长交付大型项目的供应商可能无法应对没有明确答案的问题。例如，如何大规模优化整流器与电解槽的接口绝非易事。必须根据特定需求和运营要求对每一个项目进行精心设计。长远考虑硬件和控制逻辑同

37、样重要。在项目的整个生命周期内提供服务更为关键。选择在安装、调试和长久支持方面都可提供预设计/FEED的合作伙伴，从而确保整个生命周期内项目的推进。ABB的氢能供应链愿景构筑在综合可再生能源系统的发展至上，并强调由先进的数字化系统支持的多种应用。从生产角度来看，最重要的是认识到，所有制氢技术对于促进行业发展来讲都是必不可少的。蒸汽甲烷重整(SMR)具有庞大的安装基数，因此它可能仍将是主要的制氢方法。因此，氢生产商应探索优化SMR工艺效率，寻找降低能耗和成本的方法，同时进一步开发低碳替代品（比如电解），并实现商业化运营。现有工厂也可以着眼于添置碳捕捉、利用与封存(CCUS)技术，以解决排放问题，

38、特别是在新法规强制实施碳捕捉的情况下。这就要求工厂重新检查配套电力系统，以确保新流程（主要是新化工厂）能与制氢过程相邻，高效、安全、可靠运营。加强氢能运输和储存12工程设计建设运营维护销售ABB服务贯穿项目生命周期 氢能需求评估 储存需求优化 电解槽技术采购 电网连接要求 安全和安保理念 设备供应 系统集成 调试服务 能源输入优化 数据采集与监视控制(SCADA)系统管理 资产管理 电解槽维护 电堆更换 氢能销售（主要收入来源）电网服务（次要收入来源）生产出来的氢主要通过管道输送，这在行业初期尤为常见。管道运营商可以吸取天然气管道运营的经验教训并充分利用现有资产。新建一条专用输氢管道的投入比天

39、然气管道高出10-50%，但重新利用现有天然气管道的成本仅为新建专用输氢管道的10-25%。5运营和维护方面依然存在一些问题。例如，由于氢脆的原因，氢会加速管道的退化，但是，建设或改建管道时使用带涂层或韧性更好的钢管，以及在运营和维护过程中定期清管并保持压力稳定都可以解决这个问题。由于氢气的特性以及比天然气更大的流量需求，天然气管网压缩机站可能无法用于氢气。在天然气管道中，因为维护成本和环境影响，使用电动马达为压缩机站供电比使用燃气发动机更具优势，但在氢管网中，利用H2本身来驱动汽轮机可能更有利。此外，在氢气管道项目中，必须在设计一条管道（压力和流量较高）和选择两条管道（压力更低）之间进行取舍

40、。有证据表明，前者建造成本可能更高，且冗余管道在可靠性和供应安全性方面更有优势。没有放之四海而皆准的做法，每个项目都必须单独评估。在氢能行业发展的过程中，管道还发挥着独一无二的作用，因为氢气可以添加到现有的天然气管网中，从而实现现成的氢能应用。这可能是促进氢能需求、刺激供应技术投资的唯一最佳方法，且避免了新建项目所需的成本和可能带来的风险。加强氢能的使用提升氢能的使用效率，减少相关成本，可促进需求，刺激价值链上游投资。燃料电池就是绝佳的例子。目前，其成本不超过250美元每千瓦，采用最先进的技术可使成本降至180美元每千瓦。为进一步降低成本，必须改进燃料电池设计，但大幅降低成本还必须依赖燃料电池

41、生产的规模经济效益。据国际能源署称，“双极板、膜、催化剂和气体扩散层占据了约一半的系统成本。将工厂规模从每年1000单位提升至10万单位，可降低65%的成本。”这将使系统总成本降至50美元每千瓦。同样的规模经济也适用于面向燃料电池汽车(FCEVs)的加氢站。在这些设施中，压缩机和储罐成本高达总安装成本的60%。将加氢站的容量从50千克每天增加到500千克每天，可使配送每千克氢的投资成本降低75%。2天然气碳捕捉、利用与封存(CCUS)蒸汽甲烷重整(SMR)电解运输储存智慧城市出行过程工业和发电生产运输终端应用系统集成服务和安全咨询电力生产快速发展的行业伴随着成长的阵痛The Future of

42、 Hydrogen，国际能源署(IEA)1303 ABB对氢价值链的贡献03当然，氢生产和消费中存在先有鸡还是先有蛋的问题，两者相互依赖，共同刺激投资。但是，正如本文所指，先行者机会多多。短期之内，将氢添加到天然气网络是最有效且最可行的方法。将互补性能源的生产过程布置在同一地点最具有实质性意义，但可能仅在大规模建设时才能实现。在大规模生产时，过程与规模经济可以实现最优的综合效应。早期项目的成功取决于有效的合作伙伴关系。在电力系统和过程控制方面拥有广泛能力的合作伙伴能够减少接口，使项目建设更简单。能够管理复杂项目、整合单一和多供应商的能力非常重要；在管道、可再生能源和航运等特定领域的经验也很有价

43、值。在文中，一些主题被反复提及：如设计阶段中的集成和优化，以及重视应用积累。这都要求对氢能项目的生产、运输、储存和使用进行通盘考虑。随着业已成熟的氢能产业正在经历中年转型，逐步成为低碳经济的基石，这一点更是日益凸显其重要性。“最大限度发挥氢的长期潜在优势，关键在于突破氢的现有工业用途，以及发掘氢在各种新领域中作为多用途燃料的强有力的应用案例。不过这很大程度上取决于，打造燃料多样化方案时氢可发挥的作用，以及进行低碳资源生产时，氢为向更清洁能源体系过渡所提供的支持。”电网和工厂电气及自动化系统 能源优化模型 资产管理，包括状态监控和预防性维护 安全和安保管理 气体分析仪表 项目执行 集装箱式模块化

44、电气和自动化系统 压缩机和泵站 管道 泄漏探测 燃料电池 集装箱式模块化电气和自动化系统 压缩机和泵站 罐区自动化和远程控制/优化系统 CHP（热电联产）涡轮机自动化 燃料电池 氢燃料出行基础设施 状态监控和工厂使用优化 模块化的标准电气和自动化系统 全面的电气化、自动化和优化解决方案组合 能源优化模型关于ABBCO2密集型零CO2 Production Transportation Storage Distribution End-uses9AKK107991A3152 版本A 2020.10.08尾注1.“Engineering Net Zero,”Atkins,2020.2.“The f

45、uture of Hydrogen,”International Energy Agency,2019.3.“Strategic Horizons|Global Hydrogen:A new path for clean energy?”IHS Markit,Apr 11,2019.4.“ABB drives for full-electric workboat,”Motorship,Jul 27,2020.5.“How a dedicated hydrogen energy infrastructure can be created,”European Hydrogen Backbone,J

46、uly 2020.6.“Deliverable 4.5 EU Policy Paper,”HyLAW,June 2019.14可持续发展转型需要深厚的过程专业知识和一个既有雄心又实事求是的路线图，提供直抵目标但又循序渐进的转型计划。要将能源价值链从CO2密集型运营转为零CO2运营，您的合作伙伴必须对一次能源发电、到创造最佳能源组合、到最终到销售的所有步骤了如指掌，还需要能够提供并集成配套的解决方案。ABB以独特的方式将经验、专业知识和愿景汇入氢能产业中，ABB拥有130多年的创新历史和50多年的能源行业经验，业务遍布全球100多个国家和地区，员工人数达11万。开创性技术，助力传统行业实现高能效

47、和低碳运营 久经考验的集成和项目实施专业知识，通过技术与工程合作伙伴，在全球范围开展复杂项目 新能源模型，支持新能源和可再生能源发展 承诺清洁能源的未来，具备强大的可再生能源项目交付能力，始终承诺帮助所有客户向更清洁能源的未来过渡ABB是全球技术领导企业，致力于推动社会与行业转型，实现更高效、可持续的未来。ABB通过软件将智能技术集成到电气、机器人、自动化、运动控制产品及解决方案，不断拓展技术疆界，提升绩效至新高度。如需了解关于ABB及联系代表的更多信息，请访问我们的网站：solutions.abb/hydrogen。ABB提供范围广泛的产品，覆盖从生产、运输、储存、输送到最终应用的整条氢价值链。我们与合作伙伴携手并肩，共同创建新的氢生态系统。我们坚信，可持续且充满经济活力的生态系统依赖于与整条价值链专家的积极合作，和在实际应用中积攒的经验和专业知识；最重要的是，用集成的、全局视角的解决方案和方法对价值链进行塑造。生产运输储存应用