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歐洲2×40GW綠氫行動計劃全文

2020-05-08 16:48
香橙會
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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,因此大規模的泛歐洲能源運輸、貿易和儲存是必要的。

在歐洲的一些地區,大規模的海上風力發電可以在沒有補貼的情況下以有競爭力的價格進行(Vattenfall, 2019)(Guardian, 2019)。在北海、愛爾蘭海、波羅的海和地中海部分地區,大型海上風力發電具有巨大的潛力。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,都可以發現大規模的陸上風能潛力。如今,大型太陽能光伏發電也可以無補貼、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行低成本的水力發電,在冰島、意大利、波蘭和匈牙利也可以進行地熱發電。雖然水力發電和地熱發電的潛力有限,但將來引進海洋/潮汐能源轉換設備可以進一步增加英國、葡萄牙、挪威和冰島可再生電力和氫氣的產量。烏克蘭擁有良好的風能資源和巨大的生物質潛力。這些資源既可以用于綠氫生產,也可以用于生物質生產綠色二氧化碳(UkrainianHydrogenCouncil, 2019)。

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圖3歐洲上空80米高度的太陽輻射(左)和風速(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。這是一個面積很大的地區(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%)的面積就可以產生全球的全部能源需求(van Wijk, van der Roest,& Boere, 2017年《人類太陽能》)

應該指出的是,撒哈拉沙漠也是地球上風力最大的地區之一,尤其是在西海岸。沙漠大部分地區地面平均年風速超過5 m/s,西部沿海地區達到8-9 m/s。風速隨著地面高度的增加而增加,而撒哈拉沙漠的風全年都很穩定。此外,埃及的扎法拉納地區與摩洛哥的大西洋海岸相當,風速高且穩定(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,某些陸地地區的風速與地中海、波羅的海和北海部分地區的離岸風速相當。

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圖4歐洲和北非的太陽輻射和風速資源(Dii & FraunhoferISI, 2012)

北非不僅有豐富的太陽能和風能資源,中東也有很好的太陽能資源,在一些地方也有很好的風能資源。土耳其、阿曼、沙特阿拉伯、約旦、阿聯酋等本地區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城市和位置非常遠。在這些良好的可再生能地區,可以進行豐富、廉價、但間歇性的太陽能和風能發電。現在的挑戰是如何以低成本和低損失運輸和儲存這些能源。將生產現場的太陽能和風能轉化為氫氣為這一挑戰提供了解決方案,因為氫氣的運輸和儲存成本遠低于電力。

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別在于基礎設施的容量。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生損耗,而通過管道輸送氫氣則不會產生損耗。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能資源的地區,數GW的電能和風能發電廠是可以被實現用來生產電力并且通過水的電催化轉化成為氫。這些不是太陽能和風能發電廠,而是太陽能和風能氫工廠。在數GW的太陽能和風力發電場生產廉價的氫,通過管道運輸大規模的氫,并在鹽穴儲存氫,可以提供更低的整體能源系統成本,一個可靠的能源系統,最重要的是一個清潔的,脫碳的能源系統。

歐洲可以用它的天然氣基礎設施去運送和存儲氫

對于快速擴大的歐洲可再生電的容量的一個挑戰是有限的電網容量。在2018,德國可再生在和海上風力發電的接近十億歐元的減少是因為2019年電網 (Bundesnetzagentur)容量約束。

在不需要大規模電網升級的情況下,將大量可再生能源整合到能源系統的解決方案的一部分是轉換成氫氣。

一個發達的天然氣基礎設施已經就位,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)的天然氣生產地區。天然氣基礎設施的能源傳輸能力至少比電網的能力大10倍。

再利用天然氣管道運輸氫

現有的天然氣基礎設施可以相對容易和快速轉換,以適當的成本容納氫(DNV-GL, 2017) (Kiwa, 2018)。此外,建設“新的”天然氣基礎設施比建設與“新的”電力基礎設施相同的能源運輸能力便宜10-20倍(Vermeulen, 2017)。然而,為了開發波羅的海的風能資源和希臘的風能和太陽能資源,需要新的氫管道基礎設施。

歐洲天然氣基礎設施公司Gasunie通過改造天然氣管道,已開始在荷蘭建設氫主干管道基礎設施。這個氫主干連接了從北海海上風能到鹽穴儲氫和工業集群的需求等氫生產站點,見圖5。Gasunie已經將一條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)。

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圖5荷蘭現有的氫氣主干輸送管道將是天然氣管道轉化為連接氫供應和氫儲存的氫輸送管道產業集群的需求(Gasunie,2019)

還在德國,FNB氣體,該協會的大型天然氣運輸公司在德國,已經做好了計劃建設5900公里氫輸網,部分通過轉換現有的天然氣管道,連接未來在德國北部的氫生產中心,與大型儲氫鹽洞和在西部和南部的大客戶,參見圖6。

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圖6德國氫骨干網——由FNB氣體提出,與規模較大德國國家天然氣運輸公司合作,開發了一個5900公里長的氫氣運輸網貫穿整個德國(數據取自德國《商報》28-1-2020)

圖7概述了一個跨國的歐洲氫氣基礎設施主干,它可以從整個歐洲(包括烏克蘭)的太陽能和風能資源區域運輸大量的氫氣。除了綠氫,藍氫(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設施,即大量創造的氫可以是藍氫,以相應大規模的需求中心和快速轉換到氫基礎設施中的天然氣基礎設施。

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        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,還有有吸引力的風能資源。這些太陽能和風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,以實現第三個0.7GW的電力互聯網絡(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遠小于氣體互連的容量。因此,對非洲和歐洲來說,開發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。部分天然氣網格可以轉換為容納氫氣(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到歐洲,見圖8。

歐洲2×40GW綠氫行動計劃全文

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圖8與歐洲相連的非洲潛在的氫基礎設施

天然氣、石油和天然氣化學運輸管道,有可能用于氫的運輸。在北非和歐洲之間的天然氣基礎設施,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展到埃塞俄比亞和中東地區(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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