谁在主导非洲“绿色氢能”?

  摩洛哥为何能引领非洲“绿色氢能”的发展?

  摘要:绿色氢能源的使用被认为是实现可持续能源经济的关键。氢能源解决了使用非再生能源带来的一些根本问题,包括原材料稀缺,污染以及不可持续性等问题。近年来,为了达到承诺排放量和实现脱碳战略,世界各国的政策制定者一直在追求绿色氢能的发展。在这个全球背景下,非洲一颗冉冉升起的新星——摩洛哥预计到2030年产出全球绿色氢能需求的4%。本文将分析摩洛哥能在绿色氢能发展方面领先非洲其他国家的原因,并讨论其对中摩关系的现实意义和对中东和北非地区(MENA Region) 的影响。

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  1. 什么是绿色氢能发展?

  氢能是公认的最环保的能源之一,在工业界被用来替代石油和其他燃料。在有足够的氢气和氧气供给下,制氢系统能够源源不断地产出能源。基于能源的高效性和可持续性是从目前以化石燃料为基础的经济转变到循环经济的关键因素,制氢系统有望成为未来的产能系统。

  根据能源的来源,产能方式以及其特性,氢能大致可以分为三类。根据产能的方式,氢能可以分为灰氢,蓝氢和绿氢(参考图一)。灰氢生产成本最低,但其成本可能会随着碳排放收费的增高而变高。蓝氢的生产成本较灰氢更高,但随着碳排放的收费变高,两者的成本差距也会不断减小。绿氢是通过水电解所生产的,不产生二氧化碳,且其生产成本依据电解过程中所使用的绿色电力而定。绿氢的生产成本通常包括电费,电解设备的建设费用以及运转成本(参考图二)。

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  图一:灰氢蓝氢和绿氢的生产对比

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  图二:全球产氢成本估算

  绿氢的应用包括将可再生能源转换成清洁能源并进行储存,传输和各个需求方面的重利用。可再生的“电转X”(Power-to-X ) 技术作为一个新起的平台,可用于储存多余的可再生能源以便之后供终端使用,这同时也提供了一种资本密集型的脱碳方法来生产绿色燃料和化学用品。举例来说,如果使用太阳能,生产氢的本身就是清洁过程,因为太阳能(可再生资源)产生的剩余能量可以进行电解来将水分离成氢气和氧气。氢燃料电池可以接着通过转换氢气来供电。在能源生产的过程中,除了燃料电池的成本外,主要的成本根据用于进行电解的绿色电力而定。对于已经拥有支持生产,储存和运输氨和甲醇的基础建设的国家,在氨生产,提炼过程以及工业制造的过程中绿色氢可用来替代普遍使用的矿物氢。

  非洲的许多国家已经采取了必要的措施去扩大可再生资源的规模,这意味着非洲或将成为潜在的发展氢能的合适场所。尽管研究表明在2030年之前,非洲的五十个国家只能生产少于百分之十的可再生能源(发电主要还是用煤,油和天然气),但可再生能源的使用作为经济可行的模式,其规模在非洲大陆还在继续上升。例如,根据 IRENA的一份报告,太阳能光伏发电的成本自2009年以来下降了约80%。成本的下降促使许多非洲国家采用太阳能发电的模式来获取可靠并且经济实惠的清洁能源。目前,北非可再生能源的成本,尤其是太阳能的成本,与传统能源一样低廉。绿色氢的应用同时也能改善非洲的粮食和能源安全问题。鉴于目前对化石氢的需求主要集中在制造和炼制过程中,而目前整个非洲大陆的制造和炼制活动密度很高,绿色氢的生产可以使当前的经济活动实现脱碳化,并提高可再生能源的普及率。

  随着大众媒体对氢能发展越来越多的曝光,摩洛哥在众多非洲国家中受到了最多的关注,并被广泛认为是全球绿色氢市场中最有潜力的国家。本文接下来将介绍摩洛哥氢气发展的情况,并基于中国氢能发展的现状讨论中国氢能的部署将如何影响摩洛哥乃至中东和北非地区的氢能部署。

  2. 摩洛哥在开发绿色氢方面领跑非洲:为什么摩洛哥是 “被选中”的发展绿色氢能源的国家?

  首先,摩洛哥的能源可用性和其有效的能源政策已显示出成功,并证明了政府良好的能源管理能力和该国在氢能市场上的潜力。摩洛哥是北非最大的能源进口国。根据摩洛哥能源部的数据,截至2014年,摩洛哥大约90%的能源需求依赖进口。该国本土缺乏化石燃料,而这正是摩洛哥能源的主要来源。摩洛哥缺乏石油储备的事实和高需求促使该国进口大量能源。值得注意的是,自1990年以来,摩洛哥的主要能源供应总量增加了约170%,而最终用电量增加了约270%。然而,截至2018年,他们的石油产品消费仍占最终能源消费的70%以上。这表明摩洛哥仍然严重依赖能源进口,特别是石油产品、煤炭和天然气,来维持其能源需求。(参考图3)

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  图三:摩洛哥能源生产(2018年进口和出口情况)

  尽管如此,摩洛哥仍有希实现国家能源发展路线所承诺的目标,即到2030年可再生能源生产占其全部发电容量52%。在实际行动方面,根据非洲太阳能展望2021年报告,摩洛哥免除了太阳能光伏设备的进口关税,并加强了相关消费的法规。与此同时,摩洛哥正在开发400MWp Noor PV II 多场地太阳能项目,这将进一步增加其可再生电力生产的能力。根据摩洛哥经济、社会和环境理事会(CESE)于2020年发布的一份报告,如果摩洛哥致力于当前的能源转型,到2050年该国96%的电力将来自可再生能源。这说明摩洛哥雄心勃勃的政策改革和可再生能源发展不仅减少了其对阿拉伯国家和非可再生能源的依赖,同时还扩大了自身可再生能源的生产能力,成为可再生能源发展的领先国家之一。在2021年绿色未来指数中,摩洛哥甚至在中东和北非地区排名第一,在非洲排名第二。因此,摩洛哥目前和未来预期的可再生能源生产能力为绿色氢的开发提供了机会。摩洛哥可再生能源产量的增加需要一种高效且环保的方案来存储多余的能源,以供离网系统运行。换句话说,提升可再生能源发电能力也增加了摩洛哥提高可再生能源发电比例的潜力,从现实角度讲,摩洛哥正在向100%的可再生能源系统迈进。

  其次,在氢气生产方面,摩洛哥可以利用其现有的基础设施来更有效地生产氢气。根据世界银行关于发展中国家绿色氢的报告,针对发展中国家呼吁的核心是绿色氢及其衍生燃料作为清洁能源载体的普遍性。除了通过扩大可再生能源来生产绿色氢外,摩洛哥还可以将绿色氢应用于其已成熟的沼气重整和氨生产过程。从图3中可以看出摩洛哥利用生物燃料和废物生产的能源占其国内总产量的一半以上。在就业机会、教育、培训和与欧洲现有电力基础设施连接的加持下,技术知识的转让可以在全球范围内带来广泛的机会。

  与其他非洲国家相比,摩洛哥政府已经进入了一个相对领先的氢开发阶段。从理论上讲,丰富的可再生能源、低运营成本和规模经济带来的机会使摩洛哥成为绿色氢经济(GHE)的潜在参与者。同样,南非所拥有的世界领先的太阳能和风能资源以及丰富的投资环境使其有可能成为绿色氢的出口国。大多数非洲国家通过非洲-欧盟能源或双边伙伴关系与欧盟建立了伙伴关系,而摩洛哥的氢发展伙伴关系正处于更领先的阶段。例如,摩洛哥与德国合作,于2020年在非洲开发了第一个绿色氢工厂。Power-to-X项目将专注于绿色氢的生产,并有望成为非洲第一个氢生产单位。该项目计划在2024年至2025年期间运营,通过太阳能电伏和风力发电的混合动力以供应绿色氢。该国还计划向欧洲提供大量太阳能和绿色氢,以实现气候中性。摩洛哥还与葡萄牙签署了一项关于在绿色氢领域发展伙伴关系的协定。在研究方面,太阳能和新能源研究所(IRESEN)和穆罕默德六世理工大学(UM6P)已经建立了一个绿色氢氨园(Green H2A)平台,旨在成为一个在绿色氢领域的研究和发展方面的国家,地区及大陆参考。摩洛哥自2019年以来还成立了国家氢委员会,成为非洲大陆上研究和开发绿色氢的先驱。与此同时,南非、尼日利亚和其他被认为在GHE中具有类似潜力的国家仍然停留在研究阶段,亦或只是开始尝试将氢和燃料电池系统用于机械,氨或甲醇燃料电池。

  第三,摩洛哥的基础设施和地理位置使其在绿色氢市场上相对于其他非洲国家具有比较优势。在基础设施方面,摩洛哥有通过马格里布-欧洲天然气管道与欧洲天然气基础设施相连接的天然气管道。氢可以与天然气结合,通过现有的天然气管道输送。最近一项关于非洲和欧洲之间氢气发展的研究指出运输氢气比大批量运输电力成本更低,因为北非和欧洲之间已经有现成的广泛覆盖的天然气基础设施,而北非的电网并不发达,只有一个电网连接摩洛哥和西班牙。在地理位置上,摩洛哥将天然气出口国阿尔及利亚与欧洲连接起来,这使得摩洛哥在氢气出口上可以成为北非和欧洲之间的连接点。这让摩洛哥做好了向欧洲国家以及其他非洲国家出口氢气的准备。据德国-摩洛哥能源合作组织(German-Moroccan Energy Partnership)估计,到2030年,摩洛哥将占全球P2X市场的4%左右。随着氢气生产成本的降低,发电的电解槽效率也有望在未来几年有所提高。从长远来看,这为摩洛哥成为市场主要参与者提供了机会。

  与此同时,欧洲对绿氢经济的需求预计会显著增长。鉴于在2050年能源蓝图中欧盟提出将在2050年实现温室气体净零排放的目标,其正在推行能源系统脱碳的战略。由于来源的多样化、风险和土地限制因素,欧盟寻求从第三国进口可再生能源。摩洛哥现有的基础设施和地理优势使其比中东和北非地区的其他国家更密切地与欧盟联系在一起。其他非洲国家在开发绿色氢方面仍处于初级阶段。根据德国经济合作与发展部的数据,到2030年,摩洛哥预计将生产全世界的多达4%的绿色氢。考虑到在实现政策目标方面总是存在的时间限制因素,摩洛哥在绿色氢开发方面相对可用的基础设施和地理优势使其成为战略伙伴。

  虽然摩洛哥的绿色氢发展得到欧盟的战略支持,但其氢发展可能会受到中国氢发展部署的影响。中国加快了氢动力汽车的发展,特别是在燃料电池技术和其工业制造过程方面。因此,由于技术的进步和中摩战略伙伴关系的加强带来的市场成本的降低可能会带来商机,从而改变摩洛哥绿色氢的发展。

  3.中国氢能发展

  中国作为世界上最大的氢能源生产国年氢气产量超过2000万吨。但是中国生产的大多数氢和化石燃料使用相关,被分为灰氢和蓝氢。中国氢能发展的目标是到2060年能够实现碳中和。目前,电解仅占总氢气供应的3%,其余的则来自煤炭。与此同时,国有企业已经加大了对氢精炼生产的投资。

  到目前为止,中国生产的氢气主要用于石化工业。然而,中国目前还处于向绿色氢经济转型的早期阶段,正在建立大规模的工业生产过程来生产绿色氢。由北京京能电力有限公司牵头的一个大型项目正在内蒙古进行中,该项目将风能和太阳能发电与氢气生产和储存相结合。该项目预计将于2021年完工。这家发电厂预计每年可生产多达50万吨氢气。此外,中国首个通过陆上风电场电解制氢系统即将在河北省完成。预计它将为2022年北京冬奥会提供动力。

  值得注意的是,中国加快了制氢的研究、开发和应用,并建立了氢气加气站和燃料电池汽车。作为世界领先的发电设备制造商和供应商,上海电气近日签署协议,将在中国建立PEM制氢技术研发中心,通过PEM水电解设备的研发,为中国的绿色氢气开发助力。电解槽是氢气生产中价格昂贵的部件之一。中国国有企业有望主导PEM电解槽市场并控制产氢成本。根据国际能源署和其他机构的建议,近年来氢气产量显著增加,绿色氢市场潜力巨大。(见图4)

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  图四:2050年氢的预估年需求

  据绿色一带一路中心介绍,绿色氢的应用可被纳入“一带一路”项目。例如,在航运业,99%的船舶的柴油发动机可以被碳排放更少的氢燃料电池取代。鉴于中国是船舶制造、物流运营以及港口数量大国,除了在货船上用氢燃料电池替代柴油发动机外,中国可以转向使用氢燃料电池来支持低碳排放的航运走廊。通过“一带一路”,中国企业还可以通过发行绿色债券的方式,投资海外氢项目。

  4.中国的氢气部署对摩洛哥以及中东和北非地区的氢气发展有何影响?

  在“一带一路”倡议下,中国建筑公司也在摩洛哥建设可再生能源基础设施,包括摩洛哥努尔三世(Noor III)集中太阳能发电(CSP)项目,其中包括世界上最高的太阳能塔。基于两国多年的合作以及现有的绿色金融法规,接下来中国企业可以转向投资混合可再生能源系统。

  此外,中国氢气的部署预计将加剧对氢能源投资的竞争,摩洛哥、北非和中东和北非地区可能从竞争中受益。首先,中国和欧盟企业之间的商业竞争将推动氢生产技术的发展,从而降低电解槽和可再生能源的成本。尽管绿氢与灰氢和蓝氢在价格上没有竞争力,但随着电解槽和可再生能源成本的降低,其价格预计会下降。摩洛哥和中东和北非地区开发绿色氢的总体成本也会随之下降。

  第二,中摩伙伴关系与欧盟-摩洛哥伙伴关系本质上的不同为摩洛哥提供了新的机遇。从战略上讲,欧盟与摩洛哥在绿色氢发展方面的伙伴关系仅限于绿色氢领域,包括建设绿色氢工厂、技术转让、增加就业机会等。所有的机遇都属于绿色氢发展的战略范围。在欧盟大力帮助摩洛哥建立绿色氢供应基础的同时,中摩伙伴关系可以使摩洛哥的制造业更好地适应绿色氢的使用。例如,中国出台的新政策在行业供应链和技术方面都支持氢燃料电池汽车。另一方面,摩洛哥一直积极追求一贯的劳动密集型工业制造环境,创造和发展新的工业,尤其是汽车工业。自2016年以来,汽车行业已经成为摩洛哥出口收入的主要驱动力。随着新的工业和技术中心丹吉尔科技城(Tangier Tech City)的建设,摩洛哥的汽车业可能会应用氢燃料电池技术以提高其市场价值。

  5.区域的影响

  针对能源的主要竞争可能会使中东和北非地区成为一个主要的绿色氢出口地。考虑到绿色氢的成本竞争力,以及到2050年绿色氢市场的年出口量预计将达到3000亿美元,各国开始竞相投资绿色氢。例如,随着欧盟绿色协议(Green Deal)的启动,北非地区被认定对绿色氢生产伙伴关系至关重要。欧盟为开发绿色氢所提供的财政支持以及预期下该地区的高需求为北非国家开发绿色氢项目提供了主要动力。此外,根据彭博新能源财经和中东和北非与欧洲关于绿氢的政策文件的数据,由于中东和北非地区太阳能和风能发电的综合容量系数较高,而且是世界上能源成本最低的地区之一(LCoE),目前该地区生产的绿色氢可能低于每公斤两美元(在大型项目中平均为每公斤2.5-4.5美元)。这显示了该地区的出口潜力。因此,由于其出口潜力和吸引市场主要参与者投资的能力,它比区域内其他国家获得优势。从地缘政治的角度来看,北非和中东地区绿氢的出口能力也将提升该地区供应的多样化。

  此外,非洲氢伙伴贸易协会(AHP)在2019年发布的两本手册(《绿色非洲氢业务的规划》和《绿色非洲氢能债券,资助绿色非洲氢能交易》)中描述了其对于利用协同效应、规模经济和在参与非洲国家之间交叉销售以发展氢经济和社会的愿景。鉴于目前全球绿色氢物流基础设施还不完善,而且大多数国家目前都在本国范围内开发绿氢,这是世界范围的首次展望。在绿色非洲氢能债券的发展支持下,广泛的跨非洲氢能路线计划的实施使得非洲国家有机会获取先前无法获得的必要资本。非洲的能源基础设施长期落后,不仅仅是因为资金或技术上的限制。AHP提出的综合区域走廊将为非洲的项目搭建桥梁,使有多学科背景的基础设施专业人员能够交流经验,并推动非洲大陆的整体发展。如果成功,非洲将成为国际上使用清洁能源并将绿色经济和社会的理论转化为大规模实践的先锋。

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  摩洛哥的氢能项目推进情况

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