能源轉(zhuǎn)型中氫能的作用
氫能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為能源轉(zhuǎn)型的強(qiáng)大推動(dòng)因素，發(fā)展氫能將會(huì)對(duì)能源系統(tǒng)和終端用能領(lǐng)域帶來諸多益處（如圖2所示）。
圖2 氫能在多個(gè)行業(yè)中起到減少
碳排放的作用
1. 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的可再生能源消納在
電力系統(tǒng)中，變動(dòng)的電力供應(yīng)和需求在時(shí)間上并不能很好地相互匹配（無論是日間，還是季節(jié)間）。提高間歇性的比例至目標(biāo)水平（40%以上）將對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性提出更高要求。逐步提高的電氣化程度和電能有限的存儲(chǔ)能力將需要更有效的儲(chǔ)能方案。為了解決各方面的
問題，我們提出了不同的解決方案，如電網(wǎng)升級(jí)改造和用于盡量實(shí)現(xiàn)短期或長期電力供需平衡的技術(shù)，如靈活性備用發(fā)電機(jī)組、需求側(cè)管理、儲(chǔ)能等。氫能在這方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它可以避免產(chǎn)生CO2和顆粒物排放，可以大規(guī)模利用，還廣泛適用于各種場景。氫能可以通過兩種方式來提高能源系統(tǒng)的效率和靈活性（如圖3所示）：i. 當(dāng)電能過剩時(shí)，可以通過電解將多余的電能轉(zhuǎn)化為氫氣。產(chǎn)生的氫可以在電力供應(yīng)不足時(shí)提供備用電力，也可以用于其他能源消耗領(lǐng)域，如
交通運(yùn)輸、工業(yè)或居民等。通過這種方式可以充分利用過剩電能。如果不通過氫能技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充利用，可再生能源存在丟棄的可能性將非常大。以德國為例，預(yù)計(jì)到2050年，德國可再生能源發(fā)電比例將達(dá)到90%時(shí)，預(yù)計(jì)可再生能源棄量將達(dá)到170 TWh/年以上，相當(dāng)于用氫氣為德國乘用車提供燃料對(duì)應(yīng)能量的一半左右。這意味著可以采用約60GW的電解功率對(duì)這一部分電能進(jìn)行充分利用，并產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益（經(jīng)濟(jì)性在一定程度上取決于電網(wǎng)互聯(lián)的水平）。
圖3 過剩電量可用于制氫以實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)能（模擬德國2050年情景，單位GW）
氫能既可以集中利用，也可以分散利用，既可以作為主要電源，也可以作為備用電源。與天然氣一樣，來自氫氣（或其化合物）的電能可以快速供應(yīng)或中斷。因此，氫能可以很好地應(yīng)對(duì)可再生能源的突然中斷（如遭遇惡劣天氣事件時(shí)）。此外，電解裝置還可以給電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，如頻率調(diào)節(jié)等。氫能也可以應(yīng)用在工業(yè)和建筑領(lǐng)域的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置中，同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能。這一技術(shù)將提高這些領(lǐng)域的發(fā)電和供熱效率，并整體提高能源系統(tǒng)的靈活性。其潛力將在接下來的部分中進(jìn)行討論。ii. 氫能可用作長周期零碳跨季節(jié)儲(chǔ)能載體氫能是長期性的零碳季節(jié)性儲(chǔ)能的最佳整體解決方案。雖然蓄電池、超級(jí)電容以及壓縮空氣儲(chǔ)能也有助于實(shí)現(xiàn)電量平衡，但它們?nèi)狈鉀Q季節(jié)性不平衡所需的蓄電容量和蓄能周期（如圖4所示）。抽水蓄能可以像儲(chǔ)氫一樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)能；目前，抽水蓄能占到全球儲(chǔ)能裝機(jī)容量（162 GW）的95%以上。然而，其尚未開發(fā)的蓄能容量由于受到當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件的限制，僅占全球每年能源需求的1%左右（0.3 EJ）。這還不足以應(yīng)對(duì)能源需求的季節(jié)性差異。以德國為例，其冬季的能源需求比夏季高約30%以上，而冬季的可再生能源發(fā)電量通常比夏季低50%（如圖3所示）。
圖4 氫能是最具應(yīng)用前景的長周期零碳跨季節(jié)儲(chǔ)能載體（零碳儲(chǔ)能技術(shù)概覽）
目前，氫能仍然是一種新的儲(chǔ)能技術(shù)，但越來越多的大型氫基儲(chǔ)能示范項(xiàng)目正在全球范圍內(nèi)規(guī)劃、推廣和實(shí)施，包括丹麥、加拿大、日本和亞太地區(qū)。另外，地下大規(guī)模儲(chǔ)氫是一種可行的技術(shù)手段，且不存在重大的技術(shù)障礙。隨著可再生能源比例的增加，氫能作為一種長期性的儲(chǔ)能方式預(yù)計(jì)會(huì)加速發(fā)展和實(shí)施。為此，鹽穴儲(chǔ)氫的成本預(yù)計(jì)將在2030年降至140歐元/兆瓦時(shí)（電轉(zhuǎn)電）。這甚至低于抽水蓄能的預(yù)測成本（2030年約為400歐元/兆瓦時(shí)）。德國可用于洞穴儲(chǔ)氫的潛在空間容積約有370億立方米，這足以儲(chǔ)存110 TWhth的氫能，可以完全滿足德國預(yù)計(jì)的季節(jié)性儲(chǔ)能需求?？傊?，氫氣可以實(shí)現(xiàn)在能源系統(tǒng)中更經(jīng)濟(jì)有效地耦合大量間歇性能源，同時(shí)為保障能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的靈活性。
2. 在不同行業(yè)和地區(qū)間進(jìn)行能量分配電力系統(tǒng)需要對(duì)可再生能源進(jìn)行分配。以日本為代表的一些國家由于地理?xiàng)l件限制，無法僅由風(fēng)能和太陽能提供電力供應(yīng)。還有一些國家可能還需要時(shí)間來募集必要的資金。在某些情況下，進(jìn)口可再生能源可能更為經(jīng)濟(jì)，例如，把赤道附近的低成本太陽能轉(zhuǎn)移到太陽能資源匱乏的地域加以利用。由于氫氣及其化合物具有很高的能量密度且易于運(yùn)輸，它們將有助于高效、靈活地（再）分配能源。長距離電力傳輸會(huì)造成能量損失，但通過管道運(yùn)輸氫氣幾乎可以達(dá)到100%的效率。這種優(yōu)勢(shì)使氫能在大規(guī)模和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸可再生能源時(shí)非常具有經(jīng)濟(jì)競爭力。例如，可以通過氫能，把能量從中東等具有很高的可再生能源發(fā)電潛力的地區(qū)轉(zhuǎn)移到歐洲等能源需要高的地區(qū)。作為一項(xiàng)長期應(yīng)對(duì)策略，進(jìn)口氫能將有助于我們應(yīng)對(duì)可再生能源的持續(xù)增長或確保在可再生能源發(fā)電量較少的冬季能夠提供充足的能源。日本計(jì)劃在2020年開展首次用于國際貿(mào)易的液氫運(yùn)輸船的技術(shù)示范。目前，氫氣管道和運(yùn)輸氫氣或液氫的長管拖車是最常見的運(yùn)輸方式。隨著氫能傳輸量的增大，氫氣也會(huì)和運(yùn)輸?shù)某杀驹谖磥?5年有望下降30~40%。已有關(guān)于采用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送氫氣的測試報(bào)道，但還沒有大規(guī)模應(yīng)用。利茲是第一個(gè)提出在2026年之前將其天然氣管網(wǎng)改造為氫氣管網(wǎng)的城市。
3. 充當(dāng)能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)的韌性氫能有助于將全球的能量儲(chǔ)存與不斷變化的能源需求相關(guān)聯(lián)。由于其能量密度高、可長期儲(chǔ)存以及用途廣泛等特點(diǎn)，氫能非常適合作為能源緩沖載體和戰(zhàn)略儲(chǔ)備。如今，全球能源約有90 EJ（占每年終端用能的24%）的能源儲(chǔ)備，幾乎全部以化石燃料的形式存在。氫能理事會(huì)認(rèn)為，未來能源儲(chǔ)備量不太可能大幅減少。然而，隨著能源消費(fèi)者和電力部門開始轉(zhuǎn)向替代能源，以化石能源存在的儲(chǔ)備量可能會(huì)縮減，因?yàn)橄幕茉吹膽?yīng)用場景是有限的。最有效的能源緩沖載體將會(huì)變得多樣化，它們可以直接用于（或轉(zhuǎn)化為）終端用能場景。這樣的能源緩沖載體將包括化石燃料、生物燃料/生物質(zhì)/合成燃料，還有氫氣。
4. 降低交通運(yùn)輸過程中的碳排放燃?xì)怆姵仉妱?dòng)汽車（FCEVs）在降低交通運(yùn)輸過程中的碳排放中具有重要意義。當(dāng)前，石油在全球交通運(yùn)輸消耗的燃料中占絕對(duì)地位，汽油和柴油占縱然了消耗的96%和全球碳排放量的21%（如圖5所示）?；旌蟿?dòng)力汽車（HEVs）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEVs）等高效混合動(dòng)力汽車已經(jīng)有效地降低了汽車尾氣排放。但是，為了完全實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸過程中的零排放，需要采用氫驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)車（FCEVs）和蓄電池電動(dòng)車（BEVs），或者二者的混合形式。交通出行領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和新的發(fā)展趨勢(shì)（如車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛技術(shù)、共享汽車）將對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用和轉(zhuǎn)型速度水平產(chǎn)生影響。
圖5 燃料電池車將在交通碳
減排領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用
兩種電動(dòng)車采用了類似和互補(bǔ)的技術(shù)，且分別適合不同的細(xì)分
市場和用戶。除了降低CO2排放，它們還能有助于改善當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量和減少噪音。燃料電池車在多個(gè)方面有重要好處。首先，它能在不中途加注燃料的情況下長距離行駛（已經(jīng)超過500公里），續(xù)航里程是消費(fèi)者非常關(guān)注的一個(gè)方面。其次，類似于目前的汽油/柴油車，給燃料電池車加注燃料也非?？旖荩?~5分鐘），這給消費(fèi)者提供極大的便利。第三，由于儲(chǔ)氫系統(tǒng)的能量密度非常高（與蓄電池相比），燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)成本和重量受儲(chǔ)能容量（kWh）的影響不大。這使得該技術(shù)受到了需要存儲(chǔ)大量能量的車輛類型的青睞（如重載能力和/或長距離/高頻使用的車輛類型）。最后，燃料電池車的基礎(chǔ)設(shè)施可以建立在現(xiàn)有的汽油分銷和零售基礎(chǔ)設(shè)施之上，形成成本優(yōu)勢(shì)并保留當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)和資產(chǎn)投入。燃料電池車將出現(xiàn)在多個(gè)細(xì)分市場領(lǐng)域?？紤]到上述有點(diǎn)，該技術(shù)將對(duì)降低碳排放的交通運(yùn)輸領(lǐng)域尤為重要，包括乘用車（如中、大型小汽車、運(yùn)輸車、
出租車）、中型運(yùn)輸車、公共汽車和非電驅(qū)動(dòng)列車。目前，還有研究致力于將氫氣制成的合成燃料用于船舶和
航空領(lǐng)域（如圖6所示）。在乘用車領(lǐng)域，燃料電池車的總擁有成本（TCO）目前還高于內(nèi)燃機(jī)（ICE）車，但在日本其行駛成本（每公里氫能費(fèi)用）已經(jīng)接近混合動(dòng)力車（HEVs）。當(dāng)燃料電池車達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化的時(shí)候，我們相信兩種技術(shù)在中、大型乘用車的總擁有成本（TCO）方面可以達(dá)到相當(dāng)?shù)乃健?/div>
圖6 在該領(lǐng)域領(lǐng)先的部分西方和亞洲國家計(jì)劃在未來十年內(nèi)大規(guī)模推動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。加氫站（HRS）數(shù)量分布示意圖。
燃料電池運(yùn)輸車和公共交通配套的基礎(chǔ)設(shè)施部署往往更簡單、成本也更低，因此特定的運(yùn)輸車和公共交通將更快地實(shí)現(xiàn)平價(jià)推廣。主要汽車企業(yè)正在尋求零碳排放汽車的解決方案。三家領(lǐng)先的汽車制造商已經(jīng)率先推出了商業(yè)化應(yīng)用的燃料電池車，而其它制造商也已經(jīng)宣布有意盡快推出自己的燃料電池車。燃料電池車正在逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，日本和美國的燃料電池車保有量已超過一千輛，歐洲也有幾百輛。多家代加工廠商（OEMs）擁有燃料電池車生產(chǎn)線，每年可生產(chǎn)幾千輛燃料電池車。到本世紀(jì)20年代初，預(yù)計(jì)將出現(xiàn)大幅增長，代加工廠商將有能力每年商業(yè)化生產(chǎn)幾萬輛乘用燃料電池車。這與多個(gè)國家發(fā)展燃料電池車的目標(biāo)是相一致的。例如，中國的目標(biāo)是到2025年在路上行駛的燃料電池車達(dá)到5萬輛，到2030年達(dá)到100萬輛。日本預(yù)計(jì)到2025年達(dá)到20萬輛，到2030年達(dá)到80萬輛。燃料電池車開始進(jìn)入
公交和貨物運(yùn)輸領(lǐng)域。雖然目前燃料電池公交車的市場份額仍然很小（全球上路的約有500輛），但最近的投資數(shù)據(jù)顯示，公交領(lǐng)域開始應(yīng)用燃料電池車方案的勢(shì)頭越來越猛。例如，連云港海通公交公司（中國）計(jì)劃投入1500輛燃料電池車，歐洲已宣布到2020年將部署總共600~1000輛燃料電池車，韓國也計(jì)劃在2030年前替代2.7萬輛CNG公交車。目前，幾個(gè)代加工廠商將目標(biāo)鎖定在商業(yè)化的重型車輛上。德國還宣稱他們將投入使用一批氫燃料電池列車。燃料電池列車與燃油機(jī)車相比已經(jīng)具備價(jià)格競爭能力（從總擁有成本的角度來看）。在該領(lǐng)域領(lǐng)先的西方和亞洲國家計(jì)劃在未來十年內(nèi)大規(guī)模建設(shè)氫能基礎(chǔ)設(shè)施。在歐洲，加氫站預(yù)計(jì)每兩年就翻一番，到2023年盡在德國就會(huì)有400座加氫站，美國加州到2020年的目標(biāo)是擁有100座加氫站。日本投入運(yùn)營的加氫站已經(jīng)超過了80座，韓國和中國計(jì)劃建立一個(gè)氫能網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)到2025年總共達(dá)到830座加氫站。預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂谐^3000座加氫站來滿足約200萬輛燃料電池車的永清需求。經(jīng)過這一階段的發(fā)展后，加氫基礎(chǔ)設(shè)施將實(shí)現(xiàn)自然增長。
5. 降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放如今，工業(yè)過程中大量消耗天然氣、煤炭和石油等化石能源，產(chǎn)生了全球20%的二氧化碳排放。工業(yè)領(lǐng)域亟需提高能效（包括余熱回收利用），從而減少能源消耗。水蒸汽電解技術(shù)可以幫助將廢熱轉(zhuǎn)化為氫氣。不論是低品位，還是高品位的用熱，工業(yè)領(lǐng)域都需要針對(duì)其工藝用熱進(jìn)行脫碳處理。為了減少低品位熱的碳排放，工業(yè)領(lǐng)域可以選擇的技術(shù)方案有很多。熱泵和電鍋爐在一些地區(qū)有供熱優(yōu)勢(shì)，而當(dāng)氫能是來自于
化工副產(chǎn)品或者特定工業(yè)需要配備不間斷電源和熱源（可由燃料電池提供）時(shí)，氫能顯然具有更大的優(yōu)勢(shì)。氫氣可以在氫燃燒器中燃燒，也可以用于燃料電池，是一種零排放的供熱方案。對(duì)獲取高品位熱能（高于400°C）的過程進(jìn)行
碳減排更具挑戰(zhàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，燃?xì)溴仩t可以對(duì)電加熱進(jìn)行補(bǔ)充，以產(chǎn)生高品位的熱能：考慮到電加熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面的限制，一些地區(qū)和領(lǐng)域更傾向于使用氫技術(shù)。當(dāng)前低品位用熱領(lǐng)域氫氣已經(jīng)得到了應(yīng)用，如工藝加熱和干燥等。未來，隨著氫氣燃燒器和燃料電池的應(yīng)用，工業(yè)領(lǐng)域從低到高不同品位的用熱負(fù)荷均可以通過氫能來滿足。燃料電池與燃燒器相比效率更高，且能同時(shí)提供熱量和電力，但是部署燃料電池初投資較大。而燃燒器只需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。
6. 將捕集的碳用作原料氫基化學(xué)可以作為
碳匯，降低
石化價(jià)值鏈的碳排放，并成為其中的一部分。當(dāng)前，原油（衍生物）被用作化工產(chǎn)品、燃料、塑料和醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。幾乎所有這些產(chǎn)品都含有碳和氫。如果碳捕集和利用（CCU）技術(shù)實(shí)現(xiàn)大發(fā)展（作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)和替代碳存儲(chǔ)的一部分），該技術(shù)將通過利用（綠色的）氫能把捕集的碳轉(zhuǎn)化為可用的化學(xué)品，如甲醇、甲烷、甲酸和尿素等。氫的這些應(yīng)用使得碳捕集和利用（CCU）技術(shù)成為其他難以實(shí)現(xiàn)脫碳的行業(yè)（如
水泥和
鋼鐵）中可行的實(shí)施方案，將有助于降低部分石化價(jià)值鏈的碳排放。使用氫和捕獲的碳來生產(chǎn)化工原料的技術(shù)目前處于研發(fā)階段，正在開展初試驗(yàn)證。冰島有一座正在運(yùn)營的地?zé)犭娬?，該電站利用產(chǎn)生的電能制氫，并和CO2結(jié)合制取甲醇。據(jù)稱這種甲醇共產(chǎn)方法在電價(jià)為30歐元/兆瓦時(shí)的條件下具有成本競爭力，不同的當(dāng)?shù)貤l件可能會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。瑞典已計(jì)劃開展一個(gè)類似的項(xiàng)目，將對(duì)鋼鐵行業(yè)中捕集的CO2加以利用。德國將鋼鐵生產(chǎn)中排放的碳與來來自過剩電力的氫結(jié)合，以生產(chǎn)化學(xué)品。該項(xiàng)目仍處于概念階段，預(yù)計(jì)將在15年內(nèi)達(dá)到規(guī)模發(fā)展。
7. 降低建筑采暖的碳排放采暖和生活熱水約占居民住宅能耗的80%。每年大約50 EJ的能量用于全球住宅供暖，貢獻(xiàn)了全球碳排放量的12%。氫能將成為降低建筑采暖碳排放方案中的一個(gè)重要選項(xiàng)。當(dāng)?shù)貤l件決定了方案的選擇。建筑采暖可以通過直接燃燒氫氣或者氫能利用技術(shù)來滿足，甚至可以將二者相結(jié)合：氫能利用技術(shù)有燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)等。這一技術(shù)可以高效地提供熱能和電能（效率大于90%）。氫氣本身也可以作為燃料使用（純氫或與其他氣體混合使用，部分降低氣體管網(wǎng)的含碳量）。對(duì)于那些與天然氣管網(wǎng)相連的住宅，改用氫氣燃燒供熱將有可能繼續(xù)使用現(xiàn)有的氣網(wǎng)。通過一些小的投資改造，現(xiàn)有氣網(wǎng)可安全地輸送氫氣和天然氣的混合氣體。要想實(shí)現(xiàn)完全脫碳，需要全部轉(zhuǎn)向氫氣，也就是像英國利茲天然氣管網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)一樣。在全球范圍內(nèi)，大約19萬座建筑已經(jīng)使用了氫基燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)來供熱。大多數(shù)的這種熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（效率高于95%）位于日本，其中大約一半是用甲烷與重整器相結(jié)合的方式產(chǎn)生氫氣。該項(xiàng)目表明了這種微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)足以滿足居民用熱和用電需求。預(yù)計(jì)到2030年，將有約530萬戶的日本家庭使用這種微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。規(guī)模經(jīng)濟(jì)已經(jīng)讓這種設(shè)備的價(jià)格降低了50%以上，從2009年的2.4美元/瓦到2014年的1美元/瓦。
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