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前言——氫能如何推動能源轉(zhuǎn)型

2015年12月12日，巴黎：195個國家簽署了一項具有法律約束力的協(xié)議，旨在將全球氣候變暖控制在2°C以下——這一雄心勃勃的目標要求全球經(jīng)濟體對全世界的多數(shù)能源系統(tǒng)都要實施脫碳。能源轉(zhuǎn)型面臨著諸多挑戰(zhàn)。我們必須建造和集成大量的可再生能源利用設(shè)施，同時確保能源供應(yīng)和系統(tǒng)的韌性。終端用能部門，如運輸，必須實現(xiàn)大規(guī)模脫碳。

在這種背景下，我們認為現(xiàn)在非常有必要重視和重申氫能解決方案的獨特優(yōu)勢。氫和燃料電池技術(shù)具有很大的潛力來實現(xiàn)能源系統(tǒng)向清潔、低碳方向轉(zhuǎn)型。完成這一能源轉(zhuǎn)型將大大減少溫室氣體排放和提高空氣質(zhì)量。

我們?yōu)榱酥С趾屯苿託淠艿陌l(fā)展，成立了氫能理事會。這個團體有13個成員單位，分別來自于全球不同的工業(yè)和能源部門。我們致力于在世界范圍內(nèi)，引導(dǎo)氫和燃料電池解決方案的加速發(fā)展。

氫是一種用途廣泛、清潔、安全的能量載體，可以作為動力燃料或工業(yè)原料。它可以產(chǎn)自于（可再生的）電力和脫碳的化石燃料。氫在使用時可實現(xiàn)零排放。它可以以高能量密度的液態(tài)或氣態(tài)形式儲存和運輸。它可以燃燒或者用于燃料電池中以產(chǎn)生熱量和電力。

在本文中，我們探討了氫在能源轉(zhuǎn)型中的作用，包括其潛力、最近已取得的進展以及未來面臨的挑戰(zhàn)。在政策制定者、私營部門和社會的支持下，我們還提供了相關(guān)建議，以確保加速推進氫能技術(shù)應(yīng)用的條件達成。

我們氫能理事會相信，氫能在實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型方面有非常大的潛力。為了使其充分發(fā)揮這種潛力，我們希望得到政策制定者們的支持，以克服現(xiàn)有障礙。氫能技術(shù)的推廣需要多方的努力，氫能理事會成員愿意進一步增加投資。這樣，我們有望看到穩(wěn)定的長期監(jiān)管框架、針對性的協(xié)調(diào)、激勵政策，以及制定和協(xié)調(diào)在政治層面必要的行業(yè)標準的各項舉措。

我們希望政府和主要社會利益相關(guān)方也認識到氫能對能源轉(zhuǎn)型的重要作用，并和我們一道制定有效的實施計劃，從而使氫能的應(yīng)用大獲成功。

第一章 能源轉(zhuǎn)型——必經(jīng)之路，全球性的挑戰(zhàn)

全世界廣泛理解和認同能源轉(zhuǎn)型的必要性。然而，能源轉(zhuǎn)型所涉及的問題和挑戰(zhàn)需要大家共同努力去解決。氫能提供了一種清潔、可持續(xù)、靈活的能源選擇方案，可以克服阻礙經(jīng)濟向韌性、低碳發(fā)展的多種障礙，因此很有可能成為能源轉(zhuǎn)型的強大推動者。

世界需要一種更清潔、更可持續(xù)的能源系統(tǒng)

除非能源系統(tǒng)在電力生產(chǎn)到終端用戶的各個方面都發(fā)生變化，否則全球氣候?qū)⒃谖磥?0到100年持續(xù)受到負面影響。在一切照舊的情形下，排放的溫室氣體將導(dǎo)致全球平均氣溫上升約4°C。反過來，這將升高海平面，改變氣候帶，使極端天氣和干旱更加頻繁等等，這些都會對全球的生態(tài)、社會和經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

通過讓我們的能源系統(tǒng)排放更少的溫室氣體和顆粒物，變得更加可持續(xù)，甚至在能源生產(chǎn)和消費方面實現(xiàn)循環(huán)利用，我們可以緩解氣候變化。這一概念得到了全球的廣泛支持。國際社會在多項國際協(xié)議中接受了這一想法，包括可持續(xù)發(fā)展目標（SDGs）、第三屆世界人居大會（Habitat III）和巴黎的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP21）。在巴黎氣候大會中，195個國家通過了第一個具有法律約束力的全球氣候協(xié)議。它旨在保持“相較于工業(yè)化前水平，全球平均氣溫的上升幅度控制在2°C以內(nèi)，并努力將溫升控制在1.5°C以內(nèi)”。

面對這雄心勃勃的目標，當(dāng)前的努力顯然還不夠。在巴黎氣候大會中達成的削減CO2排放的各國計劃也還有必要進一步強化。到2100年，這些計劃將使全球平均氣溫升幅遠高于2°C。將全球溫升控制在2°C要求到2100年全球累計能源相關(guān)的碳排放量需要控制在900 Gt左右。當(dāng)前，全球每年能源相關(guān)的碳排放量為34 Gt，這意味著2050年就會達到碳排放量的上限值。與此同時，世界正面臨短期內(nèi)降低空氣污染水平的迫切需求。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球僅有1%的人口居住在污染物排放達標的地區(qū)。

現(xiàn)在急需要采取行動。為了實現(xiàn)COP21、Habitat III和SDGs中多方制定的雄偉目標，全世界需要實施有史以來最大的能源變革：將能源供應(yīng)和消費從不可再生的碳基能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳轉(zhuǎn)型。

為了實現(xiàn)能源系統(tǒng)的脫碳，需要從四個方面努力：提高能源效率，開發(fā)可再生能源，轉(zhuǎn)用低碳/零碳能量載體，以及實施碳捕集與封存（CCS）以及利用（CCU）。

這將從根本上改變能源供需結(jié)構(gòu)。如今，化石燃料在一次消費中的占比為82%；可再生能源占比14%，核能4%。盡管未來能源利用效率會有所提高，但由于人口和經(jīng)濟增長，到2050年能源需求仍將增加16%。到2050年，可再生能源在整體能源中的比重與現(xiàn)有水平相比將增加3至5倍。但同時，化石燃料仍將占較大的比重（部分采用碳捕集與封存技術(shù)減少或避免碳排放）。我們需要一種新的能量載體將比例日益增長的脫碳能源傳輸?shù)侥茉聪�費側(cè)，同時保證為終端用戶提供的能源服務(wù)水平（居民，工業(yè)和運輸）。兩種能量載體有望對能源脫碳和實施變革產(chǎn)生重要影響，即電力和氫能。

能源轉(zhuǎn)型需要克服五大挑戰(zhàn)

過渡到低碳經(jīng)濟需要一個轉(zhuǎn)型范式 （見附錄I），同時需要大規(guī)模的投資。未來的挑戰(zhàn)來自五個方面——氫能將在克服這些挑戰(zhàn)的過程中扮演重要角色（圖1）。

圖1 氫能作為零碳能量載體，助力應(yīng)對能源轉(zhuǎn)型中的五大挑戰(zhàn)

1. 在發(fā)電側(cè)逐漸增多的可再生能源導(dǎo)致電力供應(yīng)和需求的不平衡。

通過間歇可再生能源發(fā)電以及電力需求的增加，使得電力系統(tǒng)極度緊張。電網(wǎng)容量、間歇性、以及低碳能源季節(jié)性（數(shù)周至數(shù)月）儲存和備用發(fā)電容量的應(yīng)用將是需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)。

氫能有助于優(yōu)化消納可再生能源的電力系統(tǒng)，從而進一步提高可再生能源比例。電解通過消耗（過剩的）電能產(chǎn)生氫能，然后通過在其他方面（運輸，工業(yè)，居民供熱）利用或儲存起來而產(chǎn)生價值。氫能有潛力進一步提高可再生能源投資的經(jīng)濟效益，增強能源供應(yīng)安全，并作為無碳季節(jié)性儲能，當(dāng)可再生能源生產(chǎn)能力不足和能源需求量大時（如歐洲冬季）供能。

2. 為了確保能源供應(yīng)安全，全球和區(qū)域的能源基礎(chǔ)設(shè)施需要重大轉(zhuǎn)型。

今天，全球約30%的一次能源供應(yīng)跨境交易，包括多個能源品種（石油，天然氣，煤炭和電力）。由于世界不同地區(qū)的可再生能源資源和生產(chǎn)情況不同，而且電力的“存儲能力”有限，因此能源交易的需求將持續(xù)存在。一個運作良好的跨境能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對于保障能源供應(yīng)安全至關(guān)重要。一個國家內(nèi)的地區(qū)或城市的能源系統(tǒng)也將發(fā)生變化：集中式和分散式相結(jié)合的新型能源供應(yīng)方式將會出現(xiàn)，從而更加體現(xiàn)了對能源基礎(chǔ)設(shè)施進行調(diào)整的必要性。

氫能可以提供一種經(jīng)濟效益好、清潔的能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，有助于提高地方和國家層面的能源供應(yīng)安全。氫能是一種在城市和區(qū)域間高效（再）分配能源的重要能量載體，它可以依托輪船、管道或罐裝車等多種運輸方式。

3. 把化石燃料作為能源系統(tǒng)的緩沖物將不足以確保系統(tǒng)的順利運轉(zhuǎn)。

一般來說，緩沖能源容量只有達到世界年能源需求的15%左右時，才能保證能源系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。緩沖能源可以吸收供應(yīng)鏈的沖擊，在國家層面提供戰(zhàn)略儲備，預(yù)防供需失衡。當(dāng)前，化石能源提供了大部分的存儲容量。但隨著全社會電氣化程度的提高，這些儲備將不足以確保為終端用戶提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

由于在傳輸方面具有良好的存儲特性和靈活性，氫能是一種可行的、清潔的、在未來可以很好地應(yīng)用能源緩沖挑戰(zhàn)的方案。

4. 部分終端用能場景很難通過電網(wǎng)或者蓄電池實現(xiàn)電氣化，尤其是在長距離運輸?shù)阮I(lǐng)域。

在很多領(lǐng)域，直接電氣化會存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)，甚至在碳排放成本較高時出現(xiàn)不經(jīng)濟的情況，例如在重型運輸、非電氣化鐵路、遠洋運輸和航空領(lǐng)域，還包括一些能源密集型行業(yè)。在其他領(lǐng)域，即使技術(shù)上可行，直接電氣化也不一定能夠總是滿足性能要求和充電的便利性，比如輕型車輛。

在很多領(lǐng)域（不僅限于上述領(lǐng)域），技術(shù)或經(jīng)濟上的問題限制了直接電氣化的應(yīng)用，此時氫能可以提供一個可行的解決方案。

5. 可再生能源無法替代石油化工行業(yè)中的所有化石原料。

用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品的化石燃料在其生命周期結(jié)束時會引起（二氧化碳）排放，如將塑料進行焚燒處理時。這些延遲排放也需要進行脫碳處理。將氫能與碳捕集相結(jié)合，可以產(chǎn)生碳氫化合物，從而像石油和天然氣一樣作為化工原料。因此，氫能也有助于將碳捕集和利用（CCU）付諸實踐，從而減少水泥等高碳行業(yè)的二氧化碳排放。

總之，為了克服當(dāng)今能源系統(tǒng)面臨的各種挑戰(zhàn)，氫能由于其獨特性質(zhì)將成為一種非常有應(yīng)用前景的解決方案。如果采用可再生能源電解、生物沼氣蒸汽甲烷重整（SMR）或者蒸汽甲烷重整配備CCS/CCU等方式制氫，那么氫能的生產(chǎn)將沒有任何碳足跡產(chǎn)生。氫氣的性質(zhì)使得它能夠用于發(fā)電和/或者供熱，利用方式有燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHPs）、燃燒器或者改進的燃氣輪機。由于其化學(xué)性質(zhì)，它也能夠用于化工過程原料，包括生產(chǎn)氨和甲醇。氫氣在燃燒時不會產(chǎn)生硫化物或污染物顆粒，只有有限的氮氧化物。對于車載燃料電池，氫能在利用過程中不產(chǎn)生任何排放，且比傳統(tǒng)發(fā)動機噪音更小。氫能一般存儲在罐體中，與同等尺寸的電池相比更加輕盈，且能夠儲存更多的能量，在能量儲存和分配方面有更加明顯的優(yōu)勢。（有關(guān)氫的更多信息，請參閱附錄II-氫氣要點。）

第二章 能源轉(zhuǎn)型中氫能的作用

氫能的獨特優(yōu)勢使其成為能源轉(zhuǎn)型的強大推動因素，發(fā)展氫能將會對能源系統(tǒng)和終端用能領(lǐng)域帶來諸多益處（如圖2所示）。

圖2 氫能在多個行業(yè)中起到減少碳排放的作用

1. 實現(xiàn)大規(guī)模、高效的可再生能源消納

在電力系統(tǒng)中，變動的電力供應(yīng)和需求在時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水平（40%以上）將對電力系統(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能力將需要更有效的儲能方案。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)升級改造和用于盡量實現(xiàn)短期或長期電力供需平衡的技術(shù)，如靈活性備用發(fā)電機組、需求側(cè)管理、儲能等。

氫能在這方面具有獨特優(yōu)勢，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，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)不足時提供備用電力，也可以用于其他能源消耗領(lǐng)域，如交通運輸、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)進行補充利用，可再生能源存在丟棄的可能性將非常大。以德國為例，預(yù)計到2050年，德國可再生能源發(fā)電比例將達到90%時，預(yù)計可再生能源棄量將達到170 TWh/年以上，相當(dāng)于用氫氣為德國乘用車提供燃料對應(yīng)能量的一半左右。這意味著可以采用約60GW的電解功率對這一部分電能進行充分利用，并產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益（經(jīng)濟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現(xiàn)跨季節(jié)儲能（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)對可再生能源的突然中斷（如遭遇惡劣天氣事件時）。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行討論。

ii.氫能可用作長周期零碳跨季節(jié)儲能載體

氫能是長期性的零碳季節(jié)性儲能的最佳整體解決方案。雖然蓄電池、超級電容以及壓縮空氣儲能也有助于實現(xiàn)電量平衡，但它們?nèi)狈�解決季節(jié)性不平衡所需的蓄電容量和蓄能周期（如圖4所示）。抽水蓄能可以像儲氫一樣實現(xiàn)大規(guī)模、長周期的儲能；目前，抽水蓄能占到全球儲能裝機容量（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)儲能載體（零碳儲能技術(shù)概覽）

目前，氫能仍然是一種新的儲能技術(shù)，但越來越多的大型氫基儲能示范項目正在全球范圍內(nèi)規(guī)劃、推廣和實施，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能方式預(yù)計會加速發(fā)展和實施。

為此，鹽穴儲氫的成本預(yù)計將在2030年降至140歐元/兆瓦時（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）。德國可用于洞穴儲氫的潛在空間容積約有370億立方米，這足以儲存110 TWhth的氫能，可以完全滿足德國預(yù)計的季節(jié)性儲能需求。

總之，氫氣可以實現(xiàn)在能源系統(tǒng)中更經(jīng)濟有效地耦合大量間歇性能源，同時為保障能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供必要的靈活性。

2.在不同行業(yè)和地區(qū)間進行能量分配

電力系統(tǒng)需要對可再生能源進行分配。以日本為代表的一些國家由于地理條件限制，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間來募集必要的資金。在某些情況下，進口可再生能源可能更為經(jīng)濟，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。

長距離電力傳輸會造成能量損失，但通過管道運輸氫氣幾乎可以達到100%的效率。這種優(yōu)勢使氫能在大規(guī)模和遠距離運輸可再生能源時非常具有經(jīng)濟競爭力。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)。作為一項長期應(yīng)對策略，進口氫能將有助于我們應(yīng)對可再生能源的持續(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。

日本計劃在2020年開展首次用于國際貿(mào)易的液氫運輸船的技術(shù)示范。目前，氫氣管道和運輸氫氣或液氫的長管拖車是最常見的運輸方式。隨著氫能傳輸量的增大，氫氣也會和運輸?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)輸送氫氣的測試報道，但還沒有大規(guī)模應(yīng)用。利茲是第一個提出在2026年之前將其天然氣管網(wǎng)改造為氫氣管網(wǎng)的城市。