能源变革的选择为什么是氢？

关于氢能的争论实际上一直不绝于耳，那就让我们来客观地分析一下氢能发展的机遇和挑战。

在化石燃料消费驱动下，20世纪廉价，丰富且看似无限的能源供应带来了前所未有的经济增长和生活质量改善。但与金融债务相似，长期成本最终将高于短期收益。社会已经收获了化石燃料消费带来的短期利益，如今环境的法警已抵达门外。

氢为能源领域提供了独特、跨系统的机会，从根本上改变了能源景观，使气候和能源消费者带受益，但要实现终极部署，也存在一些必须要跨越的障碍。

挑战

全球经济脱碳是人类当前面临的最大挑战，而且会因为气候变化危机变得越来越突出和激烈。重新定义人类与环境之间关系的文化革命，将塑造21世纪社会发展的轨迹。

随着社会态度的适应和变化，从化石燃料驱动型经济向环境可持续经济模式的转变，将为那些有勇气立即行动并掌握先发优势的人提供新的机会和经济利益。但就像人类面临的每一项重大挑战一样，从现状的角度来看，环境可持续性似乎不可逾越，但人类却别无选择。

脱碳选择

世界可以通过三种方式使全球经济脱碳减少能源需求，在化石燃料燃烧后捕获二氧化碳，降低能源的碳强度。以此达到巴黎协约提出“相对于工业化时代，将平均气温上升维持在1.5℃以下的目标。

每个选项中都包含一系列技术途径，而载体的确切平衡将针对具体国家，最终取决于易用性和客户的最低成本。依次尝试上述备选方案，我们可以得出不同选择下，具有相对意义做的务实结论。

方案1强调减少绝对需求、提高效率和变革性的技术发展。就减少碳排放而言，这一点现在和未来都很重要。然而这一方案实施中“规模”是问题所在。如果变革性的技术进步和对消费者生活方式不可接受的破坏性变化，这一方案无法实现到2050年相对于1990年减少80％所需的碳减排量。

虽然迄今为止风力和太阳能在电力脱碳方面具有变革性，但在采用系统方法时，这种逻辑扩展到石油和天然气（加热和运输）时并不适用。

如果方案2是主要技术载体，这意味着将每个家庭的燃气锅炉烟道、工业烟道烟囱、燃气轮机和移动车辆连接到CCS基础设施。这显然不实际。燃烧后CCS可能会发挥作用，尤其是在易于分离的大量二氧化碳量可捕获的情况下，如肥料生产过程中等。但燃烧后CCS不太可能成为通用解决方案。

接下来是方案3 ——通过用低碳能源取代化石燃料，进而降低能源的碳强度。从消费者的角度来看，这种策略是破坏性最小的选择，同时能源供应以外的其他行业必要技术的成熟度也符合需求。但这一战略必须要在一个明确而有凝聚力的国家计划下实施，其中包括允许私人投资，以及必要的监管机制。

实施上方案3一直是电力市场迄今为止的主导战略，通过使用煤气、生物质能、风能和太阳能代替煤炭消防站，2013年－2017年电力碳强度降低了50％。

为什么选择氢

将目前的电气化脱碳方式推广到所有能源行业既短视也不可行。尽管风能和太阳能迄今在电力脱碳方面具有革命性，但将这一逻辑推广到天然气和石油（供暖和运输）的其他能源载体时并不适用。

如图下图所示，英国的电力需求是三者中最小的，年运输需求是电力的1.4倍，热量是电力的2.7倍。因此，要通过间歇性供电来满足这些需求，就必须建立相当于另外4个电网的发电、输电和配电资产，以及将夏季电力转化为冬季热能的工业电池水平。

从天然气网络目前的弹性水平（必须满足20年1次6分钟的供热需求），再考虑电动汽车充电高峰时的每日出行模式，所有因素都会加剧问题。

显然，低碳电力的使用具有自然的经济上限。因此，问题转向替代能源载体，以经济和政治可接受的方式降低供热和运输的碳强度。在电气化同时，降低能源供应碳强度的两种选择是：可再生碳氢化合物来源，如氢，以及生物甲烷和液体生物燃料。

生物甲烷和液体生物燃料是能源领域的重要载体，它们提供了促进碳封闭系统的燃料来源。然而，它们仅限于可持续性原料的可用性。例如，基于英国国内，原料的生物甲烷可以贡献100 TWh／y，约占国内天然气需求的三分之一。而英国天然气总需求高达1000 TWh／年左右，这意味着需要其他补充来源。

氢不受原料限制，可以通过多种来源生产，并可能解除负面排放。因此作为降低能源碳强度的载体，氢将发挥非常重要的作用。

热

以加热为目的的天然气置换是氢所代表的主要机会。还是以英国为例，目前供暖几乎占英国排放总量的一半，因此解决这一二氧化碳来源将是实现英国减排任务的关键。

热环境下的氢部署可以采取多种形式，从在网络中混合，到工业用户，甚至更广泛网络的完全转换。英国正在进行的大量项目如HyDeploy等，也令所有天然气分销网络认识到了氢能蕴藏的机会，为氢能更广泛推广奠定了技术和监管背景。

功率

在电力市场中，氢与中间可再生能源供应共生。氢气发电是一种可调度的发电方式，为电网提供机械惯性。由于可再生发电（直流电加逆变器）取代了热电（交流电），电网的机械惯性降低，为维持电网频率带来了更大挑战。

如果间歇性电源要在未来的发电组合中发挥预期的作用，那么低碳热电源在稳定电网方面将具有重要作用。氢动力燃气轮机或工业燃料电池将提供维持电网稳定所需的必要机械惯性，同时进一步降低电能碳强度。

运输

运输是二级脱碳问题——电力和天然气技术解决方案将为运输脱碳提供基础设施框架。如果电力是运输能源的唯一形式，那么就需要对可调度发电进行重大投资，同时还需要智能技术，以便在必要时为车辆充电。相对于工业电池的反事实，氢峰值电站可以提供更低的成本和更稳定的载体。氢也可以直接用于燃料电池的运输，在使用时零排放。

在采用电动传动系统的基础上，氢燃料电池在功能上相当于电池，在开发和部署之后，其续航里程和充电速度都有相应优势。因此，无论运输市场上哪种脱碳策略占据主导地位，氢都将发挥关键作用。

生产

如果要让氢在能源系统的脱碳过程中发挥核心作用，就需要对生产进行重大投资。制氢技术的重要性已被多国政府认可，英国国内甚至产生了2000万英镑的氢能供应竞赛。

而当前最成熟和最适合批量生产的工艺需要通过蒸汽甲烷重整（SMR）或自热重整（ATR）将甲烷转化为氢气和二氧化碳。因此，氢气的大规模生产部署将取决于CCS基础设施建立情况。

利用可再生电力进行电解具有一定的作用，但无法不能经济地提供所需规模的大量。而长远来看，通过太阳能热水解生产并在油轮中运输的氢，可以提供最终的环境可持续模型。

甲烷转化、碳捕集以及封存技术的结合，提供氢气生产的必要基础流程，辅以适当的监管和商业框架，氢能有望实现更广泛的应用。

部署策略

氢技术的发展、商业模式、监管支持机制和客户认知都是氢技术发展面临的挑战。单独面临这些挑战时都可以克服，但综合起来，放在所需的脱碳规模背景下考虑，可能会令人望而生畏。

因此，氢能有责任走遗憾最小的道路。应当优先考虑消除部署路线图风险的项目，如取消对现有设备和设备进行修改的需要，同时仍节省大量的碳。此外，建立必要的商业框架和监管机制，促进更深入部署，并将消费者早期的采用成本降至最低等，都将有利于氢能的早期部署。

成本

关于成本，与现状相比，如果认为经济脱碳不会付出一定的成本为代价，是不明智的。因为目前我们的能源系统没有适当地将碳排放造成的损害成本内部化，主要石油和天然气公司的已知储量足以超过违反巴黎限制的二氧化碳要求。因此，脱碳从根本上说是一种道德决定，而不是经济上的必然性。

决策者和知情实体有责任促进成本最低的发展途径，通过最大化现有资产（主要是天然气网络）利用率的方式实现氢能更深层次的部署。

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