氫在能（源）量轉換中的作用

氫，這種獨特的元素，憑借其無與倫比的特性，正逐步成為推動能源轉型的強大引擎，為能源系統和各種應用帶來了前所未有的好處。如下圖1所示，氫的潛力與優勢一目了然。

整合大量間歇性能源至目標水平（超40%電力組合）將加劇對運營靈活性的需求。電氣化提升與有限的電力儲存能力亟需能源電力的有效儲存方案。針對此，可考慮電網基礎設施升級或供需平衡技術，如靈活備用發電、需求側管理或能源存儲技術等。

氫的優勢明顯，在于其可以避免二氧化碳和顆粒物排放，也適合大規模部署和廣泛應用。此外，氫可以通過兩種方式提高能源系統的效率和靈活性（耗能和釋能）。(下圖2)：

1、電解可以在供過于求的時候將多余的電力轉化為氫氣。產生的氫氣可以在電力短缺時用作備用電源，也可以用于交通、工業（含化工）或住宅等其他領域。因此，它可以使多余的電能存儲起來變現。

可再生能源的增值潛力是相當可觀的。氫可以提供集中或分散的主要或備用電源。像天然氣一樣，氫(或它的一種化合物)的提供的能量也能快速啟停。因此，氫有助于應對可再生能源供應的突然下降(例如，在惡劣天氣事件期間)。此外，電解槽可以為電網提供輔助服務，如電網頻率調節。

氫也可以用于工業和建筑中的特定燃料電池熱電聯產，將熱和發電連接起來。這提高了這些部門發電和供熱的效率，并提高了整個能源系統的靈活性。下面會討論到它的潛力。

氫代表了長期、無碳季節性儲存的最佳整體解決方案。雖然電池、超級電容器和壓縮空氣也可以支持平衡，但它們缺乏解決季節性不平衡所需的功率容量或存儲時間(見下圖3)。

抽水蓄能為大規模、長期儲能提供了氫的替代方案；它目前占全球電力存儲的95%以上(全球162GW）。然而，其剩余的未開發潛力受制于當地的地理條件，并且限制在全球年能源需求的1%左右(0.3 EJ)。這不足以應對季節性需求差異。

目前，氫仍然是一種新穎的能源存儲方式，但越來越多基于氫的大型存儲示范項目正在世界各地計劃、宣布或啟動。此外，大量氫氣的地下儲存已成為行業慣例，并不存在重大技術障礙。隨著可再生能源所占比例的增加，氫氣作為一種長期儲存解決方案的部署預計將加速。在這種情況下，預計到 2030 年，在鹽洞中儲存氫氣的成本將降至 140 歐元/兆瓦時（電能與電能之比）。這甚至低于抽水蓄能的預計成本（2030 年約為 400 歐元/兆瓦時）。

總而言之，氫能可以更經濟地將大量間歇性能源整合到系統中，并提供急需的靈活性以保持系統的彈性。

二、在各個部門和地區分配能源

再生能源再分配。一些國家，如日本，不具備僅靠風能或太陽能發電的條件。其他國家可能需要時間來籌集必要的投資。在某些情況下，進口可再生能源可能更為經濟，例如，將低成本的太陽能從陽光帶國家帶到陽光較少的地區。由于氫及其化合物具有高能量密度且易于運輸，它們將有助于有效靈活地(重新)分配能源。

三、充當緩沖區以增加能源系統彈性

氫可以幫助全球能源儲存與不斷變化的能源需求保持一致。它的高能量密度、長儲存容量和可變用途使氫非常適合作為能源緩沖和戰略儲備。

如今，能源系統的備用容量約為90 EJ(占最終年能耗的24%)，幾乎全部來自于化石能源。也沒有看到任何跡象表明緩沖需求的數量在未來會顯著減少。但是，隨著消費者和電力部門轉而使用替代能源載體，化石燃料作為后備能源的使用可能會減少，因為這種緩沖燃料只服務于消耗化石燃料的應用。最有效的緩沖機制是將反映（或可轉化為）終端應用的能源載體混合在一起。這種混合將包括化石燃料、生物燃料/生物質/合成燃料和氫氣。

燃料電池電動汽車(FCEV)在脫碳運輸中發揮著重要作用。今天，石油在滿足世界運輸需求的燃料組合中占主導地位。汽油和柴油占燃料總消耗量的96%，占全球碳排放量的21%(如下圖4)。

像混合動力汽車(HEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)這樣的高效混合動力汽車已經在減少汽車排放。然而，完全脫碳的交通運輸將需要部署零排放車輛，如氫動力FCEV和電池電動汽車(BEV)，或它們的混合動力組合。技術進步和移動出行的新趨勢(例如，互聯汽車、自動駕駛技術和共享出行)將影響部署的相對水平和過渡速度。兩種類型的電動汽車都使用相似和互補的技術，并特別適合于服務不同的細分市場和客戶。除了降低二氧化碳排放外，這兩項措施還有助于改善當地空氣質量和減少噪音。

氫燃料電池汽車有幾個顯著的優點。首先，他們可以長距離行駛而不需要加油(已經超過500公里)，這是消費者非常重視的一個特點。其次，它們的加油速度很快(3到5分鐘)，類似于目前的汽油/柴油汽車，這增加了消費者的便利性。第三，由于儲氫系統的重量能量密度(與電池相比)要高得多，FCEV動力系統的成本和重量對存儲能量(千瓦時)的敏感性較低。這增加了它的吸引力和采用需要大量能量存儲的車輛的可能性(例如，重載能力和/或長距離/大量使用)。最后，FCEV基礎設施可以建立在現有的汽油分銷和零售等加油站基礎設施上，創造成本優勢，并保留當地的就業機會和資本資產。

燃料電池汽車將出現在所有領域。考慮到上述指出的好處，它們在乘用車(例如，中型到大型汽車、出租車等)、重型運輸、公共汽車和非電氣化火車脫碳方面尤為重要。由氫制成的合成燃料在航運和航空領域的應用也在探索之中(見下圖5)。

就乘用車而言，目前氫燃料電池汽車的總擁有成本(TCO)高于內燃機汽車，而出行成本各地會有差異。當FCEV達到大規模商業化時，我們有信心到2025~2030年中大型乘用車的成本(從TCO的角度來看)可以實現平價。精選的車輛運營隊和公共汽車將更快達到成本平價，因為它們的基礎設施部署往往更簡單，因此更便宜。燃料電池汽車開始進入大眾和貨物運輸領域。

目前天然氣、煤炭和石油為工業過程提供能源，因此產生了約20%的全球排放量。工業領域需要提高能源效率(包括廢熱回收)，從而減少對能源的需求。水蒸汽電解技術可以幫助將廢熱轉化為氫。

無論是低品位熱源還是高品位熱源，工業領域還需要對工藝熱源進行脫碳處理。工業有許多低品位熱量脫碳的選擇。雖然熱泵和電阻加熱在某些地域具有優勢，但當氫氣作為化學工業的副產品可用時，或者當特定工業需要不間斷的電源(如燃料電池提供的)以及熱量時，氫氣顯然也具有優勢。由于氫氣可以在氫氣燃燒器中燃燒或用于燃料電池，因此它為加熱提供了零排放的替代方案。

高溫（高于400°C）的場景更難脫碳。氫燃燒器可以補充電加熱產生高品位熱量，這取決于當地的條件：考慮到他們在能源系統設計上的限制，一些地區可能更傾向于工業場景使用氫而不是電力系統。

今天，工業在低品位的加熱應用中使用氫，例如過程加熱和干燥。在未來，工業也可能使用氫燃燒器和燃料電池的混合物來滿足他們的低品位和高品位熱量需求。燃料電池比燃燒器效率更高，同時提供熱量和電力，但它們的部署投入仍然需要大量投資。在工業場景，燃燒器只需要對現有設備進行改裝調整。

氫基化學可作為碳匯，補充石化價值鏈的一部分或使其脫碳。如今，原油（衍生物）被用作生產工業化學品、燃料、塑料和醫藥產品的原料。幾乎所有這些產品都含有碳和氫。如果碳捕集與利用（CCU）技術的應用開始起步（作為循環經濟的一部分或碳儲存的替代方案），該技術將需要（綠色）氫氣來將捕集的碳轉化為可用的化學品，如甲醇、甲烷、甲酸或尿素。氫的使用將使 CCU 成為水泥和鋼鐵生產等其他難以去碳化行業的可行替代品，并有助于石化價值鏈的部分去碳化。

利用氫和捕獲的碳生產化學原料正處于研究和開發階段，全球各地初步試點項目正在啟動。

七、建筑供暖脫碳

供暖和熱水供應約占住宅能耗的80%。大約50 EJ的能源用于住宅供暖，占全球排放量的12%。氫將成為建筑供暖脫碳解決方案組合的一部分。根據當地情況將決定選擇何種選項。

原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：氫在能（源）量轉換中的作用