前言——氫能如何推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型

2015年12月12日，巴黎：195個(gè)國(guó)家簽署了一項(xiàng)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(biāo)要求全球經(jīng)濟(jì)體對(duì)全世界的多數(shù)能源系統(tǒng)都要實(shí)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(shí)確保能源供應(yīng)和系統(tǒng)的韌性。終端用能部門，如運(yùn)輸，必須實(shí)現(xiàn)大規(guī)模脫碳。

在這種背景下，我們認(rèn)為現(xiàn)在非常有必要重視和重申氫能解決方案的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。氫和燃料電池技術(shù)具有很大的潛力來實(shí)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?dòng)氫能的發(fā)展，成立了氫能理事會(huì)。這個(gè)團(tuán)體有13個(gè)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(dòng)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(shí)可實(shí)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(chǔ)存和運(yùn)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(jìn)展以及未來面臨的挑戰(zhàn)。在政策制定者、私營(yíng)部門和社會(huì)的支持下，我們還提供了相關(guān)建議，以確保加速推進(jìn)氫能技術(shù)應(yīng)用的條件達(dá)成。

我們氫能理事會(huì)相信，氫能在實(shí)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(huì)成員愿意進(jìn)一步增加投資。這樣，我們有望看到穩(wěn)定的長(zhǎng)期監(jiān)管框架、針對(duì)性的協(xié)調(diào)、激勵(lì)政策，以及制定和協(xié)調(diào)在政治層面必要的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)舉措。

我們希望政府和主要社會(huì)利益相關(guān)方也認(rèn)識(shí)到氫能對(duì)能源轉(zhuǎn)型的重要作用，并和我們一道制定有效的實(shí)施計(jì)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(rèn)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(jì)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(qiáng)大推動(dòng)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(gè)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(fù)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(huì)對(duì)全球的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(fèi)方面實(shí)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(guó)際社會(huì)在多項(xiàng)國(guó)際協(xié)議中接受了這一想法，包括可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）、第三屆世界人居大會(huì)（Habitat III）和巴黎的第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP21）。在巴黎氣候大會(huì)中，195個(gè)國(guó)家通過了第一個(gè)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(duì)這雄心勃勃的目標(biāo)，當(dāng)前的努力顯然還不夠。在巴黎氣候大會(huì)中達(dá)成的削減CO2排放的各國(guó)計(jì)劃也還有必要進(jìn)一步強(qiáng)化。到2100年，這些計(jì)劃將使全球平均氣溫升幅遠(yuǎn)高于2°C。將全球溫升控制在2°C要求到2100年全球累計(jì)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(huì)達(dá)到碳排放量的上限值。與此同時(shí)，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(dá)標(biāo)的地區(qū)。

現(xiàn)在急需要采取行動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)COP21、Habitat III和SDGs中多方制定的雄偉目標(biāo)，全世界需要實(shí)施有史以來最大的能源變革：將能源供應(yīng)和消費(fèi)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(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的脫碳，需要從四個(gè)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(shí)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(fèi)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(huì)有所提高，但由于人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，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(shí)，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(zhǎng)的脫碳能源傳輸?shù)侥茉聪�費(fèi)側(cè)，同時(shí)保證為終端用戶提供的能源服務(wù)水平（居民，工業(yè)和運(yùn)輸）。兩種能量載體有望對(duì)能源脫碳和實(shí)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(jì)需要一個(gè)轉(zhuǎn)型范式 （見附錄I），同時(shí)需要大規(guī)模的投資。未來的挑戰(zhàn)來自五個(gè)方面——?dú)淠軐⒃诳朔�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(duì)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(chǔ)存和備用發(fā)電容量的應(yīng)用將是需要應(yīng)對(duì)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(jìn)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(yùn)輸，工業(yè)，居民供熱）利用或儲(chǔ)存起來而產(chǎn)生價(jià)值。氫能有潛力進(jìn)一步提高可再生能源投資的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)能源供應(yīng)安全，并作為無碳季節(jié)性儲(chǔ)能，當(dāng)可再生能源生產(chǎn)能力不足和能源需求量大時(shí)（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(gè)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(chǔ)能力”有限，因此能源交易的需求將持續(xù)存在。一個(gè)運(yùn)作良好的跨境能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對(duì)于保障能源供應(yīng)安全至關(guān)重要。一個(gè)國(guó)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(huì)出現(xiàn)，從而更加體現(xiàn)了對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整的必要性。

氫能可以提供一種經(jīng)濟(jì)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(guó)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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)。

一般來說，緩沖能源容量只有達(dá)到世界年能源需求的15%左右時(shí)，才能保證能源系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。緩沖能源可以吸收供應(yīng)鏈的沖擊，在國(guó)家層面提供戰(zhàn)略儲(chǔ)備，預(yù)防供需失衡。當(dāng)前，化石能源提供了大部分的存儲(chǔ)容量。但隨著全社會(huì)電氣化程度的提高，這些儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)景很難通過電網(wǎng)或者蓄電池實(shí)現(xiàn)電氣化，尤其是在長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

在很多領(lǐng)域，直接電氣化會(huì)存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)，甚至在碳排放成本較高時(shí)出現(xiàn)不經(jīng)濟(jì)的情況，例如在重型運(yùn)輸、非電氣化鐵路、遠(yuǎn)洋運(yùn)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(jì)上的問題限制了直接電氣化的應(yīng)用，此時(shí)氫能可以提供一個(gè)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(shí)會(huì)引起（二氧化碳）排放，如將塑料進(jìn)行焚燒處理時(shí)。這些延遲排放也需要進(jìn)行脫碳處理。將氫能與碳捕集相結(jié)合，可以產(chǎn)生碳?xì)浠�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(shí)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(dú)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(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)。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(shí)不會(huì)產(chǎn)生硫化物或污染物顆粒，只有有限的氮氧化物。對(duì)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(dòng)機(jī)噪音更小。氫能一般存儲(chǔ)在罐體中，與同等尺寸的電池相比更加輕盈，且能夠儲(chǔ)存更多的能量，在能量?jī)?chǔ)存和分配方面有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。（有關(guān)氫的更多信息，請(qǐng)參閱附錄II-氫氣要點(diǎn)。）

第二章 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(zhǎng)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(chǎng)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(guó)為例，預(yù)計(jì)到2050年，德國(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)周期零碳跨季節(jié)儲(chǔ)能載體

氫能是長(zhǎng)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�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(chǔ)氫一樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)成本（2030年約為400歐元/兆瓦時(shí)）。德國(guó)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(guó)預(yù)計(jì)的季節(jié)性儲(chǔ)能需求。

總之，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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(cè)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。