氢在能（源）量转换中的作用

氢，这种独特的元素，凭借其无与伦比的特性，正逐步成为推动能源转型的强大引擎，为能源系统和各种应用带来了前所未有的好处。如下图1所示，氢的潜力与优势一目了然。

整合大量间歇性能源至目标水平（超40%电力组合）将加剧对运营灵活性的需求。电气化提升与有限的电力储存能力亟需能源电力的有效储存方案。针对此，可考虑电网基础设施升级或供需平衡技术，如灵活备用发电、需求侧管理或能源存储技术等。

氢的优势明显，在于其可以避免二氧化碳和颗粒物排放，也适合大规模部署和广泛应用。此外，氢可以通过两种方式提高能源系统的效率和灵活性（耗能和释能）。(下图2)：

1、电解可以在供过于求的时候将多余的电力转化为氢气。产生的氢气可以在电力短缺时用作备用电源，也可以用于交通、工业（含化工）或住宅等其他领域。因此，它可以使多余的电能存储起来变现。

可再生能源的增值潜力是相当可观的。氢可以提供集中或分散的主要或备用电源。像天然气一样，氢(或它的一种化合物)的提供的能量也能快速启停。因此，氢有助于应对可再生能源供应的突然下降(例如，在恶劣天气事件期间)。此外，电解槽可以为电网提供辅助服务，如电网频率调节。

氢也可以用于工业和建筑中的特定燃料电池热电联产，将热和发电连接起来。这提高了这些部门发电和供热的效率，并提高了整个能源系统的灵活性。下面会讨论到它的潜力。

氢代表了长期、无碳季节性储存的最佳整体解决方案。虽然电池、超级电容器和压缩空气也可以支持平衡，但它们缺乏解决季节性不平衡所需的功率容量或存储时间(见下图3)。

抽水蓄能为大规模、长期储能提供了氢的替代方案；它目前占全球电力存储的95%以上(全球162GW）。然而，其剩余的未开发潜力受制于当地的地理条件，并且限制在全球年能源需求的1%左右(0.3 EJ)。这不足以应对季节性需求差异。

目前，氢仍然是一种新颖的能源存储方式，但越来越多基于氢的大型存储示范项目正在世界各地计划、宣布或启动。此外，大量氢气的地下储存已成为行业惯例，并不存在重大技术障碍。随着可再生能源所占比例的增加，氢气作为一种长期储存解决方案的部署预计将加速。在这种情况下，预计到 2030 年，在盐洞中储存氢气的成本将降至 140 欧元/兆瓦时（电能与电能之比）。这甚至低于抽水蓄能的预计成本（2030 年约为 400 欧元/兆瓦时）。

总而言之，氢能可以更经济地将大量间歇性能源整合到系统中，并提供急需的灵活性以保持系统的弹性。

二、在各个部门和地区分配能源

再生能源再分配。一些国家，如日本，不具备仅靠风能或太阳能发电的条件。其他国家可能需要时间来筹集必要的投资。在某些情况下，进口可再生能源可能更为经济，例如，将低成本的太阳能从阳光带国家带到阳光较少的地区。由于氢及其化合物具有高能量密度且易于运输，它们将有助于有效灵活地(重新)分配能源。

三、充当缓冲区以增加能源系统弹性

氢可以帮助全球能源储存与不断变化的能源需求保持一致。它的高能量密度、长储存容量和可变用途使氢非常适合作为能源缓冲和战略储备。

如今，能源系统的备用容量约为90 EJ(占最终年能耗的24%)，几乎全部来自于化石能源。也没有看到任何迹象表明缓冲需求的数量在未来会显著减少。但是，随着消费者和电力部门转而使用替代能源载体，化石燃料作为后备能源的使用可能会减少，因为这种缓冲燃料只服务于消耗化石燃料的应用。最有效的缓冲机制是将反映（或可转化为）终端应用的能源载体混合在一起。这种混合将包括化石燃料、生物燃料/生物质/合成燃料和氢气。

燃料电池电动汽车(FCEV)在脱碳运输中发挥着重要作用。今天，石油在满足世界运输需求的燃料组合中占主导地位。汽油和柴油占燃料总消耗量的96%，占全球碳排放量的21%(如下图4)。

像混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)这样的高效混合动力汽车已经在减少汽车排放。然而，完全脱碳的交通运输将需要部署零排放车辆，如氢动力FCEV和电池电动汽车(BEV)，或它们的混合动力组合。技术进步和移动出行的新趋势(例如，互联汽车、自动驾驶技术和共享出行)将影响部署的相对水平和过渡速度。两种类型的电动汽车都使用相似和互补的技术，并特别适合于服务不同的细分市场和客户。除了降低二氧化碳排放外，这两项措施还有助于改善当地空气质量和减少噪音。

氢燃料电池汽车有几个显著的优点。首先，他们可以长距离行驶而不需要加油(已经超过500公里)，这是消费者非常重视的一个特点。其次，它们的加油速度很快(3到5分钟)，类似于目前的汽油/柴油汽车，这增加了消费者的便利性。第三，由于储氢系统的重量能量密度(与电池相比)要高得多，FCEV动力系统的成本和重量对存储能量(千瓦时)的敏感性较低。这增加了它的吸引力和采用需要大量能量存储的车辆的可能性(例如，重载能力和/或长距离/大量使用)。最后，FCEV基础设施可以建立在现有的汽油分销和零售等加油站基础设施上，创造成本优势，并保留当地的就业机会和资本资产。

燃料电池汽车将出现在所有领域。考虑到上述指出的好处，它们在乘用车(例如，中型到大型汽车、出租车等)、重型运输、公共汽车和非电气化火车脱碳方面尤为重要。由氢制成的合成燃料在航运和航空领域的应用也在探索之中(见下图5)。

就乘用车而言，目前氢燃料电池汽车的总拥有成本(TCO)高于内燃机汽车，而出行成本各地会有差异。当FCEV达到大规模商业化时，我们有信心到2025~2030年中大型乘用车的成本(从TCO的角度来看)可以实现平价。精选的车辆运营队和公共汽车将更快达到成本平价，因为它们的基础设施部署往往更简单，因此更便宜。燃料电池汽车开始进入大众和货物运输领域。

目前天然气、煤炭和石油为工业过程提供能源，因此产生了约20%的全球排放量。工业领域需要提高能源效率(包括废热回收)，从而减少对能源的需求。水蒸汽电解技术可以帮助将废热转化为氢。

无论是低品位热源还是高品位热源，工业领域还需要对工艺热源进行脱碳处理。工业有许多低品位热量脱碳的选择。虽然热泵和电阻加热在某些地域具有优势，但当氢气作为化学工业的副产品可用时，或者当特定工业需要不间断的电源(如燃料电池提供的)以及热量时，氢气显然也具有优势。由于氢气可以在氢气燃烧器中燃烧或用于燃料电池，因此它为加热提供了零排放的替代方案。

高温（高于400°C）的场景更难脱碳。氢燃烧器可以补充电加热产生高品位热量，这取决于当地的条件：考虑到他们在能源系统设计上的限制，一些地区可能更倾向于工业场景使用氢而不是电力系统。

今天，工业在低品位的加热应用中使用氢，例如过程加热和干燥。在未来，工业也可能使用氢燃烧器和燃料电池的混合物来满足他们的低品位和高品位热量需求。燃料电池比燃烧器效率更高，同时提供热量和电力，但它们的部署投入仍然需要大量投资。在工业场景，燃烧器只需要对现有设备进行改装调整。

氢基化学可作为碳汇，补充石化价值链的一部分或使其脱碳。如今，原油（衍生物）被用作生产工业化学品、燃料、塑料和医药产品的原料。几乎所有这些产品都含有碳和氢。如果碳捕集与利用（CCU）技术的应用开始起步（作为循环经济的一部分或碳储存的替代方案），该技术将需要（绿色）氢气来将捕集的碳转化为可用的化学品，如甲醇、甲烷、甲酸或尿素。氢的使用将使 CCU 成为水泥和钢铁生产等其他难以去碳化行业的可行替代品，并有助于石化价值链的部分去碳化。

利用氢和捕获的碳生产化学原料正处于研究和开发阶段，全球各地初步试点项目正在启动。

七、建筑供暖脱碳

供暖和热水供应约占住宅能耗的80%。大约50 EJ的能源用于住宅供暖，占全球排放量的12%。氢将成为建筑供暖脱碳解决方案组合的一部分。根据当地情况将决定选择何种选项。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：氢在能（源）量转换中的作用