中國儲能網(wǎng)訊：關(guān)于氫能的爭論實際上一直不絕于耳，那就讓我們來客觀地分析一下氫能發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。
在化石燃料消費驅(qū)動下，20世紀(jì)廉價，豐富且看似無限的能源供應(yīng)帶來了前所未有的經(jīng)濟增長和生活質(zhì)量改善。但與金融債務(wù)相似，長期成本最終將高于短期收益。社會已經(jīng)收獲了化石燃料消費帶來的短期利益，如今環(huán)境的法警已抵達(dá)門外。
氫為能源領(lǐng)域提供了獨特、跨系統(tǒng)的機會，從根本上改變了能源景觀，使氣候和能源消費者帶受益，但要實現(xiàn)終極部署，也存在一些必須要跨越的障礙。
挑戰(zhàn)
全球經(jīng)濟脫碳是人類當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)，而且會因為氣候變化危機變得越來越突出和激烈。重新定義人類與環(huán)境之間關(guān)系的文化革命，將塑造21世紀(jì)社會發(fā)展的軌跡。
隨著社會態(tài)度的適應(yīng)和變化，從化石燃料驅(qū)動型經(jīng)濟向環(huán)境可持續(xù)經(jīng)濟模式的轉(zhuǎn)變，將為那些有勇氣立即行動并掌握先發(fā)優(yōu)勢的人提供新的機會和經(jīng)濟利益。
就像人類面臨的每一項重大挑戰(zhàn)一樣，從現(xiàn)狀的角度來看，環(huán)境可持續(xù)性似乎不可逾越，但人類卻別無選擇。
脫碳選擇
世界可以通過三種方式使全球經(jīng)濟脫碳：減少能源需求，在化石燃料燃燒后捕獲二氧化碳，降低能源的碳強度。以此達(dá)到巴黎協(xié)約提出“相對于工業(yè)化時代，將平均氣溫上升維持在1.5℃以下的目標(biāo)。
每個選項中都包含一系列技術(shù)途徑，而載體的確切平衡將針對具體國家，最終取決于易用性和客戶的最低成本。依次嘗試上述備選方案，我們可以得出不同選擇下，具有相對意義做的務(wù)實結(jié)論。
方案1強調(diào)減少絕對需求、提高效率和變革性的技術(shù)發(fā)展。就減少碳排放而言，這一點現(xiàn)在和未來都很重要。然而這一方案實施中“規(guī)?！笔菃栴}所在。如果變革性的技術(shù)進(jìn)步和對消費者生活方式不可接受的破壞性變化，這一方案無法實現(xiàn)到2050年相對于1990年減少80％所需的碳減排量。
雖然迄今為止風(fēng)力和太陽能在電力脫碳方面具有變革性，但在采用系統(tǒng)方法時，這種邏輯擴展到石油和天然氣（加熱和運輸）時并不適用。
如果方案2是主要技術(shù)載體，這意味著將每個家庭的燃?xì)忮仩t煙道、工業(yè)煙道煙囪、燃?xì)廨啓C和移動車輛連接到CCS基礎(chǔ)設(shè)施。這顯然不實際。
燃燒后CCS可能會發(fā)揮作用，尤其是在易于分離的大量二氧化碳量可捕獲的情況下，如肥料生產(chǎn)過程中等。但燃燒后CCS不太可能成為通用解決方案。
接下來是方案3 ——通過用低碳能源取代化石燃料，進(jìn)而降低能源的碳強度。從消費者的角度來看，這種策略是破壞性最小的選擇，同時能源供應(yīng)以外的其他行業(yè)必要技術(shù)的成熟度也符合需求。但這一戰(zhàn)略必須要在一個明確而有凝聚力的國家計劃下實施，其中包括允許私人投資，以及必要的監(jiān)管機制。
實施上方案3一直是電力市場迄今為止的主導(dǎo)戰(zhàn)略，通過使用煤氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能和太陽能代替煤炭消防站，2013年-2017年電力碳強度降低了50％。
為什么選擇氫
將目前的電氣化脫碳方式推廣到所有能源行業(yè)既短視也不可行。盡管風(fēng)能和太陽能迄今在電力脫碳方面具有革命性，但將這一邏輯推廣到天然氣和石油(供暖和運輸)的其他能源載體時并不適用。
如圖1和圖2所示，英國的電力需求是三者中最小的，年運輸需求是電力的1.4倍，熱量是電力的2.7倍。因此，要通過間歇性供電來滿足這些需求，就必須建立相當(dāng)于另外4個電網(wǎng)的發(fā)電、輸電和配電資產(chǎn)，以及將夏季電力轉(zhuǎn)化為冬季熱能的工業(yè)電池水平。
從天然氣網(wǎng)絡(luò)目前的彈性水平(必須滿足20年1次6分鐘的供熱需求)，再考慮電動汽車充電高峰時的每日出行模式，所有因素都會加劇問題。
顯然，低碳電力的使用具有自然的經(jīng)濟上限。因此，問題轉(zhuǎn)向替代能源載體，以經(jīng)濟和政治可接受的方式降低供熱和運輸?shù)奶紡姸?。在電氣化同時，降低能源供應(yīng)碳強度的兩種選擇是:可再生碳?xì)浠衔飦碓?，如氫，以及生物甲烷和液體生物燃料。
顯然，低碳電力的部署具有自然的經(jīng)濟上限。因此，問題轉(zhuǎn)向替代能源載體，以經(jīng)濟和政治上可接受的方式降低供暖和運輸?shù)奶紡姸?。降低能源供?yīng)碳強度以及電氣化的兩種選擇是：可再生碳?xì)浠衔飦碓?，如生物甲烷和液體生物燃料; 和氫。
生物甲烷和液體生物燃料是能源領(lǐng)域的重要載體，它們提供了促進(jìn)碳封閉系統(tǒng)的燃料來源。然而，它們僅限于可持續(xù)性原料的可用性。例如，基于英國國內(nèi)，原料的生物甲烷可以貢獻(xiàn)100 TWh/y，約占國內(nèi)天然氣需求的三分之一。而英國天然氣總需求高達(dá)1000 TWh/年左右，這意味著需要其他補充來源。
氫不受原料限制，可以通過多種來源生產(chǎn)，并可能解除負(fù)面排放。因此作為降低能源碳強度的載體，氫將發(fā)揮非常重要的作用。
熱
以加熱為目的的天然氣置換是氫所代表的主要機會。還是以英國為例，目前供暖幾乎占英國排放總量的一半，因此解決這一二氧化碳來源將是實現(xiàn)英國減排任務(wù)的關(guān)鍵。
熱環(huán)境下的氫部署可以采取多種形式，從在網(wǎng)絡(luò)中混合，到工業(yè)用戶，甚至更廣泛網(wǎng)絡(luò)的完全轉(zhuǎn)換。英國正在進(jìn)行的大量項目如HyDeploy等，也令所有天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識到了氫能蘊藏的機會，為氫能更廣泛推廣奠定了技術(shù)和監(jiān)管背景。
功率
在電力市場中，氫與中間可再生能源供應(yīng)共生。氫氣發(fā)電是一種可調(diào)度的發(fā)電方式，為電網(wǎng)提供機械慣性。由于可再生發(fā)電(直流電加逆變器)取代了熱電(交流電)，電網(wǎng)的機械慣性降低，為維持電網(wǎng)頻率帶來了更大挑戰(zhàn)。
如果間歇性電源要在未來的發(fā)電組合中發(fā)揮預(yù)期的作用，那么低碳熱電源在穩(wěn)定電網(wǎng)方面將具有重要作用。氫動力燃?xì)廨啓C或工業(yè)燃料電池將提供維持電網(wǎng)穩(wěn)定所需的必要機械慣性，同時進(jìn)一步降低電能碳強度。
運輸
運輸是二級脫碳問題——電力和天然氣技術(shù)解決方案將為運輸脫碳提供基礎(chǔ)設(shè)施框架。如果電力是運輸能源的唯一形式，那么就需要對可調(diào)度發(fā)電進(jìn)行重大投資，同時還需要智能技術(shù)，以便在必要時為車輛充電。相對于工業(yè)電池的反事實，氫峰值電站可以提供更低的成本和更穩(wěn)定的載體。氫也可以直接用于燃料電池的運輸，在使用時零排放。
在采用電動傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，氫燃料電池在功能上相當(dāng)于電池，在開發(fā)和部署之后，其續(xù)航里程和充電速度都有相應(yīng)優(yōu)勢。因此，無論運輸市場上哪種脫碳策略占據(jù)主導(dǎo)地位，氫都將發(fā)揮關(guān)鍵作用。
生產(chǎn)
如果要讓氫在能源系統(tǒng)的脫碳過程中發(fā)揮核心作用，就需要對生產(chǎn)進(jìn)行重大投資。制氫技術(shù)的重要性已被多國政府認(rèn)可，英國國內(nèi)甚至產(chǎn)生了2000萬英鎊的氫能供應(yīng)競賽。
而當(dāng)前最成熟和最適合批量生產(chǎn)的工藝需要通過蒸汽甲烷重整(SMR)或自熱重整(ATR)將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳。因此，氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)部署將取決于CCS基礎(chǔ)設(shè)施建立情況。
利用可再生電力進(jìn)行電解具有一定的作用，但無法不能經(jīng)濟地提供所需規(guī)模的大量。而長遠(yuǎn)來看，通過太陽能熱水解生產(chǎn)并在油輪中運輸?shù)臍?，可以提供最終的環(huán)境可持續(xù)模型。
甲烷轉(zhuǎn)化、碳捕集以及封存技術(shù)的結(jié)合，提供氫氣生產(chǎn)的必要基礎(chǔ)流程，輔以適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管和商業(yè)框架，氫能有望實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
部署策略
氫技術(shù)的發(fā)展、商業(yè)模式、監(jiān)管支持機制和客戶認(rèn)知都是氫技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。單獨面臨這些挑戰(zhàn)時都可以克服，但綜合起來，放在所需的脫碳規(guī)模背景下考慮，可能會令人望而生畏。
因此，氫能有責(zé)任走遺憾最小的道路。應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮消除部署路線圖風(fēng)險的項目，如取消對現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)備進(jìn)行修改的需要，同時仍節(jié)省大量的碳。此外，建立必要的商業(yè)框架和監(jiān)管機制，促進(jìn)更深入部署，并將消費者早期的采用成本降至最低等，都將有利于氫能的早期部署。
成本
關(guān)于成本，與現(xiàn)狀相比，如果認(rèn)為經(jīng)濟脫碳不會付出一定的成本為代價，是不明智的。因為目前我們的能源系統(tǒng)沒有適當(dāng)?shù)貙⑻寂欧旁斐傻膿p害成本內(nèi)部化，主要石油和天然氣公司的已知儲量足以超過違反巴黎限制的二氧化碳要求。因此，脫碳從根本上說是一種道德決定，而不是經(jīng)濟上的必然性。
決策者和知情實體有責(zé)任促進(jìn)成本最低的發(fā)展途徑，通過最大化現(xiàn)有資產(chǎn)（主要是天然氣網(wǎng)絡(luò)）利用率的方式實現(xiàn)氫能更深層次的部署。
