国际视野|从“神话”到现实：善用氢能，有的放矢
神话：“氢能是所有行业实现低碳转型的有效解决方案” 作为一种新型低碳能源，氢能时常被认为是能实现所有行业零碳转型的“万金油”，用途包括取代传统煤炭进行燃烧发电和供暖，作为零碳原料用于绿色钢铁和化肥的生产，替代汽油和柴油作为汽车和船舶等交通运输工具的清洁燃料等。不可否认的是，氢能的确能够在很多领域发挥重要的减碳作用，但由于其过于广泛的用途，有时反而会使人们对氢能真正适用的行业缺乏清晰的认知和共识。 现实：氢能应优先应用于重工业及重型运输行业的减碳 理论上，几乎所有行业都可以通过应用氢能来实现脱碳，但这并不意味着氢能就是各行业进行零碳转型的最有效解决方案。尽管在某种程度上，氢能的效率和应用便利程度不如电力，但其相对较高的热值及较强的还原属性，使其得以被优先应用于难以实现大幅度能效提升和直接电气化的行业，包括钢铁、化工等重工业以及重型卡车、船舶和航空等重型交通领域。 通过可再生能源电解水制取的“绿氢”是氢能实现零碳转型的核心。目前制约全球脱碳进程的因素之一，是用于生产“绿氢”的可再生电力稀缺且价格昂贵。在人口和经济持续增长的情况下，预计2050年全球电力消费水平较2020年将增长约一倍。目前只有10%的电力供应来自太阳能和风能，如果加上为实现重工业和交通运输行业脱碳在绿氢制备过程中所需要消耗的电力，全球未来电力需求可能会进一步增长到2020年的两倍。考虑到这一背景，如何在宏观层面优先减少电力消费，以最有效的方式使用可再生电力变得至关重要。同时，考虑到由生产氢能带来的额外可再生电力供给压力，对于更适合通过提高能效，或电气化手段实现零排放转型的行业（诸如建筑供暖、发电或轻型车辆等），可优先使用电气化而非氢能的方式进行脱碳（参见下图表1）。 另一方面，对于那些较难实现大幅能效提升，以及直接电气化的成本过高、难度较大的行业（例如钢铁冶炼等重工业和重型卡车、航运等交通运输行业），由于氢能具备更强的灵活性、技术成熟度和相较其他脱碳路径更低廉的成本，因此，使用氢能进行零碳转型理应成为首选的解决方案之一。 全面零碳转型的利器： 受土地资源限制，制备绿氢所需的电解槽和可再生电力设备装机的大规模增长潜力可能会受到一定的影响。尽管如此，目前有部分具备有限发展氢能条件的领域有潜质成为当前政策及投资的核心，包括化肥生产、石油炼化、钢铁生产、海运，以及部分场景下的铁路和卡车的长途重型运输等领域。这些行业需要利用氢能来帮助脱碳，并已在技术层面做好转型准备，能够为全球减排做出重要贡献。未来，氢能的应用还有望扩展到核心行业以外的其他领域。图表1展示了各行业使用零碳电力替代传统能源或生产原料产生的度电减排效果（kgCO2e/kWh）。其中零碳电力的应用形式主要分为两类：在可以使用电气化进行减排的行业（如轻型道路交通、建筑供暖等），优先考虑全部使用零碳电力；在其他无法直接使用电力进行减排的行业（如钢铁、化工、重型交通等），则考虑将零碳电力转化成绿氢用于减碳。经过测算可以看出，由于氢能在建筑供热、轻型交通和发电等领域的能效水平偏低，在可以使用电力的行业和领域，直接使用零碳电力的减排潜力最大。 注：建筑供暖——主要对比性能系数为2.92的热泵和效率为80%的加氢炉分别与天然气供热相比的减排潜力。发电——主要对比直接电气化和效率为60%的氢气轮机分别与燃气发电相比的减排潜力。轻型道路交通——主要对比车辆效率为50%的燃料电池电动汽车和车辆效率为70%的电动汽车分别与车辆效率为30%的燃油车相比的减排潜力，其中包括用于压缩氢气的电力。在无法实现电气化的行业中，钢铁行业使用氢能替代焦煤，货运业用氢能替代柴油，化肥制造业中通过蒸汽甲烷重整制氢来生产化肥，海运中使用效率为39%的船舶内燃机用氨气替代重燃料油。（资料来源：美国能源信息署排放强度值） 氢能使用的行业和场景 虽然氢能已在多个行业中得到了广泛应用，但大部分氢气仍然由化石燃料制备，排放水平较高。其中，供化肥生产和石油炼化行业使用的氢能在制氢环节的碳排放量约占全球排放量的2%。因此，这些行业想要脱碳，必然需要选择清洁氢来替代排放较高的灰氢。欧盟已经承诺，到2030年全面替换由天然气制备的灰氢。考虑到清洁氢与传统化石燃料制氢所消耗的原料之间存在等量替代关系，这些氢能利用领域有望成为扩大清洁氢供应链、推动其成本下降的龙头行业。 考虑到钢铁行业碳排放量较大，但减碳措施相对有限的现状，氢能也成为助力钢铁行业脱碳的主要解决方案。目前，钢铁生产环节产生的碳排放占全球排放总量的8%左右，其中，主要的排放来自使用焦煤从铁矿石中除氧来还原铁的化学过程。用氢气替代焦煤作为生产过程中的还原剂是钢铁行业目前最具发展前景且较为成熟的脱碳方法。 与钢铁行业类似，航运的碳排放量约占全球总量的2.5%左右，并伴随着经济发展和需求的增长同步持续扩大。从技术的角度出发，目前除氢基燃料外，可供远洋航运选择的脱碳解决方案相对有限。虽然电动船舶可被应用于区域短距离运输的航运线路，但对于排放占比最大的远洋航运而言，氢或其衍生能源（氨或甲醇）将是航运行业脱碳的必要解决方案。生物质燃料虽然也是一种可以选用的零碳燃料，但由于生产生物质燃料的原料同样相对紧缺，生物质燃料大多优先应用于航空行业。 重型货运车辆的碳排放量占全球排放量4.5%左右。长途运输中那些载重较大、运输距离较长的车辆很可能需要使用氢能作为燃料。考虑到目前电池的能量密度相对有限，且价格较高，还不能100%使用电动手段来助力长途货运实现零排放转型。 氢能的长期应用场景 航空领域脱碳的技术选择较多，各类技术的可行性取决于机型的大小和航行距离。当航线较短时，电气化是较理想的选择。当航线较长时，可优先选择生物燃料、合成燃料或氢能。然而，氢能在航空领域的应用需要克服技术、设计和监管方面的重重障碍；在氢能、生物质燃料等新型燃料出现之前，灌注式燃料由于不需要对飞机进行改装，几乎是实现航空零排放的唯一解决方案。在飞机相关技术逐渐成熟的前提下，为加快航空行业的脱碳进程，当前氢能基础设施的建设应着眼于自2030年开始为机场提供加氢基础设施。 零碳电力系统的建立不仅离不开大规模可再生能源的供给，也需要在灵活性和稳定性方面满足电力供给的基本需求。除了需求侧响应、储能、碳补集封存和地热能等方式外，氢能同样是解决这一问题的有效措施。虽然目前电网最具经济性的脱碳方案还无法明确，但作为一种季节性的储能资源，氢能的易用性和灵活性优势有望在未来得到更加充分的发挥。而电力系统进一步脱碳需要使用的资源则取决于电网的具体情况。但总的来说，与其先制氢再将其转化为电力，我们更应该考虑直接将当前的可再生能源电力并入电网消纳。 直接电气化在哪些领域更胜一筹？ 如图1所示，建筑供暖和轻型乘用车辆更适合采用直接电气化而不是氢能的方式来实现脱碳。热泵价格较低且效率更高，对于温带的地区和气候条件较为温暖的地区是供热领域良好的脱碳选择。同样，考虑到纯电动乘用车的效率和可用性，直接电气化往往是乘用车领域的脱碳最优选择。然而，在某些情况下，氢能仍然具备一定的应用前景，特别是在可再生能源资源相对有限，或换电设施难以发挥作用的区域。 除了直接利用氢能进行建筑供热和发电外，通过天然气掺氢的方式进行运输也是需要重点探索的方向。氢气与天然气混合使用不需要升级现有的天然气管道、涡轮机或锅炉基础设施，相较纯氢的输送系统具有天然的优势。然而，天然气混氢的减排效果目前仍然相对有限。与天然气中的甲烷相比，氢气的体积能量密度更低，因此，在压缩之前，天然气管道混入氢气（比例为20%）只能减少7%的碳排放。 氢能在实现气候目标的过程中发挥着举足轻重的作用。但在提高能源效率和直接电气化是更优项的前提下，使用氢能有时反而会阻碍我们的能源系统实现快速、经济有效的脱碳。为了在最大程度上对整个能源系统宝贵的清洁电力进行有效利用，在应用氢能时，应更多着眼于难以通过提高能效和直接电气化来实现零碳转型的场景。目前，化肥、石油化工、钢铁制造和长途重型运输行业等都是氢能应用的重要场景。随着技术和行业的发展，氢能也将在航空和长时储能等领域发挥更大的作用。
