關(guān)于氫能的爭(zhēng)論實(shí)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。

在化石燃料消費(fèi)驅(qū)動(dòng)下，20世紀(jì)廉價(jià)，豐富且看似無限的能源供應(yīng)帶來了前所未有的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生活質(zhì)量改善。但與金融相似，長(zhǎng)期成本最終將高于短期收益。社會(huì)已經(jīng)收獲了化石燃料消費(fèi)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(dú)特、跨系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，從根本上改變了能源景觀，使氣候和能源消費(fèi)者帶受益，但要實(shí)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(jì)脫碳是人類當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)，而且會(huì)因?yàn)闅夂蜃兓C(jī)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(huì)發(fā)展的軌跡。

隨著社會(huì)態(tài)度的適應(yīng)和變化，從化石燃料驅(qū)動(dòng)型經(jīng)濟(jì)向環(huán)境可持續(xù)經(jīng)濟(jì)模式的轉(zhuǎn)變，將為那些有勇氣立即行動(dòng)并掌握先發(fā)優(yōu)勢(shì)的人提供新的機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)利益。

就像人類面臨的每一項(xiàng)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(jì)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(qiáng)度。以此達(dá)到巴黎協(xié)約提出“相對(duì)于工業(yè)化時(shí)代，將平均氣溫上升維持在1.5℃以下的目標(biāo)。

每個(gè)選項(xiàng)中都包含一系列技術(shù)途徑，而載體的確切平衡將針對(duì)具體國(guó)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(duì)意義做的務(wù)實(shí)結(jié)論。

方案1強(qiáng)調(diào)減少絕對(duì)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(diǎn)現(xiàn)在和未來都很重要。然而這一方案實(shí)施中“規(guī)模”是問題所在。如果變革性的技術(shù)進(jìn)步和對(duì)消費(fèi)者生活方式不可接受的破壞性變化，這一方案無法實(shí)現(xiàn)到2050年相對(duì)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(shí)，這種邏輯擴(kuò)展到石油和天然氣（加熱和運(yùn)輸）時(shí)并不適用。

如果方案2是主要技術(shù)載體，這意味著將每個(gè)家庭的燃?xì)忮仩t煙道、工業(yè)煙道煙囪、燃?xì)廨啓C(jī)和移動(dòng)車輛連接到CCS基礎(chǔ)設(shè)施。這顯然不實(shí)際。

燃燒后CCS可能會(huì)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(qiáng)度。從消費(fèi)者的角度來看，這種策略是破壞性最小的選擇，同時(shí)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(gè)明確而有凝聚力的國(guó)家計(jì)劃下實(shí)施，其中包括允許私人投資，以及必要的監(jiān)管機(jī)制。

實(shí)施上方案3一直是電力市場(chǎng)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(qiáng)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(yùn)輸)的其他能源載體時(shí)并不適用。

如圖1和圖2所示，英國(guó)的電力需求是三者中最小的，年運(yùn)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(gè)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(dòng)汽車充電高峰時(shí)的每日出行模式，所有因素都會(huì)加劇問題。

顯然，低碳電力的使用具有自然的經(jīng)濟(jì)上限。因此，問題轉(zhuǎn)向替代能源載體，以經(jīng)濟(jì)和政治可接受的方式降低供熱和運(yùn)輸?shù)奶紡?qiáng)度。在電氣化同時(shí)，降低能源供應(yīng)碳強(qiáng)度的兩種選擇是：可再生碳?xì)浠衔飦碓矗鐨洌约吧锛淄楹鸵后w生物燃料。

顯然，低碳電力的部署具有自然的經(jīng)濟(jì)上限。因此，問題轉(zhuǎn)向替代能源載體，以經(jīng)濟(jì)和政治上可接受的方式降低供暖和運(yùn)輸?shù)奶紡?qiáng)度。降低能源供應(yīng)碳強(qiáng)度以及電氣化的兩種選擇是：可再生碳?xì)浠衔飦碓矗缟锛淄楹鸵后w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(guó)國(guó)內(nèi)，原料的生物甲烷可以貢獻(xiàn)100TWh/y，約占國(guó)內(nèi)天然氣需求的三分之一。而英國(guó)天然氣總需求高達(dá)1000TWh/年左右，這意味著需要其他補(bǔ)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(qiáng)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(jī)會(huì)。還是以英國(guó)為例，目前供暖幾乎占英國(guó)排放總量的一半，因此解決這一二氧化碳來源將是實(shí)現(xiàn)英國(guó)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(guó)正在進(jìn)行的大量項(xiàng)目如HyDeploy等，也令所有天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識(shí)到了氫能蘊(yùn)藏的機(jī)會(huì)，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(chǎng)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(jī)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(jī)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(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)械慣性，同時(shí)進(jìn)一步降低電能碳強(qiáng)度。

運(yùn)輸

運(yùn)輸是二級(jí)脫碳問題——電力和天然氣技術(shù)解決方案將為運(yùn)輸脫碳提供基礎(chǔ)設(shè)施框架。如果電力是運(yùn)輸能源的唯一形式，那么就需要對(duì)可調(diào)度發(fā)電進(jìn)行重大投資，同時(shí)還需要智能技術(shù)，以便在必要時(shí)為車輛充電。相對(duì)于工業(yè)電池的反事實(shí)，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(yùn)輸，在使用時(shí)零排放。

在采用電動(dòng)傳動(dòng)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(shì)。因此，無論運(yùn)輸市場(chǎng)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(duì)生產(chǎn)進(jìn)行重大投資。制氫技術(shù)的重要性已被多國(guó)政府認(rèn)可，英國(guó)國(guó)內(nèi)甚至產(chǎn)生了2000萬英鎊的氫能供應(yīng)競(jìng)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(jì)地提供所需規(guī)模的大量。而長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，通過太陽能熱水解生產(chǎn)并在油輪中運(yùn)輸?shù)臍洌梢蕴峁┳罱K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(shí)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(jī)制和客戶認(rèn)知都是氫技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。單獨(dú)面臨這些挑戰(zhàn)時(shí)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(huì)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(xiǎn)的項(xiàng)目，如取消對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)備進(jìn)行修改的需要，同時(shí)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(jī)制，促進(jìn)更深入部署，并將消費(fèi)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(jì)脫碳不會(huì)付出一定的成本為代價(jià)，是不明智的。因?yàn)槟壳拔覀兊哪茉聪到y(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(chǔ)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(jì)上的必然性。

決策者和知情實(shí)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(shí)現(xiàn)氫能更深層次的部署。