【深度解读】氢能如何推动能源转型

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前言——氢能如何推动能源转型

2015年12月12日,巴黎:195个国家签署了一项具有法律约束力的协议,旨在将全球气候变暖控制在2°C以下——这一雄心勃勃的目标要求全球经济体对全世界的多数能源系统都要实施脱碳。能源转型面临着诸多挑战。我们必须建造和集成大量的可再生能源利用设施,同时确保能源供应和系统的韧性。终端用能部门,如运输,必须实现大规模脱碳。

在这种背景下,我们认为现在非常有必要重视和重申氢能解决方案的独特优势。氢和燃料电池技术具有很大的潜力来实现能源系统向清洁、低碳方向转型。完成这一能源转型将大大减少温室气体排放和提高空气质量。

我们为了支持和推动氢能的发展,成立了氢能理事会。这个团体有13个成员单位,分别来自于全球不同的工业和能源部门。我们致力于在世界范围内,引导氢和燃料电池解决方案的加速发展。

氢是一种用途广泛、清洁、安全的能量载体,可以作为动力燃料或工业原料。它可以产自于(可再生的)电力和脱碳的化石燃料。氢在使用时可实现零排放。它可以以高能量密度的液态或气态形式储存和运输。它可以燃烧或者用于燃料电池中以产生热量和电力。

在本文中,我们探讨了氢在能源转型中的作用,包括其潜力、最近已取得的进展以及未来面临的挑战。在政策制定者、私营部门和社会的支持下,我们还提供了相关建议,以确保加速推进氢能技术应用的条件达成。

我们氢能理事会相信,氢能在实现能源转型方面有非常大的潜力。为了使其充分发挥这种潜力,我们希望得到政策制定者们的支持,以克服现有障碍。氢能技术的推广需要多方的努力,氢能理事会成员愿意进一步增加投资。这样,我们有望看到稳定的长期监管框架、针对性的协调、激励政策,以及制定和协调在政治层面必要的行业标准的各项举措。

我们希望政府和主要社会利益相关方也认识到氢能对能源转型的重要作用,并和我们一道制定有效的实施计划,从而使氢能的应用大获成功。

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第一章 能源转型——必经之路,全球性的挑战

全世界广泛理解和认同能源转型的必要性。然而,能源转型所涉及的问题和挑战需要大家共同努力去解决。氢能提供了一种清洁、可持续、灵活的能源选择方案,可以克服阻碍经济向韧性、低碳发展的多种障碍,因此很有可能成为能源转型的强大推动者。

世界需要一种更清洁、更可持续的能源系统

除非能源系统在电力生产到终端用户的各个方面都发生变化,否则全球气候将在未来50到100年持续受到负面影响。在一切照旧的情形下,排放的温室气体将导致全球平均气温上升约4°C。反过来,这将升高海平面,改变气候带,使极端天气和干旱更加频繁等等,这些都会对全球的生态、社会和经济系统产生影响。

通过让我们的能源系统排放更少的温室气体和颗粒物,变得更加可持续,甚至在能源生产和消费方面实现循环利用,我们可以缓解气候变化。这一概念得到了全球的广泛支持。国际社会在多项国际协议中接受了这一想法,包括可持续发展目标(SDGs)、第三届世界人居大会(Habitat III)和巴黎的第21届联合国气候变化大会(COP21)。在巴黎气候大会中,195个国家通过了第一个具有法律约束力的全球气候协议。它旨在保持“相较于工业化前水平,全球平均气温的上升幅度控制在2°C以内,并努力将温升控制在1.5°C以内”。

面对这雄心勃勃的目标,当前的努力显然还不够。在巴黎气候大会中达成的削减CO2排放的各国计划也还有必要进一步强化。到2100年,这些计划将使全球平均气温升幅远高于2°C。将全球温升控制在2°C要求到2100年全球累计能源相关的碳排放量需要控制在900 Gt左右。当前,全球每年能源相关的碳排放量为34 Gt,这意味着2050年就会达到碳排放量的上限值。与此同时,世界正面临短期内降低空气污染水平的迫切需求。根据世界卫生组织的数据,全球仅有1%的人口居住在污染物排放达标的地区。

现在急需要采取行动。为了实现COP21、Habitat III和SDGs中多方制定的雄伟目标,全世界需要实施有史以来最大的能源变革:将能源供应和消费从不可再生的碳基能源结构向清洁、低碳转型。

为了实现能源系统的脱碳,需要从四个方面努力:提高能源效率,开发可再生能源,转用低碳/零碳能量载体,以及实施碳捕集与封存(CCS)以及利用(CCU)。

这将从根本上改变能源供需结构。如今,化石燃料在一次消费中的占比为82%;可再生能源占比14%,核能4%。尽管未来能源利用效率会有所提高,但由于人口和经济增长,到2050年能源需求仍将增加16%。到2050年,可再生能源在整体能源中的比重与现有水平相比将增加3至5倍。但同时,化石燃料仍将占较大的比重(部分采用碳捕集与封存技术减少或避免碳排放)。我们需要一种新的能量载体将比例日益增长的脱碳能源传输到能源消费侧,同时保证为终端用户提供的能源服务水平(居民,工业和运输)。两种能量载体有望对能源脱碳和实施变革产生重要影响,即电力和氢能。

能源转型需要克服五大挑战

过渡到低碳经济需要一个转型范式 (见附录I),同时需要大规模的投资。未来的挑战来自五个方面——氢能将在克服这些挑战的过程中扮演重要角色(图1)。

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图1 氢能作为零碳能量载体,助力应对能源转型中的五大挑战

1. 在发电侧逐渐增多的可再生能源导致电力供应和需求的不平衡。

通过间歇可再生能源发电以及电力需求的增加,使得电力系统极度紧张。电网容量、间歇性、以及低碳能源季节性(数周至数月)储存和备用发电容量的应用将是需要应对的挑战。

氢能有助于优化消纳可再生能源的电力系统,从而进一步提高可再生能源比例。电解通过消耗(过剩的)电能产生氢能,然后通过在其他方面(运输,工业,居民供热)利用或储存起来而产生价值。氢能有潜力进一步提高可再生能源投资的经济效益,增强能源供应安全,并作为无碳季节性储能,当可再生能源生产能力不足和能源需求量大时(如欧洲冬季)供能。

2. 为了确保能源供应安全,全球和区域的能源基础设施需要重大转型。

今天,全球约30%的一次能源供应跨境交易,包括多个能源品种(石油,天然气,煤炭和电力)。由于世界不同地区的可再生能源资源和生产情况不同,而且电力的“存储能力”有限,因此能源交易的需求将持续存在。一个运作良好的跨境能源基础设施系统对于保障能源供应安全至关重要。一个国家内的地区或城市的能源系统也将发生变化:集中式和分散式相结合的新型能源供应方式将会出现,从而更加体现了对能源基础设施进行调整的必要性。

氢能可以提供一种经济效益好、清洁的能源基础设施系统,有助于提高地方和国家层面的能源供应安全。氢能是一种在城市和区域间高效(再)分配能源的重要能量载体,它可以依托轮船、管道或罐装车等多种运输方式。

3. 把化石燃料作为能源系统的缓冲物将不足以确保系统的顺利运转。

一般来说,缓冲能源容量只有达到世界年能源需求的15%左右时,才能保证能源系统的平稳运转。缓冲能源可以吸收供应链的冲击,在国家层面提供战略储备,预防供需失衡。当前,化石能源提供了大部分的存储容量。但随着全社会电气化程度的提高,这些储备将不足以确保为终端用户提供稳定的能源供应。

由于在传输方面具有良好的存储特性和灵活性,氢能是一种可行的、清洁的、在未来可以很好地应用能源缓冲挑战的方案。

4. 部分终端用能场景很难通过电网或者蓄电池实现电气化,尤其是在长距离运输等领域。

在很多领域,直接电气化会存在技术上的挑战,甚至在碳排放成本较高时出现不经济的情况,例如在重型运输、非电气化铁路、远洋运输和航空领域,还包括一些能源密集型行业。在其他领域,即使技术上可行,直接电气化也不一定能够总是满足性能要求和充电的便利性,比如轻型车辆。

在很多领域(不仅限于上述领域),技术或经济上的问题限制了直接电气化的应用,此时氢能可以提供一个可行的解决方案。

5. 可再生能源无法替代石油化工行业中的所有化石原料。

用于生产化工产品的化石燃料在其生命周期结束时会引起(二氧化碳)排放,如将塑料进行焚烧处理时。这些延迟排放也需要进行脱碳处理。将氢能与碳捕集相结合,可以产生碳氢化合物,从而像石油和天然气一样作为化工原料。因此,氢能也有助于将碳捕集和利用(CCU)付诸实践,从而减少水泥等高碳行业的二氧化碳排放。

总之,为了克服当今能源系统面临的各种挑战,氢能由于其独特性质将成为一种非常有应用前景的解决方案。如果采用可再生能源电解、生物沼气蒸汽甲烷重整(SMR)或者蒸汽甲烷重整配备CCS/CCU等方式制氢,那么氢能的生产将没有任何碳足迹产生。氢气的性质使得它能够用于发电和/或者供热,利用方式有燃料电池、热电联产(CHPs)、燃烧器或者改进的燃气轮机。由于其化学性质,它也能够用于化工过程原料,包括生产氨和甲醇。氢气在燃烧时不会产生硫化物或污染物颗粒,只有有限的氮氧化物。对于车载燃料电池,氢能在利用过程中不产生任何排放,且比传统发动机噪音更小。氢能一般存储在罐体中,与同等尺寸的电池相比更加轻盈,且能够储存更多的能量,在能量储存和分配方面有更加明显的优势。(有关氢的更多信息,请参阅附录II-氢气要点。)

第二章 能源转型中氢能的作用

氢能的独特优势使其成为能源转型的强大推动因素,发展氢能将会对能源系统和终端用能领域带来诸多益处(如图2所示)。

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图2 氢能在多个行业中起到减少碳排放的作用

1. 实现大规模、高效的可再生能源消纳

在电力系统中,变动的电力供应和需求在时间上并不能很好地相互匹配(无论是日间,还是季节间)。提高间歇性的比例至目标水平(40%以上)将对电力系统的灵活性提出更高要求。逐步提高的电气化程度和电能有限的存储能力将需要更有效的储能方案。为了解决各方面的问题,我们提出了不同的解决方案,如电网升级改造和用于尽量实现短期或长期电力供需平衡的技术,如灵活性备用发电机组、需求侧管理、储能等。

氢能在这方面具有独特优势,它可以避免产生CO2和颗粒物排放,可以大规模利用,还广泛适用于各种场景。氢能可以通过两种方式来提高能源系统的效率和灵活性(如图3所示):

i.当电能过剩时,可以通过电解将多余的电能转化为氢气。产生的氢可以在电力供应不足时提供备用电力,也可以用于其他能源消耗领域,如交通运输、工业或居民等。通过这种方式可以充分利用过剩电能。

如果不通过氢能技术进行补充利用,可再生能源存在丢弃的可能性将非常大。以德国为例,预计到2050年,德国可再生能源发电比例将达到90%时,预计可再生能源弃量将达到170 TWh/年以上,相当于用氢气为德国乘用车提供燃料对应能量的一半左右。这意味着可以采用约60GW的电解功率对这一部分电能进行充分利用,并产生较好的经济效益(经济性在一定程度上取决于电网互联的水平)。

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图3 过剩电量可用于制氢以实现跨季节储能(模拟德国2050年情景,单位GW)

氢能既可以集中利用,也可以分散利用,既可以作为主要电源,也可以作为备用电源。与天然气一样,来自氢气(或其化合物)的电能可以快速供应或中断。因此,氢能可以很好地应对可再生能源的突然中断(如遭遇恶劣天气事件时)。此外,电解装置还可以给电网提供辅助服务,如频率调节等。

氢能也可以应用在工业和建筑领域的燃料电池热电联产装置中,同时产生电能和热能。这一技术将提高这些领域的发电和供热效率,并整体提高能源系统的灵活性。其潜力将在接下来的部分中进行讨论。

ii.氢能可用作长周期零碳跨季节储能载体

氢能是长期性的零碳季节性储能的最佳整体解决方案。虽然蓄电池、超级电容以及压缩空气储能也有助于实现电量平衡,但它们缺乏解决季节性不平衡所需的蓄电容量和蓄能周期(如图4所示)。抽水蓄能可以像储氢一样实现大规模、长周期的储能;目前,抽水蓄能占到全球储能装机容量(162 GW)的95%以上。然而,其尚未开发的蓄能容量由于受到当地地理条件的限制,仅占全球每年能源需求的1%左右(0.3 EJ)。这还不足以应对能源需求的季节性差异。以德国为例,其冬季的能源需求比夏季高约30%以上,而冬季的可再生能源发电量通常比夏季低50%(如图3所示)。

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图4 氢能是最具应用前景的长周期零碳跨季节储能载体(零碳储能技术概览)

目前,氢能仍然是一种新的储能技术,但越来越多的大型氢基储能示范项目正在全球范围内规划、推广和实施,包括丹麦、加拿大、日本和亚太地区。另外,地下大规模储氢是一种可行的技术手段,且不存在重大的技术障碍。随着可再生能源比例的增加,氢能作为一种长期性的储能方式预计会加速发展和实施。

为此,盐穴储氢的成本预计将在2030年降至140欧元/兆瓦时(电转电)。这甚至低于抽水蓄能的预测成本(2030年约为400欧元/兆瓦时)。德国可用于洞穴储氢的潜在空间容积约有370亿立方米,这足以储存110 TWhth的氢能,可以完全满足德国预计的季节性储能需求。

总之,氢气可以实现在能源系统中更经济有效地耦合大量间歇性能源,同时为保障能源系统的稳定运行提供必要的灵活性。

2.在不同行业和地区间进行能量分配

电力系统需要对可再生能源进行分配。以日本为代表的一些国家由于地理条件限制,无法仅由风能和太阳能提供电力供应。还有一些国家可能还需要时间来募集必要的资金。在某些情况下,进口可再生能源可能更为经济,例如,把赤道附近的低成本太阳能转移到太阳能资源匮乏的地域加以利用。由于氢气及其化合物具有很高的能量密度且易于运输,它们将有助于高效、灵活地(再)分配能源。

长距离电力传输会造成能量损失,但通过管道运输氢气几乎可以达到100%的效率。这种优势使氢能在大规模和远距离运输可再生能源时非常具有经济竞争力。例如,可以通过氢能,把能量从中东等具有很高的可再生能源发电潜力的地区转移到欧洲等能源需要高的地区。作为一项长期应对策略,进口氢能将有助于我们应对可再生能源的持续增长或确保在可再生能源发电量较少的冬季能够提供充足的能源。

日本计划在2020年开展首次用于国际贸易的液氢运输船的技术示范。目前,氢气管道和运输氢气或液氢的长管拖车是最常见的运输方式。随着氢能传输量的增大,氢气也会和运输的成本在未来15年有望下降30~40%。已有关于采用现有天然气管网输送氢气的测试报道,但还没有大规模应用。利兹是第一个提出在2026年之前将其天然气管网改造为氢气管网的城市。


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