近年來，受能源政策、市場以及相關(guān)氫能利用技術(shù)的驅(qū)動，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應(yīng)用提供了更多可行和適用的選擇。能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅(qū)動力。

氫可以直接以純凈形式使用，或作為合成液態(tài)或氣態(tài)氫基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源載體（氨）的基礎(chǔ)。

氫能在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用 ▼

目前大多數(shù)氫氣用于工業(yè)領(lǐng)域，直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源。其中煉油廠、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)、鋼鐵生產(chǎn)消耗氫氣比例分別為33%、27%、11%、3%。長遠(yuǎn)來看，氫能可以廣泛用于能源企業(yè)、交通運輸、工業(yè)用戶、商業(yè)建筑等領(lǐng)域。既可以通過燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車、軌道交通、船舶等領(lǐng)域，降低長距離高負(fù)荷交通對石油和天然氣的依賴；還可以利用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、燃料電池技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供暖供電。

典型應(yīng)用案例 ▼

目前，工業(yè)用戶中的氫幾乎*來自天然氣、煤炭和石油的大規(guī)模制氫，對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，采用可再生能源發(fā)電制氫耦合工業(yè)用戶，既可以提供無碳?xì)?，又可以提供可再生電力，避免化石燃料的碳排放問題。氫用于工業(yè)用戶中的途徑有：

• 煉油，加氫處理和加氫裂化去除雜質(zhì)，提高中間循分油的精收效率；

• 化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工業(yè)原料和燃料；

• 鋼鐵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐及堿性氧氣轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中常用的焦炭和天然氣。

基于氫的合成燃料儲存更容易，可利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施輸送，為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019年11月，奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠6MW電解制氫裝置投產(chǎn)，開啟了氫能冶金時代。中國寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開始可再生能源制氫-氫能冶金立項，探尋循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可行性。

長期以來，氫作為潛在的交通燃料，被視為石油和天然氣的清潔替代品。氫動力系統(tǒng)因其零碳排放和廣泛的適應(yīng)性有望成為交通運輸部門實現(xiàn)快速減排的少數(shù)選擇之一，這依賴于燃料電池技術(shù)的發(fā)展，目前氫能燃料電池用于交通運輸領(lǐng)域主要包括：（1）道路運輸，如小型汽車、公共汽車、卡車和其他貨車；（2）海事行業(yè)，如船舶、港口；（3）鐵路和航空；（4）其他特殊領(lǐng)域，如救援車輛、深海裝備等。

相比于純電動汽車，氫燃料電池汽車、卡車及叉車的燃料加注時間短、續(xù)航里程長。

目前氫在海事、鐵路和航空領(lǐng)域的應(yīng)用處于示范階段，主要用于輔助動力單元，而碳排放交易體系的不斷擴(kuò)大為氫能在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提供了潛在的空間。2019年11月，中國首列氫燃料電池有軌電車在佛山投運。2020年1月，美國國防部聯(lián)合能源部啟動氫燃料電池應(yīng)急救援車H2Rescue項目，基于氫燃料電池/鋰電池混合系統(tǒng)，開啟微電網(wǎng)搭建、供熱和供水一體化研究。

中國首列氫燃料電池有軌電車 ▼

目前，全球氫能發(fā)電比例很小，約占總發(fā)電量的0.2%。隨著對能源行業(yè)深度脫碳要求的進(jìn)一步提高，氫能應(yīng)用于能源企業(yè)路徑主要有：

• 氫為燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池提供燃料，作為備用電源或離網(wǎng)供電，為易停電和偏遠(yuǎn)地區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施（如醫(yī)院，通信基礎(chǔ)設(shè)施等）提供備用電源，成為電力系統(tǒng)的一個靈活性電源；

• 氫轉(zhuǎn)化成氨，與煤粉共燃，降低傳統(tǒng)燃煤電廠的碳排放強(qiáng)度；

• 氫以壓縮氣體、氨或合成甲烷的方式儲存，平衡電力需求和可再生能源的間歇性波動。

在住宅建筑領(lǐng)域，75%的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、供熱。利用氫燃料電池為建筑、社區(qū)等供熱，并作為備用電源，與電力、熱力等能源品種實現(xiàn)互聯(lián)互補(bǔ)，提高能源利用效率。

為了實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中的目標(biāo)，全球能源系統(tǒng)必須進(jìn)行深刻的變革，可再生能源的低碳電力可能成為shou選的能源載體，電力在全球終端能源消耗中的份額到2050年需要增加近40%。但對于難以通過電氣化實現(xiàn)脫碳的行業(yè)（如物流、工業(yè)用戶），各國政府正在逐步認(rèn)識到可再生能源耦合氫能是實現(xiàn)零碳凈排放的重要選擇之一。

（1）目前，90%的氫用作工業(yè)原料，但這部分氫大多來源于化石燃料，未來工業(yè)用戶的深度脫碳途徑是利用可再生制氫來替代這部分氫氣。制氫成本與碳排放成本是影響該用途進(jìn)展的關(guān)鍵因素。氫氣綜合成本為1.2?2.3美元/kg時，可再生能源制氫的競爭力大大提升。

(2)氫能已經(jīng)逐步用于交通運輸領(lǐng)域的城市用車、短程公共車，但大范圍推廣仍受限于氫燃料電池及車載氫罐的成本，以及氫供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施完善程度。但對于重型卡車或遠(yuǎn)程運輸來說，氫能仍是該領(lǐng)域脫碳成本di的方法之一。

(3)氫能主要作為清潔燃料為能源企業(yè)提供熱量和電力，但目前仍受限于較高的制氫成本，但整體考慮系統(tǒng)年利用率及資本支出，氫能用于熱電原料比例將會進(jìn)一步提升。相比之下，氫能以儲能的方式為電網(wǎng)提供平衡和靈活性的方法更有競爭力。

(4)而對于分布式供暖，氫能是少數(shù)幾種可以與天然氣競爭的低碳替代品，隨著制氫成本和氫鍋爐、燃料電池成本的下降，以及氫氣利用現(xiàn)有天然氣管道輸送能力的提升。

雖然氫能已經(jīng)在能源系統(tǒng)中的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈中基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，氫能供應(yīng)鏈中制氫技術(shù)的成本問題，長距離、大容量儲運經(jīng)濟(jì)安全問題及終端加氫設(shè)施成本等問題仍是目前亟須解決的。

來源：國網(wǎng)能源研究院有限公司：蔣東方 賈躍龍 魯強(qiáng) 洪博文 神瑞寶 張巖；

轉(zhuǎn)載來源：《氫能俱樂部》微信公眾號

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