绿氢：平衡之要.pdf

影响力系列白皮书 第五册绿氢：平衡之要影响力系列白皮书 第五册1 影响力系列白皮书 第五册既扩大氢能规模又保持电网稳定且成本可控序言Mika Kulju丹佛斯集团传动事业部总裁全球对气候变化的讨论愈加热烈，其中氢能作为一个新近出现的能源载体，不仅引发各方激烈的讨论和争议，也是全球各地媒体热议的话题。既有拥趸者赞之曰“奇迹燃料”，也有人提出警示，称之为无法摆脱化石能源的代价高昂的双刃剑。面对气候变化，行业正在探寻可持续的应对之道，这一过程既事关紧迫，又错综复杂。有人希望寻找灵丹妙药，也不难理解。同样，氢能效用的相关研究使其成为绿色转型中争议最大的话题之一。但是，无论我们将氢能视为灵丹妙药，还是继续就如此两极化的观点进行激烈的争论，都无益于我们达成净零目标。在摆脱化石能源的转型中，绿氢将会发挥关键作用。当前，氢能主要还是聚焦于传统应用领域。在重工业、长途运输等难以减排的行业，需要加快推广氢能应用。好消息是，我们已经掌握了降低绿氢制备成本所需的技术。正如上一册影响力系列白皮书第四册所述，为将全球温升幅度控制在1.5之内，我们必须采用可再生能源发电技术替代化石燃料发电技术。2 影响力系列白皮书 第五册历经多年反复辩论无果，这一情况在阿联酋迪拜举行的第28届缔约方大会（COP28）上最终得到承认。会上，198个缔约方同意“摆脱各类化石能源，让世界在2050年前实现净零排放”1。关键在于，历史性地摆脱化石能源意味着，我们必须弃用传统能源技术和系统，改用充分电气化的能源系统。COP28传来的消息，令人鼓舞。但是，尽管提高能效、推进电气化、扩大利用可再生能源的决议作用巨大，却只能让我们部分达到净零目标。补上能源转型的最后一块拼图，要靠替代性低排放燃料，实现最难减排的行业脱碳。要应对这个挑战，氢能是关键。低排放氢能是减排降碳的多面手，在可再生能源发电供大于求时，可以用于储存余能。如果是用可再生能源制氢，氢能就能使农业、航空、航运、重工等行业提前几十年实现间接的电气化。尽管绿氢的应用前景广阔，但市场对可再生能源的需求量也很大。事实上，到2050年，制氢能耗将超过目前电力需求总量的一半2,3,4,5。若要充分发掘氢能潜力，又不压垮能源网络，我们就要高效制氢、智慧用氢，包括改造现有灰氢生产设施，使其转产绿氢。本文将聚焦于平衡且体系化的氢能发展方式提出一系列原则，使得政府、行业中的决策制定者既能高效扩大制氢规模，又能避免可再生能源生产或者财务资源压力失控。通过降低整体能耗、高效制氢、智慧用氢，我们可以在全球范围内，帮助当前碳排放过高的行业和工艺实现有效减排降碳。就像其它环境优化技术一样，氢能也不能包打天下。我们需要一个整体的且具有成本效益的发展路径。毫无疑问，氢能必将会在绿色转型中发挥关键作用。我们已经掌握了快速、经济、可持续的氢能技术。现在要做的，就是不再纠结极端，而是开始拥抱未来机遇。丹佛斯行业专家库（按名首字母排序）程宝江船舶解决方案曲 磊数据中心解决方案朱 阳绿氢/ESG能效提升182 2116 唐小辉储能、工业热泵解决方案练 俊新能源汽车功率半导体解决方案15201847582jun.liansemikron-芮小东电子厂房解决方案王 超电气化解决方案3 影响力系列白皮书 第五册依托实证证据和可靠信源，影响力系列白皮书第五册阐述了氢能在未来能源体系中的定位。本文讨论氢能和制氢时使用的术语有异于国际标准或法规。目前，不论电网上的电力来自什么能源，电解制氢都被视为“绿色”。利用可再生能源电力进行制氢，则术语各异。但在本册之中，我们将利用可再生能源电力生产的氢能称为“绿氢”，碳排放强度趋近于零。遵循国际能源署6,7 和欧盟8 对于通过可再生能源发电制氢和配套技术的化石燃料（天然气和煤制气）制氢的定义，本册会在个别论述中会将其称之为“低排放氢能”，包括“蓝氢”和“绿氢”。这些术语在行业文献中广泛使用，但没有标准定义。特别感谢Mathias Berg Rosendal(DTU管理学院能源经济与建模专业博士生)为本文初稿提供的宝贵意见和建议。本文仅代表丹佛斯公司的观点。其完整性和准确性不应归责于任何外部审稿人员或实体。丹佛斯影响力系列白皮书第五册由丹佛斯集团传播与公共事务部分析团队编写。如有点评或问题，请联系丹佛斯集团传播与公共事务分析团队负责人Sara Vad Srensen:。4 影响力系列白皮书 第五册首先要实现电气化、减少能源需求绿氢制备能耗大、成本高，制氢所需的可再生能源并不是免费资源。在大规模应用氢能之前，先要采取一切可能的措施，推广电气化，提高能源效率。提高能效是最经济的净零之道。高效制氢到2050年，制氢能耗将超过目前电力总需求的一半9,10,11,12。因此，对于减少能源浪费而言，提高电氢转换效率至关重要。此外，制氢时间也很关键。如能在电网中的可再生能源富余（且廉价）时制氢，就可以降低电网侧的成本和压力。最后，制氢地点也很重要。如能在现有或规划的区域能源系统附近布局电解厂，就可以利用余热制备热水，为住宅等建筑物供热，而不是白白浪费。电解厂选址还要保证邻近丰富且洁净水源，且生产过程应避免影响饮用、农业等其它用水活动。智慧用氢虽然氢能供应预计将会大幅增加，但由于制氢能耗高，氢能仍将是高成本的稀缺资源。因此，必须明智且审慎地使用氢能。只要设备和工艺能够电气化，就应直接电气化。氢能目前仍然集中于传统用途，需要在重工业、长途运输等难以减排的行业迅速扩大氢能使用。绿氢关键要点只有两分钟？H25 影响力系列白皮书 第五册氢能释要氢能是什么？氢是宇宙中最常见的化学元素，虽然无色无臭无味，却是构成所有维持人类生命的事物的主要物质，我们喝的水、为我们送来温暖的太阳，甚至于人体本身。但是，氢尽管经常被称为“宇宙的基本构成要素”，却很少以自由状态（气态）的形式出现。恰恰在这种状态下，它让能源系统深度脱碳的力量。为何需要氢能？氢不但构成了浩瀚的宇宙，而且在地球上发挥着 重大作用。第一，作为高效能量载体，氢可以储存能量。第二，氢可以燃烧，或转化为电燃料(e-fuel)，这是一种不使用化石燃料生产的合成燃料，可以作为甲醇或煤油等传统化石燃料的低排放替代品。如果制备和使用得当，氢能对环境的影响会很小，从而在推动绿色转型方面具有很大潜力。在钢铁、水泥、长途航空等很多行业，能源强度非常 高，这些行业同完全实现电气化、使用可再生能源驱动还有很大距离。面对迫在眉睫的气候危机，我们必须探索一切可能。在高强度、高温作业的直接电气化技术尚未开发完成的阶段，通过采用绿氢实现间接电气化，可以更早启动脱碳进程。由于绿氢燃烧不排放温室气体，氢能在这些行业是替代化石燃料的良好选择，如果使用得当且有节制，可以有力推动这些行业脱碳。如果用可再生电力制备绿氢，那么随着未来电网大规模消纳可再生电力，制氢过程还能成为稳定电网的利器。可再生能源的供需两端都有波动，且峰谷时间 往往并不同步。如在晴空万里太阳能丰富时，或在风力充足之时，我们家中的电灯和炉灶却不在使用，光伏电站和风电场所发电力则无法笑纳，这时政府则需要向新能源电厂支付巨额停产补偿费用（请见第15页的“欧盟和英国的能源系统灵活性”案例）。但是，如能用富余能源制氢，不论是用作储能，还是直接用 6 影响力系列白皮书 第五册 绿氢通过将水分解为氢和氧的电解水工艺进行制备。只有当电力来自于可再生能源时，才能称作“绿氢”13。每制备1千克绿氢，碳排放可在0.5-6.6千克14,15之间，是未来低排放氢能最有前景的来源之。灰氢利用天然气、煤炭等化石燃料，通常通过蒸汽甲烷重整或煤气化工艺制备。灰氢目前占到全球制氢量的95%，其制备过程会排放大量二氧化碳，每制备1千克灰氢，碳排放高达10-26千克16，因此灰氢并非绿色转型的适宜选择17。H2 粉氢与绿氢一样，粉氢也采用电解水工艺制备，但 是利用的是核电。制备每千克粉氢的碳排放可 以低至0.1-0.3千克20。核电备受争议，容易引发多重政治考量。H2H2 蓝氢蓝氢制备工艺与灰氢相同，但是配套碳捕集和封存（CCS），捕集率可以达到85-95%，剩余5-15%的排放率18。蓝氢被认为是低排放氢能，制备每千克蓝氢会产生1.5-6.3千克的碳排放19，所以相比不是最清洁的选择。H2作燃料，都不但可以避免弃风弃光和电网波动，而且还能催生兼具高能效和盈利性的氢能经济。氢能固然好处很多，但恐难成为解决气候危机的灵丹妙药。如下文所述，对于达到全球气候目标，提高能效、直接电气化、经济地推广绿氢都很重要。氢能各不相同制氢存在多种方式。但是，当前并没有公认的标准能够根 据不同的制氢方式来为氢能分类。因此，难以核定每 种制氢方式的排放值。下图中描述了四种常见的 制氢方式。此外，白氢、青氢、紫氢等方式不太常见，或者尚且处于开发早期阶段，所以不在本文讨论 之列。7 影响力系列白皮书 第五册+-电解水可再生能源难以减排的行业氧氢电力水图1：采用可再生电力电解制备绿氢电解水工艺：通往绿氢之路常规制氢方式几乎都要用到化石燃料，造成大量排放，目前却仍占据全球制氢总量的绝大部分。低排放的其它制氢方式尽管存在，但只占全球制氢总量的千分之一21。最可行的低排放工艺是电解水制氢。电解水，通常简称为“电解”，用电把水(H2O)分解 为氢(H2)和氧(O2)。氧可以直接排入大气，或者收集后再利用。氢可以存储起来，用于工业流程、生产化肥、燃料、热能、电力等多种用途。采用可再生电力电解制氢（即绿氢），可以将氢作为最终产品，代替传统燃料，实现减排降碳。氢能很多国家气候战略的重要组成部分。要实现巴黎 协定规定的目标，在2030年前，电解能力就要超过500GW。但是，目前规划的项目仅能在2030年将产能 增至170-365GW22。这意味着，必须要么大幅扩大制 氢产能，要么采用能效措施降低需求。鉴于制氢成本 高昂、资源密集，最经济的策略是首先尽一切可能实 施电气化和能效措施，然后用氢能满足剩余（降低后 的）需求。虽然电解成本目前很高，国际可再生能源机构(IRENA)提出，通过降低电解槽成本，长期投资成本可以降低多达八成23。前期投资于高效电解，有助于降低全生命周期成本。下一章将会介绍，为什么说降低绿氢制备成本的技术已经具备。8 影响力系列白皮书 第五册降低绿氢制备成本的技术已经具备9 影响力系列白皮书 第五册高效制氢国际能源署(IEA)估计，在净零情景下，全球电解用电总需求将在2050年达到1.48万TWh24。这将主要由中美欧等世界上最大的能源消费市场雄心勃勃的战略驱动25,26,27。因此，即使能够实现能源系统各方面的能效最大化，成功减少氢能总需求，也还是需要巨量电力，才能为实现净零目标足量制氢。如何避免制氢消耗过多可再生能源，以致于压垮能源系统呢？首先，要考虑有没有比氢能更加经济的替代方案，例如直接电气化或者降低总体能源需求。其次，要尽量提高电解工艺能效，最大程度减少电解所消耗的可再生电力和水资源。在很多地方，二者都是关键稀缺资源，不能用来制氢，而需留作他用。高效转换能量转换既很简单，又复杂到匪夷所思。简而言之，就是把能量从一种形式转化为另一种形式，例如将风能转换为电能、电能转换为氢能，或者把天然气转换为热能。但在实践中，成功的能量转换堪称工程学的壮举。要实现能源系统脱碳，就要通晓能量转换的科学原理和实施落地。每当能量形式改变，总会在转换过程中损失一部分能量。能量损失最常见的形式就是发热（请见第17页“制氢过程中余热的利用”）。这往往是因为能量转换设备的低效。例如，为了驱动汽车行驶，就需要把电力、汽油等能源转化为另一种形式（例如动能）。但是，汽油发动机产生余热较多，因此能效较低。实际上，汽油发动机的能量损失率平均为64-75%；相比之下，电动车的仅为15-20%28。此时，电动车的能量转换效率更高，同等做功所需的能量更少。10 影响力系列白皮书 第五册这一类的热力学基本原理也适用于制氢。各种制氢方式的效率有高有低。实现转换效率最大化、能量损失最小化，对于在全球持续快速扩大制氢规模而言非常重要。目前，以电制氢的能量损失率约为30%29。但是，利用已有技术，可以采取措施，将其降到最低。围绕制氢，形成了冷却、泵送等全套技术生态。优先提高各步骤能效，可以产生重大效果，让绿色转型更快、更经济。对于制氢工艺降本增效，电解槽效率至关重要。新型电解槽设计通过内置冷却（成熟且广泛使用的热 交换器技术），可以大幅提升效率。要让氢能可用，就需要对其加压。在制氢工艺中，这个环节能耗也很 大。在电解过程中同步加压，而不是将其作为离开电解槽后的额外步骤，是实现高效绿色制氢的必要措 施。使用高效高压泵对电解槽的核心模块（即水分解装置）加压，可以显著提高电解效率。在本文第11页题为“高效稳定的交直流转换”的案例中，详细探讨了提高转换效率的另一个关键步骤。制氢用水制氢需要大量用水。在缺水地区，如果规划不当，制 氢可能会加剧供水压力30。在灰氢制备中，蒸汽发生、冷却等工艺流程需要用水。在蓝氢制备中，还要进行碳捕集和封存(CCS)，也需要用水。绿氢制备要将水分解为氢和氧，同时冷却过程对水的需求也很大。尽管各种制氢技术都要用水，但是绿氢用水量少于蓝氢，且有时甚至少于灰氢。每制氢1千克，蓝氢用水24-49升，灰氢用水18-31升，绿氢用水18-22升31。即便电解制氢用水量少于其它制氢方式，当地水资源的可获得性仍是需要考虑的实际问题。在干旱频发、淡水有限的地方，更是如此。电解槽冷却对当地水资源的消耗尤其巨大。所以，制氢建设规划必须始终考虑本地需求和资源禀赋。不过，干式制冷等冷却技术可以另辟蹊径，节约制氢用水。通过精心规划绿氢生产布局、采用先进适用技术，可 以缓解绿氢用水压力，减少对当地的影响。例如，可 以为制氢装置配建海水淡化和污水处理设施，并供应 生活用水。海水淡化需要能源。随着未来大量电解制 氢，淡化用能也不容小觑。水的纯化可以采用多种方 式。其中，高效高压泵能够大幅节能。要实现绿氢的制备成本、能量损失和能源需求的最小 化，就必须想方设法，实现氢能全产业链每个环节效 率的最大化。11 影响力系列白皮书 第五册制氢将从电网大量取电，因此必须确保尽可能高效制 氢，避免对电网造成不必要的干扰。为制备绿氢，要用电解槽将水分解为氢和氧，因此需要消耗电力。电解槽都采用直流供电，但是电网却采用交流输电。普通干电池产生的是直流电，电流方向恒定。而电网传输的交流电的电流方向则定时变化。因此，电解制氢时，需要把交流电转换为直流电。交直流转换设备如果性能不佳，会干扰电网运行，需要昂贵的补偿设备，才能恢复电网稳定。低效率转换器不但干扰电网运行（这在关于制氢的讨论中越发引人关注），而且会造成电解厂直流供电质量低下。但是，市场上已经有了更高效的转换器，对电网造成的干扰近乎于零，因此不再需要补偿设备，给电解厂的直流供电也更加清洁，整体制氢效率可提升约1%32。这个提升幅度看似不大，但是全球范围内制氢用电的1%却足以满足伦敦将近四年的用电需求33。此外，省去补偿设备投资和维护成本，也可以抵销部分先进转换器的成本。而且，采用先进转换器，还能简化系统，提高电网韧性。案例：高效稳定的交直流转换 12 影响力系列白皮书 第五册要实现能源系统脱碳，就要通晓能量转换的科学原理和实施落地。13 影响力系列白皮书 第五册发挥氢能灵活性实现减排和降本对于高效制氢而言，制备的方式和时间都很重要。设想未来，我们将能在可再生电力充裕时制备氢能、短缺时反输电网。利用制氢调剂余缺、提升能源系统灵活性，这绝不是科学幻想，而是今天就可以落地实施的现实方案。全天能耗的起伏取决于人类的作息时间。凌晨，多数人还在梦乡。清晨，新的一天开启，建筑需要供水，炉灶需要燃气，家电需要用电。午间，用能略有下降。傍晚，完成一天下午的工作学习，人们回到家中，洗衣做饭、天黑点灯，一个用能高峰又会到来。入夜，人们就寝休息，能源需求也降至谷底。在发达的能源网络中，能源需求周而复始，工作日大致如此。在依托可再生能源的未来能源系统中，能源生产也会有峰谷波动（见图2）。在人们离家上班前、下班回家后的时段，会产生用能尖峰，但这与皓日当空、狂风呼啸的时段不尽同步。对于未来能源系统，能源供给和使用时间的错配构成了一大挑战。目前，即使在可再生能源占比较大的能源组合中，仍在采用化石能源调峰，造成大量不必要的排放。同样，在风光资源丰富的时段，还要为弃风弃光的可再生能源生产者提供每年数以亿计的限产补偿34。然而，通过提高灵活性，到2030年就可以让这种损失减少25%35，制氢在其中可以大有作为。14 影响力系列白皮书 第五册图2：通过在深夜、中午等可再生能源供大于求时制备绿氢，可以避免弃风弃光的成本，甚至可以在峰荷时段将氢能用作低排放的替代燃料能源供需严重错配夜间上午下午中午夜间供给需求氢能是提高灵活性的利器如果既不能启动化石能源发电调峰，又不能补贴可再生能源生产者限产，就必须另辟蹊径，提高能源灵活性。在可再生能源发电富余时制备绿氢，就是最佳途径之一。我们要在可再生能源供过于求时制氢。中午，阳光最为充足，但能耗相对较低。为拉平曲线、避免弃光，可以把富余的可再生电力输往电解厂用于制氢。电力需求超过预期时，电解厂也可以快速响应，临时减产停产。此外，在四季之中，用能高峰是冬天，而可再生能源 生产高峰是夏天。可以采用氢能形式，将夏天生产的 富余可再生电力储存起来，在冬天电力供不应求时用氢发电。但是，由于电 氢 电转换效率总计18-42%36，氢能不应用作发电的常规燃料。对于能否快速可持续地推广氢能、避免不必要地影响 可再生能源生产，制氢时间是成败的关键。15 影响力系列白皮书 第五册案例：欧盟和英国的能源系统灵活性丹佛斯委托进行了一项研究，分析欧盟和英国批发能 源市场灵活性的潜力37。研究发现，如果积极务实推 广，可以创造可观的社会和环境效益，并且降低消费 者的能源支出。实际潜力可能更大，因为这项研究没 有考虑配电网和内部电网节省的投资，以及向系统运 营商出售配套服务的潜在收入。研究证明，在欧洲和英国迈向灵活稳定能源系统的过 程中，制氢将会是最大的抓手。当可再生电力供大于 求时，会既浪费宝贵资源，又破坏电网稳定。此时，可以启动制氢，从而以氢储能，稳定电网运行。为应对近期的能源危机，英国和欧盟分别拨款1030亿欧元和6810亿欧元38。面对能源危机，还可以用另一种方式提高韧性：整个欧盟和英国可以推广需求侧灵活性措施。此举将大幅降对低政府巨额补贴的需求，并为社会和消费者节省开支。到2030年和2050年，整个欧盟和英国消费者可以分别平均节约电费7%和10%。提高灵活性也是让化石能源逐步退出发电的重要手段。到2030年，天然气年发电量可以大幅下降106TWh，约合2022年欧盟发电用气总量的五分之一39。同样，到2030年，欧盟和英国可以每年减排二氧化碳4000万吨，超过2021年丹麦国内排放总量40。此外，到2030年和2050年，欧盟和英国可以每年节约社会成本105亿欧元和155亿欧元，这在很大程度上包括了需求侧灵活性的建设成本。节省的费用中，有一部分将自于电缆投资，预计这一项投资将减少21%。这项研究基于在欧盟和英国的不同场景和灵活性程度 中利用需求侧灵活性解决方案。详见影响力系列白 皮书第四册能源效率 2.0：打造未来能源系统41。16 影响力系列白皮书 第五册长时储能风能太阳能需求储存待用冬季春季夏季秋季电力图3：氢能用于跨季储能案例：氢能用于跨季储能电力需求一日之内有起伏，季度之间也有波动。在高 纬度地区，住宅冬天需要采暖。在中低纬度地区，住 宅则需要在夏天制冷。在高纬度地区，可再生电力产 量夏天更大，但电力需求冬天最高。要弥合供需缺口，必须筹划长时储能。电池成本高，而且 容量会衰减，所以用于长时储能时并不理想。相比之下，氢储能容量大，长期能量损失小，单位电量成本低，因此 是长时储能的更优选择。用低排放电力制氢，则可以氢储电。从盐穴到储罐，可以采用多种可行方式储氢42。这让氢能成为跨季能量平衡的理想选择43。用盐穴储氢，需要排空盐水。在排水的同时，可以发挥盐浓度高的优势，通过反渗 透过程发电，从而提高氢能全流程整体效率。此外，还可以改造现有天然气管道，将其用于输氢44，远距离输送富余的低排放电力，实现异地供 能，打造类似于现在天然气市场的氢能市场。储氢可以满足多种用途，但短期储能效率则逊于电池等其它形式。氢能可以成为电力调峰的经济且可持续的选择。因为只需要少量氢能，就可以满足一年的调峰需求45,46。以氢储能目前成本较高，但随着技术进步，未来有望降低47,48。17 影响力系列白皮书 第五册制氢过程中余热的利用可再生能源并非取之不尽、用之不竭。但是，在全面电气化的能源系统里，可再生能源需求巨大。因此，需要充分利用各行业一切可用能源余热自不必说。在能源系统的各个环节，都有余热排放和能源浪费。对于能效提升而言，余热是沉睡的巨人，如能有效回收利用，则有望大规模替代化石燃料、电力等宝贵能源，实现降本减排。战略性地开展行业耦合，是最有效的余热利用方式。所谓行业耦合，就是要让不同行业部门协同增效，共 同实现可持续发展。行业耦合摒弃各自为政，旨在促成跨行业互补，减少浪费，提升系统整体效能。通过扩大余热等替代能源的利用规模，行业耦合还有助于 缓解能源网络的压力。无论是绿氢、蓝氢还是灰氢，大规模制氢都会产生大量余热（请见第19页案例“制氢过程中产生的余热”）。本章将立足于全球和地区层面，探究来自制氢等主要来源的余热的减排潜力。余热的全球潜力机器一运行就会发热。想想冰箱后面的温度就能理解。对于超市、数据中心、污水厂、地铁站和电解厂等分布在全球各地的更大体量的机器设备而言，也是如此。到2030年，在全球能源投入中，多达53%将以余热形式遭到浪费49。余热如能回收，环境也会受益良多。如果余热回收率充分达到理论潜力值，可以降低全球排放10-19%50。18 影响力系列白皮书 第五册在能源系统中，供热是最大的能源用途之一。在欧洲，供热占到年度终端用能50%以上，多数仍旧依靠 化石燃料供热，其中近一半来自天然气51。同时，欧洲所有城市都有丰富的余热资源可以利用。在欧盟，每年浪费的热能约有2860TWh，其中很大比例可以重复利用52。相比之下，这个数字接近全欧住宅和服务业建筑对供暖和热水的能源需求总量在欧盟27国及英国，每年合计约为3180TWh53。在某些国家，余热潜力与供热总需求不相上下54。例如，荷兰的年度余热总量高达156TWh55，而热水和空间供热需求每年只有152TWh56。在世界其它地区，情况也大致如此。例如，中国北方的工业部门仅在采暖季就会产生约 813TWh的余热57。想象一下，中国全国各行各业总共会产生多少余热！余热之外不但绿氢制备产生的水热资源可以利用（请见第10页），而且电解工艺产生的多余氧气也可利用。例如，通过科学规划和行业耦合，可将氧气用于污水处理、医疗卫生、高效高炉、富氧燃烧。由此，可以充 分利用制氢能源，节约宝贵资源，减少浪费。“在我们的能源系统中，到处都有废热排入大气，形成能源浪费。对于能效提升而言，余热是沉睡的巨人。”19 影响力系列白皮书 第五册案例：制氢过程中产生的余热未来，在电解工艺的推动下，制氢用电需求总量巨大，且有增无减（见图4）。但是，电解会产生大量热能，我们要么任由其排入大气消失不见，要么加以利用作为住宅和单位供应热能和热水。只有科学规划制氢布局，才能释放余热潜力。例如，电解厂应该临近基础设施，方便接入区域供热网或工 业园区等热能用户。这在今天已经切实可行。若干项 目正在进行，很快就能利用区域能源系统输送电解余 热，温暖千家万户58,59。余热的实际利用水平受到多种因素影响。例如，要充 分发挥余热潜力，就要大规模建设区域能源系统。此 外，热能需求虽在各地都有，但却未必相同。电解余 热回收的理论潜力巨大。因此，未来，在全球各地规划能源基础设施时，如未能将这一点纳入考量，就会酿成重大政策失误。到2050年，全球可回收的电解余热理论潜力高达1917TWh。如果制氢设施临近合适的区域能源系统，这些热能可在回收后用于区域供热。这1917TWh的热能相当于今天全球煤炭（全球最大的供热源）制热量的80%以上。仅在欧盟，就可以在2030年前回收114TWh，超出德国当前居民供热需求一倍有余。中国在2060年有望回收440-636TWh制氢产生的余热，相当于2021年中国制热量的27-39%60。拉美地区的电解制氢总量到2030年可能达到600万吨，其中45%产自智利。智利电解制氢用能需求为142TWh，其中可以回收31TWh余热。智利已将区域能源纳入未来规划。一份路线图显示，到2050年，智利40%的供热需求将由区域供热满足，余热应整合在其中61。当然，这些潜力是理论上的。实际潜能取决于多种因素，例如本地热能需求、与区域能源系统的距离以及未来的电解能效水平。但是，这些潜力显示出，区域能源和余热如果能在能源系统长期规划中得到考虑，就可以为实现1.5温升目标做出重大贡献。20 影响力系列白皮书 第五册制氢将在2050年成为用电需求最高的行业图4：彭博新能源财经净零情景中的全球电力需求来源6220102020203020402050年份TWh010,00020,00030,00040,00050,00060,00070,00080,000其它制氢交通建筑工业21 影响力系列白皮书 第五册案例：美国推动“清洁氢”的机遇会不会被浪费2023年10月，拜登政府宣布，对七个“区域清 洁氢中心”进行70亿美元的公共投资以加快发展美国国内低成本清洁氢市场63。作为一项1.2万亿美元的全美基础设施投资计划的一部分，这些中心旨在促进重载运输、化工、钢铁、水泥等难以脱碳的部门和工艺实现减排。美国能源部表示，这些中心每年将为终端用户减排近2500万吨二氧化碳64。这七个中心将合计年产近300万吨“清洁氢”。白宫将其定义为利用可再生能源、核能、生物质能或天然气制备，并捕集封存任何伴生碳排放的氢能65。在为这些中心拨付的70亿美元中，约有三分之二与电解制氢相关，其余 三分之一将支持其它制氢形式。假设电解制氢占到三分之二，美国每年电解用电量将会达到111TWh。这将产生巨量热能。通过目前已经具备的区域能源系统，其中有24TWh余热可以重复利用。2022年，美国使用了106TWh的煤炭和油气制热。这意味着，电解余热回收的理论潜力超过美国利用化石 能源制热的20%66。将余热纳入能源系统的潜力非常可观。例如，只要电解厂和氢能网络规划得当，区域供热网络和工业园区就很适合发展余热再利用。在民用和商用低温供热需求来源地和清洁氢中心选址之间，存在很大交集67。在加利福尼亚、宾夕法尼亚、伊利诺伊、明尼苏达、俄亥俄和密歇根等州尤其如此。这些州拥有庞大的区域能源网络，服务芝加哥、底特律等一些全美规模最大、能源强度最 高的城市。虽然全国各地的供热需求并不是全年都很高，但通过区域能源网络，利用余热全年供应热水和季节性空间供热，可以大大减少使用化石燃料制热。此外，除了减排，余热再利用也可降本。每将一个单位的余热纳入区域供热网络，网络所有者可以少买一个单位的化石能源热量。换言之，我们本已为余热支付成本，但却 任由余热（和钞票）排入大气、随风而逝。当然，只有优先选择临近区域能源网络和工业园区等用热大户、科学规划能源布局，才能发挥拟建区域清洁氢中心重复利用余热的潜力。要避免错失减排降本机遇，无论是在美国还是世界其它地方，政府领导等关键决策 者都要将余热置于清洁氢革命的中心。22 影响力系列白皮书 第五册全美清洁氢中心图5：在全美各地新建七个清洁氢中心，将大大增加美国国内制氢产量。如果规划得当，其产生的巨量余热可以成为区域供热网络和工业园区的低排放热源。ORNVAKHINMAZUTCONEKSIAMOARLAMSALTNKYILWIINMIVAOHNJRIDEMD DCWVPANYVTMACTNHMEGASCNCFLOKWYCAWAIDMTTXNDSDMN中大西洋中心阿巴拉契亚中心加利福尼亚中心墨西哥湾沿岸中心中部中心中西部中心西北太平洋中心清洁氢中心23 影响力系列白皮书 第五册智慧用氢氢作为能源载体，效能强，用途广。但是，高效能未必代表高效率。实际上，绿氢制备成本高昂，考虑到其规模，就要消耗大量可再生电力。而电解工艺又会损失能量。当氢能转回电能，进而转换为其它低排放燃料时，能量损失则会更多。氢能尽管可以在能源系统脱碳中大显身手，但终究还是昂贵且有限的资源。要在2050年满足低排放氢能需求，需要投入巨资68。但是，未来实际需要多少氢能呢？欧盟计划到2030年时自产和进口合计666TWh的氢能，全部采用低排放能源制备69。这大致相当于140座核电站的发电量70。一项研究指出，欧盟可以通过着力提升能源效率和电气化水平，同时大规模推广太阳能、风能、区域供热和高效热泵，将用氢需求减至大约116TWh（不到原来的五分之一）71。即便如此，到2030年供应116TWh氢能仍是雄心勃勃，需要巨量电力。这会对电网稳定安全运行构成挑战。投资需求也是巨大的。因此，要实现具备成本效益的 转型，就要考虑氢能在哪些领域能够创造最大潜在收 益。本文第7页指出，今天只有不到1%的氢能是采用 电解法绿色制氢。现有生产设备脱碳是当务之急。需 要改造灰氢制备装置，使之能够转产绿氢，并继续利 用现有氢能基础设施。绿氢制备是能源密集型产业，需要巨量电力保障。这 意味着，氢能必须作为远洋航运、国际航空、钢铁水 泥等难以脱碳行业的最后手段。很多国家正在考虑采 用氢能发电或供热。用氢能满足峰荷需求固然不错，但用作常规电源或热源则效率很低。可再生能源以及 热泵等多种方案实为后者的更优选择。作为稀缺资源，氢能应当慎用。24 影响力系列白皮书 第五册要实现具备成本效益的转型，就要考虑氢能在哪些领域能够创造最大潜在收益。25 影响力系列白皮书 第五册以正确的方式用氢用氢方式既有高效的，也有低效的。空间供热就是低效用氢的例子72。如果用海上风电低碳制氢，为英国住宅供热，需要385GW的装机容量才够用。但是，未来十年全球海上风电预计新增装机仅为380GW73。如果用热泵或区域能源作为热源，英国所需装机容量就小多了。配套热泵后，只需要67GW的海上风电装机。采用区域供热（便于利用周边建筑和工业余热为住宅供热）为人口密集区供热，电力需求甚至更小。用氢能供热，海上风电场需要占用5.2万平方公里海域。如果改用热泵，海上风电场只需9000平方千米。热源 从氢能改为热泵，仅需六分之一的电能就可以保障英 国人温暖过冬74，如果热泵搭配区域能源，用电量还 能进一步降低。所幸，随着2025年后新建住宅禁止安装锅炉75。由此，关于是否用氢能为住宅供热的辩论在英国已有定论。但是，还有很多国家，特别是在欧洲76,77，争论仍很激烈。科学结论很清楚，热泵和区域能源是更有效的解决方案，应被视为未来住宅供暖脱碳的主要方式78。在下述案例中，我们会深入分析智慧用氢的方式，例 如生产几乎零排放的燃料，以及如何以氢能为抓手，实现食物生产脱碳。“即使电解水产能的增长速度与风能和太阳能一样快，绿氢供应在短期内仍将稀缺，从长期来看也是不确定的79。”26 影响力系列白皮书 第五册图6：来源：氢科学联盟（Hydrogen Science Coalition）用热泵或绿氢为英国供暖绿氢热泵与热泵相比使用氢为建筑供热所需的海上风力发电量是后者的6倍150吉瓦可再生电力26 吉瓦可再生电力23 吉瓦电力来自环境的热量107吉瓦可再生氢77吉瓦可再生氢70吉瓦家庭供暖70吉瓦家庭供暖英国存房量英国存房量废热43吉瓦废热43吉瓦传输(90%)交流/直流转换(95%)电解(75%)锅炉(90%)压缩(90%)传输（80%）热泵(300%)废热30吉瓦废热7吉瓦67千兆瓦装机容量9000平方公里海洋面积385吉瓦装机量52000 平方公里的海洋面积27 影响力系列白皮书 第五册案例：电制燃料（E-fueling）的未来即便是在无法高效电气化的领域，我们仍然可以实现退弹化。例如，生产钢铁水泥需要极高温度。温度要求如此之高，以致于电炉还不能高效达标。高温工艺电气化虽然在技术上有所进展，但还没有成规模运行。因此，除了化石燃料，几乎别无选择。同样，在航空、远洋航运等行业，电机虽然可以提供足够动力，但其所需的电池过于笨重，占用空间太大。在这两种情况下，氢能是最有希望的助力脱碳的选择。氢能可以转化为电制氨、电制煤油、电制甲醇等替代燃料，进而满足高温作业、长途运输等行业或工艺的需求。此外，氢燃料电池技术也在开发之中，经过氢氧结合释放能量，驱动船舶、飞机和重卡，使其不再依赖化石能源。转换流程的每一步都会损失能量。例如，以电制氢时，会损失30%左右的能量81。再把氢能转为电制燃料等可灵活使用的能源时，还会损失更多能量。由于有能量损失，这些电制燃料的能效未必高于化石燃料。但是，到2050年时，绝大多数电力会来自可再生能源，如果用其制氢，则是能源密集型行业脱碳的可行路径。这些行业的脱碳直到最近还被看做白日做梦。28 影响力系列白皮书 第五册案例：利用低碳氨实现农业脱碳农业占到全球排放的12%，未来只会更多83。由于作物和畜牧业的排放强度都很大，农业是最难脱碳的行业之一。其中部分原因在于化肥生产。氨是化肥必需的营养物质，目前70%用于化肥生产。没有氨，作物就不能生长。但是，制氨约占全球碳排放的1.3%，以及全球终端能耗的2%84。到2040年，化肥用氨需求将接近翻番，氨的总需求将 增加一倍以上85。尽管需求不断增加，但制氨排放量 必须减少 95%86。用氢气实现制氨行业的脱碳，可能是食物生产脱碳的最大抓手之一，可以在不打破现有农业生产流程的情况下实现脱碳87。目前的制氨工艺是将天然气分解为氢和二氧化碳，然后在高温高压的环境下让氢与大气中的氮相结合，业界 将此称为哈伯法88。这种方法会排放大量温室气体，因为它会把二氧化碳 排入大气。每制备1吨氨，就会排放1.6-2.6吨二氧化 碳89,90,91。未来可从可再生来源供应制氨所需的氢和电力，大大降低制氨排放92。国际能源署认为，要实现巴黎协定下的温升目标，约三分之一的制氨减排量需要来自电解制氢93。目前，全球范围内，正在酝酿近250个电解制氨项目94。国际组织和政策制定者们逐渐意识到，绿氨也是未来的一部分95。29 影响力系列白皮书 第五册政策建 议政策制定者为高效大规模推广氢能设置恰当监管和经济框架的时机已经到来。需要中央和地方各级政府提供公共支持，破除障碍提升监管效能、完善实施方案。此外，还需要促进跨国跨行业合作，实现协同增效。这些举措也很可能推动绿氢的创新、需求和增长。氢能涉及多种复杂因素。要充分释放氢能经济的潜力，就要加以应对。今天，天然气制氢仍是主流，全球采用可再生电力通过水解法制备的绿氢占比不足1%(请见第7页)。要实现巴黎协定规定的目标，就要尽早大幅度扩大绿氢占比。可以从灰氢装备改造入手，使其转产绿氢，并且用好现有氢能基础设施。此外，用氢需求仍以制氨、炼化等传统用途为主。冶铁炼钢、重载运输等难以脱碳行业用氢仍然非常有限96。氢能的绿色转型技术仍不成熟。采取以下总体原则和政策措施，可以加快制氢行业向着具有成本效益的绿色制氢转型。30 影响力系列白皮书 第五册总体政策原则 能效提升和电气化先行。虽然绿氢能够打开通向绿色经济的转型之门，但是仍要重点关注能源系统各个要素最大程度的直接电气化。之后，需要快速扩大绿氢而非高排放氢能的规模。将氢能用于难以减排的行业。对于尚且不能全面脱碳的行业而言，绿氢不失为实现减排脱碳、间接电气化的方案，包括重工业脱碳、利用氨实现农业脱碳、以绿氢生产电制燃料等。氢能要和可再生能源协同开发。电解需要电网大量供电。制氢不应让电网不堪重 负。发展制氢，必须配套发展可再生电力。充分利用绿氢制备产生的余热。电解制氢会损失大量热能。经过合理规划，相当部分的制氢余热可以回收，用于区域供热或者微网。探索更多行业整合机会。绿氢制备大量用电用水，并产生丰富的可用余热。在建设前期，我们必须通盘考虑行业耦合。例如，缺水地区可能需要配套淡化装置，既为电解供应纯水，又为当地供应淡水。31 影响力系列白皮书 第五册鼓励绿氢制备 补贴研发，提高绿氢制