绿氢：平衡之要

影第五响力册系列白皮书 绿平氢衡：之要 影第五响力册系列白皮书 且成本可控 既又扩保大持氢电能网规稳模定 序言 MikaKulju 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。 1 影响力系列白第五皮书册 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 练俊 芮小东 13952447758 chengbaojiang@danfoss.com 新能源汽车功率半导体解决方案 15201847582 jun.lian@semikron-danfoss.com 电子厂房解决方案 13601696529 ruixiaodong@danfoss.com 曲磊 数据中心解决方案 唐小辉 13924018046 qulei@danfoss.com 储能、工业热泵解决方案 王超 13925015676 tangxiaohui@danfoss.com 电气化解决方案 13061893621 chao.wang@danfoss.com 朱阳 绿氢/ESG能效提升 18221165212 yang.zhu@danfoss.com 2 影第五响力册系列白皮书 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MathiasBergRosendal(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SaraVadSørensen:sara.sorensen@danfoss.com。 3 只有两分钟？ 绿氢关键要点 首先要实现电气化、减少能源需求 影响力系列白第五皮书册 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。 H2 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。 4 影第五响力册系列白皮书 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 5 影响力系列白第五皮书册 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。 H2绿氢 H2灰氢 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。 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蓝氢H2粉氢 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。 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。 6 影第五响力册系列白皮书 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。 电力 + - 氢 水 电解水 氧 可再生能源难以减排的行业 图1：采用可再生电力电解制备绿氢 7 影响力系列白第五皮书册 降低 绿氢制备成本的技术 已经具备 8 影第五响力册系列白皮书 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