论文标题：Hydrogen for a Net-Zero Carbon World

期刊：Engineering

作者：Nigel P. Brandon, James J. Brandon

发表时间： October 2023

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.002

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1.为什么是氢

1970年，John Bockris教授在通用汽车技术中心发表演讲时首次提出“氢经济”概念。他在演讲中介绍了世界经济的一个未来愿景，未来能源以氢的形式传递，氢无论是用作化学原料、工业或家庭供暖的燃料，还是用于燃气轮机发电或作为交通运输应用中燃料电池的动力来源，都能够在使用终端实现零碳排放。然而，尽管经历了几波投资热潮，但由于氢技术相对成本较高且技术不成熟，“氢经济”从未得到规模发展，人们也没有足够动力去进行技术创新以克服这些障碍。

但是如今，随着全球向真正的净零碳经济过渡，氢作为一种关键的能源载体和经济元素重新成为人们关注的焦点。氢与低碳和零碳电力协作融合，帮助那些使用电力直接脱碳成本过高或难以实现脱碳的经济领域完成脱碳。相关经济领域包括：

•交通运输：需要消耗大量能量的交通工具，如飞机、火车、船舶、长途卡车和重型车辆等；

•工业应用：钢铁冶炼和水泥加工等；

•长期储能：可持续数日至数周；

•生产绿色化学品，如绿色氨和绿色甲醇等；

•工业供暖以及有可能应用的住宅供暖。

2.当下氢的地位

这里有三个必须牢记的与氢相关的要点。首先，氢是一种能源载体，而非能源。氢气制备需要消耗能源，可以使用化石燃料（如天然气）制氢，同时结合碳捕集与封存技术来获取氢气（蓝氢），也可以利用可再生能源电解水来生产氢气（绿氢）。因此，氢气的碳排放特性取决于生产氢气的路径，如图1所示。该图显示了绿氢和蓝氢的生产路径以及与氢气存储和各种使用终端（包括长期和大规模能量存储）的关联性[1]。

图1 绿氢和蓝氢的生产路径以及与终端使用部门（包括大规模和长期能源存储）的连接，以支持低碳电力。CCS：碳捕集与封存。

如今，全球每年使用约一亿吨氢气，这些氢气几乎全部由天然气和煤等化石燃料生产，而且生产过程几乎没有采用任何形式的碳减排措施。生产的氢气主要用作石化、肥料和化工行业的化学原料。为了通过氢气实现脱碳，我们必须要在约束碳排放的前提下进一步扩大氢气生产规模。为减少对进口化石燃料（如天然气等）的依赖，降低由此带来的政治影响，国际社会越来越关注能源弹性，全球各地也聚焦于使用当地的可再生资源生产绿氢。事实上，许多国家最近都发布了相关战略，重点关注低碳和零碳氢气的生产、储存、运输和终端应用。

其次，通过电解法生产出的氢气，其单位能量的成本是高于生产氢气所投入的电力成本的。因此，应尽可能使用电力。当电力输送难以实现和成本高昂时（大批量运输氢气比电力输送更便宜且更易实现）或当电力不符合功能要求（如长途航空运输）时，才建议将电力转化为零碳分子（如氢等）。

第三个关键点是，由于单位体积氢气分子的质量较小，氢气是一种易泄漏的危险气体。最新研究表明，氢气的全球变暖潜势（GWP）高于以往预期。该研究认为，对于100年的时间范围，氢气的GWP（GWP-100）为（11 ± 5）年[2]；对于20年的时间范围，氢气的GWP（GWP-20）约为30年[3]。尽管氢气的GWP远低于甲烷（甲烷的GWP-100为27~30年，GWP-20约为81~83年），但这一发现给了我们重要启示，即氢能基础设施在设计之初和建造过程中需要考虑尽可能地减少氢气泄漏。

3.氢能发展的关键推动因素

为了提升氢在零碳经济中的成效效益以及拓展氢的多方向技术应用，必须着重发展一些适配的关键技术。电解制氢是绿氢生产中的一项关键技术。电解槽并非新技术，碱性电解槽用于大规模电解制氢已有一百多年的历史。碱性电解槽是目前成本最低、功率范围最大的电解槽，其最大功率可达数百兆瓦。碱性电解槽的效率约为65%，占地面积大，不能提供高压氢气，并且难以跟随适应快速变化的电池需求。聚合物电解质膜（PEM）或PEM电解槽是一种较新的技术，目前的功率范围为几十兆瓦。PEM电解槽的效率约为65%，体积更小，能够产生高压氢气，但是需要使用相对高比例的贵金属铱以及铂和钌等材料作为电催化剂。固体氧化物电解槽（SOE）是一种新兴技术，通过电解水蒸气而不是电解水制备氢气。该方法具有明显的热力学和动力学优势，系统电气效率远高于90%，并且不需要贵金属材料。由于目前绿氢的成本中约60%~80%是电力成本，因此SOE所提供的显著效率优势非常具有吸引力，但SOE技术在商业上还不成熟；目前正在开发和测试兆瓦规模的SOE技术，未来需要进一步加快SOE的开发和制造。

氢气生产出来后需要储存和运输。多年来氢气储存一直是全球的重点研究领域，目标是提高车辆单位体积/质量的储存氢气的质量，但在溶浸法开采的盐穴或内衬岩洞中大规模储存氢气已经是一项被用于为石化或其他设施提供战略性储氢的成熟技术。目前，人们越来越关注利用这种方法来实现数太瓦时级别的电力储存来保证电力供应，如在风速较低时为大规模风能普及提供支持。在冬季风速低的情况下，需要额外提供数十太瓦时的电力储存，才能维持英国数周的电力供应，数周的电力供应，这在北欧地区很常见[4]。值得注意的是，100万吨氢含有约33 TW?h的能量，考虑到英国以及欧洲许多地区都具备进行所需规模储存的地质条件，地下储氢将成为实现太瓦时级别储能的一条可行途径。此外，也可以在本地生产和储存氢气，如利用太阳能光伏发电并耦合电解槽和本地储氢装置来帮助离网应用脱碳，取代用于烹饪和供暖的液化石油气罐。

在运输方面，氢气可以通过管道进行大规模输送；只需要对现有的天然气管道内壁进行适当处理，即可将其改造为适合输送氢气的管道。对于长途运输或国际运输，可以将氢气转化为其他的绿色氢载体（如氨或甲醇）并结合二氧化碳捕集技术进行运输，但是在甲醇输送过程中必须确保碳循环的完全封闭。

需要注意的是，氢气的压缩和液化都属于能耗密集型过程。例如，压缩现场生产的能源需求为氢气低热值（LHV）的5%~20%（氢气的LHV为33.3 kW•h•kg^-1）。氢气液化所需的能量甚至更高，通常为10~13 kW•h•kg^-1，具体取决于液化的规模。因此，需要进行系统和成本优化，选择最佳的氢气输送方式。

最后，生产的氢气必须用于产生热或能量，或者帮助实现工业脱碳。最直接的应用是替代目前使用化石燃料制备的氢气。此外，在炼钢的直接还原（DRI）过程中使用氢气能够减少全球钢铁产业的碳排放，该产业的碳排放量占全球工业碳排放的四分之一。氢气可以用作定制燃气轮机和（或）燃料电池的发电燃料；氢燃料电池用作一种分布式电源（功率范围为10~100 kW）已经实现商业化，并能够实现无噪声、无波动和零碳排放的高效电力供应。这些特性使燃料电池非常适合集成到建筑物或城市环境中，以增强电力网络，因为电动汽车等应用需要更多的电力。氢气也可以用于工业和住宅供热；后者非常适用于那些难以通过热泵设备进行电加热的老旧建筑。

电解水制氢、氢气运输以及随后通过燃料电池或燃气轮机将氢气转化为电力这一系统的整体能效是所有单个单元效率的乘积。根据所选技术，该能效为30%~50%。因此，有必要从系统的角度考察优化氢的效益。氢可以通过管理峰值能源需求和平衡电力系统支持其他部门的电气化，同时能够将交通、工业和供热等多个经济领域联系起来，而这种跨领域的耦合是非常重要的。最后，氢在保证发达国家和发展中国家的能源弹性和安全方面正发挥越来越重要的作用。

4.总结

总之，氢可以降低经济向净零碳转变的整体成本。为实现净零排放，我们必须采取行动，在氢能的大规模生产、大规模部署、专业人员培训以及基础设施共建方面进一步加大投入，以保障氢能及其载体的生产、储存、运输和最终使用。

参考文献

文章信息：

Hydrogen for a Net-Zero Carbon World

氢能源助力实现零碳排放的世界

作者：

Nigel P Brandon, James J Brandon

引用：

Nigel P Brandon, James J Brandon. Hydrogen for a Net-Zero Carbon World[J]. Engineering, 2023,29(10):8-10.

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http://doi.org/10.1016/j.eng.2023.08.002

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