丹佛斯：2024影響力系列白皮書（第五冊）-綠氫：平衡之要

1MikaKulju全球?qū)夂蜃兓挠懻撚訜崃?，其中氫能作為一個新近出現(xiàn)的能源載體，不僅引發(fā)各方激烈的討論和爭議，也是全球各地媒體熱議的話題。既有擁躉者贊之曰“奇跡燃料”，也有人提出警示，稱之為無法擺脫化石能源的代價高昂的雙刃劍。面對氣候變化，行業(yè)正在探尋可持續(xù)的應(yīng)對之道，這一過程既事關(guān)緊迫，又錯綜復(fù)雜。有人希望尋找靈丹妙藥，也不難理解。同樣，氫能效用的相關(guān)研究使其此兩極化的觀點進行激烈的爭論，都無益于我們達成凈零目標。在擺脫化石能源的轉(zhuǎn)型中，綠氫將會發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)前，氫能主要還是聚焦于傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。在重工業(yè)、長途運輸?shù)入y以減排的行業(yè)，需要加正如上一冊《影響力系列白皮書》第四冊所述，為將2歷經(jīng)多年反復(fù)辯論無果，這一情況在阿聯(lián)酋迪拜舉行的第28屆締約方大會（COP28）上最終得到承認。會上，198個締約方同意“擺脫各類化石能源，讓世界關(guān)鍵在于，歷史性地擺脫化石能源意味著，我們必須棄用傳統(tǒng)能源技術(shù)和系統(tǒng)，改用充分電氣化的能COP28傳來的消息，令人鼓舞。但是，盡管提高能效、推進電氣化、擴大利用可再生能源的決議作用巨大，卻只能讓我們部分達到凈零目標。補上能源轉(zhuǎn)型的最后一塊拼圖，要靠替代性低排放燃料，實現(xiàn)最難低排放氫能是減排降碳的多面手，在可再生能源發(fā)電供大于求時，可以用于儲存余能。如果是用可再生能源制氫，氫能就能使農(nóng)業(yè)、航空、航運、重工等行業(yè)盡管綠氫的應(yīng)用前景廣闊，但市場對可再生能源的需求量也很大。事實上，到2050年，制氫能耗將超過目若要充分發(fā)掘氫能潛力，又不壓垮能源網(wǎng)絡(luò)，我們就要高效制氫、智慧用氫，包括改造現(xiàn)有灰氫生產(chǎn)設(shè)本文將聚焦于平衡且體系化的氫能發(fā)展方式提出一系列原則，使得政府、行業(yè)中的決策制定者既能高效擴大制氫規(guī)模，又能避免可再生能源生產(chǎn)或者財務(wù)資源壓力失控。通過降低整體能耗、高效制氫、智慧用氫，我們可以在全球范圍內(nèi)，幫助當(dāng)前碳排放過高的就像其它環(huán)境優(yōu)化技術(shù)一樣，氫能也不能包打天下。我們需要一個整體的且具有成本效益的發(fā)展路徑。毫無疑問，氫能必將會在綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。我們已經(jīng)掌握了快速、經(jīng)濟、可持續(xù)的氫能技術(shù)?，F(xiàn)在要做的，就是不再糾結(jié)極端，而是開始練俊曲磊王超朱陽3依托實證證據(jù)和可靠信源，《影響力系列白皮書》第五冊闡述了氫能在未來能源體系中的本文討論氫能和制氫時使用的術(shù)語有異于國際標準或法規(guī)。目前，不論電網(wǎng)上的電力來自什么能源，電解制氫都被視為“綠色”。利用可再生能源電力進行制氫，則術(shù)語各異。但在本冊之中，我們將利用可再生能源電力生產(chǎn)的氫能稱為“綠氫”，碳排放強度趨近于零。遵循國際能源署6,7和歐盟8對于通過可再生能源發(fā)電制氫和配套技術(shù)的化石燃料（天然氣和煤制氣）制氫的定義，本冊會在個別論述中會將其稱之為“低排放氫能”，包括“藍氫”和“綠特別感謝MathiasBergRosendal(DTU管理學(xué)院能源經(jīng)濟與建模專業(yè)博士生)為本文初稿提供的寶貴意見和建議。本文僅代表丹佛斯公司的觀點。其完整性和準確性不應(yīng)歸責(zé)于任何外部審稿人員或?qū)嶓w。4綠氫關(guān)鍵要點綠氫制備能耗大、成本高，制氫所需的可再生能源并不是免費資源。在大規(guī)模應(yīng)用氫能之前，先要采取一切可能的措施，推廣電氣化，提高能源效率。到2050年，制氫能耗將超過目前電力總需求的一半9,10,11,12。因此，對于減少能源浪費而言，提高電氫轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。此外，制氫時間也很關(guān)鍵。如能在電網(wǎng)中的可再生能源富余（且廉價）時制氫，就可以降低電網(wǎng)側(cè)的成本和壓力。最后，制氫地點也很重要。如能在現(xiàn)有或規(guī)劃的區(qū)域能源系統(tǒng)附近布局電解廠，就可以利用余熱制備熱水，為住宅等建筑物供熱，而不是白白浪費。電解廠選址還要保證鄰近豐富且潔凈水源，且生產(chǎn)過程應(yīng)避免影響飲H2雖然氫能供應(yīng)預(yù)計將會大幅增加，但由于制氫能耗高，氫能仍將是高成本的稀缺資源。因此，必須明智且審慎地使用氫能。只要設(shè)備和工藝能夠電氣H25氫是宇宙中最常見的化學(xué)元素，雖然無色無臭無味，卻是構(gòu)成所有維持人類生命的事物的主要物質(zhì)，我們喝的水、為我們送來溫暖的太陽，甚至于人體本身。但是，氫盡管經(jīng)常被稱為“宇宙的基本構(gòu)成要素”，卻很少以自由狀態(tài)（氣態(tài)）的形式出現(xiàn)。恰恰在這種第二，氫可以燃燒，或轉(zhuǎn)化為電燃料(e-fuel)，這是一種不使用化石燃料生產(chǎn)的合成燃料，可以作為甲醇或煤油等傳統(tǒng)化石燃料的低排放替代品。如果制備和使用得當(dāng)，氫能對環(huán)境的影響會很小，從而在推動綠色在鋼鐵、水泥、長途航空等很多行業(yè)，能源強度非常高，這些行業(yè)同完全實現(xiàn)電氣化、使用可再生能源驅(qū)動還有很大距離。面對迫在眉睫的氣候危機，我們必須探索一切可能。在高強度、高溫作業(yè)的直接電氣化技術(shù)尚未開發(fā)完成的階段，通過采用綠氫實現(xiàn)間接電氣化，可以更早啟動脫碳進程。由于綠氫燃燒不排放溫室氣體，氫能在這些行業(yè)是替代化石燃料的良好選擇，如果使用得當(dāng)且有節(jié)制，可以有力推動這些行業(yè)如果用可再生電力制備綠氫，那么隨著未來電網(wǎng)大規(guī)模消納可再生電力，制氫過程還能成為穩(wěn)定電網(wǎng)的利器?？稍偕茉吹墓┬鑳啥硕加胁▌樱曳骞葧r間往往并不同步。如在晴空萬里太陽能豐富時，或在風(fēng)力充足之時，我們家中的電燈和爐灶卻不在使用，光伏電站和風(fēng)電場所發(fā)電力則無法笑納，這時政府則需要向新能源電廠支付巨額停產(chǎn)補償費用（請見第15頁的“歐盟和英國的能源系統(tǒng)靈活性”案例）。但是，如能用富余能源制氫，不論是用作儲能，還是直接用6H2H2H2H2作燃料，都不但可以避免棄風(fēng)棄光和電網(wǎng)波動，而且還能催生兼具高能效和盈利性的氫能經(jīng)濟。氫能固然好處很多，但恐難成為解決氣候危機的靈丹妙藥。如下文所述，對于達到全球氣候目標，提高能效、直接制氫存在多種方式。但是，當(dāng)前并沒有公認的標準能夠根據(jù)不同的制氫方式來為氫能分類。因此，難以見，或者尚且處于開發(fā)早期階段，所以不在本文討論HH2利用天然氣、煤炭等化石燃料，通常通過蒸汽甲利用天然氣、煤炭等化石燃料，通常通過蒸汽甲烷重整或煤氣化工藝制備。灰氫目前占到全球制氫量的95%，其制備過程會排放大量二氧化碳，每制備1千克灰氫，碳排放高達10-26千克16，因此灰氫并非綠色轉(zhuǎn)型的適宜選擇17。只有當(dāng)電力來自于可再生能源時，才能稱作“綠13。每制備1千克綠氫，碳排放可在0.5-6.6千克14,15之間，是未來低排放氫能最有前景的來源HH2與綠氫一樣，粉氫也采用電解水工藝制備，但與綠氫一樣，粉氫也采用電解水工藝制備，但是利用的是核電。制備每千克粉氫的碳排放可以低至0.1-0.3千克20。核電備受爭議，容易引發(fā)封存（CCS），捕集率可以達到85-95%，剩余5-15%的排放率18。藍氫被認為是低排放氫能，制備每千克藍氫會產(chǎn)生1.5-6.3千克的碳排放19，所以相比不是最清潔的選擇。7+氫-+氫-常規(guī)制氫方式幾乎都要用到化石燃料，造成大量排放，目前卻仍占據(jù)全球制氫總量的絕大部分。低排放的其它制氫方式盡管存在，但只占全球制氫總量的千電解水，通常簡稱為“電解”，用電把水(H2O)分解為氫(H2)和氧(O2)。氧可以直接排入大氣，或者收集后再利用。氫可以存儲起來，用于工業(yè)流程、生產(chǎn)化肥、燃料、熱能、電力等多種用途。采用可再生電力電解制氫（即綠氫可以將氫作為最終產(chǎn)品，代替氫能很多國家氣候戰(zhàn)略的重要組成部分。要實現(xiàn)巴黎協(xié)定規(guī)定的目標，在2030年前，電解能力就要超過500GW。但是，目前規(guī)劃的項目僅能在2030年將產(chǎn)能增至170-365GW22。這意味著，必須要么大幅擴大制氫產(chǎn)能，要么采用能效措施降低需求。鑒于制氫成本高昂、資源密集，最經(jīng)濟的策略是首先盡一切可能實施電氣化和能效措施，然后用氫能滿足剩余（降低后雖然電解成本目前很高，國際可再生能源機構(gòu)(IRENA)提出，通過降低電解槽成本，長期投資成本可以降低多達八成23。前期投資于高效電解，有助于降低全生命周期成本。下一章將會介紹，為什么說降低綠氫制氧水水綠氫制備成本的技術(shù)已經(jīng)具備89國際能源署(IEA)估計，在凈零情景下，全球電解用電總需求將在2050年達到1.48萬TWh24。這將主要由中美歐等世界上最大的能源消費市場雄心勃勃的戰(zhàn)略驅(qū)動25,26,27。因此，即使能夠?qū)崿F(xiàn)能源系統(tǒng)各方面的能效最大化，成功減少氫能總需求，也還是需要巨量如何避免制氫消耗過多可再生能源，以致于壓垮能源系統(tǒng)呢？首先，要考慮有沒有比氫能更加經(jīng)濟的替代方案，例如直接電氣化或者降低總體能源需求。其次，要盡量提高電解工藝能效，最大程度減少電解所消耗的可再生電力和水資源。在很多地方，二者都是能量轉(zhuǎn)換既很簡單，又復(fù)雜到匪夷所思。簡而言之，就是把能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，例如將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能、電能轉(zhuǎn)換為氫能，或者把天然氣轉(zhuǎn)換為熱能。但在實踐中，成功的能量轉(zhuǎn)換堪稱工程學(xué)的壯舉。要實現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳，就要通曉能量轉(zhuǎn)換的科每當(dāng)能量形式改變，總會在轉(zhuǎn)換過程中損失一部分能量。能量損失最常見的形式就是發(fā)熱（請見第17頁“制氫過程中余熱的利用”）。這往往是因為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的低效。例如，為了驅(qū)動汽車行駛，就需要把電力、汽油等能源轉(zhuǎn)化為另一種形式（例如動能）。但是，汽油發(fā)動機產(chǎn)生余熱較多，因此能效較低。實際上，汽油發(fā)動機的能量損失率平均為64-75%；相比之下，電動車的僅為15-20%28。10這一類的熱力學(xué)基本原理也適用于制氫。各種制氫方式的效率有高有低。實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率最大化、能量損失最小化，對于在全球持續(xù)快速擴大制氫規(guī)模而言非常是，利用已有技術(shù)，可以采取措施，將其降到最低。圍繞制氫，形成了冷卻、泵送等全套技術(shù)生態(tài)。優(yōu)先提高各步驟能效，可以產(chǎn)生重大效果，讓綠色轉(zhuǎn)型更對于制氫工藝降本增效，電解槽效率至關(guān)重要。新型器技術(shù)可以大幅提升效率。要讓氫能可用，就需在電解過程中同步加壓，而不是將其作為離開電解槽用高效高壓泵對電解槽的核心模塊（即水分解裝置）在本文第11頁題為“高效穩(wěn)定的交直流轉(zhuǎn)換”的案例制氫需要大量用水。在缺水地區(qū)，如果規(guī)劃不當(dāng)，制在灰氫制備中，蒸汽發(fā)生、冷卻等工藝流程需要用水。在藍氫制備中，還要進行碳捕集和封存(CCS)，也需要用水。綠氫制備要將水分解為氫和氧，同時冷卻過程對水的需求也很大。盡管各種制氫技術(shù)都要用水，但是綠氫用水量少于藍氫，且有時甚至少于灰即便電解制氫用水量少于其它制氫方式，當(dāng)?shù)厮Y源的可獲得性仍是需要考慮的實際問題。在干旱頻發(fā)、淡水有限的地方，更是如此。電解槽冷卻對當(dāng)?shù)厮Y源的消耗尤其巨大。所以，制氫建設(shè)規(guī)劃必須始終考慮本地需求和資源稟賦。不過，干式制冷等冷卻技術(shù)通過精心規(guī)劃綠氫生產(chǎn)布局、采用先進適用技術(shù)，可以緩解綠氫用水壓力，減少對當(dāng)?shù)氐挠绊?。例如，可以為制氫裝置配建海水淡化和污水處理設(shè)施，并供應(yīng)生活用水。海水淡化需要能源。隨著未來大量電解制氫，淡化用能也不容小覷。水的純化可以采用多種方要實現(xiàn)綠氫的制備成本、能量損失和能源需求的最小化，就必須想方設(shè)法，實現(xiàn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈每個環(huán)節(jié)效11制氫將從電網(wǎng)大量取電，因此必須確保盡可能高效要用電解槽將水分解為氫和氧，因此需要消耗電力。電解槽都采用直流供電，但是電網(wǎng)卻采用交流輸電。普通干電池產(chǎn)生的是直流電，電流方向恒定。而電網(wǎng)傳輸?shù)慕涣麟姷碾娏鞣较騽t定時變化。因此，電解制氫時，需要把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備如果性能不佳，會干擾電網(wǎng)運行，需要昂貴的補償設(shè)制氫將從電網(wǎng)大量取電，因此必須確保盡可能高效要用電解槽將水分解為氫和氧，因此需要消耗電力。電解槽都采用直流供電，但是電網(wǎng)卻采用交流輸電。普通干電池產(chǎn)生的是直流電，電流方向恒定。而電網(wǎng)傳輸?shù)慕涣麟姷碾娏鞣较騽t定時變化。因此，電解制氫時，需要把交流電轉(zhuǎn)換為直流電。交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備如果性能不佳，會干擾電網(wǎng)運行，需要昂貴的補償設(shè)氫用電的1%卻足以滿足倫敦將近四年的用電需求33。此外，省去補償設(shè)備投資和維護成本，也可以抵銷部分先進轉(zhuǎn)換器的成本。而且，采用先進轉(zhuǎn)換器，還能12要實現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳，就要通曉能量轉(zhuǎn)換的科學(xué)原理和實施落地。13對于高效制氫而言，制備的方式和時間都很重要。設(shè)想未來，我們將能在可再生電力充裕時制備氫能、短缺時反輸電網(wǎng)。利用制氫調(diào)劑余缺、提升能源系統(tǒng)靈活性，這絕不是科學(xué)幻想，而是今天就可以落地實施全天能耗的起伏取決于人類的作息時間。凌晨，多數(shù)人還在夢鄉(xiāng)。清晨，新的一天開啟，建筑需要供水，爐灶需要燃氣，家電需要用電。午間，用能略有下降。傍晚，完成一天下午的工作學(xué)習(xí)，人們回到家中，洗衣做飯、天黑點燈，一個用能高峰又會到來。入夜，人們就寢休息，能源需求也降至谷底。在發(fā)達的能源網(wǎng)絡(luò)中，能源需求周而復(fù)始，工作日大致如此。在依托可再生能源的未來能源系統(tǒng)中，能源生產(chǎn)也會有峰谷波動（見圖2）。在人們離家上班前、下班回家后的時段，會產(chǎn)生用能尖峰，但這與皓日當(dāng)對于未來能源系統(tǒng)，能源供給和使用時間的錯配構(gòu)成了一大挑戰(zhàn)。目前，即使在可再生能源占比較大的能源組合中，仍在采用化石能源調(diào)峰，造成大量不必要的排放。同樣，在風(fēng)光資源豐富的時段，還要為棄風(fēng)棄光的可再生能源生產(chǎn)者提供每年數(shù)以億計的限產(chǎn)補償34。然而，通過提高靈活性，到2030年就可以讓這14可以把富余的可再生電力輸往電解廠用于制氫。電力富余可再生電力儲存起來，在冬天電力供不應(yīng)求時用氫發(fā)電。但是，由于電?氫?電轉(zhuǎn)換效率總計18-對于能否快速可持續(xù)地推廣氫能、避免不必要地影響.供給15到到2030年，天然氣年發(fā)電量可以大幅下降106TWh，約合2022年歐盟發(fā)電用氣總量的五分之一39。同樣，的建設(shè)成本。節(jié)省的費用中，有一部分將自于電纜投這項研究基于在歐盟和英國的不同場景和靈活性程度中利用需求側(cè)靈活性解決方案。詳見《影響力系列白皮書》第四冊?能源效率2.0：打造未來能源系統(tǒng)41。源市場靈活性的潛力37。研究發(fā)現(xiàn)，如果積極務(wù)實推廣，可以創(chuàng)造可觀的社會和環(huán)境效益，并且降低消費有考慮配電網(wǎng)和內(nèi)部電網(wǎng)節(jié)省的投資，以及向系統(tǒng)運求時，會既浪費寶貴資源，又破壞電網(wǎng)穩(wěn)定。此時，為應(yīng)對近期的能源危機，英國和歐盟分別撥款1030億方式提高韌性：整個歐盟和英國可以推廣需求側(cè)靈活性措施。此舉將大幅降對低政府巨額補貼的需求，并為社會和消費者節(jié)省開支。到2030年和2050年，整個1617可再生能源并非取之不盡、用之不竭。但是，在全面電氣化的能源系統(tǒng)里，可再生能源需求巨大。因此，需要充分利用各行業(yè)一切可用能源?余熱自不必說。在能源系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，都有余熱排放和能源浪效回收利用，則有望大規(guī)模替代化石燃料、電力等寶所謂行業(yè)耦合，就是要讓不同行業(yè)部門協(xié)同增效，共同實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。行業(yè)耦合摒棄各自為政，旨在促成跨行業(yè)互補，減少浪費，提升系統(tǒng)整體效能。通過擴大余熱等替代能源的利用規(guī)模，行業(yè)耦合還有助于本章將立足于全球和地區(qū)層面，探究來自制氫等主要機器一運行就會發(fā)熱。想想冰箱后面的溫度就能理解。對于超市、數(shù)據(jù)中心、污水廠、地鐵站和電解廠等分布在全球各地的更大體量的機器設(shè)備而言，也是如此。到2030年，在全球能源投入中，多達53%將以余熱形式遭到浪費49。余熱如能回收，環(huán)境也會受益良多。如果余熱回收率充分達到理論潛力值，可以18對于能效提升而言，余熱是沉睡的巨人?！痹谀茉聪到y(tǒng)中，供熱是最大的能源用途之一。在歐洲，供熱占到年度終端用能50%以上，多數(shù)仍舊依靠化石燃料供熱，其中近一半來自天然氣51。同時，歐洲所有城市都有豐富的余熱資源可以利用。在每年浪費的熱能約有2860TWh，其中很大比例可以重復(fù)利用52。相比之下，這個數(shù)字接近全歐住宅和服務(wù)業(yè)建筑對供暖和熱水的能源需求總量?在歐盟27國在某些國家，余熱潛力與供熱總需求不相上下54。例如，荷蘭的年度余熱總量高達156TWh55，而熱水和空間供熱需求每年只有152TWh56。在世界其它地區(qū)，情例如，中國北方的工業(yè)部門僅在采暖季就會產(chǎn)生約813TWh的余熱57。想象一下，中國全國各行各業(yè)總共不但綠氫制備產(chǎn)生的水熱資源可以利用（請見第10頁），而且電解工藝產(chǎn)生的多余氧氣也可利用。例如，通過科學(xué)規(guī)劃和行業(yè)耦合，可將氧氣用于污水處理、醫(yī)療衛(wèi)生、高效高爐、富氧燃燒。由此，可以充19未來，在電解工藝的推動下，制氫用電需求總量巨能，我們要么任由其排入大氣消失不見，要么加以利只有科學(xué)規(guī)劃制氫布局，才能釋放余熱潛力。例如，電解廠應(yīng)該臨近基礎(chǔ)設(shè)施，方便接入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)或工業(yè)園區(qū)等熱能用戶。這在今天已經(jīng)切實可行。若干項目正在進行，很快就能利用區(qū)域能源系統(tǒng)輸送電解余余熱的實際利用水平受到多種因素影響。例如，要充分發(fā)揮余熱潛力，就要大規(guī)模建設(shè)區(qū)域能源系統(tǒng)。此外，熱能需求雖在各地都有，但卻未必相同。電解余熱回收的理論潛力巨大。因此，未來，在全球各地規(guī)劃能源基礎(chǔ)設(shè)施時，如未能將這一點納入考量，就會到2050年，全球可回收的電解余熱理論潛力高達1917TWh。如果制氫設(shè)施臨近合適的區(qū)域能源系統(tǒng)，這些熱能可在回收后用于區(qū)域供熱。這1917TWh的熱能相當(dāng)于今天全球煤炭（全球最大的供熱源）制熱量的80%以上。僅在歐盟，就可以在2030年前回收拉美地區(qū)的電解制氫總量到2030年可能達到600萬噸，其中45%產(chǎn)自智利。智利電解制氫用能需求為142TWh，其中可以回收31TWh余熱。智利已將區(qū)域利40%的供熱需求將由區(qū)域供熱滿足，余熱應(yīng)整合在當(dāng)然，這些潛力是理論上的。實際潛能取決于多種因素，例如本地?zé)崮苄枨蟆⑴c區(qū)域能源系統(tǒng)的距離以及未來的電解能效水平。但是，這些潛力顯示出，區(qū)域能源和余熱如果能在能源系統(tǒng)長期規(guī)劃中得到考慮，20制氫將在2050年成為用電需求最高的行業(yè)0TWh20102020203021心”進行70億美元的公共投資……以加快發(fā)展美國國內(nèi)低成本清潔氫市場63。作為一項1.2萬億美元的全美基礎(chǔ)設(shè)施投資計劃的一部分，這些中心旨在促進重載運輸、化工、鋼鐵、水泥等難以脫碳的部門和工藝實現(xiàn)減排。美國能源部表示，這些中心每年將為終端用其定義為利用可再生能源、核能、生物質(zhì)能或天然氣中心撥付的70億美元中，約有三分之二與電解制氫相假設(shè)電解制氫占到三分之二，美國每年電解用電量將會達到111TWh。這將產(chǎn)生巨量熱能。通過目前已經(jīng)具備的區(qū)域能源系統(tǒng)，其中有24TWh余熱可以重復(fù)利石能源制熱的20%66。將余熱納入能源系統(tǒng)的潛力非?？捎^。例如，只要電解廠和氫能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃得當(dāng)，區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)園區(qū)就很適合發(fā)展余熱再利用。在民用和商用低溫供熱需求來源地和清潔氫中心選址之間，存在很大交集67。在加利福尼亞、賓夕法尼亞、伊利諾伊、明尼蘇達、俄亥俄和密歇根等州尤其如此。這些州擁有龐大的區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)芝加哥、底特律等一些全美規(guī)模最雖然全國各地的供熱需求并不是全年都很高，但通過區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)，利用余熱全年供應(yīng)熱水和季節(jié)性空間供熱，可以大大減少使用化石燃料制熱。此外，除了入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)所有者可以少買一個單位的化石能源熱量。換言之，我們本已為余熱支付成本，但當(dāng)然，只有優(yōu)先選擇臨近區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)園區(qū)等用熱大戶、科學(xué)規(guī)劃能源布局，才能發(fā)揮擬建區(qū)域清潔氫中心重復(fù)利用余熱的潛力。要避免錯失減排降本機遇，無論是在美國還是世界其它地方，政府領(lǐng)導(dǎo)等22VTSDCTSDCTOHCOCADCTNAZOKAZSCARSCALGATXLATXFLAK.阿巴拉契亞中心.加利福尼亞中心.墨西哥灣沿岸中心.中部中心.中西部中心.西北太平洋中心圖5：在全美各地新建七個清潔氫中心，將大大增加美國國內(nèi)制氫產(chǎn)量。如果規(guī)劃23氫作為能源載體，效能強，用途廣。但是，高效能未必代表高效率。實際上，綠氫制備成本高昂，考慮到其規(guī)模，就要消耗大量可再生電力。而電解工藝又會損失能量。當(dāng)氫能轉(zhuǎn)回電能，進而轉(zhuǎn)換為其它低排放燃料時，能量損失則會更多。氫能盡管可以在能源系要在2050年滿足低排放氫能需求，需要投入巨資68。但是，未來實際需要多少氫能呢？歐盟計劃到2030年時自產(chǎn)和進口合計666TWh的氫能，全部采用低排放能源制備69。這大致相當(dāng)于140座核電站的發(fā)電量70。氣化水平，同時大規(guī)模推廣太陽能、風(fēng)能、區(qū)域供熱來的五分之一）71。即便如此，到2030年供應(yīng)116TWh氫能仍是雄心勃勃，需要巨量電力。這會對電網(wǎng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)型，就要考慮氫能在哪些領(lǐng)域能夠創(chuàng)造最大潛在收益。本文第7頁指出，今天只有不到1%的氫能是采用電解法綠色制氫。現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備脫碳是當(dāng)務(wù)之急。需要改造灰氫制備裝置，使之能夠轉(zhuǎn)產(chǎn)綠氫，并繼續(xù)利綠氫制備是能源密集型產(chǎn)業(yè)，需要巨量電力保障。這意味著，氫能必須作為遠洋航運、國際航空、鋼鐵水泥等難以脫碳行業(yè)的最后手段。很多國家正在考慮采用氫能發(fā)電或供熱。用氫能滿足峰荷需求固然不錯，但用作常規(guī)電源或熱源則效率很低?？稍偕茉匆约盁岜玫榷喾N方案實為后者的更優(yōu)選擇。作為稀缺資24要實現(xiàn)具備成本效益的轉(zhuǎn)型，就要考慮氫能在哪些領(lǐng)域能夠創(chuàng)造最大潛在收益。25用氫方式既有高效的，也有低效的?？臻g供熱就是低效用氫的例子72。如果用海上風(fēng)電低碳制氫，為英國住宅供熱，需要385GW的裝機容量才夠用。但是，未來十年全球海上風(fēng)電預(yù)計新增裝機僅為380GW73。如果用熱泵或區(qū)域能源作為熱源，英國所需裝機容量就小多了。配套熱泵后，只需要67GW的海上風(fēng)電裝機。采用區(qū)域供熱（便于利用周邊建筑和工業(yè)余熱為住宅供熱）為人口密集區(qū)供熱，電力需求甚至更小。用氫能供熱，海上風(fēng)電場需要占用如果改用熱泵，海上風(fēng)電場只需9000平方千米。熱源從氫能改為熱泵，僅需六分之一的電能就可以保障英國人溫暖過冬74，如果熱泵搭配區(qū)域能源，用電量還所幸，隨著2025年后新建住宅禁止安裝鍋爐75。由此，關(guān)于是否用氫能為住宅供熱的辯論在英國已有定論。但是，還有很多國家，特別是在歐洲76,77，爭論仍很激烈?？茖W(xué)結(jié)論很清楚，熱泵和區(qū)域能源是更有效的解決方案，應(yīng)被視為未來住宅供暖脫碳的主要方式78。在下述案例中，我們會深入分析智慧用氫的方式，例2677吉瓦70吉瓦70吉瓦熱泵(300%)77吉瓦70吉瓦70吉瓦熱泵(300%)385吉瓦裝機量52000平方公里的海洋面積鍋爐(90%)67千兆瓦裝機容量9000傳輸(90%)筑供熱所需的轉(zhuǎn)換流程的每一步都會損失能量。例如，以電制氫轉(zhuǎn)換流程的每一步都會損失能量。例如，以電制氫等可靈活使用的能源時，還會損失更多能量。由于有能量損失，這些電制燃料的能效未必高于化石燃料。但是，到2050年時，絕大多數(shù)電力會來自可再生能源，如果用其制氫，則是能源密集型行業(yè)脫碳的可行退彈化。例如，生產(chǎn)鋼鐵水泥需要極高溫度。溫度要求如此之高，以致于電爐還不能高效達標。高溫工藝電氣化雖然在技術(shù)上有所進展，但還沒有成規(guī)模運行。因此，除了化石燃料，幾乎別無選擇。同樣，在航空、遠洋航運等行業(yè)，電機雖然可以提供足夠動力，但其所需的電池過于笨重，占用空間太大。在這氫能可以轉(zhuǎn)化為電制氨、電制煤油、電制甲醇等替代燃料，進而滿足高溫作業(yè)、長途運輸?shù)刃袠I(yè)或工藝的需求。此外，氫燃料電池技術(shù)也在開發(fā)之中，經(jīng)過氫氧結(jié)合釋放能量，驅(qū)動船舶、飛機和重卡，使其不再2728和畜牧業(yè)的排放強度都很大，農(nóng)業(yè)是最難脫碳的行業(yè)之一。其中部分原因在于化肥生產(chǎn)。氨是化肥必需的營養(yǎng)物質(zhì)，目前70%用于化肥生產(chǎn)。沒有氨，作物就不能生長。但是，制氨約占全球碳排放的1.3%，以及到2040年，化肥用氨需求將接近翻番，氨的總需求將增加一倍以上85。盡管需求不斷增加，但制氨排放量食物生產(chǎn)脫碳的最大抓手之一，可以在不打破現(xiàn)有農(nóng)這種方法會排放大量溫室氣體，因為它會把二氧化碳排入大氣。每制備1噸氨，就會排放1.6-2.6噸二氧化碳89,90,91。未來可從可再生來源供應(yīng)制氨所需的氫和電黎協(xié)定下的溫升目標，約三分之一的制氨減排量需要國際組織和政策制定者們逐漸意識到，綠氨也是未來建議政策制定者為高效大規(guī)模推廣氫能設(shè)置恰當(dāng)監(jiān)管和經(jīng)濟框架的時機已經(jīng)到來。需要中央和地方各級政府提供公共支持，破除障礙提升監(jiān)管效能、完善實施方案。此外，還需要促進跨國跨行氫能涉及多種復(fù)雜因素。要充分釋放氫能經(jīng)濟的潛力，就要加以應(yīng)對。今天，天然氣制氫仍定》規(guī)定的目標，就要盡早大幅度擴大綠氫占比?？梢詮幕覛溲b備改造入手，使其轉(zhuǎn)產(chǎn)綠氫，并且用好現(xiàn)有氫能基礎(chǔ)設(shè)施。此外，用氫需求仍以制氨、煉化等傳統(tǒng)用途為主。冶鐵煉鋼、重載運輸?shù)入y以脫碳行業(yè)用氫仍然非常有限96。氫能的綠色轉(zhuǎn)型技術(shù)仍不成熟。采取以下總體原29.能效提升和電氣化先行。雖然綠氫能夠打開通向綠色經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型之門，但是仍要重點關(guān)注能源系統(tǒng)各個要素最大程度的直接電氣化。之后，需要快速擴為實現(xiàn)減排脫碳、間接電氣化的方案，包括重工業(yè)脫碳、利用氨實現(xiàn)農(nóng)業(yè)脫.探索更多行業(yè)整合機會。綠氫制備大量用電用水，并產(chǎn)生豐富的可用余熱。在建設(shè)前期，我們必須通盤考慮行業(yè)耦合。例如，缺水地區(qū)可能需要配套淡3031H2H2），削減法》為綠氫提供的稅收減免（IRACleanHydrogenProductionCredit)?非常重要。歐盟氫能銀行（EUHydrogenBank）等金融工具也可以有力推動綠氫價值鏈投資。在需求側(cè)，也應(yīng)鼓勵綠氫煉鋼、綠氫重載運輸?shù)刃滦陀猛?強化投資者和客戶的付費意愿。在國家氫能戰(zhàn)略支持下制定清晰目標，能為投資者帶來可預(yù)見性和穩(wěn)定性。確保綠氫未來需求?尤其是難以減排行業(yè)的需求?有利于降低項目當(dāng)期風(fēng)險，鼓勵上游投資。對培育綠氫市場而電解槽和氫衍生物征收費用，不利于促進綠氫發(fā)展。為了增加綠氫需求、激設(shè)施規(guī)劃建設(shè)力度不足，投資者和市場主體將難以預(yù)見綠氫的可行性。在有?優(yōu)化政府采購策略，激發(fā)綠氫市場活力。要求難以減排的行業(yè)履行政府合再生能源可供開發(fā)，得到擴產(chǎn)所需投資后，就能大規(guī)模制備綠氫，既增加出制定標準。例如，可以考慮制定法規(guī)，鼓勵使用高效電網(wǎng)變頻器，淘汰低效高碳制氫，以及配套碳捕集和封存技術(shù)（CCS）的制氫，在生成蒸汽和冷卻時，都需要大量用水。綠氫制備雖然在電解環(huán)節(jié)也要用水，但實為最節(jié)水的在可再生電力供過于求時制氫，可以以氫儲電，滿足峰荷需求，加快淘汰化石能源電廠。發(fā)揮制氫的靈活性，還可以平衡和穩(wěn)定電網(wǎng)，避免抑制可再生32這個案例將探討未來電解制氫可用余熱的理論潛力，涉及的電解技術(shù)包括堿性電解槽（AEC）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEMAEC、PEM和SOEC技術(shù)的加權(quán)投入產(chǎn)出2030AEC54%63%PEM23%27%SOEC9%-表A.2顯示了2030年、2040年和2050年AEC、PEM和S熱量也是SOEC的輸入。為確定每單位電力投入的區(qū)域供熱的可回收熱損失（HK使用了以下公式。加權(quán)平均的HLrec列于表A.2。表A.2：AEC、PEM、SOEC的投入和產(chǎn)出以及從三者得出的加權(quán)平均值。OutputPowerHL100兆瓦級堿性電解制氫(AEC)100兆瓦級質(zhì)子交換膜電解制氫(PEMEC)100兆瓦級固體氧化物電解制氫100兆瓦級AEC、PEM和SOEC制氫加權(quán)平均值203002040020500203002040020500203002040020500203020402050來源：丹麥能源署（2024）：可再生燃料技術(shù)數(shù)據(jù)（TechnologyDataforRenewableFuels）丹佛斯計算：見公式1。2050年電解制氫全球余熱潛力國際能源署估計，到2050年，電解電力總需求將達到14800收，用于區(qū)域供熱。鑒于2050年的電解電力總需求將達到14800TWh，理論上可以回收1917TWh的2021年，全球燃煤制熱總量為8,022,699TJ（2229TWh）。1917TWh相當(dāng)于全球燃煤制熱總量的86%。33歐盟2030年電解余熱歐盟計劃2030年制備333TWh的可再生氫能。歐盟表示，將采用電解法制備可再生氫能。電解用電需求如下（Powerdem[TWh]Power[TWh]=[%總投入]根據(jù)公式2，在2030年，歐盟Power將會達到527TWh，單位電力投入可回收熱能HL為22%。這意味著，屆時理論上可以從歐盟電解制氫中回收11中國2060年電解余熱潛力2060年，中國制氫總量預(yù)計可達9000萬-1.3億噸，電解制氫占比80%。按照每千克氫含有33.3KWh能量計算，屆時中國電解制氫將含有2400-3467TWh能量。在缺乏更精準數(shù)據(jù)的情況下，我們假設(shè)2050制氫加權(quán)均值（表A.2）可以代表中國2060年的情況。按照公式2，可以計算出2060年P(guān)ower為2401-4912TWh。2050年的HL是13%，意味著到2050年，13%的電力投入理論上可以余熱形式回收，用于區(qū)域供熱。以Power計算可知，中國電解制氫余熱將達到440-636TWh。表A.3列示了中國2021年各種能源制熱量，以及電解可產(chǎn)生的余熱理論潛力值。中國余熱潛力可以滿足27-39%的2021年中國各種能源制熱量TJ3TWh2021年中國各種能源制熱余熱回收潛力%%假設(shè)中國2060年電解制氫余熱回收潛力為440-636TWh。美國2030年電解余熱回收潛力白宮提出了到2030年每年生產(chǎn)300萬噸清潔氫的戰(zhàn)略。