管道中的氫氣：擁抱未來的燃料

到2050年，各行業(yè)對氫的潛在需求的增長曲線。

　　自19世紀(jì)70年代以來，人們就一直在討論氫的能源潛力。有遠(yuǎn)見的作家儒勒·凡爾納在他的小說《神秘島》中寫道：“總有一天，水將被用作燃料，構(gòu)成水的氫和氧，單獨(dú)或一起使用，將提供取之不盡的熱和光，其強(qiáng)度是煤所不能達(dá)到的。”現(xiàn)在，差不多150年過去了，我們開始意識到，或許他言之有理。氫有可能為我們的能源系統(tǒng)提供一條脫碳之路，出于幾個原因，它對政策制定者和能源行業(yè)的吸引力越來越大。

　　氫的好處是什么？

　　首先，氫燃燒時不排放任何碳，所以它可以被認(rèn)為是零碳能源，但這取決于它是如何產(chǎn)生的。目前有幾種方法：

　　電解——電被用來把水分離成氫和氧。如果電力是可再生的，氫就被認(rèn)為是零碳的。這有時被稱為“綠色”或“可再生氫”。

　　蒸汽甲烷重整(SMR) ——指的是一種化學(xué)合成反應(yīng)，蒸汽在高壓下從碳?xì)浠衔?如天然氣)，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。這有時被稱為“灰色氫”。

　　碳捕集利用與封存SMR(CCUS)——在SMR過程中加入CCUS以捕獲和防止二氧化碳的釋放，該過程可以被認(rèn)為是低碳的。這有時被稱為“藍(lán)色氫”。

　　熱甲烷熱解(TMP)——包括天然氣和低溫高壓反應(yīng)，沒有氧氣存在，產(chǎn)生氫和固體碳。這也是“藍(lán)色氫”。

　　氫氣可以在許多情況下作為天然氣的替代品，包括發(fā)電、工業(yè)原料、過程加熱以及家庭加熱和烹飪。它也可以用于燃料電池的脫碳運(yùn)輸。簡而言之，氫可以幫助脫碳，在這些行業(yè)，實(shí)現(xiàn)全面電氣化的解決方案可能極其困難和昂貴。

　　能源行業(yè)已經(jīng)抓住了氫的潛力，許多項(xiàng)目正在研究其生產(chǎn)和使用。這些項(xiàng)目的規(guī)模各不相同，從對獨(dú)立電解槽的小型調(diào)查，到在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中混合氫氣和天然氣，再到氫聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGTs)，以及英格蘭北部H21項(xiàng)目的宏偉目標(biāo)。英格蘭北部的H21計(jì)劃將370萬英國家庭和企業(yè)從天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣，使其成為世界上最大的清潔能源項(xiàng)目。對于天然氣生產(chǎn)商和網(wǎng)絡(luò)公司來說，氫提供了一個可能的答案，以應(yīng)對全面電氣化的生存威脅。如果天然氣可以轉(zhuǎn)化為氫氣而不產(chǎn)生碳排放，那么現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)就可以重新利用，將氫氣輸送給工業(yè)和家庭供暖。氫也可以儲存在許多現(xiàn)有的天然氣儲存設(shè)施中，這將允許一種僅靠可再生能源無法提供的季節(jié)性儲存形式。

　　任何關(guān)于氫作為燃料來源的討論都會引發(fā)對其安全性的質(zhì)疑。氫是高度易燃的，因此人們對運(yùn)輸和儲存這種氣體感到擔(dān)憂，尤其是在家庭環(huán)境中。盡管如此，氫的擴(kuò)散速度更快，所以它不太可能造成呼吸危險，也不太可能聚集在它可以燃燒的地方。歐洲氫能公司表示，這種燃料與汽油和天然氣等其他易燃燃料一樣安全，但公眾對這種燃料的看法可能會影響其大規(guī)模推廣。

　　對于工業(yè)來說，氫提供了一種脫碳的途徑，否則，脫碳將是極其昂貴和困難的。它提供了一種替代電氣化的方法——對一些人來說，電氣化甚至是不可行的——以及一種替代在個別工廠安裝碳捕捉裝置的方法。綠色或藍(lán)色的氫也可以幫助許多工業(yè)原料脫碳，如氨生產(chǎn)和正在研究的氫如何幫助鋼鐵生產(chǎn)脫碳的示范項(xiàng)目。將電力轉(zhuǎn)化為氫氣可以使用過剩的可再生能源，為可再生能源增加價值，創(chuàng)造更多的收入，避免這些能源的浪費(fèi)。它也提高了氫作為電儲存介質(zhì)的可能性。過剩的電力可以用來在需求低或價格低的時候產(chǎn)生氫氣，當(dāng)需求或價格上漲時，這些存儲起來的氫氣可以重新轉(zhuǎn)化為電能。

　　那么，問題出在哪里呢？

　　看來氫可以解決我們所有的能源問題！事實(shí)上，在開始使用氫作為燃料來源之前，有許多問題需要考慮。首先，氫供應(yīng)鏈需要大幅擴(kuò)張，以滿足潛在的需求，包括生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲存。不幸的是，由于無法確定需求是否會隨之增長，這種擴(kuò)張存在重大風(fēng)險。

　　其次，每種制氫方法都存在一些問題?；疑珰洳皇堑吞嫉?，因此在脫碳的能源環(huán)境中幾乎沒有什么作用。藍(lán)氫需要CCS，盡管這是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，但我們還沒有達(dá)到大規(guī)模經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的階段。綠色氫是最昂貴的生產(chǎn)方法，需要非常低的電價和降低電解成本才能實(shí)現(xiàn)。熱解尚未被證明是一種可擴(kuò)展的解決方案，與其他生產(chǎn)方法相比具有競爭力。盡管如此，如果氫是解決住宅供熱、工業(yè)供熱和重型交通行業(yè)脫碳難題的辦法，那么這些問題將需要被克服。Poyry的一項(xiàng)相關(guān)研究：“到2050年實(shí)現(xiàn)歐洲能源系統(tǒng)的脫碳”，將零碳?xì)怏w途徑與全電氣化途徑進(jìn)行了比較，并考察了氫在熱力、電力和交通領(lǐng)域的潛在作用。在零碳排放的道路上，預(yù)計(jì)到2050年，這三個行業(yè)的氫需求將顯著增長，達(dá)到2,000TWh。從不同的制氫成本來看，研究發(fā)現(xiàn)甲烷改造制氫的成本始終低于電解制氫的成本。

　　這是因?yàn)榈?050年，由數(shù)百萬輛電動汽車實(shí)現(xiàn)的電網(wǎng)靈活需求以及高水平互連，意味著缺少非常低的電價周期，否則就可以以低于成本的電力支持電解產(chǎn)氫。隨后，甲烷重整會成為氫生產(chǎn)的主要來源。然而，電解產(chǎn)氫在歐洲的一些地區(qū)會具有更高的份額，因?yàn)槟切┑貐^(qū)具有非常高的可再生電力滲透率和較小的系統(tǒng)靈活性。

　　氫在能源組合中的前景如何？

　　氫的潛力是顯而易見的，但實(shí)現(xiàn)這一潛力的途徑是不確定的。需要克服的障礙有很多，包括創(chuàng)建一個商業(yè)案例，接受CCS，公眾在家中接受氫以及證明氫是多么安全。如果這些障礙都能夠被克服，那么有一天我們就有可能真正用到儒勒·凡爾納筆下那“取之不盡的熱和光”。

　　本文作者：約翰•威廉姆斯(John Williams)，Poyry Management Consulting高級主管。

　　關(guān)于作者：約翰•威廉姆斯在能源行業(yè)有超過25年的工作經(jīng)驗(yàn)，專長于英國和愛爾蘭的天然氣運(yùn)輸安排。約翰從2001年開始在Poyry的能源部門工作，在加入Poyry之前，他在Centrica和殼牌公司工作，負(fù)責(zé)全球天然氣市場和天然氣運(yùn)輸。

　?。ㄔ膩碜裕嚎稍偕茉此龠f 中國新能源網(wǎng)綜合）