氢在碳中和背景下燃料构成中将占多大比例

周宏春

自2020年9月22日以来，碳达峰、碳中和成为国内的热点话题；氢能产业、氢经济等概念、报告、研讨会、报告会等也乘势而上，让人应接不暇。碳中和为什么能带动氢能产业热，为什么提氢占燃料比重而不是占能源结构中的比重，现有制氢技术路线是什么特点，未来的发展方向是什么？

一般而言，氢与柴油、汽油等能源品种的性质类似，主要原因有二。其一，它们同属二次能源。二次能源由一次能源转化而来，如柴油、汽油均由石油炼制而成，而煤炭、薪柴等一次能源不需要加工就可以直接利用。氢可以从煤炭、天然气等传统能源转化而来，也可以从工业副产品、生物质等原料中制取，还可以通过电解水生成。其二，柴油、汽油和氢均是“含能量”物质，有人称之为“含能体”能源；这些能源品种的最大特点，既可以作为燃料使用，也可以作为原料使用，还能随机动车、轮船、飞机等机动性强的现代化交通运输工具直接使用。

虽然氢与电均是二次能源，但它们的性质却不尽相同。在现有技术经济条件下，电不能直接供机动性强的现代化交通运输工具使用，因而也被称为“过程性能源”；尽管城市有轨电车、高铁、地铁等交通工具可以直接用电，甚至功率不大的电池、蓄电池等电源也能随人或交通工具移动。电可以直接从煤炭、石油、天然气，或太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能和核燃料等一次能源中生产出来，主要特征是生产和消费基本同步。也就是说，发出来的电就要用电，不用的话就会浪费掉，因而才有弃风（电）和弃光（电）一说。

氢经济并不是新的话题，在20世纪70年代就已提出。1973-1974年，由于中东战争引发了世界的第一次石油危机：国际市场上的石油价格从每桶3美元涨到12美元，石油价格暴涨引发了西方国家的经济衰退。据美国经济学家的估计，那次石油危机使美国国内生产总值增长下降了4.7%，欧洲增长下降了2.5%，日本甚至下降了7%。受石油价格上涨的冲击，各国开始在能源的开源节流上想办法，氢能便是开源的产物，节能也发端于那时。

随着化石燃料消耗的日益增加，资源储量也日趋减少，不少学者认为“终究有枯竭的一天”，因而迫切需要寻找一种不依赖化石燃料、储量丰富的新的“含能量”物质。于是，氢能应运而生。也就是说，氢是在常规能源危机后出现的、人们所期待的新的二次能源。受全球气候变化影响，氢在能源转型中的潜力再次受到人们的关注。氢用可再生能源来制取，用储氢材料储存，用氢燃料电池发电，构成“净零排放”的氢能系统；氢不仅具有可持续性，也成为可再生能源之外实现“深度脱碳”的重要路径。

制氢方式，目前以四类为主，分别是化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。天然气制氢虽然应用广泛，但原料利用率低、工艺复杂、操作难度高，而且生成物中的二氧化碳等温室气体排放，成为了重大制约。利用工业副产物制氢，不仅可以“变废为宝”，而且成本也相对较低。以焦炉气制氢为例，建设地点需靠近焦化企业，不仅受制于原料供应，供应链安全也存在隐患。电解水制氢，制成的氢产品纯度高、无污染，但高成本限制了其推广应用。光解水与生物质制氢的技术尚未成熟，实现商业化也还需一段时间。总之，煤和天然气制氫成本较低，又以天然气制氢经济性最好。

氢能的优点主要有以下几个。一是燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。二是氢燃烧后的剩余物只有水，因而是清洁的能源。三是资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。四是效率高，氢燃料电池效率高于内燃机。内燃机效率最高位为20%–30%；如果考虑马达和控制器耗损，内燃机的输出能量仅约24%或更低；燃料电池的效率最低也能达到35%–45%（通常要高很多）。

氢能应用广泛。氢可以广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域，既可以直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效的原料、还原剂和高品质热源，也可通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对油气的依赖；还可应用于分布式发电，为住宅、商业建筑等供电供暖。

全球制氢的原料主要是化石能源。全球氢气年产量约为7000万吨，76%以天然气为原料，剩余部分（23%）几乎都以煤炭为原料，电解法制氢约占1%。每年生产氢气消费天然气约2050亿立方米（占全球天然气消费总量6%），煤炭1.07亿吨（占全球煤炭消耗总量的2%）。尽管化石能源制氢技术相对成熟，但需要加装碳捕捉封存装置（CCS）解决碳排放问题。

国际能源署（IEA）认为，氢能发展迎来了前所未有的机遇，世界各国从政策到项目数量均增长迅速，是氢能扩大规模、降低成本、广泛应用的重要时期，并提出七点建议：一是确立氢能发展长期战略；二是刺激清洁氢能发展的市场需求；三是解决先行者的投资风险；四是支持研发降低成本；五是统一标准消除监管障碍；六是全面加强国际合作；七是把握下一个十年氢能发展的关键机会。近期可以从四个方面着手：利用沿海化工聚集区建设成为扩大清洁氢能利用的枢纽；充分利用现有的天然气基础设施；通过车队、货运和公共交通扩大氢能应用范围；启动国际氢贸易，建立首批航运线路。

关于氢能发展的问题也不容回避。一是随着化石能源制氢的碳减排及氢产业发展，法规标准建设十分迫切。二是如果用电制氢，转化效率是一个很大问题：发电效率一般在35%以下，再用电解水制氢，效率再次打折，这时的氢能效率就要重新计算。三是燃料电池车使用的氢气不同于一般工业用氢，对纯度和杂质要求很高。然而，产氢成本高、基础设施建设缓慢等均制约了燃料电池的发展。四是安全性是一个很重大的话题。事实上，电解水制氢技术历经百年发展，在系统安全、电气安全、设备安全等方面形成了较完善的设计标准体系和管理规范，涵盖氢气站、系统技术、供配电系统规范等内容。

总之，作为碳减排的重要措施，弃风、弃光的电用来电解水制氢，是变废为宝，不仅可以提高能源效率，也是碳中和的重要方向。如果不是用弃电、谷电制氢，能源利用效率是个大问题。而如果是煤炭、天然气等传统能源制氢，需要解决二氧化碳排放问题。