氢作为一种革命性的燃料已经被推广了50年,但使用仅限于炼油和化肥生产。为了推动全球脱碳,氢必须克服许多障碍。
在这个角度来看,我们研究了氢从生产到使用所面临的挑战,评估了其环境和经济信誉,争议和不确定性。我们为公司和政府提供证据基础,以评估清洁氢的当前和潜在的未来竞争力。燃料电池汽车和空间加热是最有希望的应用之一,由于直接电力替代品的快速发展。氢在目前的生产成本估计数为5倍,表明2030年的目标将难以实现,特别是如果将运输和储存成本包括在内。
制氢对气候的影响也是不确定的,电解制氢或甲烷气与碳捕获的生产可能会增加整个系统或上游的排放,以及水资源短缺和持续的有机污染。未来的研究必须解决这些不确定性,战略重点是在最具竞争力的优先领域部署氢气。
用途
全球氢需求量略低于1亿吨,自1975年以来增加了5倍,但仅占全球最终能源消费量的3% 。几乎所有的氢都是从化石燃料中产生的并用于工业。
高价值的消费应用
如家庭供暖和个人交通,吸引了大量的研究和投资,但这些领域面临着来自替代技术的激烈竞争。尽管过去乐观,学术界的共识是,氢气不会大规模用于建筑物供暖,因为它比区域供暖或电热泵效率低,成本高。氢锅炉尚未在任何有意义的规模上用于空间供暖。
重型和长途运输
与个人运输相比,氢燃料在某些特定用途下可为重型车辆提供更大的前景。对于行驶距离更长、利用率更高且有效载荷对重量限制敏感的车辆,燃料电池相对于电池的优势可能更为明显。叉车等专用车队,送货车辆和公共汽车需要的加油站比汽车少,因为它们有专用和更集中的路线。
工业用途
能源密集型工业是最大的氢消费者,清洁氢是目前唯一的大规模脱碳肥料的选择。到2023年,用清洁能源替代9700万吨化石燃料生产的氢气,每年可减少全球0.9 GtCO2排放量。
长期储能
全球可再生能源发电的增长主要来自风能和太阳能光伏发电(PV),这增加了在没有化石燃料备用的情况下平衡供应短缺和需求高峰的挑战。电池可以平衡太阳能光伏发电和需求的日内波动(因为锂离子电池可以提供1-4小时的电力);然而,在几天、几周和几个月的时间尺度上的不稳定性需要大的存储容量和低的能量成本。
氢能之所以迟迟未能大规模应用,主要是由于其在生产、储存、运输和应用等整个产业链条中,面临着成本高昂、技术瓶颈、基础设施不完善以及安全和标准体系等一系列的挑战。
以下是主要的限制因素:
1 成本高昂
制氢成本: 虽然通过化石燃料制氢(灰氢)成本较低,但会产生大量碳排放,不符合清洁能源转型的目标。利用可再生能源电解水制氢(绿氢)是未来的方向,但目前电解槽设备成本、电费以及绿电供应的不稳定性等因素,使得绿氢的成本远高于传统制氢方式,缺乏经济竞争力。
储运成本: 氢气密度极低,无论是采用高压气态储氢还是低温液态储氢,都需要高成本的设备和复杂的工艺。氢气的运输成本也远高于传统燃油,管道运输网络尚未成形,且面临“氢脆”等技术挑战。
终端应用成本: 例如,氢燃料电池汽车的制造成本和维护成本普遍高于传统汽车和纯电动汽车,加氢站的建设和运营成本也极高,使得氢燃料的价格难以与汽油竞争。
2 基础设施不完善
加氢站网络稀疏: 缺少广泛且便捷的加氢站网络,是制约氢燃料电池汽车推广的关键因素。建设一个加氢站投资巨大,且运营初期亏损现象普遍。
储运系统滞后: 缺乏成熟的长距离、大规模的氢气运输基础设施,尤其是高效、经济的氢气输送管道。目前主要依赖高压长管拖车进行小规模运输,效率低、成本高。
3 技术和效率瓶颈
能源转换效率: 从电能制氢,再到氢气储存和运输,最终到燃料电池发电或驱动,整个过程存在多次能量转换,综合效率低于锂电池的直接充电-放电模式,造成能源浪费。
核心技术依赖进口: 尽管在某些环节有所突破,但在催化剂、质子交换膜、碳纸等燃料电池关键材料和部件上,许多国家仍对国际先进技术存在较大依赖。
4 安全性和标准法规
安全认知: 虽然科学研究表明氢气的危险性被夸大,甚至在某些情况下比汽油更安全(因为氢气密度低易于快速逸散),但公众对氢气的安全风险仍存在疑虑。
标准和法规缺失: 缺乏统一、完善的国际和国内标准体系和安全监管体系,特别是关于氢气的“能源属性”和“危化品属性”的界定、以及跨部门的协作和审批流程等,都给产业发展带来了不确定性和难度。
总之,氢能的大规模应用需要全产业链协同发展,通过技术创新降低绿氢成本、突破储运技术瓶颈、完善基础设施网络,并建立健全的安全标准和政策支持体系,才能逐步实现商业化和市场普及。