能源轉(zhuǎn)型——必經(jīng)之路，全球性的挑戰(zhàn)
全世界廣泛理解和認同能源轉(zhuǎn)型的必要性。然而，能源轉(zhuǎn)型所涉及的
問題和挑戰(zhàn)需要大家共同努力去解決。氫能提供了一種清潔、可持續(xù)、靈活的能源選擇方案，可以克服阻礙經(jīng)濟向韌性、低碳發(fā)展的多種障礙，因此很有可能成為能源轉(zhuǎn)型的強大推動者。世界需要一種更清潔、更可持續(xù)的能源系統(tǒng)。除非能源系統(tǒng)在
電力生產(chǎn)到終端用戶的各個方面都發(fā)生變化，否則全球氣候?qū)⒃谖磥?0到100年持續(xù)受到負面影響。在一切照舊的情形下，排放的溫室氣體將導致全球平均氣溫上升約4°C。反過來，這將升高海平面，改變氣候帶，使極端天氣和干旱更加頻繁等等，這些都會對全球的生態(tài)、社會和經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生影響。通過讓我們的能源系統(tǒng)排放更少的溫室氣體和顆粒物，變得更加可持續(xù)，甚至在能源生產(chǎn)和消費方面實現(xiàn)循環(huán)利用，我們可以緩解氣候變化。這一概念得到了全球的廣泛支持。國際社會在多項國際協(xié)議中接受了這一想法，包括可持續(xù)發(fā)展目標（SDGs）、第三屆世界人居大會（Habitat III）和巴黎的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP21）。在巴黎氣候大會中，195個國家通過了第一個具有法律約束力的全球氣候協(xié)議。它旨在保持“相較于工業(yè)化前水平，全球平均氣溫的上升幅度控制在2°C以內(nèi)，并努力將溫升控制在1.5°C以內(nèi)”。面對這雄心勃勃的目標，當前的努力顯然還不夠。在巴黎氣候大會中達成的削減CO2排放的各國計劃也還有必要進一步強化。到2100年，這些計劃將使全球平均氣溫升幅遠高于2°C。將全球溫升控制在2°C要求到2100年全球累計能源相關(guān)的
碳排放量需要控制在900 Gt左右。當前，全球每年能源相關(guān)的碳排放量為34 Gt，這意味著2050年就會達到碳排放量的上限值。與此同時，世界正面臨短期內(nèi)降低空氣污染水平的迫切需求。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球僅有1%的人口居住在污染物排放達標的地區(qū)。現(xiàn)在急需要采取行動。為了實現(xiàn)COP21、Habitat III和SDGs中多方制定的雄偉目標，全世界需要實施有史以來最大的能源變革：將能源供應和消費從不可再生的碳基能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳轉(zhuǎn)型。為了實現(xiàn)能源系統(tǒng)的脫碳，需要從四個方面努力：提高能源效率，開發(fā)可再生能源，轉(zhuǎn)用低碳/零碳能量載體，以及實施碳捕集與封存（CCS）以及利用（CCU）。這將從根本上改變能源供需結(jié)構(gòu)。如今，化石燃料在一次消費中的占比為82%；可再生能源占比14%，核能4%。盡管未來能源利用效率會有所提高，但由于人口和經(jīng)濟增長，到2050年能源需求仍將增加16%。到2050年，可再生能源在整體能源中的比重與現(xiàn)有水平相比將增加3至5倍。但同時，化石燃料仍將占較大的比重（部分采用碳捕集與封存技術(shù)減少或避免碳排放）。我們需要一種新的能量載體將比例日益增長的脫碳能源傳輸?shù)侥茉聪M側(cè)，同時保證為終端用戶提供的能源服務水平（居民，工業(yè)和
運輸）。兩種能量載體有望對能源脫碳和實施變革產(chǎn)生重要影響，即電力和氫能。能源轉(zhuǎn)型需要克服五大挑戰(zhàn)過渡到低碳經(jīng)濟需要一個轉(zhuǎn)型范式 （見附錄I），同時需要大規(guī)模的投資。未來的挑戰(zhàn)來自五個方面——氫能將在克服這些挑戰(zhàn)的過程中扮演重要角色（圖1）。
圖1 氫能作為零碳能量載體，助力應對能源轉(zhuǎn)型中的五大挑戰(zhàn)
1. 在發(fā)電側(cè)逐漸增多的可再生能源導致電力供應和需求的不平衡。通過間歇可再生能源發(fā)電以及電力需求的增加，使得電力系統(tǒng)極度緊張。電網(wǎng)容量、間歇性、以及低碳能源季節(jié)性（數(shù)周至數(shù)月）儲存和備用發(fā)電容量的應用將是需要應對的挑戰(zhàn)。氫能有助于優(yōu)化消納可再生能源的電力系統(tǒng)，從而進一步提高可再生能源比例。電解通過消耗（過剩的）電能產(chǎn)生氫能，然后通過在其他方面（運輸，工業(yè)，居民供熱）利用或儲存起來而產(chǎn)生價值。氫能有潛力進一步提高可再生能源投資的經(jīng)濟效益，增強能源供應安全，并作為無碳季節(jié)性儲能，當可再生能源生產(chǎn)能力不足和能源需求量大時（如歐洲冬季）供能。2. 為了確保能源供應安全，全球和區(qū)域的能源基礎(chǔ)設(shè)施需要重大轉(zhuǎn)型。今天，全球約30%的一次能源供應跨境交易，包括多個能源品種（石油，天然氣，煤炭和電力）。由于世界不同地區(qū)的可再生能源資源和生產(chǎn)情況不同，而且電力的“存儲能力”有限，因此能源交易的需求將持續(xù)存在。一個運作良好的跨境能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對于保障能源供應安全至關(guān)重要。一個國家內(nèi)的地區(qū)或城市的能源系統(tǒng)也將發(fā)生變化：集中式和分散式相結(jié)合的新型能源供應方式將會出現(xiàn)，從而更加體現(xiàn)了對能源基礎(chǔ)設(shè)施進行調(diào)整的必要性。氫能可以提供一種經(jīng)濟效益好、清潔的能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，有助于提高地方和國家層面的能源供應安全。氫能是一種在城市和區(qū)域間高效（再）分配能源的重要能量載體，它可以依托輪船、管道或罐裝車等多種運輸方式。3. 把化石燃料作為能源系統(tǒng)的緩沖物將不足以確保系統(tǒng)的順利運轉(zhuǎn)。一般來說，緩沖能源容量只有達到世界年能源需求的15%左右時，才能保證能源系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。緩沖能源可以吸收供應鏈的沖擊，在國家層面提供戰(zhàn)略儲備，預防供需失衡。當前，化石能源提供了大部分的存儲容量。但隨著全社會電氣化程度的提高，這些儲備將不足以確保為終端用戶提供穩(wěn)定的能源供應。由于在傳輸方面具有良好的存儲特性和靈活性，氫能是一種可行的、清潔的、在未來可以很好地應用能源緩沖挑戰(zhàn)的方案。、4. 部分終端用能場景很難通過電網(wǎng)或者蓄電池實現(xiàn)電氣化，尤其是在長距離運輸?shù)阮I(lǐng)域。在很多領(lǐng)域，直接電氣化會存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)，甚至在碳排放成本較高時出現(xiàn)不經(jīng)濟的情況，例如在重型運輸、非電氣化鐵路、遠洋運輸和
航空領(lǐng)域，還包括一些能源密集型行業(yè)。在其他領(lǐng)域，即使技術(shù)上可行，直接電氣化也不一定能夠總是滿足性能要求和充電的便利性，比如輕型車輛。在很多領(lǐng)域（不僅限于上述領(lǐng)域），技術(shù)或經(jīng)濟上的問題限制了直接電氣化的應用，此時氫能可以提供一個可行的解決方案。5. 可再生能源無法替代石油
化工行業(yè)中的所有化石原料。用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品的化石燃料在其生命周期結(jié)束時會引起（二氧化碳）排放，如將塑料進行焚燒處理時。這些延遲排放也需要進行脫碳處理。將氫能與碳捕集相結(jié)合，可以產(chǎn)生碳氫化合物，從而像石油和天然氣一樣作為化工原料。因此，氫能也有助于將碳捕集和利用（CCU）付諸實踐，從而減少
水泥等高碳行業(yè)的二氧化碳排放?？傊?，為了克服當今能源系統(tǒng)面臨的各種挑戰(zhàn)，氫能由于其獨特性質(zhì)將成為一種非常有應用前景的解決方案。如果采用可再生能源電解、生物沼氣蒸汽甲烷重整（SMR）或者蒸汽甲烷重整配備CCS/CCU等方式制氫，那么氫能的生產(chǎn)將沒有任何
碳足跡產(chǎn)生。氫氣的性質(zhì)使得它能夠用于發(fā)電和/或者供熱，利用方式有燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHPs）、燃燒器或者改進的燃氣輪機。由于其化學性質(zhì)，它也能夠用于化工過程原料，包括生產(chǎn)氨和甲醇。氫氣在燃燒時不會產(chǎn)生硫化物或污染物顆粒，只有有限的氮氧化物。對于車載燃料電池，氫能在利用過程中不產(chǎn)生任何排放，且比傳統(tǒng)發(fā)動機噪音更小。氫能一般存儲在罐體中，與同等尺寸的電池相比更加輕盈，且能夠儲存更多的能量，在能量儲存和分配方面有更加明顯的優(yōu)勢。
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