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进群|“氢能交流群”“储能交流群”“碳中和交流群” “天然气交流群”
请加微信17310056319,申请请备注进群。
文:朱彤中国社会科学院工业经济研究所研究员
朱 彤
2022
年以来,在国家和地方政策的推动下,氢能产业成为各地“明星产业”,氢能在未来能源系统中的作用也日益受到关注。然而,氢不仅有能量属性,还广泛作为工业原料。在目前氢的主要制取来源为化石燃料,“双碳目标”成为社会经济发展首要约束的情况下,探讨“氢”在能源转型和工业脱碳中的作用时,需要强调以可再生能源电力电解水制取的“绿氢”,而非以化石燃料制取的“灰氢”。如果鼓励氢能发展反而增加了碳排放,这显然有悖于政策设计的初衷。
绿氢在实现能源系统零碳转型中不可或缺
绿氢在能源转型中的重要作用主要表现在两个方面:
一是氢储能在平衡未来新型电力系统季节性波动中不可或缺。新型电力系统将面临一个波动性风光电导致的季节性平衡问题。比如,欧洲每年4―10月期间日照充足导致发电量大幅过剩,而10月到次年4月期间日照不足引发电力短缺,由此产生了电力供需的季节性平衡问题。绿氢储能系统由于具备大容量、长周期、清洁高效的特性,被认为是匹配可再生能源电力季节性波动的最佳储能方式。而电化学储能和抽水蓄能等储能方式无论是从容量,还是储能时间周期上,都难以满足跨季节电力供需调节的要求。
二是绿氢作为动力燃料是实现长距离交通运输脱碳的重要途径。目前,地面交通电气化和电动化是较为成熟的交通运输脱碳方式,但一些难以实现电动化的领域,如重载卡车、远洋航运和航空的脱碳仍面临较大困难。对于这些领域,目前国际上主要采用在化石燃料中添加部分生物基燃料的方式来减少其碳排放。比如,2023年4月,欧盟规定到2025年在全部航空煤油中生物航煤的添加比例必须达到2%,此后每5年上调一次,直到2050年达到70%。然而,生物基燃料的供应量终究有限。从中长期来看,全球长距离交通运输脱碳最终可能仍将需要借助绿氢来实现。
绿氢是部分工业生产实现碳中和的利器
理性认识碳中和目标下绿氢在能源转型中的作用边界
把握绿氢应用的优先次序和推广节奏至关重要
绿氢的主要应用场景包括作为化工原料、交通燃料,电力系统长周期平衡,建筑分布式供热和发电等。由于绿氢的制取、储存和运输成本很高,我们必须在综合考虑各种影响绿氢终端使用成本因素的基础上,把握绿氢不同应用场景的优先次序和推广节奏,否则会很容易陷于“为氢而氢”的发展模式,造成投资的巨大浪费。
笔者认为,影响绿氢终端使用成本的因素主要有四个:一是可再生能源的发电成本。绿电是制取绿氢的关键要素。电解1千克氢气,需要耗电40~50千瓦时,因而风光资源和土地资源丰富的地区在发展绿氢方面更有优势。二是储运成本。氢作为最轻的气体,其体积能量密度最低。这导致氢的储存和运输面临更多的问题与困难,并最终反映到高昂的成本上。这就决定了储运环节具有规模经济性,且分销成本低的应用场景的推广难度更小。三是碳价是影响绿氢替代灰氢进程的重要因素。随着石化、钢铁等高耗能行业纳入碳排放权交易市场的速度加快,与这些行业相关的应用场景将迎来发展机遇。四是竞争路线的发展情况。对于没有竞争路线的应用场景,可以优先推广;对于有竞争路线的应用场景,则需要在比较相对于竞争路线的优劣势后再作决定。从典型应用场景来看,绿氢替代化肥和炼油等生产用灰氢,氢储能作为电力系统跨季节调节手段,目前并不存在竞争路线;在交通领域,地面交通面临电气化和电池的竞争,航空与航运面临生物基燃料的竞争;工业、建筑和家庭供热面临电气化和电池的竞争。
综上所述,笔者认为,短期内绿氢的优先推广方向宜以风光基地就地消纳为主,主要应用场景是合成氨制备化肥、合成甲醇。此后,随着氢储运设施建设的推进和成本的下降,可以在储运成本具有经济性范围内推动绿氢对化工用灰氢/蓝氢的替代,以及在交通领域的重卡、航运等场景中对化石燃料的逐步替代,最后是在化工领域的冶金用氢,以及氢储能在平衡电力系统跨季节供需方面的应用。
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朱 彤
2022
年以来,在国家和地方政策的推动下,氢能产业成为各地“明星产业”,氢能在未来能源系统中的作用也日益受到关注。然而,氢不仅有能量属性,还广泛作为工业原料。在目前氢的主要制取来源为化石燃料,“双碳目标”成为社会经济发展首要约束的情况下,探讨“氢”在能源转型和工业脱碳中的作用时,需要强调以可再生能源电力电解水制取的“绿氢”,而非以化石燃料制取的“灰氢”。如果鼓励氢能发展反而增加了碳排放,这显然有悖于政策设计的初衷。
绿氢在实现能源系统零碳转型中不可或缺
绿氢在能源转型中的重要作用主要表现在两个方面:
一是氢储能在平衡未来新型电力系统季节性波动中不可或缺。新型电力系统将面临一个波动性风光电导致的季节性平衡问题。比如,欧洲每年4―10月期间日照充足导致发电量大幅过剩,而10月到次年4月期间日照不足引发电力短缺,由此产生了电力供需的季节性平衡问题。绿氢储能系统由于具备大容量、长周期、清洁高效的特性,被认为是匹配可再生能源电力季节性波动的最佳储能方式。而电化学储能和抽水蓄能等储能方式无论是从容量,还是储能时间周期上,都难以满足跨季节电力供需调节的要求。
二是绿氢作为动力燃料是实现长距离交通运输脱碳的重要途径。目前,地面交通电气化和电动化是较为成熟的交通运输脱碳方式,但一些难以实现电动化的领域,如重载卡车、远洋航运和航空的脱碳仍面临较大困难。对于这些领域,目前国际上主要采用在化石燃料中添加部分生物基燃料的方式来减少其碳排放。比如,2023年4月,欧盟规定到2025年在全部航空煤油中生物航煤的添加比例必须达到2%,此后每5年上调一次,直到2050年达到70%。然而,生物基燃料的供应量终究有限。从中长期来看,全球长距离交通运输脱碳最终可能仍将需要借助绿氢来实现。
绿氢是部分工业生产实现碳中和的利器
理性认识碳中和目标下绿氢在能源转型中的作用边界
把握绿氢应用的优先次序和推广节奏至关重要
绿氢的主要应用场景包括作为化工原料、交通燃料,电力系统长周期平衡,建筑分布式供热和发电等。由于绿氢的制取、储存和运输成本很高,我们必须在综合考虑各种影响绿氢终端使用成本因素的基础上,把握绿氢不同应用场景的优先次序和推广节奏,否则会很容易陷于“为氢而氢”的发展模式,造成投资的巨大浪费。
笔者认为,影响绿氢终端使用成本的因素主要有四个:一是可再生能源的发电成本。绿电是制取绿氢的关键要素。电解1千克氢气,需要耗电40~50千瓦时,因而风光资源和土地资源丰富的地区在发展绿氢方面更有优势。二是储运成本。氢作为最轻的气体,其体积能量密度最低。这导致氢的储存和运输面临更多的问题与困难,并最终反映到高昂的成本上。这就决定了储运环节具有规模经济性,且分销成本低的应用场景的推广难度更小。三是碳价是影响绿氢替代灰氢进程的重要因素。随着石化、钢铁等高耗能行业纳入碳排放权交易市场的速度加快,与这些行业相关的应用场景将迎来发展机遇。四是竞争路线的发展情况。对于没有竞争路线的应用场景,可以优先推广;对于有竞争路线的应用场景,则需要在比较相对于竞争路线的优劣势后再作决定。从典型应用场景来看,绿氢替代化肥和炼油等生产用灰氢,氢储能作为电力系统跨季节调节手段,目前并不存在竞争路线;在交通领域,地面交通面临电气化和电池的竞争,航空与航运面临生物基燃料的竞争;工业、建筑和家庭供热面临电气化和电池的竞争。
综上所述,笔者认为,短期内绿氢的优先推广方向宜以风光基地就地消纳为主,主要应用场景是合成氨制备化肥、合成甲醇。此后,随着氢储运设施建设的推进和成本的下降,可以在储运成本具有经济性范围内推动绿氢对化工用灰氢/蓝氢的替代,以及在交通领域的重卡、航运等场景中对化石燃料的逐步替代,最后是在化工领域的冶金用氢,以及氢储能在平衡电力系统跨季节供需方面的应用。