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(rèn)同能源轉(zhuǎn)型的必要性。然而，能源轉(zhuǎn)型所涉及的
問(wèn)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(jì)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(qiáng)大推動(dòng)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(hù)的各個(gè)方面都發(fā)生變化，否則全球氣候?qū)⒃谖磥?lái)50到100年持續(xù)受到負(fù)面影響。在一切照舊的情形下，排放的溫室氣體將導(dǎo)致全球平均氣溫上升約4°C。反過(guò)來(lái)，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(huì)對(duì)全球的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。通過(guò)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(fèi)方面實(shí)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(guó)際社會(huì)在多項(xiàng)國(guó)際協(xié)議中接受了這一想法，包括可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）、第三屆世界人居大會(huì)（Habitat III）和巴黎的第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP21）。在巴黎氣候大會(huì)中，195個(gè)國(guó)家通過(guò)了第一個(gè)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?xún)?nèi)，并努力將溫升控制在1.5°C以?xún)?nèi)”。面對(duì)這雄心勃勃的目標(biāo)，當(dāng)前的努力顯然還不夠。在巴黎氣候大會(huì)中達(dá)成的削減CO2排放的各國(guó)計(jì)劃也還有必要進(jìn)一步強(qiáng)化。到2100年，這些計(jì)劃將使全球平均氣溫升幅遠(yuǎn)高于2°C。將全球溫升控制在2°C要求到2100年全球累計(jì)能源相關(guān)的
碳排放量需要控制在900 Gt左右。當(dāng)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(huì)達(dá)到碳排放量的上限值。與此同時(shí)，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(dá)標(biāo)的地區(qū)。現(xiàn)在急需要采取行動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)COP21、Habitat III和SDGs中多方制定的雄偉目標(biāo)，全世界需要實(shí)施有史以來(lái)最大的能源變革：將能源供應(yīng)和消費(fèi)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(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的脫碳，需要從四個(gè)方面努力：提高能源效率，開(kāi)發(fā)可再生能源，轉(zhuǎn)用低碳/零碳能量載體，以及實(shí)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(fèi)中的占比為82%；可再生能源占比14%，核能4%。盡管未來(lái)能源利用效率會(huì)有所提高，但由于人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，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(shí)，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(zhǎng)的脫碳能源傳輸?shù)侥茉聪M(fèi)側(cè)，同時(shí)保證為終端用戶(hù)提供的能源服務(wù)水平（居民，工業(yè)和
運(yùn)輸）。兩種能量載體有望對(duì)能源脫碳和實(shí)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(guò)渡到低碳經(jīng)濟(jì)需要一個(gè)轉(zhuǎn)型范式 （見(jiàn)附錄I），同時(shí)需要大規(guī)模的投資。未來(lái)的挑戰(zhàn)來(lái)自五個(gè)方面——?dú)淠軐⒃诳朔@些挑戰(zhàn)的過(guò)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(yīng)對(duì)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(dǎo)致電力供應(yīng)和需求的不平衡。通過(guò)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(chǔ)存和備用發(fā)電容量的應(yīng)用將是需要應(yīng)對(duì)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(jìn)一步提高可再生能源比例。電解通過(guò)消耗（過(guò)剩的）電能產(chǎn)生氫能，然后通過(guò)在其他方面（運(yùn)輸，工業(yè)，居民供熱）利用或儲(chǔ)存起來(lái)而產(chǎn)生價(jià)值。氫能有潛力進(jìn)一步提高可再生能源投資的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)能源供應(yīng)安全，并作為無(wú)碳季節(jié)性?xún)?chǔ)能，當(dāng)可再生能源生產(chǎn)能力不足和能源需求量大時(shí)（如歐洲冬季）供能。2. 為了確保能源供應(yīng)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(yīng)跨境交易，包括多個(gè)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(chǔ)能力”有限，因此能源交易的需求將持續(xù)存在。一個(gè)運(yùn)作良好的跨境能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對(duì)于保障能源供應(yīng)安全至關(guān)重要。一個(gè)國(guó)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(yīng)方式將會(huì)出現(xiàn)，從而更加體現(xiàn)了對(duì)能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整的必要性。氫能可以提供一種經(jīng)濟(jì)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(guó)家層面的能源供應(yīng)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(chē)等多種運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，緩沖能源容量只有達(dá)到世界年能源需求的15%左右時(shí)，才能保證能源系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。緩沖能源可以吸收供應(yīng)鏈的沖擊，在國(guó)家層面提供戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備，預(yù)防供需失衡。當(dāng)前，化石能源提供了大部分的存儲(chǔ)容量。但隨著全社會(huì)電氣化程度的提高，這些儲(chǔ)備將不足以確保為終端用戶(hù)提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。由于在傳輸方面具有良好的存儲(chǔ)特性和靈活性，氫能是一種可行的、清潔的、在未來(lái)可以很好地應(yīng)用能源緩沖挑戰(zhàn)的方案。、4. 部分終端用能場(chǎng)景很難通過(guò)電網(wǎng)或者蓄電池實(shí)現(xiàn)電氣化，尤其是在長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。在很多領(lǐng)域，直接電氣化會(huì)存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)，甚至在碳排放成本較高時(shí)出現(xiàn)不經(jīng)濟(jì)的情況，例如在重型運(yùn)輸、非電氣化鐵路、遠(yuǎn)洋運(yùn)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(mǎn)足性能要求和充電的便利性，比如輕型車(chē)輛。在很多領(lǐng)域（不僅限于上述領(lǐng)域），技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)題限制了直接電氣化的應(yīng)用，此時(shí)氫能可以提供一個(gè)可行的解決方案。5. 可再生能源無(wú)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(shí)會(huì)引起（二氧化碳）排放，如將塑料進(jìn)行焚燒處理時(shí)。這些延遲排放也需要進(jìn)行脫碳處理。將氫能與碳捕集相結(jié)合，可以產(chǎn)生碳?xì)浠衔铮瑥亩袷秃吞烊粴庖粯幼鳛榛ぴ稀Ｒ虼?，氫能也有助于將碳捕集和利用（CCU）付諸實(shí)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(dāng)今能源系統(tǒng)面臨的各種挑戰(zhàn)，氫能由于其獨(dú)特性質(zhì)將成為一種非常有應(yīng)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(méi)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(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)。由于其化學(xué)性質(zhì)，它也能夠用于化工過(guò)程原料，包括生產(chǎn)氨和甲醇。氫氣在燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生硫化物或污染物顆粒，只有有限的氮氧化物。對(duì)于車(chē)載燃料電池，氫能在利用過(guò)程中不產(chǎn)生任何排放，且比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音更小。氫能一般存儲(chǔ)在罐體中，與同等尺寸的電池相比更加輕盈，且能夠儲(chǔ)存更多的能量，在能量?jī)?chǔ)存和分配方面有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。
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