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
氢气是重要的工业原料，广泛应用于工业生产过程。目前的工业用氢主要是用化石能源制取的灰氢。根据中国氢能联盟的数据，在目前我国生产的氢气中，由煤炭和天然气制取的灰氢占82%左右，其中80%的氢气产量被工业生产消耗。这些灰氢排放的二氧化碳是工业低碳转型过程中必须解决的问题，利用绿氢取代灰氢就成为这些工业生产过程脱碳的有效途径。此外，在钢铁工业中，目前的工艺技术难以实现深度脱碳，以绿氢替代碳作为还原剂对钢铁工业实现深度脱碳乃至“净零碳”起着关键作用。
理性认识碳中和目标下绿氢在能源转型中的作用边界
氢气作为能源具有诸多优点，如燃烧性能好、热值高、无污染，以及可以转换为电能、热能等多种能源。正因为如此，早在1970年，美国化学家约翰·博克瑞斯（John Bockris）即提出用氢能源系统替代油气能源系统，发展氢经济。美国未来学家杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）在其于2002年出版的《氢经济》（The Hydrogen Economy）一书中也提出，当矿物燃料耗尽之后，氢有望成为人类“永久燃料”或终极能源。
无论是博克瑞斯提出的氢能系统，还是里夫金认为的氢可作为“永久燃料”，其背景都是基于对化石能源枯竭和化石能源利用导致的环境问题的担忧，而氢能从技术上确实有取代化石能源提供各种能源服务的可能性。然而，在推动能源系统向零碳系统转型以减缓全球变暖成为当前主流价值观的背景下，独立的氢能源系统和氢作为“终极能源”的基本前提已不复存在。这是因为，近十年光伏发电和风力发电技术进步提供了成本快速下降的零碳电力，且未来仍有相当大的成本下降空间。碳中和下的新型电力系统是以风光电为主体的系统，这已经逐渐成为共识。因此，氢能在未来电力系统中的作用不是取决于它在技术上能够做什么，而是新型电力系统“需要”它做什么。因为使用可再生能源电力制取绿氢，再进行发电和制热的成本永远也不可能比可再生能源发电成本更低。
不过，就目前而言，氢储能在解决波动性风光电为主体的新型电力系统面临的跨季节平衡问题上几乎是唯一解。因此，在这一场景中，我们不得不承受电-氢-电多次转换导致的成本提高和效率损失。
认识绿氢在交通运输领域的作用边界遵循同样的逻辑。随着技术进步与成本下降、充电基础设施逐步完善，以及针对汽车碳排放标准日益严格，电动汽车在中短途交通和中小型汽车上的竞争优势将日益凸显，氢燃料电池车在这一领域很难与电动汽车展开竞争。因为无论是电动汽车，还是氢燃料电池汽车，都是交通运输脱碳的工具。两者竞争的关键不在车本身，而在电动车和氢燃料电池汽车所依赖的交通基础设施。建设两套同样以脱碳为目的且相互竞争的交通基础设施，完全没有必要。因此，绿氢燃料在交通领域更合适的应用领域是那些难以实现电动化和电气化的长途陆地运输、远洋航运和航空。
总而言之，氢能是未来能源系统中的重要组成部分。在能源转型与碳中和的大背景下，不存在一个独立的氢能系统或氢能作为终极能源的条件。根据欧盟委员会于2020年发布的一份报告，在欧盟2050年气候中和情景下，氢能将占欧盟终端能源消费的9%。壳牌公司于2023年对中国2060年碳中和情景的分析表明，2060年氢能需求将占中国终端能源需求的16%左右。
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。
朱彤.理性认识绿氢在能源转型和工业脱碳中的作用[J].风能,2024,(06):14-16.
