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短期内氢燃料发展或弊大于利

2021-06-15 10:07:18 中国石化报   作者: 卢雪梅  

电气化日益渗入各行各业的今天,仍有部分行业很难摆脱对化石能源的依赖,这些行业被称为去碳化“老大难”,如航空、长途运输、炼钢和水泥制造,以及可靠的电力供应等。氢气被视为实现这些行业去碳化的最佳选项,而以氢为基础制造碳氢化合物并实现去碳化的燃料被称为氢燃料,近期更是受到一定程度的追捧。

近期有关公众政策的讨论尤其关注这一领域,特别是在欧洲,一些政策决策人和研究人员也都大力呼吁,在更大范围内用氢燃料取代天然气。波兹坦气候应对研究院新近出炉的报告分析了氢燃料作为替代能源的利弊,认为其确实能有效挖潜低碳且廉价的太阳能和风能发电,最终又能利用大气中的二氧化碳,得到气态或液态的燃料,具有能量密度高、可储运和可燃烧等特点,从而成为替代化石燃料的完美选项。

氢燃料是二次能源载体,使用过程中有转化损失

但实际上,氢燃料之所以被看好,最大原因是其可以在过去与未来之间建立一个桥梁,允许内燃机和其他以燃烧化石燃料为主的设施继续存在,并在应对气候变化的大环境下找到新的定位。人口密度大、缺乏太阳能和风能的地区,也可通过全球市场进口氢燃料。

但波兹坦气候应对研究院的研究结果也表明,氢燃料的弊端也很明显,它是二次能源载体,在供应端和终端用户的使用过程中都存在额外的转化损失。根据应用场景和相应的技术,氢燃料将电转化为可用能源的效率在16%~48%。换言之,如果按发电量计算,氢燃料所需的电量是直接用电替代物所需电量的2~10倍。这其中的损失超过可再生能源丰富的国家用电和将其以氢燃料出口获得的收益。

从供应端来看,氢燃料的生产至少需要两个转化步骤:电解和烃的合成,从电到燃料的效率损失为50%,其中包括从空气中捕集二氧化碳时所需的5%左右的电量,而这个过程中所需的热量也将耗去总电力的20%,但考虑到可以使用其他途径的废热,故在计算中将之忽略。

从需求端来看,燃烧氢燃料做机械功时,转化能效低于20%,也即燃烧氢燃料的内燃机汽车所需的电量是电动汽车(可再生能源电力)的5倍,且后者的转化环节更少,也不依赖内燃机,有效能利用率更高。

2030年前,氢燃料还不具备竞争性

在对比分析了氢燃料、化石燃料和直接电气化的经济性后,该报告认为,氢燃料短期内不可能实现低成本充分供应,从而大范围取代化石能源,其推广主要依赖政策扶持。目前还没有任何实质性的推广支持行为,至少在2030年前,碳税的水平还不足以使氢燃料具备竞争性。因此氢燃料的前景目前还不明确。

考虑到当前氢燃料的稀缺性,进行气候和能源政策决策时应在价值排序的基础上,确定在哪个领域开发氢燃料的终端用户。引导特定氢燃料终端用户的规章和政策应系统性地考虑在其他场合使用氢燃料的机会成本。在当前急需进行碳中和与减排的背景下,有限的氢燃料应优先考虑用于无法或难以通过直接电气化和其他选择实现这一目标的行业,但这并不一定是指那些氢燃料最具竞争性或去碳化老大难行业。

氢燃料不应成为大范围直接电气化的阻碍,如果押宝于氢燃料的大发展而忽视终端使用转型,一旦氢燃料的规模达不到预期,可能陷入对化石能源的完全依赖。

氢燃料不太可能促成2030年气候目标的实现,原因是其效率主要取决于是否有较高的电转化率,与之相比,低碳电力通过直接电气化可以更有效地减少碳排放。

中期来看,氢燃料的竞争性取决于碳税的高低。长期来看,氢燃料一方面有助于解决人口密度高、可再生能源匮乏地区的减排问题,如德国、日本、韩国等;另一方面可为可再生能源丰富的地区,如西亚北非、冰岛、拉美和澳大利亚,创造能源出口机会。从这个角度看,氢燃料可将太阳能“打包”在全球进行贸易,缩小可再生能源供应与能源需求之间的差距。但要建立这样的市场,在政策层面将是极大的考验。

发展氢燃料应将其置于整体转型战略中,其中包括基础设施的设计,而电力、二氧化碳、氢气直接利用的程度将决定基础设施的设计。




责任编辑: 李颖

标签: 氢燃料发展 氢燃料电池

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