COP26系列六｜氢能会成为解决气候问题的最后一块拼图吗？
乘坐何种交通工具参加 COP26大会最低碳最拉风？如果你想到了“环保少女”格蕾塔的帆船，相比之下，这次 COP26会议上亮相的 HydroFlex 氢动力零碳排火车就显得接地气和实用多了。
COP26 期间，英国查尔斯王子在格拉斯哥市中心参观HydroFlex 改装火车 ©️Greenbiz
这辆有30年“高龄”的旧客运列车，经过改装，华丽转身成为了世界上第一个“三重模式”驱动的火车——除了氢动力模式外，它还可以在燃料电池和锂电池模式下供电下运行。其最高行驶速度约为每小时160公里。
这一氢能与储能相结合的解决方案，正是本次 COP26期间展示的前沿应用案例，为全球能源转型提供了一种关键思路。
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“氢一色的绿”或是气候中和拼图关键
让我们先从氢能说起。氢能被很多人看作21世纪的终极能源，是因为它具备无污染、来源广、效率高、应用场景多等优点。其燃烧值据称仅次于核燃料，并且是汽油的3倍之多。
不过，目前在全球范围内，95%以上的氢能由含碳化石燃料制成，仍会排放出二氧化碳。所以，如果想要实现碳中和的目标，必须拒绝使用所谓的“彩虹氢”，而是要使用低碳氢，更理想的是全面转向“绿氢”，即可再生能源 + 电解方式无碳排制造出的氢能。
“氢彩虹”中的不同颜色术语来表示所用氢气的质量。比如 “灰色”是指由化石燃料制成的氢气，“蓝色”是指添加了碳封存的化石燃料制成的氢气，“绿色”是指使用可再生能源电解制氢。其中“蓝氢”和“绿氢”被视为“低碳氢”。©️RFF
欧盟是氢能的大力支持者。此次 COP26会议上，欧盟代表团提出，氢能是“对抗气候变化的真正机会”，其观点称：“氢能是实现世界气候中和最后一块拼图的关键，它是世界上许多气候中和目标的可行解决方案：它释放了可再生能源的潜力，确保了能源系统效率，并使陆上、海上和空中的工业和运输系统实现碳中和。”
欧盟资助的全球首个氢电能到电能（Power to Power）转换项目示意图 ©️Power Magazine
中国在今年3月发布的“十四五“规划和2035年远景目标纲要中，也将氢能与储能确立为国家前瞻谋划的六大未来产业之一。就在11月30日，中国石化集团还宣布正式启动建设中国石化新疆库车绿氢示范项目。这是我国首个万吨级光伏绿氢示范项目，也是全球在建的最大光伏绿氢生产项目。总投资近30亿元，投产后年产绿氢可达2万吨。
根据国际能源署（IEA）发布的《全球能源部门2050年净零排放路线图》数据，全球氢能使用量将从2020年的不足9000万吨扩大到2030年的超过2亿吨；低碳氢的占比将从2020年的10%上升到2030年的70%。
©️ IEA
净零排放情景中，2030年后所有部门都将迅速扩大低碳氢的使用。在电力部门，氢和氢基燃料为电力系统的灵活性提供了重要的低碳能源。在交通运输方面，净零排放情景中 2050 年氢能将满足卡车燃料用量的约三分之一。到 2050 年，氢基燃料还将满足航运燃料消费总量的60%以上。
02
新能源+“充电宝”是未来储能的主流方式
除了取代化石燃料作为零碳原料之外，氢气还能帮助难以电气化的部门去碳化，例如，在钢铁行业，用氢气可以实现“绿色冶金”；在化工行业，可以用绿氢生产“绿色甲醇”，而石化领域的油品升级也可以用氢气来脱硫。
此外，氢气还拥有一项非常有潜力的功能：作为储能手段来储存多余的可再生能源电力。
氢能储能具有单向储能和双向储能两种应用
©️DOE
全球电力行业正在加速向可再生能源的转型。许多报告预测，为了实现世界气候目标，电力行业需要在 2040 年之前完全脱碳。但是可再生能源在电力结构中的份额不断上升也带来了新的挑战。最突出的一点是由于新能源发电固有的强随机性、波动性和间歇性对现有发电、输电和配电基础设施造成的结构性压力，包括供需的潜在失衡、输电模式的变化以及潜在增加的系统不稳定性。
尽管新能源生产的方式已在技术上、市场上相对成熟，但实际上，“储能”可能正是实现大规模、常态化新能源转型拼图中重要一环。
储能与“充电宝”发挥的功能无异，即把电能储存起来，需要的时候可以随时调用。解决了新能源的储能问题，不仅能稳定电压波动，让新能源电力平稳接入电网，不仅减少对电力系统的冲击，还可以灵活响应用电需求，调节用电高峰和低峰。
因此，新能源发展越迅速，相应储能的需求就越高，两者需要同步、匹配、协调发展。
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趋势：电化学储能与氢储能“手拉手”
从当前储能的能量的角度分类，储能技术主要可以分为以下几大类：
储能的分类 ©️东方证券《储能行业专题报道1》
根据 CNESA 数据，截至2020年底全球已投运储能项目累计装机规模191.1GW，同比增长3.4%；中国已投运储能项目累计装机规模35.6GW，占全球市场总规模的18.6%，同比增长9.8%，涨幅较2019年同比增长6.2%，其中抽水蓄能占据绝对主导地位。2020年国内储能新增装机中，锂电池储能占比达47.6%，全球范围内占比更高，达到71.5%。
锂电池无疑是目前最受关注的技术，特别是在交通领域的脱碳进程中。根据中金公司的预测，锂电池将在2021-2025年进一步降本提质。2025-2030年新一代技术（如固体电池）将初步落地，2030-2040年新一代技术实现产业化，并带动如船舶、小型飞行器等领域的电动化。
但是，锂电池依然存在安全性和退役电池回收问题。相比之下，氢燃料电池则具有副产物清洁、安全性高等优点，更适合应用于长距离重载的交通领域。
国家发改委能源研究所副研究员刘坚则进一步认为，未来，随着新能源渗透率的提升，系统调峰周期变长，电化学储能单位能量成本高的缺陷就会暴露，而氢能则恰好相反，大规模氢储能边际成本增速相对较慢，是更具经济性的长周期调峰技术。水电水利规划设计总院副总工程师谢宏文在公开采访中指出：未来，氢能与电能的深度耦合将会成为一种重要的储能方式。
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加速：多点开花的全球氢能和储能项目
在前不久举行的上海进博会上，比同展区的特斯拉电动车更吸睛的是一辆电动重型卡车。
这款搭载49吨燃料电池智能重卡搭载的是中国燃料电池供应商重塑科技的电池系统，该车的储氢系统只需加氢5至8分钟，续航就接近1000公里，同时还搭载了 L4级别的自动驾驶功能。会上，重塑科技在会上还展示了自主研发的最新款130kW 大功率镜星十二+燃料电池系统，该电池在质量功率密度以及安全性可靠性和耐用性方面都超越了上一代产品。
进博会上展出的49吨燃料电池智能重卡 ©️重塑科技
不仅是重卡的“入地”，氢储能还能助推大型客机“上天”，并实现无污染飞行。
据英国《金融时报》报道，欧洲飞机制造龙头企业空中客车公司计划在2030年生产以氢气为动力的商用客机。
空中客车公布 ZEROe 概念机尝试将整个氢推进装置、罐体和所有的东西都装备在机翼的可拆卸吊舱中。该机型共有6个吊舱，每个吊舱都包括一个液态氢罐、一个冷却系统、一个燃料电池、动力电子装置、电动机、一个八叶轻质复合材料螺旋桨和所有必要的辅助设备，使其作为一个独立的推进装置运行。
ZEROe 概念机设计原理介绍 ©️Airbus
根据“清洁天空”计划发布的氢动力航空报告，使用氢作为燃料可以使飞行对气候的影响降低50%到75%。在疫情导致全球大量飞机停飞之前，航空业的碳排放量约占全球碳排放量的2.4%。可持续航空燃料的长效储能技术的出现，可以为这一污染源“去病除根”。
在解决现阶段储能的仍然高昂的成本上，创新技术也在“经济适用性”上获得了重大突破。
今年，位于美国波士顿的科技初创企业 Form Energy 则宣称推出世界最便宜的储能——铁空气电池，其储存能量的成本仅为当下较普遍使用的锂离子电池的十分之一，一次性可连续使用150小时。
从右到左，From Energy 用以填充电池的铁颗粒和从NantEnergy 采购的电池阴极 ©️WallStreetJournal
Form Energy 还获得了比尔·盖茨和杰夫·贝索斯等几位知名亿万富翁参与的 Breakthrough Energy Ventures 投资。公司称接下来要做的就是从实验室规模的原型扩大到电网规模的发电厂，位于明尼苏达州的 Great River Energy 的 300 兆瓦试点项目将于 2023 年投入使用。
除了从实验室不断走向市场的项目，有些城市更是全城率先一步落地应用新能源储能技术。
在探索氢能应用的各个省市中，佛山无疑是走在前列的代表，该市的仙湖氢谷，更是因为云集了大量氢能企业，被誉为中国“氢能硅谷”。佛山氢燃料电池汽车的总量大概在1500辆左右，其每天的用氢需求量约为16吨到18吨。
就在一个月前，佛山市政府与德国氢能设备领军企业诺曼艾索集团(下称“NEA集团”)近期就绿氢事宜达成了合作，NEA 集团与佛山市政府将携手打造广东-亚琛绿色能源中心项目。
佛山市区行驶的氢能公交车 ©️China5E
在德国本德，德国公用事业公司 Uniper 计划用每天产量最高四个小时内产生的可再生电力来制造氢气，并储存在汉堡市的地下建筑物中。Uniper 还将将这一技术应用到更多国家和行业。据公司官网介绍，今年7月，Uniper 旗下的氢气公司与壳牌（Shell）签署了一份备忘录，以探讨加速欧洲氢经济发展，一系列绿氢项目将陆续在英国、荷兰等国家落地。
汉堡市制造新能源“绿氢”的发电设施 ©️Vattenfall
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撰文：姚异姚
参考资料：
https://www.ft.com/content/839f9cf4-a4b6-4c4c-83f8-6141d77404a0
https://www.porterbrook.co.uk/hydroflex-cop
https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/net-zero-power-long-duration-energy-storage-for-a-renewable-grid
https://chuneng.bjx.com.cn/news/20210419/1147931.shtml
http://www.cfgw.net.cn/2021-08/03/content_24980001.html
https://www.economist.com/business/2021/10/23/all-manner-of-industries-are-piling-into-the-hydrogen-rush
https://www.wsj.com/articles/startup-claims-breakthrough-in-long-duration-batteries-11626946330
https://www.energy.gov/energy-storage-grand-challenge/articles/energy-storage-grand-challenge-roadmap
IEA 《全球能源部门2050年净零排放路线图》
中金公司《碳中和经济学》
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