Joule：氢气作为家庭供暖的可信性分析 | Cell Press 青促会评述

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第三十二期（总第117期）专栏文章，由来自中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授 中科院青年创新促进会会员 龙冉，就 Joule中的论文发表述评。

作者简介

Jan Rosenow博士是Regulatory Assistance Project (RAP)欧洲项目的负责人，并承担了包括欧洲节能经济理事会和节能联盟等多个组织的任命。Jan Rosenow博士热衷于能源研究，他是牛津大学环境变化研究所的名誉副研究员。为了表彰他在该领域的工作，Jan Rosenow博士被评为全球25大能源影响者之一，并被任命为英国下议院脱碳供暖调查的特别顾问。

Dr. Jan Rosenow is a principal and director of European programs at the Regulatory Assistance Project (RAP), a global team of highly skilled energy experts. Jan has several board appointments including the European Council for an Energy Efficient Economy and the Coalition for Energy Savings. Jan also has a passion for energy research. He is an honorary research associate at Oxford University’s Environmental Change Institute. In recognition of his work within the field, Jan was named one of the world’s top 25 energy influencers and has been appointed special advisor to the House of Commons inquiry into decarbonizing heating.

用于取暖和制冷的能源约占全球能源消耗的50%。其中，近一半能源被用于建筑供暖，这其中大部分能源来自于化石燃料。很显然如果没有完全摆脱碳基化石燃料来进行建筑中家庭空间和家庭用水的加热，就无法实现温室气体零排放的目标。即使在能源效率提高之后，加热仍有相当大的额外能源需求。随之而来的问题是：哪种技术可以提供零碳排放或极低碳排放的家庭供暖。

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低碳和零碳氢作为碳基化石燃料的替代方案已经被相关行业代表大力推广。在过去的2-3年里，氢能源也受到了媒体的广泛关注，并在许多国家最近启动的氢战略中出现。这带来一个重要的问题：现有的证据能否足以支持用氢气为家庭供暖的情况。本文进行了氢在家庭空间和家庭用水加热中的独立分析。在本文中，“独立”被定义为“不是由特定行业驱动或代表特定行业发言（如天然气、石油、电力、热泵、锅炉制造商或代表）”。本文囊括了在各级行政机构（国际、区域、国家、州和城市一级）由各种不同的组织（包括大学、研究机构、政府间组织，如IPCC、IEA和咨询公司）进行的32项研究。鉴于由工业机构资助的研究往往代表该方立场，其结论可能更符合既得利益者的立场，因此工业机构资助的研究结果被本文排除。评估结果表明，在本文所涉及的32项研究中，没有一项研究支持广泛使用氢气进行加热。相反，已有的独立研究结果表明，与热泵、太阳能热和地区集中供暖等方案相比，使用氢气进行家庭供暖的经济性更低、效率更低、资源使用更密集，并产生了更大的环境影响。

目前，全球95%以上的氢气来自于天然气和煤炭。由于氢气的生产属于能源密集型产业，生产氢气的碳排放要多于其原料的碳排放，因此不能实现碳减排。使用基于零碳能源发电产生的电能和通过电解生产的“绿氢”则可以实现供暖的全面脱碳，达到零碳目标。用氢能代替化石燃料的优势在于这种能源的更迭易于过渡，氢气锅炉已经开发完毕。随着现有供暖系统的更换，这类锅炉正在逐步安装，并且可以按需转换为氢气。但是，将天然气网络转换为氢气的可行性、在家庭和建筑物内外部管道的适用性、氢气生产或进口的方式、地点以及成本上存在很大的不确定性。随着时间的推移，目前正在进行的100%氢气供暖试验将有助于解决其中的一些不确定性。

现有的氢气加热研究大致分为以下四类：

（1）能源系统建模。考虑到一系列的成本类别，包括发电容量、氢气网络成本、电解槽成本、加热设备成本等，一些研究从系统成本的角度对成本最优的路径进行了建模。

（2）消费成本建模。一些研究计算了氢气供暖技术的总消费者成本（包括基建成本和运行成本），研究发现，与热泵和地区供暖等其他清洁供暖技术相比，氢气供暖是一种更昂贵的选择。

（3）环境影响评估。一项研究在生命周期的基础上，从19个影响类别对一系列供热技术和情景的环境可持续性进行了建模。他们发现，使用氢气（来自电解或蒸汽甲烷重整）对每个环境影响类别的影响都是最大的，而电动空气源热泵是对供暖脱碳影响最小的选择。

（4）数据有效性验证。多项研究通过分析现有数据对氢气加热的有效性进行了评估。

从这32项研究中得到的关键结论如下：

首先，与热泵、集中供热和太阳能热相比，“绿氢”对电力的需求更高，因此氢气供暖具有更高的能源系统成本。其次，用氢气取暖会导致消费者取暖成本增加（包括供暖系统的前期成本和运行成本）。现有数据表明，用氢气供暖对消费者来说会更加昂贵。最后，使用氢气供暖需要建造更多的能源供应设施，并使用更多的资源和土地，因此对环境有更大的影响。产生上述结论的重要原因是氢气的生产和使用效率都比较低。由于电解效率约为80%，锅炉的平均效率通常为85%，因此氢气供暖的总效率约为70%。而一个热泵利用一单位的电力可以转移三到四个单位的热量。这导致无论是独立供暖还是作为地区供暖网络的一部分，使用氢气为家庭供暖所需的电力都是使用高效热泵的大约五倍。正如英国气候变化委员会所指出的，由于这种低效率，目前需要的可再生能源建设速度将极具挑战性。

部分研究对氢气和其他替代供暖技术未来的成本做出了假设，未来几十年内，受到可再生能源发电成本下降的影响，由可再生电力生产绿氢的成本可能会大幅度下降。然而，可再生能源发电成本的降低也会使得电气化取暖更加便宜，由于氢气和电气化之间的效率差异，使用热泵仍然比使用绿氢产生热量便宜。虽然现有的分析结果不支持将氢气用于大范围空间和水的加热，但氢气加热可以是一种备选方式。对于某些电网升级成本过高的地区，由热泵和氢气锅炉组成的混合热泵可以用于降低峰值电力需求。

目前，相关研究人员在欧洲范围内讨论了所谓的氢谷。氢谷是指一些大量生产氢气并通过短距离运输，大量使用氢气的区域。例如，在一些正在建设氢气基础设施的地区，用氢气取暖可能是一个更可行的选择。然而，目前尚未出现这种概念的实际执行案例。另外，可以将电解槽产生的废热用于地区供暖系统。也有人建议使用氢气作为其他热源的补充，来提供地区供暖系统中的峰值热量需求。尽管氢气在某些应用中可能对供热起到补充作用，但现有证据并不支持用于供暖的天然气应该被氢气替代的观点。这对天然气输送管道网络的未来建设提出了重要问题。

尽管使用氢气加热受到了极大的关注，但现有的独立研究并不支持将氢气广泛用于家庭空间和家庭用水的加热。尽管有些研究确定了氢气在地区供暖和混合供暖系统中的补充作用，但没有一项研究支持广泛使用氢气供暖。因此，Jan Rosenow博士认为相关政策制定部门应该在谨慎考虑大规模投资氢气供暖。事实上，相较于用氢气供暖，氢气存在许多优先级更高且不可被替代的应用领域。例如在化肥生产中，使用“绿氢”代替现有的“蓝氢”和“灰氢”；在高温工业、航运和用于发电的长期能源储存中代替化石燃料等方向。在这些应用中对氢气的需求量更大，而且几乎没有其他的可替代氢气的“碳中和”方式。

评述人简介

龙冉

中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授

中国科学院青年创新促进会会员

Email: [e-mail]

龙冉，中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授；中科院青年创新促进会会员。主要从事人工碳循环与同步辐射谱学交叉相关领域研究。

Ran Long, Ph. D., Professor, National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China. Her research focuses on the intersection of artificial carbon cycle and synchrotron radiation spectroscopy.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊 Joule 上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

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