题目
Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation
作者
Falko Ueckerdt, Christian Bauer, Alois Dirnaichner, Jordan Everall, Romain Sacchi & Gunnar Luderer
一作
单位
Potsdam Institute for Climate Impact Research, Potsdam, Germany
链接
https://doi.org/10.1038/s41558-021-01032-7
氢合成燃料又称电燃料或合成燃料，指的是使用氢气和二氧化碳（CO2）合成的燃料。其中氢气由电解水产生，电力可来自使用低碳、低成本的风能和太阳能电力；而CO2可以来自工业化石燃料燃烧捕集，也可以来自生物质或直接空气捕获（DAC）。这类气体或液体合成燃料的特点在于高能量密度、可存储性、可运输性和可燃性，能够在全生命周期实现低碳或近零碳排放。因此，尽管氢合成燃料的工艺成本较高，这类燃料仍然被视为有潜力的化石燃料替代品，可以在难以电气化的部门得到应用。过去许多研究中很少考虑氢合成燃料应用的可能性，大部分直接考察深度或完全电气化情景。但近期研究指出了氢气和氢合成燃料在难减排部门的应用价值。这类燃料可以在长途航空、航运、化工原料生产、高温工业流程和长期储能等部门运用，并且相较于CCS技术或生物燃料而言，也不会面临大规模部署所受到的可持续问题限制。因此，有必要更全面地考察其未来应用潜力。该研究旨在对氢合成燃料的应用潜力进行综合评价，包括其技术特征、全生命周期的温室气体排放、对能源系统的影响和经济成本。作者基于文献调研和生命周期评估方法，以北非运往欧洲西北部港口的氢合成燃料为例，对这类燃料开展了减排潜力分析、能源效率分析和成本分析，尝试提出适用于大多数国家的通用结论。作者也指出，所得结论大部分同样适用于氢能，这两类燃料具有许多相似特征，不过两类燃料之间的取舍并非该研究主要关注的内容。该研究主要关注的是氢合成燃料的应用前景，探讨其在终端能源用途中的可行场景和优先顺序。图1展示了氢合成燃料的基本原理和应用方案。
图1. 氢合成燃料的基本原理与应用方式
（合成方式、应用场景、H2和CO2原料来源）
氢合成燃料与氢能都属于二次能源，因此需要评估其能源转换效率，并与直接电气化的选项进行对比，特别是需要考察其生产和需求两端的额外能源转换损失。该研究考察了建筑（低温供暖需求）、工业（高温热力需求）、交通（轻型车）等各部门不同的能源服务需求，对比氢合成燃料与直接电气化的能源效率（图2）。可以看到，对氢合成燃料而言，不同部门使用的总体能源转换效率在0.1~0.35之间，和直接使用可再生电力相比效率确实更低。电解和合成过程中的余热回收能够帮助提高氢合成燃料的供应端效率；不过氢合成燃料的能量损失主要发生在终端，最终燃烧时总体有70%的剩余能量仍被损失。图2. 氢合成燃料与电气化方案从生产到终端应用的能源效率对比
氢合成燃料的气候减缓效果很大程度上取决于输入电力和CO2的来源。该研究对比了在一系列不同的交通运输领域中氢合成燃料与使用电动车和其他燃料的温室气体减排效果差异：轻型车辆（易于减排）、重型卡车（难以减排）和长途航空（难以减排且无法实现电气化）。对于每个领域，考察电力系统不同可再生电力比例（电网碳强度）条件下，各类燃料全生命周期的温室气体排放强度，以每车公里表示（图3）。
图3. 交通部门不同场景下各类燃料的全生命周期温室气体排放强度对比
可以看到，只有真正基于可再生能源的电力系统，氢能或氢合成燃料才能有效实现温室气体减排、缓解气候变化。这一般要求电力系统达到90-100%的可再生电力份额。若基于2018年德国的电力系统组合（碳强度为542gCO2e/kWh）制备氢合成燃料并用于汽车、卡车或飞机运输，则其排放将较化石燃料多出3~4倍。因此作者表明，预计2030 年之前，氢气或氢合成燃料难以真正实现减排效果，除非其从具有高水平可再生电力和DAC应用规模的国家进口。在陆运中，电动汽车无疑是更好的低碳替代选择。电动车的全生命周期排放量在许多国家已经接近或低于化石燃料车的排放量，尤其是轻型客车；在公路货运方面，当可再生电力比例超过60-65%，则续航里程为 150 公里的短途电动卡车和续航里程为 800 公里的长途电动卡车也能实现减排效果。除了电力系统清洁度以外，用于生产氢合成燃料的CO2来源也对其全生命周期减排效果有重要影响。捕获化石燃料的二氧化碳最多只能实现一半的减排量，不符合长期的气候中性目标；而DAC或捕获生物质燃烧的二氧化碳尽管能实现近零排放，但也依赖于大量的能源和土地，这部分额外成本和排放也应当被考量。
氢合成燃料主要有两个潜在竞争方向，其一是替代化石燃料，其二是替代直接电气化。作者分别考察了这两个方向的替代潜力。就替代化石燃料而言，作者估算了2020-2050年氢合成燃料的平准化成本，与化石燃料批发市场价格进行比较。对氢合成燃料成本影响最大的敏感性参数主要包括平均电价、电解制氢价格和DAC价格。在近期内这类燃料成本很高，不具有替代潜力。2030、2050年的中远期成本很大程度上取决于未来技术进步和成本下降的程度。若可再生电力、电解水制氢、合成技术和DAC设备的成本都大幅下降，到2050年氢合成燃料汽油的成本可能下降到47-51欧元/MWh。考虑到成本下降的可能性和氢合成燃料广泛适用性，到远期的2040-2050年，氢合成燃料可能成为一种支持技术，取代剩余的化石燃料和原料。
图4. 氢合成燃料的平准化成本估计及与化石燃料成本的对比
作者同时分析了氢合成燃料与直接电气化方案相比的成本优劣势。图5将各终端用能部门分为4类，并按直接电气化的难度和成本从小到大进行排序，同时绘制了直接电气化的边际减排成本曲线，与液态、气态的氢合成燃料成本进行对比（成本水平为2020-2025年）。其中氢合成燃料的成本曲线是水平的，因其是化石燃料的完美替代品；可以看到其总体成本较高，主要由于较低的能源转换效率和高昂的投资成本。相比而言，直接电气化的成本相对较低，但其是化石燃料的不完美替代方案，因其要求终端用能技术从燃烧向电气设备转化，因此在不同部门，电气化的减排成本有显著差异。四类部门中，第一类为电气化成本明显低于氢合成燃料的部门，如轻型乘用车、居民供暖和低温工业过程，相应的电气化方案为电动汽车、热泵和电锅炉等。第二类是电气化和氢合成燃料成本接近的部门，包括高温工业过程、重型运输等，这些部门可能面临技术不确定性、因此成本比较的结论尚不清晰。第三类是难以直接电气化、而氢合成燃料有运用潜力的部门，例如长距离航运和空运、以及部分化学原料制备部门，在这些部门运用氢能和氢合成燃料是“无悔选择”，因此是当前发展氢能和氢合成燃料的重点部门；但考虑到氢合成燃料的高成本和高电力需求，其他可选的减缓方案也还应当被同时考虑。最后一类目前电气化和氢合成燃料都还不可行的部门，例如水泥生产的过程排放；对于这类部门则需要考虑CCS等其他碳移除抵消方案，或加强循环利用、寻找替代材料等。 作者指出，在选择未来能源系统的低碳替代技术、发展氢合成燃料时，应当进行综合考虑，不仅应考察氢能或氢合成燃料的成本，还应当考察其双重机会成本：首先，什么是一个部门的次优减缓方案（通常为直接电气化）？其次，什么是稀缺的氢能/氢合成燃料的次优替代品？从碳中和的角度来看，氢合成燃料应当仅在上述第三类部门（直接电气化不太可行）被考虑使用——因为虽然一些第一类或第二类部门的电气化难度也较高，但在这些部门应用氢能仍会面临更高的减排成本并有增加温室气体排放的可能。
该研究对氢合成燃料的效率、成本和应用潜力进行了较为系统的评估。氢合成燃料的多功能性使其成为低碳转型目标下需求端替代化石燃料的方案之一，但高昂的成本仍然限制了其大规模应用的潜力。从能源转换效率来看，在不同终端部门应用氢合成燃料的效率为10%-35%，相较于直接电气化的方案将需要2-14倍之多的电力，能源效率相对较低。在2020-2025年期间，液态或气态氢合成燃料的价格减排成本约为800欧元/吨CO2、1200欧元/吨CO2，意味着近中期内相关技术均不具备竞争力，即这一技术对2030年气候目标可能贡献甚微。而即使中长期内技术进步使得相应成本下降到20欧元/吨CO2、270欧元/吨CO2，氢合成燃料仍不具有大规模替代化石燃料的潜力。寄望于氢能或氢合成燃料的规模运用将意味着锁定在化石能源依赖路径的风险。综合考虑成本和技术可行性，在可以实现直接电气化的部门，还应当优先考虑电气化方案；但在可再生电力资源丰富的地区和难以直接电气化的部门，这类技术仍可以作为一项可行方案。在制定低碳转型战略和政策时，应当综合考虑电力资源的丰富性、空间差异、部门和技术差异，选择成本可接受、系统最优、符合当地资源禀赋和部门特征的技术组合。