氢能，作为最具潜力的清洁能源之一，被视为推动全球能源结构转型的关键力量。从汽车到船舶，从工厂到家庭，氢能出现在社会生产生活方方面面，不少大型城市开始兴建加氢站等基础设施，氢能技术与产业得到大规模推广。
随着气候问题受到越来越多的关注，全社会对氢能研究的热情再次升温。2022年，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，自此，氢拥有了化工原料和能源载体的双重身份。
本期“双碳思考”邀您一起探讨，双碳背景下氢能技术的发展之路。
氢能，是实现碳达峰的重要技术
发展氢能与能源安全高度相关。众所周知，石油是影响全世界经济发展的关键能源，世界原油产区主要集中在中东地区，供求关系、货币、地缘政治等因素，都会对原油价格产生扰动。人类历史上于1973年、1979年、1990年发生过三次较为严重的“石油危机”。最近一次在2003年，由于全球经济的快速增长，导致原油消费量快速上升，供不应求的局面造成石油连续5年价格上涨，发展氢能能够部分替代化石能源，缓解能源禀赋对经济发展的约束。
环境问题是影响发展的另一个重要因素。早在20世纪50年代，工业化对环境的影响开始凸显。“酸雨”一词，相信大家并不陌生。形成酸雨的原因是工业生产中排放了过量酸性气体，而酸性气体排放主要源自化石能源的燃烧。随着研究的深入，全球基本对大气治理和应对气候变化的协同效应达成共识：限制二氧化碳排放量成为制约经济发展的重要因素。从燃烧角度讲，氢气燃烧的产物只有水，属于“零碳”技术，但如果从二氧化碳捕捉与利用的角度来看，氢是二氧化碳循环的重要环节，因此氢能也是一种“负碳”技术，大力发展氢能能够协调经济发展和环境保护之间的关系。
新技术走上历史舞台的时代背景。氢能的发展历程见证了三次显著的兴起，分别发生在20世纪70年代、90年代以及本世纪初。有趣的是，氢能的这三次浪潮似乎与石油市场价格的急剧攀升时间节点紧密相关，暗示着经济因素，尤其是能源成本的波动，是推动氢能发展的重要经济动因。2015年12月12日，联合国旗下195个国家一致通过《巴黎协定》，共同承诺控制温室气体排放，以应对全球变暖的严峻挑战。这一全球共识的形成，加之随后全球超过30个国家在2020年前后相继颁布氢能发展战略，标志着氢能发展进入了以应对气候变化为核心的新纪元。
市场对氢能的需求
发展氢能的优势在于摆脱能源资源限制和环境因素这两大经济发展瓶颈。在追求“双碳”目标的背景下，太阳能、风能等新能源电站正以史无前例的速度蓬勃发展。尽管电力行业的减碳努力已初显成效，但新能源发电因出力波动、随机性、间歇性及供需时间不匹配等特点，导致高渗透率地区面临日益严峻的消纳挑战。
氢电耦合的概念丰富多元，尤其在电力系统视角下，氢被视作构建新型能源网络的关键元素。它在电力系统中扮演多重角色：既是稳定的电力需求方（负荷），也能充当电源和储能工具，几乎覆盖了“源、网、荷、储”四个关键环节中的三个，展现出极高的灵活性，预示着其在未来的新型电力系统中将占据重要位置。例如，利用中午太阳能最充沛而电力需求较低的时间段，通过将剩余可再生能源转化为氢能，有效缓解弃光问题，并利用氢能长期储存的特性，实现夏日制氢、冬日供电的创新商业模式，从而有助于减少风能、太阳能和水能的浪费。
其次，在整个能源体系中，氢不仅可用于绿色氢能的生产，还能与工业部门紧密结合。用于制造绿色燃油、绿色甲醇、绿色氨等新型清洁能源，成为连接新型电力系统与新型油气系统的桥梁，推动绿色电力向各领域的转化。电-氢-资源通过深度整合，相互支撑，共同构建符合“双碳”目标的绿色能源供应链。
最后，从全产业价值链的角度看，绿氢是推动社会整体减碳的关键技术，也是传统产业转型升级的核心驱动力。特别是在钢铁冶金这类高碳排放行业，采用绿氢也是最有效的减排策略。具体实施上，既可以通过碳捕获技术减少冶金过程中的碳排放，也可以直接采取氢冶金技术，从根本上降低二氧化碳的产生。
绿氢的挑战
依据不同的制氢工艺，氢能被赋予了特定的“色彩”标识。使用可再生能源电力，将水分解成氢气和氧气的工艺，被称之为绿氢。利用天然气、煤炭等化石燃料制备的氢气，被称之为灰氢，二者本质差异在于碳排放量的不同。每制备1公斤绿氢的碳排放量可在0.5-6.6公斤之间，而灰氢则达到10到26公斤。
如果将生产灰氢产生的85%到95%的碳排放进行捕集和封存，将排放量控制在1.5到6.3公斤，此时的灰氢可以变为蓝氢。另外，如果电解过程使用的电源来自于核电，制备的氢气被称为粉氢。
尽管从环保角度考量，绿氢优于灰氢，但在产品性质上两者差异不大，造成了“质量相同但价格偏高”的市场接纳难题，这是绿氢推广亟须解决的核心挑战。此外，提升经济性是新型电力系统发展的核心诉求之一，而增强能效正是实现零排放技术经济可行性的关键。因此，当前市场应优先考虑采用高能效技术。值得注意的是，电-氢-电的能量转换路径，其效率通常不超过40%，相较于储能等其他技术而言效率较低。鉴于此，在当前电力系统加速向电气化转型的趋势中，氢能更多地被视为一种辅助性而非主导性技术。
小 结
首先，认识到电的普遍适用性与氢的独特性之间的区别，明确氢气的具体应用场景。例如，“电-氢-绿氨”技术路径是当前推动农业脱碳的高效解决方案之一。当存在明确的碳减排需求，如通过电制取氯氨或燃料时，绿氢的商业模型便具备了成立的基础。
其次，从系统层面提升能效至关重要，而这之中最具成效的策略是充分利用制氢过程中产生的热量。这意味着氢能的发展应依托于“行业协同”，通过不同领域间的系统效能提升，实现互补优势。将电解水制氢与商业区、数据中心、公共服务设施等相结合，利用制氢余热来供暖，从而在系统层面增强制氢项目的经济效益。同时，电解过程副产品——氧气的有效利用，也是提升系统效率不可忽视的一环。
再者，氢能在新型电力系统中作为调节工具的潜力有待一步开发，减轻可再生能源对系统调节资源的需求，将氢能定位为调节服务的供应方，通过制氢灵活调节供需，增强能源系统灵活性。
尽管受电氢转换效率限制，眼下氢能还无法常规化应用，但可充分发挥其跨季节储能的特性，解决随着新能源大规模接入而导致的长周期供需不匹配问题，实现夏季多余电力存储为氢能，冬季转换回电能使用，从而获得稳定的经济回报。
氢能的发展应当遵循市场规律，以全面提升整体能效为基本原则，优先将氢能应用于难以实现直接减排的行业。充分发挥氢能作为新兴生产力的特性，通过优化资源配置，增强系统总体能效，最终提高经济可行性。同时，必须全面审视氢能与电网的互动关系，确保制氢不仅不会成为电网的新负担，反而能够成为一种新型的调节资源，助力能源系统高效运行。
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供稿 | 技术经济中心 张祺
责编 | 刘若曦
审核 | 高占辉
