碳课堂｜氢能 -- 双碳目标下的未来能源之星

随着全球气候变化的严峻挑战，实现碳达峰和碳中和已成为各国共同追求的目标。在此背景下，清洁能源的开发和利用变得尤为关键。其中氢能，以其独特的清洁、高效和可再生的特性，被视为推动能源转型和实现双碳目标的重要力量。

本文将深入探讨氢能的基本概念和应用领域。

什么是氢能？

氢能是指通过氢气（H2）作为能源载体进行能量转换和利用的能源形式。氢气可以通过多种方式制取，包括化石燃料重整、工业副产品提纯以及通过可再生能源电解水制取。

氢气主要分为三类，包括：

• 灰氢–通过化石燃料（如天然气）重整产生的氢气，生产过程中会产生二氧化碳；

• 蓝氢–在灰氢的基础上，通过碳捕集、利用和封存（CCUS）技术减少碳排放；

• 绿氢–通过可再生能源（如风能、太阳能）电解水产生的氢气，生产过程中几乎不产生碳排放。

氢能作为清洁能源，具有一系列显著的优点，这些优点共同构成了其作为未来可持续能源解决方案的潜力。

1. 氢气的能量密度很高，它能够在较小体积内存储大量的能量，因此氢能非常适合于需要高能量输入的应用场景。

2. 氢气燃烧时产生的主要副产品是水，这使得它成为一种真正的零排放能源，对于减少温室气体排放和改善空气质量具有重要意义。

3. 氢能来源广泛，可以通过多种方式制取，包括利用可再生能源如水力、风力和太阳能进行电解水制氢，这为氢能提供了一种可持续和可再生的能源获取途径。

4. 氢气的储存和运输相对灵活，可以通过高压气态、液态或固态材料等多种方式进行，这为建立高效的氢能供应网络提供了可能。

5. 氢能还具有很高的适应性，它有多种不同的应用，从交通领域的燃料电池汽车到工业生产中的还原剂，再到建筑供暖和电力领域的储能解决方案。这种多功能性使得氢能能够在推动能源转型和实现能源多样化方面发挥关键作用。

6. 氢能的发展有助于推动相关技术的进步和创新，如提高电解效率、优化燃料电池性能、开发新型储氢材料等，这些技术进步将进一步降低氢能的成本，提高其经济性和市场竞争力。

氢能应用——燃料电池

燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的高效、环境友好型发电装置。它通过氢气与氧气的电化学反应产生电力，这一过程不涉及燃烧，因此几乎没有污染物排放，主要的副产品是水。

燃料电池的工作原理是通过阳极供应氢气、阴极供应氧气，氢气分子在阳极分解成电子和质子，质子通过电解质移动到阴极，而电子则通过外电路为负载提供电能，最终在阴极处与氧气结合生成水。

燃料电池系统具有多个关键优点，包括高能量转换效率，通常可达到 50%至 60%，某些设计甚至可超过这一效率。此外，燃料电池可以快速响应负载变化，适合用作可再生能源的储能解决方案，平衡电网供需。它们还具有模块化和可扩展性功能，可以根据不同应用需求设计不同规模的系统。

燃料电池技术在多个领域有着广泛的应用前景，包括交通运输领域，如燃料电池汽车和公交车，能够提供零排放的运输解决方案；在固定式发电领域，燃料电池可以用于家庭、商业建筑以及作为电网的备用电源；在便携式电源领域，它们可以作为移动设备和远程监控系统的电源。此外，燃料电池在工业领域也有应用，如作为数据中心和通信基站的备用电源。

燃料电池行业正在经历快速发展，2018 年至 2024 年全球燃料电池汽车市场规模整体呈上升趋势。2018 年市场规模为 5471 辆，到 2024 年增长至 23728 辆。特别是在亚洲，中日韩三国是燃料电池汽车发展的主要推动力。在中国市场，截至 2023 年 9 月，全国已有超过 12950 辆燃料电池汽车接入，其中五大示范城市群占全国燃料电池汽车接入量的 71.3%，显示了区域集中度的逐渐下降和市场推广的广泛性。

氢能应用–热电联产系统

氢能应用在热电联产（CHP）系统中，通过氢燃料电池技术，实现了高效且环境友好型的能源供应方式。

这种系统能够在单一过程中同时产生电力和热能，其中氢气作为燃料在燃料电池中发生电化学反应，产生电流的同时释放出热能。该热能可被直接用于建筑的供暖系统，或者用于加热生活用水，从而避免了能源的浪费。

由于氢燃料电池的高能效转换，CHP 系统能够实现能源的最大化利用，并且减少对外部电网的依赖。

此外，氢燃料电池运行时几乎没有噪音和污染物排放，使得它成为城市建筑和住宅区的理想能源解决方案。

氢能 CHP 系统还具有模块化和可扩展性，可以根据建筑的具体能源需求进行定制设计，为实现建筑领域的能源转型和提升能源安全提供了有效的技术支持。

氢能 CHP 系统作为一种高效的能源利用方式，在建筑领域的应用正逐步扩大。根据中国石化发布的《中国氢能产业展望报告》，到 2030 年前，建筑用氢将以试点示范为主，预计 2040 年后，随着低碳氢经济性的提升，建筑用氢规模将增至 250 万吨；2050 年达到 500 万吨峰值后逐步降低，2060 年为 340 万吨，占建筑部门用能比重维持在 2%~3%。

小结

作为一种清洁、高效的能源，氢能正逐渐在全球能源结构中占据一席之地。它不仅在燃料电池领域展现出巨大潜力，而且在热电联产系统中也显示出其高效能源利用的优势。

随着技术的进步和成本的降低，氢能的应用前景日益广阔，特别是在推动工业和建筑领域实现低碳转型方面。氢能的发展与双碳目标紧密相连，它不仅有助于减少温室气体排放，还将为全球经济的可持续发展提供新的动力。

让我们共同期待氢能在推动全球能源转型和实现双碳目标中发挥更加重要的作用。