氫能發展的應用場景以及不同階段~DOE清潔能源路線圖

本文編譯自《U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap》的倒數第三個章節《C: Guiding Principles and National Actions …》其中之：清潔氫發展的不同階段。盡管國情不同，但事物的發展規律還是大致趨同的，通過本節內容的了解學習，也希望能和我們國內的發展階段進行一些對照和對比，研判我們氫能源的發展處于哪個階段，以及后續的推進趨勢！下面展開正文！

氫技術的市場滲透將取決于許多因素，包括：技術成熟度、成本、基礎設施可用性、制造和供應鏈能力、其他低碳解決方案的成本、政策和監管環境、地區和國家倡議、行業勢頭和承諾，以及釋放私人資本和投資。

基于兩個關鍵因素：一是評估盈虧平衡和氫作為脫碳解決方案的相對吸引力；二是利益相關者的投入，美國聯邦政府設想了清潔氫使用的三個應用階段或“浪潮"。下圖1描述了美國潛在市場的發展趨勢，以及早期、中期和長期的增長趨勢。最終用途應用在每個階段的相對位置是基于一系列數量和質量基礎，并將隨著工業和政策格局的演變而不斷更新。

圖1：清潔氫將分階段發展，取決于每個最終用途的相對吸引力。箭頭描繪了氫能有望在美國大規模與現有技術競爭的時間框架

階段：

階段清潔氫的應用將由現有市場啟動，這些市場幾乎沒有用于脫碳的清潔氫替代品，并且可以獲得氫和兼容的最終用途。這包括現有的精煉和氨生產工廠。將大規模生產與此類應用的最終用途放在一起的產業集群可以幫助降低成本，并創建可在后續階段為其他市場提供杠桿的基礎設施。

•倉庫、港口和其他工業場所的叉車和其他物料搬運設備具有高利用率、可預測的加氫位置和快速加氫需求。美國政府已經在美國孵化這一利基應用，使市場上的數千個系統和新生的基礎設施成為可能。

•煉油廠代表著當今的用氫市場，并且沒有其他替代方法來裂解重質原油和脫硫。轉向使用清潔氫將在短期內創造需求，并立即減少排放。

•公交巴士可能是一個有吸引力的用例，特別是在需要長途運營和高正常運行時間的地區，以及擁有大型公交車隊的公交機構，在這些地區，給單個電池電動汽車充電可能具有挑戰性。。

•長途重型卡車利用率高，能源需求大，需要快速加注。與中型車輛一起，它們產生的溫室氣體排放量約占美國交通運輸部門溫室氣體排放量的20%。

•采礦、建筑和農業中的重型機械可能受益于燃料電池推進，因為它們需要高功率，需要快速加注燃料，并且可能需要遠離電網運行。這些應用需要大量的氫氣，并將產生需求。

•合成氨生產使用碳（排放）密集型的氫氣作為原料，現在可以用清潔氫氣代替，而無需改造工廠。作為僅次于煉油的第二大氫需求市場，氨也可以為清潔氫提供穩定的需求。

通過支持上述多個市場的示范和基礎設施，美國聯邦機構可以在有限的地區實現大量的用氫，并為弱勢社區或工人提供切實的利益，否則他們將暴露在柴油廢氣和其他污染物中。

第二階段：

在第二階段應用中，清潔氫提供了不斷增長的經濟價值主張，并得到了行業和政策動力的支持。這一階段包括更廣泛的運輸應用，并擴大到包括更多地使用工業燃料和原料。除了階段應用之外，其他應用的幾個例子包括:

•氫燃料電池驅動的中型卡車將越來越多地大規模使用，因為重型運輸在擴大氫氣分配和加氫基礎設施方面處于先前地位。

•隨著氫燃料電池成本的下降，由燃料電池驅動的區域渡輪可能會與內燃機相比具有成本競爭力，這些渡輪可以短途運輸人員或貨物。

•某些工業化學品生產，如塑料工業，需要高溫熱量，這很難通過電力實現，或者依賴于化石能源的氫原料。這些部門可以使用清潔的氫來產生熱量，并作為原料來脫碳。

•當應用于需要無碳還原劑和高溫的鐵礦石基鋼鐵生產時，鋼鐵生產可以用清潔的氫脫碳，而電解生產尚不可行。

•能源儲存和發電可以過渡到以氫氣和天然氣混合物為燃料的燃氣輪機，以減少化石能源的近期排放。純氫也可以用于生產低氮氧化物的技術。燃料電池也可以作為一種能量轉換技術。清潔氫可以在季節性儲存中發揮關鍵作用，以使電網脫碳并減少化石燃料發電。

•航空業可以過渡到使用清潔氫、生物質和廢物原料生產的可持續燃料，有助于實現美國現階段政府提出的30億加侖可持續航空燃料的目標大規模生產清潔氫也將為長期生產電力轉化為液體奠定基礎。行業反饋表明，某些細分市場可以直接使用氫氣，但由于能量密度要求，可能需要低溫儲存（液氫）。

第三階段：

隨著清潔氫生產規模的顯著擴大、成本的下降和基礎設施的完善，第三階段應用將變得具有競爭力。例如:

•來自燃料電池的備用電源和固定電源可以取代柴油發電機，為醫院和數據中心等關鍵設施提供24/7的彈性，同時也提供了優勢弱勢群體和改善空氣質量。備用電源不同于儲能，因為它的作用是為單個客戶或微電網提供彈性，而儲能支持宏觀電網。

•用清潔氫生產的甲醇也可以直接用作燃料或燃料補充，用于集裝箱船，鐵路或其他海上應用，并作為能源載體。

•集裝箱船承載了約90%的全球貿易量，產生了約3%的全球碳排放量和更大份額的二氧化硫排放量。在第三波浪潮中，潛在的替代品包括清潔氨、清潔甲醇和液化清潔氫。

•水泥可以使用清潔的氫氣來減少二氧化碳的直接排放，而由于熱量要求高，電氣化不是一種選擇。

•與現有的天然氣網絡混合可以支持高溫加熱系統的目標脫碳，主要用于需要高溫的工業部門，如化學品。雖然這種應用程序甚至可以在波啟動，但成本必須大幅下降才能在經濟上可行。

清潔氫部署的各個階段高度依賴于技術、研究和支持性政策結構的發展。但是，將努力集中在商業上更可行、缺乏脫碳替代方法和享有工業動力的部門將增加公共投資的影響。

系統性分析將繼續為美國國家清潔氫戰略和行動提供信息

通過國家實驗室、工業界和學術界之間的合作完成的強大而透明的分析和建模工作將繼續為優先事項、里程碑和行動提供信息，以推進優先部門的清潔氫部署。在過去的幾十年里，包括美國能源部（DOE）在內的聯邦政府資助了下圖2中列出的工具的開發，以評估氫在工業、運輸和能源部門中的作用。未來幾年來自實際部署的數據將用于不斷改進這些工具，以確保它們反映技術成本和性能的狀態。迄今為止，美國能源部資助的分析工具涵蓋了氫市場的許多不同方面。

圖2:一套工具和模型支持系統分析工作，從基本模型驗證和技術經濟工作，到計劃、優化和集成分析。

基礎工具用于評估單個技術的成本和性能，如氫氣生產或基礎設施設備。然后，技術評估可以用于供應鏈分析，并描述一個地區某項應用的總成本和排放量。然后，供應鏈分析為市場采用分析提供信息——例如，估計氫能源儲存的價值主張和燃料電池卡車的銷售。

所有的分析都用于支撐RDD&D活動，來自技術演示的實際數據被反饋到基礎模型中，以改進未來的評估。

正在進行的政府資助和政府主導的分析正在利用全球變化分析模型(GCAM)和國家能源建模系統(NEMS)等跨部門工具，確定到2050年實現全經濟凈排放的途徑。美國能源部目前正在為這些工具的更新提供資金，以代表多種氫氣生產、分配和利用方法，這些方法有望在短期內大規模部署。使用這些模型完成的跨部門分析可以為該路線圖的未來版本中的策略提供信息。

通過與Mission Innovation等國際伙伴關系的合作，美國能源部還資助了指標和標準的開發，這些指標和標準可用于確定氫部署對可持續性的影響，如用水量、就業機會、空氣質量改善等。

美國能源部對區域清潔氫中心的征求也根據環境合理的標準對申請人進行評估，例如社區效益。這些標準和影響將在路線圖的未來版本中進一步描述。

文章來源：氫眼所見
注：本文已獲得轉載權