氢气代替电气化？气候目标的潜力和风险

一组研究人员发现，氢基燃料应主要用于无法电气化的航空或工业过程等部门。生产这些燃料效率太低、成本太高且可用性太不确定，无法广泛替代化石燃料，例如用于汽车或供暖房。对于大多数行业来说，直接使用电力，例如在电池电动汽车或热泵中使用更经济。普遍依赖氢基燃料并保持燃烧技术有可能锁定进一步的化石燃料依赖和温室气体排放。

波茨坦气候影响研究所 (PIK) 的主要作者 Falko Ueckerdt 说：“氢基燃料可以成为一种很好的清洁能源载体——但它们的成本和相关风险也很大。”“基于氢的燃料作为一种普遍的气候解决方案可能有点虚假。虽然它们用途广泛，但不应指望它们会广泛取代化石燃料。氢基燃料可能会稀缺且在至少再过十年。押注它们的广泛使用可能会增加对化石燃料的依赖：如果我们坚持燃烧技术并希望用氢基燃料来喂养它们，而这些燃料最终变得过于昂贵和稀缺，那么我们将结束进一步燃烧石油和天然气并排放温室气体。

优先考虑航空和钢铁生产等应用

Ueckerdt 说：“因此，我们应该将那些珍贵的氢基燃料优先用于它们必不可少的应用：长途航空、化学生产中的原料、钢铁生产以及可能的一些高温工业过程。”“这些是我们很难直接电气化的领域和应用。”研究人员确定了“氢和电子燃料需求的优先顺序”：优先考虑在哪里使用这些新燃料。

所谓的绿色氢是通过称为电解的过程产生的。要将稳定的 H2O 水分子分解成氢和氧，需要大量的电力。然后，氢气可用于通过从 CO2添加碳来合成碳氢化合物燃料。由此产生的电燃料或电子燃料比电力或纯氢更容易储存和运输。“最重要的是，电子燃料可以在传统的燃烧过程和发动机中燃烧，从而直接替代化石燃料，”该论文的合著者 Gunnar Luderer 说。“然而，鉴于它们的可用性有限，认为可以通过这种方式完全替换化石是错误的。”

使用氢基燃料驾驶汽车需要的能量是电池电动汽车的五倍

“我们目前距离 100% 可再生电力还很遥远——因此有效利用它是关键。但是，如果我们使用氢基燃料而不是直接电气化替代品，则需要两到十四倍的发电量，具体取决于应用程序和各自的技术，”来自保罗谢勒研究所的合著者罗曼萨基说。“效率损失发生在供应方面、氢基燃料的生产过程中以及需求方面——内燃机比电动发动机浪费更多的能源。”

“低能源效率导致脆弱的气候有效性，”萨基说。“如果使用当前的电力组合生产，氢基燃料将增加——而不是减少——温室气体排放。对于 2018 年的德国电力组合，在汽车、卡车或飞机中使用氢基燃料将产生大约三到四个温室气体排放量是使用化石燃料的几倍。”相比之下，研究人员基于从摇篮到坟墓的完整生命周期表明，在大多数国家/地区，根据当今的电力结构，电动汽车或卡车产生的温室气体排放量与柴油或汽油汽车相当或更低分析还包括与电池生产相关的排放。

“只有真正基于可再生能源的电力系统，氢燃料才能成为帮助稳定气候的有效手段，”合著者 Jordan Everall 说。“因此，氢基燃料显然需要建立大量额外的可再生能源生产设施。”

目前氢基燃料的温室气体减排成本约为每吨 CO2 1000 欧元

研究人员计算，即使假设 100% 可再生电力，通过使用氢基燃料避免一吨 CO2排放的成本目前对于液体燃料为 800 欧元，对于气体燃料为 1200 欧元。这远高于当前的 CO2价格，例如欧洲排放交易计划中目前低于 50 欧元/吨的价格。但是，如果在 CO 2价格以及对氢气和相关行业的补贴和投资的推动下，技术持续进步，到 2050 年，这些 CO2减排成本可能会下降到大约 20 欧元的液体和 270 欧元的气体电子燃料。

因此，随着 CO2价格的上涨，氢基燃料可能会在 2040 年之前变得具有成本竞争力。考虑到减少温室气体排放以稳定我们的气候的紧迫性，对于那些存在直接电气化替代方案的行业来说，这为时已晚。

需要碳定价以使氢基燃料具有竞争力

“尽管未来成本存在不确定性，但氢基燃料有可能成为 2040-50 年左右替代所有剩余化石燃料的支持技术。然而，实现取决于大量的大规模政策支持，实际上对大约两个几十年前，商业案例可能仅通过提高碳定价就能得到保障，”Falko Ueckerdt 说。“总体政策战略可以建立在两个支柱上：首先，广泛的技术支持以促进创新和初步扩大规模，包括直接电气化。其次，实质性的碳定价和能源税改革，共同为所有技术和因此在直接和间接电气化之间取得了合理的平衡。”

“氢基燃料的长期愿景是有希望的，”Gunnar Luderer 说。“利用全球太阳带的巨大风能和太阳能潜力，电子燃料可以在全球范围内交易，从而解决日本或欧洲等人口稠密国家的可再生能源瓶颈。然而，由于国际和国家气候目标需要立即减排，从气候的角度来看，直接电气化应该首先确保所有人的安全未来。”