氢能发展的应用场景以及不同阶段~DOE清洁能源路线图

本文编译自《U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap》的倒数第三个章节《C: Guiding Principles and National Actions …》其中之：清洁氢发展的不同阶段。尽管国情不同，但事物的发展规律还是大致趋同的，通过本节内容的了解学习，也希望能和我们国内的发展阶段进行一些对照和对比，研判我们氢能源的发展处于哪个阶段，以及后续的推进趋势！下面展开正文！

氢技术的市场渗透将取决于许多因素，包括：技术成熟度、成本、基础设施可用性、制造和供应链能力、其他低碳解决方案的成本、政策和监管环境、地区和国家倡议、行业势头和承诺，以及释放私人资本和投资。

基于两个关键因素：一是评估盈亏平衡和氢作为脱碳解决方案的相对吸引力；二是利益相关者的投入，美国联邦政府设想了清洁氢使用的三个应用阶段或“浪潮"。下图1描述了美国潜在市场的发展趋势，以及早期、中期和长期的增长趋势。最终用途应用在每个阶段的相对位置是基于一系列数量和质量基础，并将随着工业和政策格局的演变而不断更新。

图1：清洁氢将分阶段发展，取决于每个最终用途的相对吸引力。箭头描绘了氢能有望在美国大规模与现有技术竞争的时间框架

阶段：

阶段清洁氢的应用将由现有市场启动，这些市场几乎没有用于脱碳的清洁氢替代品，并且可以获得氢和兼容的最终用途。这包括现有的精炼和氨生产工厂。将大规模生产与此类应用的最终用途放在一起的产业集群可以帮助降低成本，并创建可在后续阶段为其他市场提供杠杆的基础设施。

•仓库、港口和其他工业场所的叉车和其他物料搬运设备具有高利用率、可预测的加氢位置和快速加氢需求。美国政府已经在美国孵化这一利基应用，使市场上的数千个系统和新生的基础设施成为可能。

•炼油厂代表着当今的用氢市场，并且没有其他替代方法来裂解重质原油和脱硫。转向使用清洁氢将在短期内创造需求，并立即减少排放。

•公交巴士可能是一个有吸引力的用例，特别是在需要长途运营和高正常运行时间的地区，以及拥有大型公交车队的公交机构，在这些地区，给单个电池电动汽车充电可能具有挑战性。。

•长途重型卡车利用率高，能源需求大，需要快速加注。与中型车辆一起，它们产生的温室气体排放量约占美国交通运输部门温室气体排放量的20%。

•采矿、建筑和农业中的重型机械可能受益于燃料电池推进，因为它们需要高功率，需要快速加注燃料，并且可能需要远离电网运行。这些应用需要大量的氢气，并将产生需求。

•合成氨生产使用碳（排放）密集型的氢气作为原料，现在可以用清洁氢气代替，而无需改造工厂。作为仅次于炼油的第二大氢需求市场，氨也可以为清洁氢提供稳定的需求。

通过支持上述多个市场的示范和基础设施，美国联邦机构可以在有限的地区实现大量的用氢，并为弱势社区或工人提供切实的利益，否则他们将暴露在柴油废气和其他污染物中。

第二阶段：

在第二阶段应用中，清洁氢提供了不断增长的经济价值主张，并得到了行业和政策动力的支持。这一阶段包括更广泛的运输应用，并扩大到包括更多地使用工业燃料和原料。除了阶段应用之外，其他应用的几个例子包括:

•氢燃料电池驱动的中型卡车将越来越多地大规模使用，因为重型运输在扩大氢气分配和加氢基础设施方面处于先前地位。

•随着氢燃料电池成本的下降，由燃料电池驱动的区域渡轮可能会与内燃机相比具有成本竞争力，这些渡轮可以短途运输人员或货物。

•某些工业化学品生产，如塑料工业，需要高温热量，这很难通过电力实现，或者依赖于化石能源的氢原料。这些部门可以使用清洁的氢来产生热量，并作为原料来脱碳。

•当应用于需要无碳还原剂和高温的铁矿石基钢铁生产时，钢铁生产可以用清洁的氢脱碳，而电解生产尚不可行。

•能源储存和发电可以过渡到以氢气和天然气混合物为燃料的燃气轮机，以减少化石能源的近期排放。纯氢也可以用于生产低氮氧化物的技术。燃料电池也可以作为一种能量转换技术。清洁氢可以在季节性储存中发挥关键作用，以使电网脱碳并减少化石燃料发电。

•航空业可以过渡到使用清洁氢、生物质和废物原料生产的可持续燃料，有助于实现美国现阶段政府提出的30亿加仑可持续航空燃料的目标大规模生产清洁氢也将为长期生产电力转化为液体奠定基础。行业反馈表明，某些细分市场可以直接使用氢气，但由于能量密度要求，可能需要低温储存（液氢）。

第三阶段：

随着清洁氢生产规模的显著扩大、成本的下降和基础设施的完善，第三阶段应用将变得具有竞争力。例如:

•来自燃料电池的备用电源和固定电源可以取代柴油发电机，为医院和数据中心等关键设施提供24/7的弹性，同时也提供了优势弱势群体和改善空气质量。备用电源不同于储能，因为它的作用是为单个客户或微电网提供弹性，而储能支持宏观电网。

•用清洁氢生产的甲醇也可以直接用作燃料或燃料补充，用于集装箱船，铁路或其他海上应用，并作为能源载体。

•集装箱船承载了约90%的全球贸易量，产生了约3%的全球碳排放量和更大份额的二氧化硫排放量。在第三波浪潮中，潜在的替代品包括清洁氨、清洁甲醇和液化清洁氢。

•水泥可以使用清洁的氢气来减少二氧化碳的直接排放，而由于热量要求高，电气化不是一种选择。

•与现有的天然气网络混合可以支持高温加热系统的目标脱碳，主要用于需要高温的工业部门，如化学品。虽然这种应用程序甚至可以在波启动，但成本必须大幅下降才能在经济上可行。

清洁氢部署的各个阶段高度依赖于技术、研究和支持性政策结构的发展。但是，将努力集中在商业上更可行、缺乏脱碳替代方法和享有工业动力的部门将增加公共投资的影响。

系统性分析将继续为美国国家清洁氢战略和行动提供信息

通过国家实验室、工业界和学术界之间的合作完成的强大而透明的分析和建模工作将继续为优先事项、里程碑和行动提供信息，以推进优先部门的清洁氢部署。在过去的几十年里，包括美国能源部（DOE）在内的联邦政府资助了下图2中列出的工具的开发，以评估氢在工业、运输和能源部门中的作用。未来几年来自实际部署的数据将用于不断改进这些工具，以确保它们反映技术成本和性能的状态。迄今为止，美国能源部资助的分析工具涵盖了氢市场的许多不同方面。

图2:一套工具和模型支持系统分析工作，从基本模型验证和技术经济工作，到计划、优化和集成分析。

基础工具用于评估单个技术的成本和性能，如氢气生产或基础设施设备。然后，技术评估可以用于供应链分析，并描述一个地区某项应用的总成本和排放量。然后，供应链分析为市场采用分析提供信息——例如，估计氢能源储存的价值主张和燃料电池卡车的销售。

所有的分析都用于支撑RDD&D活动，来自技术演示的实际数据被反馈到基础模型中，以改进未来的评估。

正在进行的政府资助和政府主导的分析正在利用全球变化分析模型(GCAM)和国家能源建模系统(NEMS)等跨部门工具，确定到2050年实现全经济净排放的途径。美国能源部目前正在为这些工具的更新提供资金，以代表多种氢气生产、分配和利用方法，这些方法有望在短期内大规模部署。使用这些模型完成的跨部门分析可以为该路线图的未来版本中的策略提供信息。

通过与Mission Innovation等国际伙伴关系的合作，美国能源部还资助了指标和标准的开发，这些指标和标准可用于确定氢部署对可持续性的影响，如用水量、就业机会、空气质量改善等。

美国能源部对区域清洁氢中心的征求也根据环境合理的标准对申请人进行评估，例如社区效益。这些标准和影响将在路线图的未来版本中进一步描述。

文章来源：氢眼所见
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