“氢”洁能源，如何燃起来？

事实上，氢已经在意大利福西纳氢电站（100%氢气）、韩国大山石化厂（95%氢气）、中国武汉钢厂（60%氢气）等多个发电厂作为燃料使用。目前还有一些计划中的项目使用100%的氢气作为燃料，例如荷兰瓦滕法尔的Magnum工厂和犹他州的Vattenfall发电厂。

那么，在现有的能源系统中，以氢气为燃料有什么约束条件？

虽然氢燃烧提供了一个很有前途的储能和转换途径，但对于当今的天然气能源转换装置来说，这并不是一种“随时可用”燃料。燃料处理系统、阀门和管道以及燃烧室硬件需要进行更改，以解决污染物排放、可操作性和成本等问题。

我们还需要解决污染物排放问题。氢燃烧不会排放任何微粒或一氧化碳，因为它不含碳原子，这是氢作为燃料的另一个主要好处。然而，氢燃烧会产生氮氧化物（NOx）排放。本质上，当空气加热到高温时，空气中的N2和O2开始相互反应时，就会产生NOx。因此，与使用氢气有关的关键挑战是低NOx燃烧系统。

还有可操作性问题，即设备在不停机、不损坏或性能不合格的情况下可靠运行的能力。氢从几个方面影响可操作性，其中回火是将氢气用于天然气的系统中最严重问题，氢的火焰速度比天然气高一个数量级，因为火焰会向上游传播并严重损坏硬件。

此外，氢燃料燃烧产物的传热系数高于天然气。由于燃气轮机中的峰值温度是由到旋转涡轮的热传递控制的，这可能需要随着氢含量的增加而降低涡轮进口温度。虽然高氢燃料可以提高循环效率，但这会被降低涡轮进口温度来抵消。

总之，氢无疑是一种可接受的、非常清洁的燃料。目前存在氢气水平50%，与天然气共同使用的低NOx燃气轮机；也已经开发出了用纯氢操作的系统。未来的关键发展挑战是低NOx、燃料柔性系统，该系统可以在纯天然气到从纯氢气之间等多种燃料成分下轻松操作。下图概述了这些不同技术使用氢气的成熟度、研发需求和NOx合规性。

为什么说氢能发电厂将在能源转型中扮演重要角色？

如果有可再生能源，将其转化为氢气并重新通电，能源效率不到40%。但是，当我们将氢气用作长期储存和对各种可再生能源的补偿时，这才有意义。如果需要季节性储能——冬天夏天使用太阳能，秋天到夏天使用风能——氢气就可以完成这一过程。

大规模储氢也将有助于减少大风/晴天期间风力和太阳能发电的减少。绿氢可以增加我们可再生能源的吸纳，因为可以利用原本要被放弃的可再生能源制氢。因此，通过电解（利用电力将水分子分解成氢气和氧气），并将多余的能量储存为氢气，可以真正让电力系统大量扩展可再生能源。一旦能利用过剩的可再生能源电力，那么就可以将可再生能源实际利用率翻一番甚至更高。

挪威石油巨头Equinor和苏格兰公用事业公司SSE最近宣布了一项计划，计划在2030年前在英格兰东北部的凯德比建造一座全新的1.8吉瓦氢气发电站。该项目将可以由低碳的蓝色氢气提供动力，也可用于支持各种可再生能源，特别是是海上风电。

然而，在目前的条件下，使用清洁的氢气发电在经济上还是亏损的。目前绿色氢气的成本估计在2.50-6美元/千克之间，蓝色氢气的成本在1.50-4美元/千克之间。如果清洁的氢气在每千克2.35美元，以使其具有与化石气竞争的成本，需要对应二氧化碳价格为每吨200-250美元。我们距离这一碳价水平仍然很遥远，目前欧盟的碳价格约为每吨50欧元。

虽然，清洁氢气在2035年之前不会用于大规模电力生产，但会在运输和重工业等其他部门发挥效益。预计，在2035-2040年之间各国必须对电力部门进行深度脱碳，届时以氢能为基础的电气化将大规模发生。