在实现净零碳排放气候目标的大背景下，供暖是最关键的脱碳挑战之一。近年来，氢能源作为替代化石燃料供暖的潜在解决方案，受到媒体的广泛关注。但氢能供热是否真的可以广泛用于家庭供暖仍有待商榷。基于此，来自英国牛津大学的Jan Rosenow研究员近日在Cell Press细胞出版社新刊Cell Reports Sustainability上发表了题为“A meta-review of 54 studies on hydrogen heating”的论文。作者对54项独立研究进行了综述，以评估使用氢气为建筑物供暖的科学证据。并最终得出结论：与热泵、太阳能和地区集中供暖等方案相比，使用氢能进行家庭供暖的成本更高、效率更低、对自然环境的影响更大。
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利用可再生电力电解产生的绿色氢，以及利用碳捕获和储存技术进行蒸汽甲烷重整产生的蓝色氢，被认为是建筑物脱碳的一种可选解决方案，得到了天然气网络运营商和供暖系统制造商的支持。2022年，作者通过对32项研究的独立分析，表明与热泵、太阳能热和地区集中供暖等方案相比，使用氢气进行家庭供暖的经济性更低、效率更低、资源使用更密集，并且环境影响更大。而此后发表的22项研究则进一步证实了2022年综述的结论，即：并无科学证据表明，氢在成本最优的热脱碳途径中占一席之位，此外氢供热则会产生更高的能源消耗和消费成本。
作者通过多种建模方法（消费者成本、能源系统、成本优化）对不同供热途径进行了评估。图1为蓝色氢供热的能量流图，有用热效率为总效率的52%。
图1：蓝色氢供热的能量流图。
绿色氢方案的效率如图2所示，总效率约为70%。这意味着，要产生100单位有用的最终用户能源，将需要144单位的可再生能源发电。
图2：绿色氢供热的能量流图。
单个独立热泵的能量流如图3所示，其有效热效率的总功率输入为278%。
图3：热泵的能量流图。
对于与大型热泵相结合的区域供热系统，其总功率输入的有效热效率为303%（图4）。
图4：热泵驱动区域供热的能量流图。
评估结果分为三个阶段：
首先，比较氢途径和电气化的估算成本。
随后，详细介绍氢供热的成本优化模型。
最后，对本文涉及的所有研究进行了全面汇总比较。
图5显示了与电气化（直接供热或通过区域供热）相比，氢供热途径的系统成本差异以及消费者成本差异。高于0%的值表示氢途径成本较高，低于0%的值表示氢途径成本较低。可以看到，其能源系统成本的中位数是+24%，消费者成本的中位数是+86%。除一项研究外，所有研究均表明氢途径的能源系统成本和消费者成本均更高。
图5：氢供热和电气化的成本差异。
图6则描述了不同研究中氢对最终供热能源需求的贡献。所有研究的中位数为1%，范围为0%-10%。这表明，氢在供热方面的作用可能非常有限，只能作为一种补充技术。
图6：在成本最优途径中，氢在最终供暖能源需求中的份额。
总结
综上，本综述所分析的独立研究中，没有一项研究表明氢在空间或热水供暖中可以发挥重要作用；也没有一项研究表明与电气化和区域供热等替代方案相比，氢的消费者成本更低。其根本原因可以通过内在的热力学原理解释：与热泵和区域供热相结合的热泵相比，氢气供热的效率要更低；并且当输入参数不同时，氢能供热需要大约4到6倍的能量输入。因此，尽管人们相当关注氢气供热，但通过彻底审查支持氢气供热的独立证据，未能证实其在空间和热水供暖方面具备广泛的可实践性。然而，一些研究承认氢气在供热上的补充作用，特别是在区域供热和混合供热系统当中。只有一项研究发现，氢能源系统的成本与电气化相当，但更多其他研究表明，氢供热的成本要高得多。鉴于这些发现，本文认为相关政策制定部门在为氢能供热计划分配大量公共资金，或起草以氢能供热为中心的脱碳战略之前，应予以谨慎考虑。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability
▌论文标题：
A meta-review of 54 studies on hydrogen heating
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906(23)00010-1
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.crsus.2023.100010
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