氫能發(fā)展趨勢分析及對石化企業(yè)的建議

趙聰穎

（中國石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

近年來，氫能在世界能源轉(zhuǎn)型中的地位日益凸顯。氫能的利用被視作與化石燃料清潔低碳利用、可再生能源規(guī)模化利用相并行的一種可持續(xù)能源利用路徑[1]。根據(jù)制取路徑的不同，氫能一般分為“灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”。以化石能源為原料，通過蒸汽甲烷重整（SMR）或自熱重整（ATR）等方法制造的氫氣成本較低，但碳強(qiáng)度較高，被稱為“灰氫”。“藍(lán)氫”是由化石能源生產(chǎn)，通過使用碳捕集等技術(shù)，降低全生命周期的碳排放。在合成氣或燃料氣中的殘余碳被捕集并用于后續(xù)使用或存儲(chǔ)，以減少溫室氣體排放?！八{(lán)氫”作為一種減少碳排放切實(shí)可行的方式，在能源轉(zhuǎn)型中占有重要地位。“綠氫”是由可再生能源產(chǎn)生，如可再生電力或者碳中性的能源。另外還有“青氫”和“粉氫”之說，“青氫”是指熔融的金屬與天然氣熱解，得到氫氣和副產(chǎn)物固體碳，由于副產(chǎn)物碳以固體形式存在，不需要額外的碳捕集裝置，因此被認(rèn)為介于“藍(lán)氫”和“綠氫”之間，目前還處于研發(fā)階段；“粉氫”是指利用核能發(fā)電再電解水得到的氫氣。

1 全球氫能發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著全球氣候變暖和對能源安全方面的考量，以及氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫能產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)升溫，美國、日本、歐盟等國家及地區(qū)相繼制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略。

1.1 美國

作為全球第一大經(jīng)濟(jì)體的美國，十分重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在持續(xù)推動(dòng)氫能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推廣的同時(shí)，一直加強(qiáng)在全球氫能領(lǐng)域的影響力。

1970年石油危機(jī)后，美國便提出了“氫經(jīng)濟(jì)”概念，開始布局氫能技術(shù)研究，資助與氫能相關(guān)的研究項(xiàng)目。1974年組織召開了第一次國際氫能會(huì)議，并于同年底，成立迄今為止歷史最悠久的國際氫能組織——國際氫能協(xié)會(huì)（IAHE）。2001年起，美國便形成了較完整的推進(jìn)氫能發(fā)展的國家政策、法律和科研計(jì)劃體系，確定氫能為國家戰(zhàn)略，引導(dǎo)能源體系向氫能經(jīng)濟(jì)過渡。2002年，美國能源部（DOE）發(fā)布《國家氫能發(fā)展路線圖》，標(biāo)志著美國氫能產(chǎn)業(yè)從構(gòu)想進(jìn)入行動(dòng)階段。2004年DOE發(fā)布《氫立場計(jì)劃》，明確氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展要經(jīng)過研發(fā)示范、市場轉(zhuǎn)化、基礎(chǔ)建設(shè)和市場擴(kuò)張、完成向氫能社會(huì)轉(zhuǎn)化等4個(gè)階段[1]。2005年，美國兩院通過了能源政策法案，要求汽車制造企業(yè)在2015年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的市場化。2012年，聯(lián)邦政府預(yù)算63億美元用于氫能、燃料電池等清潔能源的研發(fā)，并對美國境內(nèi)氫能基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)行30%～50%的稅收抵免。2019年，宣布為29個(gè)項(xiàng)目提供約4 000萬美元資金[2]，并在同年發(fā)布的《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》中，還格外強(qiáng)調(diào)了氫能作為可再生能源在多個(gè)領(lǐng)域的適用性。

目前，美國已經(jīng)建立起以國家實(shí)驗(yàn)室為主，大學(xué)和企業(yè)研究院所為輔的科研體系。自2006年以來，其支持的各類項(xiàng)目燃料電池成本降低一半、耐用性翻倍、所需鉑金屬量也顯著減少。美國在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中的代表性企業(yè)有提供氫能基礎(chǔ)設(shè)施解決方案的Air Products、以叉車燃料電池為主的Plug Power、固定式燃料電池為主的FuelCell Energy、Bloom Energy等大型燃料電池生產(chǎn)企業(yè)，以GE為代表的主機(jī)廠等。

截至2019年底，美國加氫站數(shù)量達(dá)到71個(gè)，燃料電池乘用車保有量約8 000輛，燃料電池大巴42輛，燃料電池叉車超過29 000輛。而根據(jù)路線圖規(guī)劃，2025年，美國燃料電池汽車運(yùn)營數(shù)目將達(dá)到20萬輛，叉車達(dá)到12.5萬輛，建設(shè)加氫站1 180座，氫氣需求達(dá)到1 300萬噸。2030年，燃料電池汽車達(dá)到530萬輛，加氫站7 100座，氫氣需求達(dá)到1 700萬噸。2050年，氫氣需求達(dá)到6 300萬噸，產(chǎn)值7 500億美元。實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模應(yīng)用。

此外，美國的液氫產(chǎn)業(yè)十分發(fā)達(dá)，產(chǎn)能居于全球首位，有15座以上的液氫工廠，產(chǎn)能達(dá)326噸/天以上，占世界液氫產(chǎn)能的65%以上。

1.2 日本

日本在全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)突出，國家政策導(dǎo)向明確，氫能產(chǎn)業(yè)已成體系[3]。近年來日本陸續(xù)提出明確的氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖。2013年，推出《日本再復(fù)興戰(zhàn)略》，提升氫能源發(fā)展為國策。2014年，在第四期《能源基本計(jì)劃》中，將氫能源定位為與電力和熱能并列的二次核心能源，并提出建設(shè)“氫能社會(huì)”的愿景。同年，對外公布的《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》中，詳細(xì)描述了氫能源研發(fā)推廣的三大階段以及每個(gè)階段的戰(zhàn)略目標(biāo)。2017年，發(fā)布了《氫能源基本戰(zhàn)略》（見表1），為全球首例，提出了2050年愿景和2030年行動(dòng)計(jì)劃，在氫能供應(yīng)和氫能利用方面提出了詳細(xì)的目標(biāo)。

表1 2017年日本氫能發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)[4-5]

綜上，近年來日本氫能發(fā)展戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)政策的重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)降低產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)成本，而且初步形成了相對完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈體系[3]。氫氣制取方面主要采用化石能源（天然氣、LPG）制氫和工業(yè)富產(chǎn)氫，供應(yīng)鏈戰(zhàn)略重點(diǎn)是建立基于海外氫氣供給、可再生能源制氫以及區(qū)域氫氣供給三大供應(yīng)體系。儲(chǔ)運(yùn)方面除高壓儲(chǔ)運(yùn)外，重點(diǎn)開發(fā)液化氫、液體有機(jī)化合物儲(chǔ)運(yùn)和氨儲(chǔ)運(yùn)。在氫能利用領(lǐng)域，重點(diǎn)開發(fā)燃料電池乘用車和燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)[3]，其中，最具代表性企業(yè)有豐田、本田以及Ene–farm。

在參與制定《全球氫能和燃料電池技術(shù)規(guī)范》和《聯(lián)合國氫能和燃料電池汽車規(guī)范》的同時(shí)，日本形成了國內(nèi)完善的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系[3]。

1.3 歐盟

為了更好地應(yīng)對能源和氣候變化的挑戰(zhàn)，歐盟把氫能和燃料電池技術(shù)作為能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略技術(shù)。2002年，歐盟發(fā)布了《氫能和燃料電池—我們未來的前景》，制定了歐洲向氫經(jīng)濟(jì)過渡的近期（2000–2010年）、中期（2010–2020年）和長期（2020–2050年）三個(gè)主要研發(fā)目標(biāo)和示范路線圖。

2016年，歐盟發(fā)布《可再生能源指令》，將氫能作為能源系統(tǒng)的重要組成部分。2019年，燃料電池和氫能聯(lián)合組織發(fā)布《歐洲氫能路線圖—?dú)W洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》，預(yù)計(jì)到2030年氫能可占最終能源需求的6%，創(chuàng)造1 300億歐元的市場，加氫站數(shù)量超過750座；2050年可占最終能源需求的24%，創(chuàng)造8 200億歐元的市場。預(yù)計(jì)2050年實(shí)現(xiàn)4 500萬輛燃料電池乘用車、650萬輛輕型商用車、25萬輛燃料電池公交車、170萬輛燃料電池卡車、5 500輛燃料電池列車的保有量，加氫站達(dá)15 000座以上。

2020年7月發(fā)布了《歐盟能源系統(tǒng)整合戰(zhàn)略》，明確了將“綠氫”作為未來發(fā)展的重點(diǎn)，同時(shí)指出在中短期內(nèi)，仍需要“藍(lán)氫”以推動(dòng)氫能市場的發(fā)展和成熟。與此同時(shí)，德國和法國表示將提供160億歐元用以氫能技術(shù)的研究和推廣。而實(shí)際上，氫能經(jīng)濟(jì)的開啟預(yù)計(jì)需要4 300億歐元，仍有較大缺口。在政策方面，尚缺乏歐盟級的可行氫能管控框架。這都將制約歐洲氫能技術(shù)的發(fā)展。

面對氫能行業(yè)發(fā)展存在的諸多挑戰(zhàn)，在2020年7月，500家企業(yè)組成了歐洲氫能聯(lián)盟，提出一系列的戰(zhàn)略以及在歐洲具有可操作性的管理框架。主要目標(biāo)是開啟歐洲氫能產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)歐洲氣候目標(biāo)。除了將2024年的6 GW“綠氫”產(chǎn)能在2030年擴(kuò)充至2×40 GW外，還希望CO2減排能力由2024年的900萬噸/年提高至9 000萬噸/年，將在2024年投資50億～90億歐元的基礎(chǔ)上，至2030年每年投資260億～440億歐元用于可再生氫氣電解槽的投資。

截至2019年底，根據(jù)H2stations的數(shù)據(jù)，歐洲有177個(gè)加氫站，其中德國87座，法國26座。

除了在車用能源領(lǐng)域的應(yīng)用，歐盟還積極在金屬冶煉、可再生發(fā)電儲(chǔ)能、天然氣管道摻氫等領(lǐng)域進(jìn)行嘗試。

1.4 中國

在國家及各級地方政府的政策推動(dòng)下，中國氫能產(chǎn)業(yè)熱度持續(xù)攀升。2006年，將氫能與燃料電池列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006–2020年）》發(fā)展計(jì)劃。2014年，在國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014–2020年）》中，將“氫能與燃料電池”列為20個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向之一。2016年5月，在國務(wù)院印發(fā)的《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中，提出“開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術(shù)”。2016年，國務(wù)院發(fā)布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，在“專欄14新能源汽車動(dòng)力電池提升工程”中，提出“推動(dòng)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及氫制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)加氫站建設(shè)，到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用”。2019年，“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”首次寫入《政府工作報(bào)告》。2020年，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》公開征求意見，提出將氫能納入能源定義。

2014年11月，財(cái)政部、科技部等印發(fā)了《關(guān)于新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)的通知》，首次提出對符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且日加氫能力不少于200 kg的新建加氫站補(bǔ)貼400萬元。2019年3月，又提出將對新能源汽車的補(bǔ)貼向支持加氫和充電基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運(yùn)營服務(wù)等方面過渡。2020年4月，提出將當(dāng)前對燃料電池汽車的購置補(bǔ)貼，調(diào)整為選擇有基礎(chǔ)、有積極性、有特色的城市或區(qū)域，重點(diǎn)圍繞關(guān)鍵零部件的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開展示范，中央財(cái)政將采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式對示范城市給予獎(jiǎng)勵(lì)，爭取通過4年左右時(shí)間建立氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈。

各地地方政府結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，密集出臺(tái)了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)政策和規(guī)劃，對地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了近中遠(yuǎn)期目標(biāo)，但從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局上，均存在規(guī)劃求大求全、技術(shù)布局同質(zhì)化、未能做到因地制宜等問題，在一定程度上引發(fā)了氫能產(chǎn)業(yè)的局部過熱。

截至2020年底，中國燃料電池汽車保有量7 352輛，建成加氫站128座，投入運(yùn)營101座。

2 氫能發(fā)展趨勢分析

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及利用4個(gè)環(huán)節(jié)。不同技術(shù)路線會(huì)在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)推動(dòng)乃至引領(lǐng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。零碳排放制氫、高效低成本安全儲(chǔ)運(yùn)、氫燃料電池高效率低成本技術(shù)是關(guān)鍵。

2.1 “藍(lán)氫”是目前最經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)途徑

2.1.1 從減少溫室氣體排放角度分析

氫氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2來自于烴類。“灰氫”裝置的進(jìn)料是烴類原料、燃料、軟化水/鍋爐用水，產(chǎn)生氫氣產(chǎn)品和高壓蒸汽，大多數(shù)工廠都進(jìn)行廢熱利用，能源以氫氣、蒸汽、電力等多種方式出廠，全生命周期每千克“灰氫”產(chǎn)生8～12 kg CO2。

“藍(lán)氫”裝置的進(jìn)料是在烴類、燃料、軟化水/鍋爐用水的基礎(chǔ)上，加入具有低碳低成本的優(yōu)勢原料、煉廠廢氣和CO2，產(chǎn)生氫氣、高壓蒸汽、超高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽、電力、高純度CO、氫氣和CO2混合氣、還原氣/合成氣、CO2。在這個(gè)過程中幾乎全部CO2被捕集，全生命周期只產(chǎn)生非常少的CO2排放，每千克氫氣直接和間接產(chǎn)生不到1 kg的CO2。

對于“綠氫”，基于電力來源不同，每千克“綠氫”產(chǎn)生的CO2變化幅度很大，全生命周期為0.5～30.0 kg CO2。

因此，在碳捕集、利用及封存技術(shù)（CCUS）可行的前提下，“藍(lán)氫”是目前最經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)途徑。因?yàn)榛鶞?zhǔn)線不固定，目前尚無法得出具體的減排比例。

2.1.2 從平均成本角度分析

“灰氫”制取技術(shù)每生產(chǎn)1 kg氫氣，排放8～10 kg CO2，成本為1.5～2 €/kg，天然氣制氫搭配CCUS，與“灰氫”相比，可減少約85%的CO2排放，與碳捕集相關(guān)的額外成本為50～70 €/t CO2，使用可再生能源制氫，無碳排放，成本為3.5～5 €/kg。

只要有使用或儲(chǔ)存CO2的選項(xiàng)，使用CCS進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化是目前最具競爭力的選擇；關(guān)于電解制氫，到2025年，在任何電價(jià)情景下，電解產(chǎn)生的可再生氫都幾乎沒有利益，隨著技術(shù)發(fā)展以及在電網(wǎng)中引入更多的可再生能源，預(yù)計(jì)到2030年左右，電解產(chǎn)生的可再生氫的將會(huì)有利潤收益。

2.2 關(guān)鍵核心技術(shù)加快突破

目前能源公司大多采用天然氣制氫＋CCS作為向“綠氫”過渡階段的主要制氫技術(shù)，其制氫成本為1.2 €/kg H2（天然氣價(jià)格為0.12 €/m3），碳捕集率為98%～99%，CO2運(yùn)輸和捕集的成本0.3～0.5 €/kg H2。突破CCUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用是降低成本的關(guān)鍵。

氫氣長距離輸送時(shí)，管道輸送最具競爭力，隨著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，大宗氫氣跨境貿(mào)易的發(fā)展?jié)摿薮骩7]。

氫燃料電池催化劑以Pt/C催化劑為主，目前鉑用量保持在0.3～0.5 g/kW的水平，降低鉑用量并尋求廉價(jià)替代催化劑是擴(kuò)大氫燃料電池使用空間的關(guān)鍵。

3 對石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展氫能的建議

面對環(huán)保、能源安全的壓力，石化企業(yè)正在實(shí)施能源轉(zhuǎn)型的變革，利足自身優(yōu)勢進(jìn)軍氫能產(chǎn)業(yè)。但目前中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著國家層面缺乏總體統(tǒng)籌和頂層設(shè)計(jì)，在液態(tài)儲(chǔ)氫等核心技術(shù)、高端材料、裝備制造方面存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，氫能管理體系尚未建立，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)路線需要進(jìn)一步研究探索，當(dāng)前“綠氫”制取成本高，經(jīng)濟(jì)性利用較為困難。對石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展氫能的建議如下：

1）不忘環(huán)保初心，在CCS技術(shù)不成熟的情況下，建議不開展大規(guī)?；茉粗茪?，可進(jìn)行小規(guī)模一體化示范[8]。

2）加氫站建設(shè)成本高，氫氣在交通領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用取決于氫燃料電池技術(shù)的突破以及氫燃料電池汽車輔助系統(tǒng)中空壓機(jī)、控制器等成本的降低。因此，建議石化企業(yè)根據(jù)自身優(yōu)勢，謹(jǐn)慎布局加氫站建設(shè)，并根據(jù)國家政策爭取補(bǔ)貼。

3）為盡國企之社會(huì)責(zé)任，建議石化大企業(yè)立足自身優(yōu)勢，聯(lián)合大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)、氫產(chǎn)業(yè)鏈上其他企業(yè)共同開展研究，加快氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)突破，降低產(chǎn)業(yè)鏈成本，為中國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。

4 結(jié)語

未來能源的總體發(fā)展方向是從傳統(tǒng)化石燃料轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源結(jié)構(gòu)，能源轉(zhuǎn)型是一個(gè)漫長而艱辛的過程。氫能作為清潔的二次能源，全產(chǎn)業(yè)鏈成本高，制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用領(lǐng)域許多關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破。石化企業(yè)可根據(jù)自身優(yōu)勢，與研究機(jī)構(gòu)及其他行業(yè)聯(lián)合開展氫能研究，加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)突破，綠色、安全、高效、低成本實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。