國外氫能源利用情況及對我國發(fā)展的啟示

王林 曹宇

中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

0 前言

氫能源由于具有儲量大、效率高、沒有溫室氣體排放、便于貯存和運(yùn)輸且安全性高等優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來能源替代的終極解決方案。目前，氫能源利用技術(shù)已經(jīng)在燃料電池汽車、家庭熱電聯(lián)供等領(lǐng)域取得成效，也逐步在氫能的無碳排放生產(chǎn)、氫能發(fā)電、氫能社區(qū)等領(lǐng)域進(jìn)行示范試驗。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年，全球主要經(jīng)濟(jì)體已建成加氫站527座，在運(yùn)營504座。在運(yùn)營加氫站中，歐盟以179座高居榜首，日本以137座緊隨其后，中國以101座全面超過德國的89座位居第三。美國因疫情影響，在運(yùn)營加氫站由2019年的48座降至2020年的42座，韓國則因此實現(xiàn)趕超，成為在運(yùn)營加氫站第四多的國家。

1 國外氫能源利用現(xiàn)狀

1.1 美國

美國能源部日前發(fā)布《氫能項目計劃2020》（下稱“《計劃》”），為美國的氫能研究、開發(fā)和示范應(yīng)用提供了戰(zhàn)略支撐?！队媱潯分赋觯绹铝τ跉淠苋a(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)，并將加大示范和部署力度，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化。根據(jù)美國國家實驗室預(yù)測，到2050年，美國本土氫能需求將增至4100萬t/y，占未來能源消費(fèi)總量的14%。

1）美國氫能商業(yè)化應(yīng)用初具規(guī)模

經(jīng)過40年的發(fā)展，美國的氫能產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)已逐漸從專業(yè)化應(yīng)用過渡到商業(yè)化應(yīng)用。2020年，美國已經(jīng)在數(shù)以千計的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動力裝置中應(yīng)用了燃料電池，并已建成145個加氫站（包括試驗項目）。

在發(fā)電方面，以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機(jī)也已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化運(yùn)營階段。在過去的20年里，美國能源部在氫能和相關(guān)領(lǐng)域投資超過了40億美元，主要包括氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存，以及燃料電池和氫能渦輪機(jī)發(fā)電等技術(shù)的研發(fā)。這些研究成果與工業(yè)項目相結(jié)合，取得了許多成功，例如：應(yīng)用配備碳捕獲和儲氫裝置的制氫技術(shù)，以低于2美元/kg的成本生產(chǎn)無碳?xì)?；燃料電池的制造成本降低?0%，耐久性提高了四倍。截至2020年12月，美國能源部已頒發(fā)了1100多項美國專利，并在市場上推出了30多項商業(yè)技術(shù)。

2）氫能發(fā)展將推動美國能源變革

美國能源部下屬的可再生能源、化石能源、核能、電力和科技部門參與了此項目。該項目還與其他相關(guān)的部門進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，包括高級能源項目部門（ARPA-E），網(wǎng)絡(luò)安全、能源安全和應(yīng)急響應(yīng)部門，以及能源部以外的國家相關(guān)部門，如儲能技術(shù)、先進(jìn)制造業(yè)、電網(wǎng)現(xiàn)代化、綜合能源系統(tǒng)和人工智能。每一個部門都管理與其任務(wù)有關(guān)的氫能項目，所有部門經(jīng)過協(xié)調(diào)合作，以實現(xiàn)戰(zhàn)略管理和項目執(zhí)行的凝聚力。

美國能源部主導(dǎo)的氫能和相關(guān)技術(shù)研發(fā)，在其各部門的一致努力下，以及廣泛的利益相關(guān)者的投入和協(xié)作下，該計劃的實施將有助于實現(xiàn)美國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愿景：清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應(yīng)用于各類場景，并成為美國能源體系中的重要組成部分，推動美國的能源體系變革。

1.2 歐盟

2020年，歐盟委員會發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，希望借此為歐盟設(shè)置新的清潔能源投資議程，以達(dá)成在2050年實現(xiàn)氣候中和的目標(biāo)，同時在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)造就業(yè)，進(jìn)一步刺激歐盟在后疫情時代的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。

1）《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》

《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》將為歐盟向綠色能源過渡搭建框架，旨在讓不同的能源生產(chǎn)載體、基礎(chǔ)設(shè)施及消費(fèi)行業(yè)彼此關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃和運(yùn)營，以提高效率并降低成本。

該策略提出了38項行動計劃，具體措施包括修訂現(xiàn)有立法、財政支持、研究部署新技術(shù)和數(shù)字工具、向成員國提供財政措施并逐步淘汰化石燃料補(bǔ)貼的指導(dǎo)、市場治理改革和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、改善向消費(fèi)者提供的信息等。

2）《歐盟氫能戰(zhàn)略》制定

歐盟專門制定《歐盟氫能戰(zhàn)略》，則是為了在一體化的能源系統(tǒng)中，更好地支持工業(yè)、交通、能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的脫碳進(jìn)程。這一戰(zhàn)略的重點是主要依靠風(fēng)能、太陽能生產(chǎn)可再生氫能。

這一戰(zhàn)略包括三大支柱：首先，一個以能效為核心的更易于“循環(huán)”的能源系統(tǒng)，更有效地利用本地能源，同時最大程度實現(xiàn)當(dāng)?shù)毓S、數(shù)據(jù)中心等排放出的廢熱以及由生物廢物或廢水處理廠產(chǎn)生的能源的再利用。其次，在終端領(lǐng)域大力推進(jìn)電氣化，打造一個百萬數(shù)量級的電動汽車充電樁網(wǎng)絡(luò)。第三，對于難以實現(xiàn)電氣化的領(lǐng)域，則用可再生氫能、可持續(xù)生物燃料和沼氣替代。

3）“歐洲清潔氫聯(lián)盟”成立

歐盟委員會于2020年3月10日宣布包括德國西門子、荷蘭殼牌、法國空客等品牌在內(nèi)的“歐洲清潔氫聯(lián)盟”的成立，目的便是為了迎接來自中國的挑戰(zhàn)。由相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、民間機(jī)構(gòu)、國家及地區(qū)能源官員和歐洲投資銀行共同發(fā)起，旨在為氫能源的大量生產(chǎn)提供投資，滿足歐盟國家對清潔氫能的需求。歐盟委員會稱，氫能開發(fā)分三個階段進(jìn)行：

第一階段（2020—2024年），在歐盟境內(nèi)建造一批單個功率達(dá)100 MW的可再生氫電解設(shè)備。2024年前，全歐的可再生氫制備總功率達(dá)到6 GW，年產(chǎn)量超過100萬t。

第二階段（2025—2030年），在繼續(xù)加大可再生氫制備產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，建成多個名為“氫谷”（Hydrogen Valleys）的地區(qū)性制氫產(chǎn)業(yè)中心。通過規(guī)模效應(yīng)以較低廉的價格為人口聚集區(qū)供氫，這些氫谷也是未來泛歐氫能網(wǎng)絡(luò)的骨架。

第三階段（2030—2050年），重點是氫能在能源密集產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，典型代表是鋼鐵和物流行業(yè)。

1.3 日本

2017年12月26日，日本公布了“基本氫能戰(zhàn)略”，意在創(chuàng)造一個“氫能社會”。該戰(zhàn)略的主要目的是實現(xiàn)氫能與其他燃料的成本平價，建設(shè)加氫站，替代燃油汽車（包括卡車和叉車）及天然氣和煤炭發(fā)電，發(fā)展家庭熱電聯(lián)供燃料電池系統(tǒng)。鑒于日本的資源狀況，日本政府還將重點推進(jìn)可大量生產(chǎn)、運(yùn)輸氫的全球性供應(yīng)鏈建設(shè)，主要建設(shè)包括以下幾個方面。

1.3.1 燃料電池汽車

2002-2010財政年度，日本經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和產(chǎn)業(yè)省資助了“燃料電池系統(tǒng)示范研究”項目，涵蓋“燃料電池車的示范研究”和“氫基礎(chǔ)設(shè)施示范研究”兩個主題。研究內(nèi)容包括氫能生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、燃料電池車性能、環(huán)境特征、能源效率和安全性等方面，并與其他部門共享這些數(shù)據(jù)。

2014年12月，豐田推出了Mirai車型。2016年3月，本田推出Clarity車型，它們的實際駕駛距離都超過500 km，成為全球燃料電池汽車的主打產(chǎn)品之一，目前正在向公共汽車、重型卡車和叉車等領(lǐng)域拓展。2020年，日本總共建成加氫站137座，新增燃料電池汽車761輛，累計推廣3902輛，但東京奧運(yùn)會的延遲也一定程度上影響了氫車的推廣。

1.3.2 家用熱電聯(lián)供

ENE-FARM是日本氫能在居民住宅中應(yīng)用的嘗試，通過將氫氣注入燃料電池中發(fā)電，同時用發(fā)電時產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水，形成微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)。目前主要有固體高分子型燃料電池（PEFC）和固體氧化物型燃料電池（SOFC）兩種類型，生產(chǎn)700 W和1000 W發(fā)電量的產(chǎn)品，能夠滿足部分電力需求和全部的熱水需求。2009年，固體高分子型燃料電池（PEFC）熱電聯(lián)供系統(tǒng)正式上市銷售，2011年固體氧化物型燃料電池（SOFC）熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也上市銷售。由于技術(shù)的不斷改進(jìn)，自上市以來，SOFC和PEFC的價格分別下跌了約43%和70%。

1.3.3 發(fā)電及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域

日本的三菱、日立電力系統(tǒng)公司和川崎重工業(yè)公司都在研究氫的直接燃燒以及與天然氣共同燃燒發(fā)電技術(shù)。在煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）中混入50%以上氫能的渦輪機(jī)也逐步進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。日本政府預(yù)測，在未來的幾十年里，發(fā)電將成為氫能源增長的最大驅(qū)動因素，占?xì)湎牧康?4%左右。目前，利用氫能進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電的技術(shù)仍在研究之中，最主要的是解決成本問題。日本政府的目標(biāo)是到2030年將氫燃料的價格降低到17美分/kWh，2050年降為12美分/kWh，這樣才能與天然氣發(fā)電進(jìn)行競爭。

1.4 韓國

韓國在2020年第一季度投入運(yùn)行了三個新的氫站，今年計劃再運(yùn)行37個。韓國政府將氫視為經(jīng)濟(jì)增長的新引擎，也是該國長期向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的核心。韓國政府決心從2019年起，在路線圖的基礎(chǔ)上建立一個氫經(jīng)濟(jì)，到2040年，將生產(chǎn)620萬輛燃料電池電動汽車，并建設(shè)1200個加油站。計劃在2022年前讓8萬輛氫動力燃料電池汽車上路，并有大約300個加油站為其提供燃料。韓國正在尋求建立一個利用氫作為移動和發(fā)電的主要能源的社會。

韓國能源經(jīng)濟(jì)研究所估計，2020年韓國氫產(chǎn)業(yè)的規(guī)模為120億美元，預(yù)計到2030年，這一數(shù)字將翻一番，達(dá)到213億美元。降低氫能源的用戶價格是一項挑戰(zhàn)，該國加油站的氫氣價格在每公斤5.7至7.1美元之間。政府希望到2022年將這一價格降至4.8美元/kg，到2040年降至2.4美元/kg。

氫能新政包括在數(shù)字、綠色經(jīng)濟(jì)和安全網(wǎng)領(lǐng)域的1300億美元財政投資。韓國幾乎所有的氫能源站點都是由地方政府運(yùn)營的，這些地方政府有能力吸收早期損失。最初，政府的計劃是提供加油站總資本支出的一半，而另一半由私營部門提供。然而，迄今為止，私營部門在投資氫能源站點方面一直猶豫不決。為了吸引私營部門投資，政府宣布了一個BTL模式，即私營部門建造氫站基礎(chǔ)設(shè)施并將其移交給政府。政府保證在一段時間內(nèi)給予一定的回報。

韓國目前正在用SMR解決方案建造大型“樞紐”氫站，以期將氫輸送到附近的加油站。管道拖車是目前可用的選擇，然而，政府正計劃將其轉(zhuǎn)換為更清潔的選擇，如氫氣管道。目前，氫氣從提煉廠通過200 km長的氫氣管道輸送到煉油廠和其他終端用戶，這些管道主要分布在該國南部。舊管道是基于傳統(tǒng)的金屬型管道，在60 Pa的壓力下運(yùn)行。行業(yè)專家越來越多地認(rèn)為，為了運(yùn)輸，從重整器輸出壓力約為10～60 Pa的氫氣被壓縮，會使其更加危險和低效。因此，市場上需要靈活的低壓(40 bar以下)氫氣管道。韓國沒有強(qiáng)大的氫管道技術(shù)，主要依賴西方的氫管道技術(shù)。

2 對我國氫能源發(fā)展的啟示

隨著氫能利用技術(shù)發(fā)展成熟，以及應(yīng)對氣候變化壓力持續(xù)增大，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，氫能已經(jīng)納入我國能源戰(zhàn)略，成為我國優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和保障國家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的前置條件，能帶動高端裝備制造業(yè)快速發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

我國十分重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃2016-2030》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中都對氫能予以重點關(guān)注。2021年，國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃中，氫能與儲能被納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并具體歸入未來產(chǎn)業(yè)。各地政府紛紛出臺政策支持氫能源行業(yè)的發(fā)展。

2.1 轉(zhuǎn)變對氫能源的利用理念

當(dāng)前氫能發(fā)展最重要的障礙是把氫能單純作為?；穪韺Υ]有將氫氣作為能源進(jìn)行管理。氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從原來小規(guī)模示范，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)規(guī)模示范階段，下一步目標(biāo)是商業(yè)化運(yùn)行。氫氣主要的特性是可燃的、易燃的，但事實上，氫氣作為化學(xué)元素周期表中質(zhì)量最輕的元素，“跑出來”以后揮發(fā)速度很快。實驗證明，氫燃料和燃油汽車一旦著火以后，氫燃料汽車滅火更快且汽車不會壞。

2.2 加強(qiáng)和完善氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

我國已經(jīng)成立了全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC309）和全國燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC342），主要負(fù)責(zé)氫能的生產(chǎn)、儲運(yùn)及應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化的制定，已先后發(fā)布?xì)淠芗夹g(shù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)近100項。但隨著氫能在各個領(lǐng)域應(yīng)用的逐步深入和技術(shù)進(jìn)步，越來越多的新標(biāo)準(zhǔn)需要制定或者修訂。

對不同類型的氣態(tài)氫、液態(tài)氫、固態(tài)儲氫、有機(jī)液體儲氫等氫能的運(yùn)輸、儲存以及加氫站的安全等問題，尤其需要予以足夠的重視，明確各種類型氫能的定義范圍，制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和完善的管理程序，保證氫能產(chǎn)業(yè)鏈的整體安全。我國應(yīng)該及時制定氫能全面發(fā)展的目標(biāo)規(guī)劃及路線圖，在清晰目標(biāo)的指導(dǎo)下，更快更好地發(fā)展我國的氫能產(chǎn)業(yè)。

2.3 加大對氫能技術(shù)研究與推廣力度

氫能的應(yīng)用覆蓋面非常廣，不僅可以作為燃料電池的能源，還可以進(jìn)行發(fā)電，在汽車、潛艇、單兵發(fā)電設(shè)備等多個場景可以廣泛使用，其成功更多的是取決于實驗室的技術(shù)突破和示范項目的及時推廣。在國家不斷增加研發(fā)經(jīng)費(fèi)和示范推廣項目的同時，制定促進(jìn)氫能發(fā)展的各項激勵扶持政策，促進(jìn)私營投資，擴(kuò)大氫能發(fā)展的資金來源，打通上游低成本、低碳制氫的產(chǎn)業(yè)鏈，加強(qiáng)在加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的建設(shè)，并大力發(fā)展氫燃料電池發(fā)動機(jī)、氫能社區(qū)、氫能汽車等下游氫能利用場景。

2.4 擴(kuò)大氫能專業(yè)人才隊伍

我國龐大的工業(yè)實力和消費(fèi)基礎(chǔ)為氫能發(fā)展提供了規(guī)模優(yōu)勢。同時，我國在發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)中先啟動再規(guī)劃的方法盡管風(fēng)險較高，但也取得了廣泛的成功。但隨之而來的是專業(yè)人才供給的滯后。目前，我國沒有足夠的燃料電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，也很少有中專、大專、大學(xué)等技能培訓(xùn)教育提供相關(guān)課程。特別是在加氫站的維護(hù)、運(yùn)營，氫燃料電池技術(shù)的安裝和運(yùn)行方面，均需要高度先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施和熟練的技術(shù)人員。

3 結(jié)語

氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國CO2排放，溫室氣體猛增，對生命系統(tǒng)形成威脅。在這一背景下，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國由此提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。對我國來說，在碳達(dá)峰和碳中和的背景下，能源建設(shè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展之重點戰(zhàn)略。我國化石能源探明可采儲量中，煤炭量為1145億t、石油量為38億t、天然氣儲量為1.37萬億m3，分別占世界儲量的11.6%、2.6%、0.9%。我國人口多，人均資源不足，人均煤炭探明可采儲量僅為世界平均值的1/2，石油僅為1/10左右，人均能源占有量明顯落后，氫能源這種新型能源對我國的可持續(xù)發(fā)展有著特別重要的意義。借鑒國外在氫能源利用方面的先進(jìn)經(jīng)驗，提升我國在氫能源利用的能力，實現(xiàn)綠色與可持續(xù)能源供給，是未來我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工作。