氫能利用的瓶頸分析與前景展望

劉貴洲 竇立榮 黃永章 鄒才能 許 昕

1. 中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司, 北京 100034;2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083;3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司, 北京 100007

0 前言

2021年2月上旬,中國(guó)石油在張家口合資建設(shè)的一座加氫站竣工投產(chǎn),開(kāi)始為2022年冬奧會(huì)崇禮賽區(qū)大巴加注氫能,10 d內(nèi)加氫近4 000 kg,服務(wù)365臺(tái)次,未來(lái)滿負(fù)荷將日均加注1 000 kg。該站位于崇禮賽區(qū)核心區(qū)域,是中國(guó)石油首座加氫站,也是冬奧會(huì)首座加氫站。2020年11月,張家口市與殼牌公司開(kāi)展氫能一體化示范基地合作,投資5.8億元建設(shè)1座制氫廠、3座加氫站,一期年產(chǎn)3 000 t,以滿足400多輛氫能公交車的需求。作為全國(guó)運(yùn)營(yíng)氫能公交車最多的城市,張家口市已有214輛氫能公交車在運(yùn)行。

氫能目前已經(jīng)為世界上許多國(guó)家、許多油氣公司所青睞。在凈零排放聲浪高漲的當(dāng)下,這種具備凈零排放“天性”的氫能源必然更受推崇。

1 氫能優(yōu)勢(shì)

1.1 氫能是清潔燃料

氫氣不僅是清潔燃料,且最能實(shí)現(xiàn)凈零排放。氫燃燒值高,單位質(zhì)量氫的熱值是天然氣熱值的2.6倍、汽油熱值的3.1倍、煤炭熱值的4倍。綠色制氫可消納太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的不足。在燃料電池中氫能利用充分有效。氫能的利用范圍與天然氣的利用范圍類同[1]。

氫能用在不同的領(lǐng)域,又具有各自不同的優(yōu)點(diǎn)。

1)在運(yùn)輸行業(yè),與傳統(tǒng)燃油汽車比,氫燃料電池汽車不產(chǎn)生污染,又比電動(dòng)汽車加注時(shí)間短、續(xù)航遠(yuǎn)。可見(jiàn),氫燃料電池汽車具備大規(guī)模推廣的潛力。在政府補(bǔ)貼和其他政策支持前提下,氫燃料電池汽車使用成本在不遠(yuǎn)的未來(lái)可與燃油汽車和電動(dòng)汽車相比,且未來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng),成本會(huì)進(jìn)一步降低。氫能公交車目前已在歐洲20多個(gè)城市使用,在我國(guó)也有多個(gè)城市試行;較長(zhǎng)距離、固定路線的快遞貨車和載重貨車等重型卡車,以及水上交通運(yùn)輸?shù)榷紝⒖纱笠?guī)模應(yīng)用氫能[2]。

2)氫能可作為固定能源用于建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源。燃?xì)庵谢烊胍欢康臍錃?燃燒使用與天然氣相同,但單位熱值更高、碳排放更低[3]。風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電與建筑用熱在季節(jié)上、晝夜交替和有風(fēng)無(wú)風(fēng)等方面存在不匹配問(wèn)題,氫能恰好可用來(lái)補(bǔ)充調(diào)節(jié)備用。

3)氫能可用于工業(yè)冶金、汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接等多個(gè)領(lǐng)域,既可作為某種化學(xué)過(guò)程的原料,還可提供工業(yè)高溫過(guò)程加熱。在減碳困難的鋼鐵和水泥行業(yè),綠氫至關(guān)重要。低(零)碳?xì)湓诠I(yè)上應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

氫能不是一種初始能源,而是一種能將一次能源與二次能源很好結(jié)合的能源載體,需要用其他的能源加工得來(lái)。由于它改變了傳統(tǒng)的供能路徑,將“燃燒”、電轉(zhuǎn)換和電驅(qū)動(dòng)有機(jī)結(jié)合為一體,使其運(yùn)輸用能與燃油燃?xì)怛?qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)比,更清潔、更便捷。

1.2 氫能利用產(chǎn)業(yè)鏈完整

氫能利用產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),包括從制氫、儲(chǔ)、運(yùn)、注,到燃料電池和終端利用等。氫能產(chǎn)業(yè)鏈政策依賴性強(qiáng),并且投入大、產(chǎn)出慢、技術(shù)含量高、競(jìng)爭(zhēng)激烈、完全市場(chǎng)化[4]。

1.3 氫氣制備來(lái)源廣泛

氫氣可由多種方式制備而得。制備方式不同,得到的氫名稱也不同,有綠氫、藍(lán)氫、灰氫和棕氫(褐氫)之分。綠氫由電解水得到,或由氨高溫分解得到,或生物質(zhì)氣化、光解水得到。電解水是綠氫制備的主要方式,整個(gè)過(guò)程零碳排放,并能有效利用風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電,很好地解決該類發(fā)電存在不連續(xù)、狀態(tài)不平穩(wěn)的缺陷[5-6]。藍(lán)氫來(lái)自于天然氣,由蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化(SMR)制取?；覛渲饕ㄟ^(guò)焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等制備。棕氫(褐氫)由煤炭、石油等高碳化石能源制備。藍(lán)氫、灰氫和棕氫(褐氫)產(chǎn)自化石能源和工業(yè)尾氣的制氫過(guò)程,碳的成分始終存在,因此仍然存在碳排放問(wèn)題[7],只有配套碳捕捉、收集、利用和儲(chǔ)存(CCUS),才能達(dá)到減碳效果?？梢?jiàn)這三類氫并不是凈零碳能源[8]。

1.4 氫氣運(yùn)輸方式多樣

氫氣可通過(guò)管道運(yùn)輸、拖車運(yùn)輸和罐車運(yùn)輸。拖車運(yùn)輸在我國(guó)較普遍,且技術(shù)成熟度高。不過(guò)這種方式效率低,40 t拖車才運(yùn)輸氫氣400 kg,因此只在短途200 km以內(nèi)的小規(guī)模運(yùn)輸上才比較可行[9]。

2 氫能利用瓶頸分析

氫能存在一些天然不足:比天然氣更貴;應(yīng)用范圍不如電的應(yīng)用范圍廣泛,比如暫時(shí)還不能應(yīng)用在電子設(shè)備上;在運(yùn)輸方面存在“氫脆”現(xiàn)象,會(huì)對(duì)傳統(tǒng)油氣管道產(chǎn)生一定的破壞等等。因此目前氫能利用存在技術(shù)和成本兩大瓶頸。

2.1 技術(shù)瓶頸

氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)都需要技術(shù)突破,尤其是燃料電池中的膜電極(質(zhì)子交換膜)、催化劑,制氫環(huán)節(jié)的生物質(zhì)能氣化、熱解、熱化學(xué)水電解、黑暗發(fā)酵等制氫技術(shù),運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的“氫脆”問(wèn)題,氫氣液化和船舶運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)[10]。其中的關(guān)鍵核心技術(shù)是氫燃料電池技術(shù),吸引了眾多企業(yè)集中技術(shù)攻關(guān),致力產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。氫燃料電池未來(lái)需求大,且行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈,將會(huì)配套該類汽車的動(dòng)力裝置并行發(fā)展。

2.2 成本瓶頸

電解制氫、燃料電池、氫網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及CCUS等環(huán)節(jié)都需要降低成本。氫能利用目前還不能與化石能源、電能利用相媲美,綠氫的制取成本又比藍(lán)氫、灰氫的制取成本高很多。國(guó)際能源署公布,灰氫價(jià)格約為11.9元人民幣/kg;藍(lán)氫價(jià)格略高于灰氫價(jià)格,為16元人民幣/kg;綠氫最貴,達(dá)到27.78～39.68元人民幣/kg。在中國(guó),上述價(jià)格還要高得多[11]。

高成本的氫能利用需要仰賴技術(shù)進(jìn)步、規(guī)模化和集成化生產(chǎn),以及政府補(bǔ)貼、碳稅征收等政策扶持,還需要全社會(huì)對(duì)能源轉(zhuǎn)型的高度期待,需要形成共同推動(dòng)的合力。

綠氫制備的經(jīng)濟(jì)性對(duì)兩個(gè)因素特別敏感:電價(jià)和水電解產(chǎn)能利用率。負(fù)荷率要達(dá)到50%以上,電價(jià)要在 30美元/MW·h 以下才具備大規(guī)模利用的條件,這在目前都遠(yuǎn)達(dá)不到。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間努力,負(fù)荷率可望接近20%;可再生電力購(gòu)電協(xié)議價(jià)可望隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能電力的大規(guī)模增長(zhǎng)而接近50美元/MW·h。顯然這還有很大的努力空間[12]。

綠氫制備遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)?；Ｈ螂娊庵茪淙蕴幱诔跏茧A段,電解制氫項(xiàng)目都較小,規(guī)模都不大。盡管氫氣產(chǎn)能已有3.2 GW,而且成長(zhǎng)得很快,但綠氫仍可說(shuō)是微乎其微,只有3.65億美元的投資、94 MW的產(chǎn)能。即使是格外青睞綠氫的中國(guó)、日本、美國(guó)、歐洲和澳大利亞,迄今發(fā)展綠氫也都微不足道。為能源轉(zhuǎn)換的綠氫產(chǎn)能更低,歐洲的產(chǎn)能都只有32 MW,單個(gè)電解制氫項(xiàng)目產(chǎn)能都在1 MW以下;歐洲以外估計(jì)不超過(guò)5 MW。

膜電極尚未實(shí)現(xiàn)根本性的技術(shù)突破,因此降低其成本是降低燃料電池汽車價(jià)格的關(guān)鍵。膜電極是燃料電池的核心部件燃料電堆的核心組件,其中的催化劑目前是鉑。鉑金屬稀缺,價(jià)格昂貴,大量使用必然使膜電極和燃料電池汽車價(jià)格居高難下。因此,尋找替代催化劑、降低鉑金屬用量是降成本的關(guān)鍵途徑。燃料電池汽車價(jià)格目前是普通汽車價(jià)格的兩倍,要想普及,必須降低成本,比如提高性能、縮小體積、加大輸出量、降低鉑金使用量等[13]。

碳稅是關(guān)鍵,如果2030年全球平均碳稅達(dá)到40美元/t,綠氫利用成本才可與藍(lán)氫+碳捕捉與儲(chǔ)存(CCS)有一比,但與燃油和其他電力比仍有差距。由此可見(jiàn),氫開(kāi)始對(duì)減碳做出有實(shí)際意義的貢獻(xiàn)恐怕要到2030年以后。

突破氫能利用的成本瓶頸還需要各國(guó)政府政策支持和全社會(huì)對(duì)能源轉(zhuǎn)型的期待。需要各國(guó)和各大公司采取戰(zhàn)略性舉措,推動(dòng)氫能利用,尤其是綠氫,把綠氫作為減碳戰(zhàn)略重要組成部分,推動(dòng)綠氫利用大步向前,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)成本下降。這需要研發(fā)投資、技術(shù)進(jìn)步、投資者試投項(xiàng)目,以及可再生電力大幅增多的電力企業(yè)聯(lián)合使力,大力度推動(dòng)氫能大規(guī)模利用。

3 氫能利用前景展望

3.1 世界各地紛紛出臺(tái)氫能戰(zhàn)略,競(jìng)相采取政策扶持

3.1.1 歐盟

歐盟是發(fā)展氫能最積極、力度最大的經(jīng)濟(jì)體之一:2008年建立“氫能和燃料電池事業(yè)聯(lián)合體”;2014年規(guī)劃設(shè)立“歐洲共同利益重要項(xiàng)目”,在5～10年內(nèi)投資氫能項(xiàng)目50～600億歐元;2019年12月提出《歐洲綠色協(xié)定》,提及發(fā)展氫能的重要作用;2020年7月發(fā)布《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》,制定氫能發(fā)展“三步走”路線圖,規(guī)劃2024年、2030年綠氫產(chǎn)能分別達(dá)到6 GW/a、40 GW/a,產(chǎn)量分別達(dá)到100×104t/a、1 000×104t/a;2030年以后將綠氫部署到各個(gè)難以實(shí)現(xiàn)脫碳化的行業(yè)中。歐盟氫能倡議已吸納歐盟26個(gè)成員國(guó),另外,14個(gè)歐盟成員國(guó)制定政策,以氫能替代化石能源。歐盟從吸納投資、市場(chǎng)監(jiān)管、科技研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施投入等多方面制定了一系列產(chǎn)業(yè)扶持政策。在運(yùn)輸環(huán)節(jié),歐盟致力于構(gòu)建氫氣干線管網(wǎng),便利氫氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,德、奧、法、荷、比、盧等國(guó)能源部長(zhǎng)共同強(qiáng)調(diào)加大氫氣運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施投資[14]。

3.1.2 英國(guó)

英國(guó)未來(lái)30年在能源領(lǐng)域至少投資 2 700 億歐元,其中油氣生產(chǎn)投資800億歐元(含棄置費(fèi));海上風(fēng)電投資600億歐元,新建產(chǎn)能75 GW;CO2捕捉、收集、CCUS投資600億歐元;綠氫投資700億歐元,與其他三項(xiàng)投資基本持平。推進(jìn)北部城市燃?xì)馊扛臑闅?用于家庭和工廠供熱[15]。

3.1.3 荷蘭

荷蘭欲搶在世界之前推進(jìn)氫發(fā)電,計(jì)劃到2023年將北部Nuon Magnum發(fā)電站的燃料從天然氣改為氫氣,將CO2排放量由130×104t/a減少到幾乎為零。

3.1.4 德國(guó)

德國(guó)舉全國(guó)之力推進(jìn)氫能利用,2018年6月氫動(dòng)力列車試運(yùn)行,屬世界首列;同年12月發(fā)布了推進(jìn)氫與燃料電池技術(shù)引進(jìn)支援計(jì)劃“Highland project”,成立統(tǒng)一管理產(chǎn)學(xué)官(企業(yè)、學(xué)校、政府)的氫能技術(shù)研發(fā)和政策制定機(jī)構(gòu),快速構(gòu)建社會(huì)普及、產(chǎn)學(xué)官攜手開(kāi)發(fā)氫能技術(shù)的體制,主導(dǎo)氫能國(guó)際競(jìng)爭(zhēng);2020年6月發(fā)布《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》,以發(fā)展綠氫為重點(diǎn),打造氫能技術(shù)全球領(lǐng)導(dǎo)者,同月公布大規(guī)模經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃,1 300 億歐元中的90多億歐元用于發(fā)展氫能。為實(shí)施龐大的綠氫計(jì)劃,德國(guó)還計(jì)劃創(chuàng)造條件促進(jìn)可再生能源有效利用,例如對(duì)制氫用電免稅、扶持綠氫制備工業(yè)、促成綠氫制備商與天然氣生產(chǎn)和利用商或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商探討新的合作模式等。為了激勵(lì)電解制氫企業(yè)擴(kuò)大規(guī)模,德國(guó)出臺(tái)《管網(wǎng)擴(kuò)展促進(jìn)法修正案》,允許運(yùn)營(yíng)商建立大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施,促進(jìn)氫能產(chǎn)地與消費(fèi)地連通[16]。

3.1.5 韓國(guó)

韓國(guó)出臺(tái)《氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》,支持研發(fā)氫燃料電池,開(kāi)展試點(diǎn)示范,推進(jìn)多領(lǐng)域應(yīng)用,使氫在電力部門(mén)和運(yùn)輸部門(mén)更有競(jìng)爭(zhēng)性。2020年1月開(kāi)創(chuàng)性地對(duì)氫能予以立法,為路線圖有效實(shí)施提供法律依據(jù)[17]。

3.1.6 日本

日本政策推動(dòng)力度更大,2013年把發(fā)展氫能提升為國(guó)策,第四版《能源基本計(jì)劃》將氫能與熱能、電能并列,成為核心二次能源,并提出“氫能社會(huì)”概念,以確保能源安全,擺脫能源困境。2014年成立氫能/燃料電池戰(zhàn)略協(xié)會(huì),公布《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》,詳細(xì)描述了氫能研發(fā)推廣的三大階段及戰(zhàn)略目標(biāo)。2017年和2019年先后制定氫能基本戰(zhàn)略和氫能利用進(jìn)度表,明確2025年前快速擴(kuò)大氫能使用范圍,使氫燃料電池汽車價(jià)格降至與混合動(dòng)力汽車價(jià)格持平;到2030年全面引入氫發(fā)電和建立大規(guī)模氫能供應(yīng)系統(tǒng),投運(yùn)900座加氫站,不斷降低供氫成本,促其比傳統(tǒng)能源更經(jīng)濟(jì);2040年起,確立零碳供氫系統(tǒng)。2019年9月出臺(tái)《氫能和燃料電池技術(shù)開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略》,重點(diǎn)發(fā)展燃料電池、氫能供應(yīng)鏈和電解水三大領(lǐng)域。為促進(jìn)燃料電池普及使用,日本對(duì)燃料電池車購(gòu)買、家庭用燃料電池系統(tǒng)以及加氫站建設(shè)均進(jìn)行補(bǔ)貼。對(duì)外,日本提出以其為主導(dǎo)開(kāi)展國(guó)際合作,實(shí)現(xiàn)全球化氫能社會(huì);發(fā)展氫氣制造、儲(chǔ)運(yùn)和終端利用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù),并向全世界推廣。在國(guó)際上,日本積極推介燃料電池和氫能經(jīng)濟(jì)合作計(jì)劃,從政府層面制定國(guó)際合作激勵(lì)措施,同時(shí)盡可能多地制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[18]。

日本在技術(shù)研發(fā)、氫能利用和降低成本方面多管齊下。

在技術(shù)研發(fā)方面,重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)氫燃料電池、氫氣液化與船運(yùn)、“氫脆”問(wèn)題等的研究[19]。九州大學(xué)久保田祐信教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深度研究“氫脆”問(wèn)題,著手研究四大方向:1)在氫氣中混合其他氣體,使其不容易發(fā)生“氫脆”反應(yīng);2)研發(fā)不容易發(fā)生“氫脆”反應(yīng)的金屬新材料;3)加氫站中輸氫管焊接處金屬不易發(fā)生“氫脆”反應(yīng)的研究;4)疲勞限度研究等。

在氫能利用方面,2025年全面普及氫能交通,擴(kuò)大氫能發(fā)電、工業(yè)和家庭應(yīng)用。氫燃料電池汽車年產(chǎn)量到2025年將達(dá)到20萬(wàn)臺(tái),到2030年應(yīng)達(dá)到80萬(wàn)臺(tái);縮小該型車與混合動(dòng)力轎車的價(jià)格差,到2025年使二者價(jià)格相當(dāng),氫燃料電池價(jià)格由2萬(wàn)日元/kW降至0.5萬(wàn)日元/kW,氫系統(tǒng)價(jià)格由70萬(wàn)日元降至30萬(wàn)日元。氫燃料電池公共汽車年產(chǎn)量到2030年將達(dá)到 1 200 臺(tái),2025年前實(shí)現(xiàn)單車價(jià)格減半,由目前的1.05億日元降至0.525億日元。已著手開(kāi)展小型卡車實(shí)證研究,進(jìn)行200 km左右近距離運(yùn)輸(采用高壓氣罐)、500 km左右遠(yuǎn)距離運(yùn)輸(采用液氫罐)中氫燃料電池技術(shù)研發(fā)。日本加氫站目前已建成100多座,到2025年計(jì)劃增至320座,到2030年再增至900座;2025年加氫站建站投資由3.5億日元降至2億日元,運(yùn)營(yíng)費(fèi)由 3 400 萬(wàn)日元/a降至 1 500 萬(wàn)日元/a;氫氣壓縮機(jī)由9千萬(wàn)日元降至5千萬(wàn)日元,蓄壓器由5千萬(wàn)日元降至1千萬(wàn)日元。2030年實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)電商業(yè)化,2025年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià),低壓、高壓發(fā)電設(shè)備投資分別降至50萬(wàn)日元/kW、30萬(wàn)日元/kW,成本分別降至25日元/kW、17日元/kW·h,基本接近液化天然氣發(fā)電成本15日元/kW·h;2025年發(fā)電效率55%以上,之后進(jìn)一步達(dá)到65%以上,耐久性由9萬(wàn) h增至13萬(wàn)h。氫燃料電池家用發(fā)電設(shè)施由27.4萬(wàn)臺(tái)增長(zhǎng)到2030年的530萬(wàn)臺(tái);固體高分子型氫燃料電池價(jià)格降至80萬(wàn)日元,固體氧化物型氫燃料電池價(jià)格降至100萬(wàn)日元。

在降低成本方面,2030年氫氣價(jià)格要降至30日元/Nm3,之后進(jìn)一步降至20日元/Nm3;提高氫能儲(chǔ)運(yùn)液化效率,由13.6 kW·h/kg降至6 kW·h/kg。綠氫生產(chǎn)成本由 20萬(wàn)日元/kW 降至5萬(wàn)日元/kW;耗能由5 kW·h/Nm3降至4.3 kW·h/Nm3[20]。

3.2 主要國(guó)家及其企業(yè)競(jìng)相付諸具體實(shí)施

目前,大約94%的氫來(lái)自于化石能源,其中由天然氣、石油和煤炭制氫的比例分別為54%、31%和9%,綠氫占比不超過(guò)6%。一年多以前,全球氫氣產(chǎn)能只有3.2 GW/a,擬建產(chǎn)能3.5 GW/a;如今擬建產(chǎn)能猛增到26 GW/a,其中2/3在歐洲,其余成規(guī)模的項(xiàng)目主要在沙特和澳大利亞。到2030年,歐盟再新增40 GW/a。到2050年,氫燃料電池汽車占全球機(jī)動(dòng)車的20%～25%;氫可望替代一次能源14×108t,占全球能源消費(fèi)的18%左右;綠氫產(chǎn)能可望達(dá)到 1 000 GW/a,占全部氫產(chǎn)能的75%;產(chǎn)能投資可達(dá)到1萬(wàn)億美元,與以往投資3.65億美元相比,將會(huì)成數(shù)千倍地增長(zhǎng)。

德國(guó)是全球綠氫制備的龍頭,占有全歐洲36個(gè)在產(chǎn)電解制氫項(xiàng)目中的18個(gè),計(jì)劃到2030年綠氫產(chǎn)能達(dá)到 5 GW/a,10年間產(chǎn)能增長(zhǎng)200倍;到2040年再新增 10 GW/a。德國(guó)已經(jīng)宣布2個(gè)項(xiàng)目,產(chǎn)能規(guī)模均增加到10～20 MW,另有3個(gè)100 MW的項(xiàng)目正在醞釀中。德國(guó)通力打造綠氫市場(chǎng),并以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)促動(dòng)國(guó)外市場(chǎng),在國(guó)際上推廣氫能技術(shù)和氫能利用,以期促進(jìn)成本下降,實(shí)現(xiàn)規(guī)?；图夹g(shù)進(jìn)步良性循環(huán),從而增強(qiáng)氫能競(jìng)爭(zhēng)力。德國(guó)擬在摩洛哥等國(guó)投資20億歐元建設(shè)大型綠氫制備廠[21]。

各國(guó)企業(yè)也紛紛采取行動(dòng)。2017年全球氫能理事會(huì)成立后,會(huì)員不斷增多,多個(gè)行業(yè)大企業(yè)表現(xiàn)了廣泛的興趣,包括汽車制造商BMW、GM和Honda,電力和公用煤氣公司Engie、EDF,設(shè)計(jì)公司Bosch、Alstom,油氣公司Aramco、Shell、BP、Total和Equinor,以及金融企業(yè)等。德國(guó)企業(yè)最為積極,綠氫生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先、企業(yè)眾多,有Linde和Green Hydrogen這樣知名的堿液電解槽企業(yè),有西門(mén)子、和H-TEC這樣的質(zhì)子交換膜電解槽企業(yè),還有Sunfire公司這樣走在世界前列的固體氧化物電解槽企業(yè)。德國(guó)VNG等4家企業(yè)合作,靠近一化工廠建40 MW風(fēng)力發(fā)電站,配套建設(shè)電解槽和管道。德國(guó)電網(wǎng)企業(yè)Amprion和天然氣管道企業(yè)OGE合作,投資1.5億歐元,在該國(guó)西北部建設(shè)100 MW電解槽,配套建設(shè)專用氫氣管道,預(yù)計(jì)2023年投產(chǎn)。丹麥海上風(fēng)電商?rsted公司與挪威化肥集團(tuán)Yara擬合資在荷蘭建設(shè)一個(gè)100 MW風(fēng)電電解制氫產(chǎn)氨項(xiàng)目,可望2024—2025年投產(chǎn)。另外,德、法天然氣管道企業(yè)正商討首條跨境運(yùn)氫管道。最近,英國(guó)BP公司和丹麥?rsted公司簽署了LoI(賠償保證書(shū)),擬合作建設(shè)一座工業(yè)規(guī)模的電解制氫項(xiàng)目,初始將在BP產(chǎn)能1萬(wàn)桶/d的Lingen煉廠建50 MW電解裝置及相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施,以氫替代20%的天然氣,由?rsted風(fēng)電公司提供電力,2022年早期完成最終投資決定(FID),2024年投產(chǎn)。

日本企業(yè)行動(dòng)更為超前。其燃料電池商業(yè)化利用全球領(lǐng)先,主要有燃料電池及汽車、燃料電池?zé)犭娐?lián)供固定電站(家用)。其熱電聯(lián)供系統(tǒng)廠商有東芝、松下和愛(ài)信精機(jī)三家,其產(chǎn)品發(fā)電效率可達(dá)40%,總效率高于90%;啟動(dòng)時(shí)間1～2 min,耐用時(shí)間8萬(wàn)h以上;并根據(jù)需要可并入電網(wǎng)。用戶使用ENE-FARM系統(tǒng)每年可節(jié)省的照明和取暖費(fèi)用約6萬(wàn)元。ENE-FARM全球銷量至2017年5月已突破20萬(wàn)套,計(jì)劃2030年前達(dá)到530萬(wàn)套。在燃料電池車方面,豐田和本田兩家企業(yè)發(fā)展較為成功,豐田燃料電池汽車(FCV)燃料電池4座商業(yè)車Mirai于2014年12月上市,百公里加速時(shí)間約為10 s,最大續(xù)航里程超過(guò)700 km,補(bǔ)充氫燃料3 min;2015年、2016年、2020年產(chǎn)量分別達(dá)700輛、2 000輛、30 000 輛;2020年底上市FCV燃料電池車Mirai未來(lái)新車型,該型車將燃料電池和蓄電池有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)燃料電池和發(fā)電機(jī)組的相互配合,從而降低成本;2025年前讓燃料電池車售價(jià)降至 2萬(wàn)美元左右。通過(guò)提高發(fā)電效率,一次加氫可行駛的距離更長(zhǎng)[22]。豐田公司還為東京奧運(yùn)會(huì)及殘奧會(huì)引進(jìn)燃料電池大巴(FCB)100多輛。本田FCV燃料電池5座商業(yè)車Clarity于2016年3月上市,最大功率100 kW(136 PS),最大續(xù)航里程700 km,補(bǔ)充氫燃料3 min。氫燃料電池車比傳統(tǒng)汽車貴,仰賴日本政府補(bǔ)貼。豐田、本田售價(jià)670萬(wàn)日元/輛、709萬(wàn)日元/輛的燃料電池車可獲得補(bǔ)貼202萬(wàn)日元/輛、208萬(wàn)日元/輛。制氫方面,基地設(shè)在橫濱的日本最大石油批發(fā)商JXTG控股公司利用液化石油氣(LPG)為原料生產(chǎn)氫,在全國(guó)41個(gè)加氫站向燃料電池車供應(yīng)氫,在日本能源行業(yè)舉起了氫能利用大旗。位于福島浪江町棚鹽產(chǎn)業(yè)團(tuán)地的福島氫能源研究基地是亞洲最大的制氫工廠,每小時(shí)生產(chǎn)氫氣 2 000 m3,年產(chǎn)能900 t,可以滿足1萬(wàn)輛氫能源汽車一年的氫能所需。未來(lái)還可能將自身氫能發(fā)電融入東北電力公司的電網(wǎng)。氫氣液化運(yùn)輸方面,日本川崎重工制造的全球首艘液氫運(yùn)輸船“SUISO FRONTIER”2019年12月11日下水。該船將在澳大利亞制成的液氫(褐煤制氫冷卻至-253 ℃超低溫、體積壓縮到1/800)運(yùn)送到日本神戶,9 000 km路程需花費(fèi)16 d,每三個(gè)月運(yùn)輸一趟。

3.3 技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化效應(yīng)正快速推動(dòng)成本下降

時(shí)下,國(guó)際上藍(lán)氫的成本在無(wú)CCS情況下,大約1～2美元/kg;如與CCS配套,則另加50美分。綠氫的成本比藍(lán)氫成本要高得多。到2030年,綠氫投資成本可望下降1/3,特別是當(dāng)電解制氫實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化,原料成本下降5%,電解效率提高8%,成本完全能實(shí)現(xiàn)下降1/3的目標(biāo)。規(guī)模擴(kuò)大可使單位成本大大下降,例如,如果歐洲綠氫制備現(xiàn)有的32 MW產(chǎn)能擴(kuò)大到250 MW以上,那么電解的投資成本就可以削減40%。當(dāng)然,整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)成本的大幅度下降還需仰賴產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)創(chuàng)新,如質(zhì)子膜、催化劑、氫能源汽車等技術(shù)創(chuàng)新,及管道輸送中氫脆問(wèn)題的解決等[23]。

3.4 碳稅調(diào)節(jié)既推動(dòng)氫能利用又增強(qiáng)綠氫競(jìng)爭(zhēng)能力

世界各國(guó)紛紛開(kāi)征碳稅并有不斷提高稅率的趨勢(shì),加拿大表現(xiàn)尤為明顯。這一方面在很大程度上促使終端用戶放棄化石能源消費(fèi),轉(zhuǎn)而使用氫能;另一方面會(huì)增加灰氫和藍(lán)氫的成本,使其與不斷降低的綠氫的成本逐步接近[24]。據(jù)預(yù)測(cè),到2040年,灰氫成本可能因碳稅征收上升82%;與此同時(shí),綠氫成本因技術(shù)進(jìn)步、規(guī)模效應(yīng)和電價(jià)優(yōu)惠,可望下降64%。到那時(shí),美國(guó)、歐盟和澳大利亞綠氫成本與灰氫成本基本相當(dāng),其中德國(guó)可能會(huì)在2030年提前達(dá)到兩者成本相當(dāng)[25]。

4 中國(guó)氫能發(fā)展已起步

2011年以來(lái),中國(guó)陸續(xù)出臺(tái)政策,鼓勵(lì)和引導(dǎo)發(fā)展氫能:1)2019年政府工作報(bào)告首次明確“推進(jìn)加氫等設(shè)施建設(shè)”;2)《中華人民共和國(guó)能源法(征求意見(jiàn)稿)》一改以往將氫能定性為危險(xiǎn)品的慣例,首次將氫能納入能源范疇;3)多部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》,對(duì)示范城市予以獎(jiǎng)勵(lì),以獎(jiǎng)代補(bǔ);4)計(jì)劃4年內(nèi)形成燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈;5)開(kāi)展基礎(chǔ)研究,努力掌握核心關(guān)鍵技術(shù);6)利用龐大市場(chǎng),參與世界氫能市場(chǎng)強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)。

與此同時(shí),區(qū)域發(fā)展如火如荼,2019年《長(zhǎng)三角氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展白皮書(shū)》發(fā)布;珠三角、長(zhǎng)三角、京津冀地區(qū)及山東、海南、湖北、四川等30多個(gè)省、市制定了氫能發(fā)展支持政策,迄今各地已發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)政策160多個(gè)、標(biāo)準(zhǔn)近70項(xiàng)。珠三角、長(zhǎng)三角、京津冀、中部地區(qū)和山東半島等氫能產(chǎn)業(yè)集群和示范利用已初步形成[26]。

4.1 上海

上海相繼推出《長(zhǎng)三角氫走廊建設(shè)發(fā)展規(guī)劃》《上海市燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃》及推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助方案、《臨港新片區(qū)綜合能源建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃(2020—2022年)》,成立上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)氫產(chǎn)業(yè)園。這三年將聚焦培育“一環(huán)”“六帶”氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài),沿“外環(huán)”布局燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈,重點(diǎn)建設(shè)嘉定、臨港新片區(qū)、青浦、金山、浦東、寶山6個(gè)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)聚集帶[27]。到2023年實(shí)現(xiàn)“百站、千億、萬(wàn)輛”目標(biāo)。規(guī)劃加氫站接近100座,投運(yùn)30座,產(chǎn)值近千億元,推廣氫燃料電池汽車1萬(wàn)輛。上海擁有豐富的氫能產(chǎn)業(yè)鏈資源,有23條氫燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈、21條制氫產(chǎn)業(yè)鏈、18條加氫站產(chǎn)業(yè)鏈、11條氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈等,已建成投運(yùn)加氫站7座,先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯[28]。由此,2020年7月上海以75.84分的成績(jī)登上勢(shì)銀(TrendBank)“中國(guó)氫能城市競(jìng)爭(zhēng)力排行榜”榜首,獨(dú)占?xì)淠馨l(fā)展鰲頭。江蘇蘇州和廣東佛山緊隨其后。

4.2 蘇州

蘇州從事氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的企業(yè)超過(guò)70家,涵蓋氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。鋼鐵冶金、能源化工、港口物流、裝備制造等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)基本覆蓋了氫能制取、儲(chǔ)運(yùn)、加注、應(yīng)用等環(huán)節(jié)。國(guó)富氫能、華昌能源、中車氫能、重塑科技等重點(diǎn)氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目60多億元投資相繼落戶蘇州。所屬?gòu)埣腋酆统Ｊ斐蔀闅淠芟葘?dǎo)核心區(qū),氫能配套產(chǎn)業(yè)鏈基本形成,擁有發(fā)展氫能五大優(yōu)勢(shì):氫氣資源供給充足,企業(yè)集聚效應(yīng)明顯,創(chuàng)新平臺(tái)優(yōu)勢(shì)突出,示范應(yīng)用場(chǎng)景豐富,支持政策高度聚焦。沙鋼集團(tuán)、東華能源、華昌化工等鋼鐵、石化、合成氨企業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氫有近30×104t,同時(shí)還擁有法液空、金宏氣體、梅塞爾氣體等一批售氫企業(yè)。張家港市已開(kāi)辟5條公交線路,投運(yùn)35輛氫燃料電池公交車,投放80輛氫燃料電池物流車。常熟市建成豐田汽車研發(fā)中心加氫站,常嘉氫加氫站已建成并試運(yùn)營(yíng),日加氫能力達(dá)1 000 kg;同時(shí)開(kāi)辟1條公交線路,首批20輛氫燃料電池公交車投入運(yùn)行,120輛氫燃料電池物流車上牌投運(yùn)。2021年2月發(fā)布《蘇州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》。

4.3 佛山

佛山率先出臺(tái)一系列產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策,進(jìn)行市區(qū)兩級(jí)規(guī)劃,出臺(tái)《促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持辦法》《加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)及氫能源車輛運(yùn)行扶持辦法》;以仙湖氫谷為核心建設(shè)國(guó)際一流的氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū),布局了仙湖氫谷、現(xiàn)代氫能有軌電車修造基地等多個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)基地[29];打造一批氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái),已建立多個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺(tái);投用氫燃料電池汽車440輛,其中公交車11輛、物流車426輛、輕客車3輛,推廣規(guī)模超千輛,投入運(yùn)營(yíng)10條以上氫能燃料電池汽車公交專線;聚集了20多家氫能企業(yè),形成完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈,計(jì)劃投資近200億元,可望形成千億元產(chǎn)值/年的產(chǎn)業(yè)集群;已建成加氫站20多座,在建近10座[30]。

4.4 中央企業(yè)

中央企業(yè)積極發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。神華集團(tuán)、國(guó)家電投、東方電氣、中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)中車、中船重工等企業(yè)集團(tuán)都結(jié)合自身優(yōu)勢(shì),選擇性進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)。大部分企業(yè)選擇發(fā)展氫燃料電池;設(shè)備制造企業(yè)選擇開(kāi)發(fā)氫燃料電池汽車并配套開(kāi)發(fā)燃料電池,實(shí)施后段一體化發(fā)展;化石能源豐富的企業(yè)選擇制氫和建設(shè)加氫站,實(shí)施前段一體化發(fā)展,其中中國(guó)石油和中國(guó)石化等加油站分布廣的企業(yè),積極建設(shè)油氫合建站[31]。中國(guó)石化氫氣總產(chǎn)能已達(dá)到350×104t/a;依托現(xiàn)有煉化企業(yè)的富產(chǎn)氫氣資源,在北京、廣東、上海等地已建成 9 000 kg/d的高純氫供應(yīng)能力,正在布局可再生能源制綠氫;已建成10座油氫混合加氫站,東北首座“油氣氫電非”五位一體綜合能源服務(wù)站2021年2月23日在大連投入運(yùn)營(yíng)。未來(lái)將以京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角為重點(diǎn),以碼頭港口、物流樞紐、高速公路氫走廊為依托,大規(guī)模布局建設(shè)加氫站,五年內(nèi)建成加氫站 1 000 座。中國(guó)石油除已投入運(yùn)營(yíng)的崇禮太子城加氫站外,在上海首座油氫合建站于2020年9月奠基,2021年上半年建成。另外,崇禮北油氫合建站、北京福田加氫站和金龍油氫合建站都將在年內(nèi)投運(yùn),未來(lái)還將在全國(guó)布局?jǐn)?shù)量可觀的加氫站。

目前中國(guó)氫氣產(chǎn)能大約 2 500×104t/a;在運(yùn)、在建加氫站130多座;運(yùn)行燃料電池汽車近 4 400 輛[32]。氫產(chǎn)能、加氫站和燃料電池汽車均具備一定規(guī)模,但制備和利用基本是藍(lán)氫、灰氫和棕氫(褐氫)。

根據(jù)hydrogen council數(shù)據(jù),到2030年,全球?qū)淠茉吹男枨髮⑦_(dá)到14 EJ;到2040年翻倍到28 EJ;到2050年將再翻數(shù)倍。按照以上比例換算,2030年氫氣需求達(dá)到 9 800×104t(1.092×1012m3),2040年需要1.96×108t(2.184×1012m3)。

5 對(duì)策建議

面對(duì)全球氫能利用洶涌發(fā)展勢(shì)頭,國(guó)家層面、產(chǎn)業(yè)層面、地方政府層面、企業(yè)層面、融資領(lǐng)域和公眾等,都既要積極擁抱、大力支持這一新事物,又要小心論證、謹(jǐn)慎決策具體項(xiàng)目。

5.1 國(guó)家層面要構(gòu)筑好發(fā)展氫能的良性機(jī)制

中國(guó)在發(fā)展氫能方面做過(guò)不少工作,已經(jīng)有了較好基礎(chǔ),但要博采眾長(zhǎng),與日、德之強(qiáng)項(xiàng)比,還有不小改進(jìn)空間。一是規(guī)劃要超前,著眼于30年以后,看趨勢(shì)定目標(biāo),據(jù)實(shí)際分階段。二是布局要全面,氫能利用全產(chǎn)業(yè)鏈的方方面面都要顧及,政策、標(biāo)準(zhǔn)既要銜接好氫能利用各個(gè)環(huán)節(jié),又要銜接好其他能源、其他相關(guān)行業(yè)。三是核心要抓準(zhǔn),短板要補(bǔ)齊。氫能利用的瓶頸在于技術(shù)和成本,攻科技、降成本就需要大力促進(jìn),同時(shí)用好政策工具,開(kāi)征碳稅、加重補(bǔ)貼,將能源利用的外部性內(nèi)部化,促使氫能成本與化石能源成本處于可比較水平;讓新生事物得到扶植,促使氫能、燃料電池汽車等能與傳統(tǒng)能源、傳統(tǒng)汽車相比處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位。

5.2 加快構(gòu)建上中下游完整的“氫氣工業(yè)”

從制氫、運(yùn)氫到氫能多方式利用,整個(gè)氫氣工業(yè)上中下游產(chǎn)業(yè)鏈,中國(guó)大多數(shù)都有涉獵,但發(fā)展仍處于試點(diǎn)示范階段,僅局限在少數(shù)地區(qū),發(fā)展總量也比較有限,需要加快發(fā)展。氫能發(fā)展價(jià)值鏈各環(huán)節(jié)有強(qiáng)有弱,例如燃料電池汽車制造、質(zhì)子交換膜攻堅(jiān)、加氫站氫氣灌注機(jī)替代、氫氣管輸中氫脆難題的克服等等,都需要趕上世界先進(jìn)水平。而且中國(guó)氫能利用仍有空白環(huán)節(jié),例如家用氫能熱電聯(lián)供系統(tǒng),海外制氫、運(yùn)氫等,我們還都是空白,要探索、要發(fā)展。

5.3 地方政府要積極發(fā)展與慎重論證并重

同中央政府一樣,地方政府規(guī)劃和政策措施要謀劃好,自不待言。值得提醒的是,氫能利用早期在經(jīng)濟(jì)性上存在一定風(fēng)險(xiǎn),地方政府既要考慮氫能來(lái)源,避免以自己的“勞師遠(yuǎn)征”去與競(jìng)爭(zhēng)者的“就地取材”爭(zhēng)高低。還要考慮財(cái)政能力,避免出現(xiàn)“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”硬撐不下去而導(dǎo)致滿地盡是“半拉子工程”的局面。因此,發(fā)展氫能源地方政府不能蜂擁而上,而要因地制宜、循序漸進(jìn)、充分論證、量力而行。

5.4 企業(yè)要積極付諸轉(zhuǎn)型行動(dòng),占據(jù)氫能先機(jī)

能源、汽車等相關(guān)企業(yè),尤其是傳統(tǒng)油氣能源企業(yè),一定要看到氫能利用的發(fā)展態(tài)勢(shì)和光明未來(lái),積極行動(dòng)起來(lái),投入能源轉(zhuǎn)型大潮中,尤其要重視發(fā)展氫能源。

對(duì)傳統(tǒng)油氣能源企業(yè)而言,氫能與其它各類能源之間的關(guān)系、氫能利用的方式、氫能利用產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)前沿、氫能利用的瓶頸及其解決辦法等種種前沿問(wèn)題都亟待研究探討,因此有必要以舉辦專題講座、培訓(xùn)班、咨詢討論會(huì)、現(xiàn)場(chǎng)考察學(xué)習(xí)等方式,進(jìn)行知識(shí)和信息普及,讓各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)干部及從業(yè)人員掌握氫能發(fā)展的前沿狀況,緊跟新能源時(shí)代步伐。

在審視企業(yè)現(xiàn)有資源、現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)基礎(chǔ)上,合理定位,認(rèn)清企業(yè)自身最適合全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還是部分環(huán)節(jié)發(fā)展,是進(jìn)行前段一體化發(fā)展還是后段一體化發(fā)展,是發(fā)展氫燃料電池、氫能源汽車還是發(fā)展加氫站、致力氫能源運(yùn)輸。目前企業(yè)恰逢“十四五”新能源規(guī)劃尚未定型、正在起步實(shí)施之時(shí),相關(guān)企業(yè)應(yīng)力爭(zhēng)將氫能源作為本企業(yè)能源轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的核心業(yè)務(wù)之一,列入五年重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃,為中國(guó)如期實(shí)現(xiàn)既定能源目標(biāo)做出新貢獻(xiàn)[33]。

其他如金融業(yè),要大力倡導(dǎo)和實(shí)施“能源金融”,為綠色能源氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展積極提供融資支持。

公眾也需要積極行動(dòng)起來(lái),嘗試氫能源、支持新事物。大膽嘗試家用燃料電池汽車、家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),偏好選擇氫能源公交,為綠色氫能發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。