國際社會氫能發(fā)展戰(zhàn)略分析

羅 楠

上海市發(fā)展改革研究院

0 引言

縱觀全球能源發(fā)展史，能源品種演變呈現(xiàn)出從固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)、由高碳向低碳演變的特征。相比傳統(tǒng)化石能源，氫能具備來源廣、能量密度高、環(huán)保效果好和用途廣的優(yōu)勢，有望成為保障能源安全、緩解氣候變化的未來能源，正被世界各國納入能源戰(zhàn)略版圖。

1 國際社會布局氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點

全球?qū)Α拔磥砟茉础钡奶剿髟谏鲜兰o70年代石油危機后進入了“快車道”，氫能成為國際社會公認的“未來能源”之一，各國在不同的戰(zhàn)略目標指導(dǎo)下形成了差異化的氫能發(fā)展路線。日本以突破本土能源稟賦、實現(xiàn)能源獨立為導(dǎo)向，提出建設(shè)氫能社會，下游應(yīng)用場景豐富，形成了自上而下、以政府為主導(dǎo)的發(fā)展路線。美國以培育氫能經(jīng)濟為導(dǎo)向，形成了自下而上、以培育市場為導(dǎo)向的發(fā)展路線。歐盟作為發(fā)展低碳能源的領(lǐng)頭區(qū)域，堅持以發(fā)展可再生能源為導(dǎo)向，形成了基于可再生能源制氫的技術(shù)路線。

整體而言，能源資源競爭和汽車產(chǎn)業(yè)競爭是各國布局氫能的兩個出發(fā)點。

1.1 從能源資源角度出發(fā)

氫能是各國爭相搶占的“未來能源”之一，是實現(xiàn)各類能源轉(zhuǎn)換的“樞紐”，可以實現(xiàn)不同能源品種向各類終端的傳輸，是增加未來低碳能源網(wǎng)絡(luò)靈活性的重要抓手。前端，氫是自然界最普遍存在的元素，氫氣可取自水、天然氣、化工廢氣、丙烷、甲醇等，原料來源極廣。末端，燃料電池為氫能提供了儲能載體，能夠與熱、電末端網(wǎng)絡(luò)有效銜接，可以解決能源供需配置上的時空矛盾。由此，以氫能為中介的能源系統(tǒng)具備充足的“安全墊”，有望打破傳統(tǒng)化石能源的剛性供給。其次，氫是有望實現(xiàn)“零碳排放”的未來能源，末端排放僅產(chǎn)生水，環(huán)保性好，是“純綠”能源。再者，氫燃料的熱值高，同等質(zhì)量能量密度下的熱值僅次于核燃料，達142 351 kJ/kg，大約是汽油熱值的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，但能量密度優(yōu)勢的發(fā)揮仍有賴于應(yīng)用場景的拓展和電堆技術(shù)的突破。四則氫能的安全底線有支撐。由于氫氣較輕，會以20 m/s的速度在空氣中快速逸散，雖然氫氣易燃、爆炸極限寬等，但仍是最不容易形成可爆炸氣霧的燃料。

1.2 從汽車產(chǎn)業(yè)角度出發(fā)

隨著燃油車退出趨勢加速，在氫燃料電池汽車和電動車的“路線之爭”尚未明朗的背景下，率先搶占新能源汽車的技術(shù)高地對各國未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。相比電動車，在現(xiàn)有技術(shù)條件下氫燃料電池汽車具備以下三點相對優(yōu)勢。首先，受制于電池自重，鋰電池快充也需40 min才可達到80%的電量，而氫燃料電池汽車的加氫時間在3～5 min，相比電動車充電時間，氫燃料電池汽車加氫時間更短。其次，燃料電池能量密度高，在大載重、中長距離場景中優(yōu)勢明顯。再者，電動車在低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)電阻變大、工作效率變低、低溫老化等問題，而用于氫燃料電池汽車的質(zhì)子交換膜電池不僅可以在低溫環(huán)境正常運行，而且更容易實現(xiàn)車內(nèi)取暖。

2 國際社會布局氫能的戰(zhàn)略選擇

2.1 日本：立足于打破資源稟賦約束，著力構(gòu)建多元化的氫能供給體系

日本能源對外依存度高、發(fā)展氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點明確、訴求強烈。以突破本土能源稟賦、破除對化石能源的依賴、提高能源自給率、實現(xiàn)能源獨立為導(dǎo)向，日本提出要建設(shè)氫能社會，形成了自上而下、以政府為主導(dǎo)的發(fā)展路線。日本在2014年提出“氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖”，隨后相繼出臺了《氫燃料發(fā)電研究報告》《零碳氫燃料研究報告》，形成了日本氫能戰(zhàn)略的主要內(nèi)容，將氫能作為保障能源安全和應(yīng)對全球變暖議題的一張“王牌”。日本的氫能發(fā)展路線圖包含三個階段：第一步到2025年，重點是擴大燃料電池市場，包括家用燃料電池和交通運輸兩大領(lǐng)域；第二步到2030年，重點是實現(xiàn)氫燃料發(fā)電，以及建立大規(guī)模氫能供給體系；第三步是從2040年開始，要全面建成零排放的制氫、儲氫、運氫的氫燃料供給體系。

供給端，上游供給體系構(gòu)建路線明確，目前初步形成了制氫“兩條腿”走路、運氫多元化展開的路線。日本氫氣供應(yīng)體系有國際、國內(nèi)兩個層面上的支撐，國內(nèi)主要依靠可再生能源制氫，目前已建成了全球最大的可再生能源電解制氫項目FH2R。國際供氫主要有四個渠道，各個渠道的制氫工藝、儲運方式各異：一是與澳大利亞合作開發(fā)褐煤制氫項目，以液態(tài)船運方式運輸?shù)饺毡荆欢桥c文萊合作開發(fā)天然氣重整制氫項目，以有機液體為載體將氫氣運輸?shù)饺毡?；三是與挪威合作開發(fā)水力發(fā)電制氫項目，擬以低溫液化的方式將液態(tài)氫海運至日本；四是與新西蘭合作的地?zé)嶂茪漤椖俊?/p>

需求端，下游應(yīng)用場景豐富，氫能在家用燃料電池、燃料電池汽車領(lǐng)域的推廣尤為亮眼，在不同細分領(lǐng)域上培育出了諸如豐田、松下、本田、愛信等龍頭企業(yè)。在家用燃料電池領(lǐng)域上，ENE-FARM是日本大力推廣的家用燃料電池系統(tǒng)，從2009年開始由松下、東芝、愛信等廠商研發(fā)生產(chǎn)，由東京燃氣和大阪燃氣等燃氣公司向用戶銷售，2009-2019年間，ENE-FARM系統(tǒng)累計銷售30萬套，每套政府補貼由最初的8.9萬元逐年下降直至取消。在車用燃料電池領(lǐng)域上，豐田mirai是氫燃料電池乘用車的領(lǐng)頭羊，目前續(xù)航里程達到了約850 km、最大功率達到了134 kW。

2.2 美國：立足于推動氫能經(jīng)濟，固定式電池和重卡領(lǐng)域發(fā)展領(lǐng)先

美國將油氣視作其參與國際關(guān)系的重要籌碼，短時間內(nèi)仍會守住傳統(tǒng)能源的壓艙石，布局氫能則更多是從參與產(chǎn)業(yè)競爭角度出發(fā)、著力從市場開拓角度發(fā)力。立足于構(gòu)建氫能經(jīng)濟，美國較先提出“氫經(jīng)濟”，早在2002年即頒布“國家氫能發(fā)展路線圖”，將氫能發(fā)展分為了四個階段：第一階段是開發(fā)階段，包括降低燃料電池成本、開發(fā)固體儲氫裝置、天然氣繼續(xù)作為制氫主要原料、開發(fā)氫內(nèi)燃機、批量生產(chǎn)燃料電池汽車、在建筑物中增加燃料電池供熱供能試驗、繼續(xù)開發(fā)便攜式氫燃料電池；第二階段是市場過渡階段，政府將在市場過渡階段發(fā)揮重要作用，比如政府或公共部門將成為氫能的“第一用戶”，公共交通、消防等將采用基于氫燃料電池的分布式儲能，車輛、艦艇、飛機等軍事設(shè)備也將逐漸運用氫能系統(tǒng)；第三階段是市場和基礎(chǔ)設(shè)施擴張階段，氫能將從局部向整體推廣，國家政策將以支撐氫能市場化推廣為出發(fā)點；第四階段是氫經(jīng)濟時代，即氫能全面取代化石能源成為居于主導(dǎo)地位的終端能源，個人氫能交通市場將自發(fā)形成。

以發(fā)展氫經(jīng)濟為導(dǎo)向，美國率先在經(jīng)濟可行性較高的領(lǐng)域獲得了突破。一是依托美國國內(nèi)天然氣價格低廉的優(yōu)勢，以天然氣重整氣為原料的固定式燃料電池已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、樓宇供電領(lǐng)域應(yīng)用多年，并培育出了Bloomenergy、UTC Power等固定式領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。二是在連續(xù)作業(yè)、大載重的物流貨運領(lǐng)域，氫燃料電池汽車燃料加注時間短、可以減少停機時間、提高經(jīng)濟效益。因此，與日本大力推廣氫燃料電池乘用車不同，美國在燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)積累了豐富的經(jīng)驗，其中，Plug Power在全球燃料電池叉車市場的市占率居于首位，以尼古拉為首的重卡企業(yè)也開始布局氫燃料電池領(lǐng)域。

2.3 歐盟：立足于實現(xiàn)低碳發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源制氫

歐盟歷來是低碳發(fā)展上的領(lǐng)跑者，因而也將氫能視作其低碳發(fā)展的抓手之一。立足于提高可再生能源比例、降低交通領(lǐng)域溫室氣體排放、推動能源轉(zhuǎn)型，歐盟在2003年發(fā)布了“氫發(fā)展構(gòu)想報告和行動計劃”，計劃在4年內(nèi)投資20億美元，規(guī)劃到2030年使氫能源汽車的比例達到15%。歐盟的氫能技術(shù)路線圖將氫能發(fā)展分為了三個階段：第一階段規(guī)劃到2010年，重點任務(wù)是通過電解水制氫提高可再生能源發(fā)電的比例，通過項目示范運營實現(xiàn)氫能和燃料電池的初級市場應(yīng)用、制氫基礎(chǔ)設(shè)施的早期開發(fā)、解決關(guān)鍵技術(shù)瓶頸；第二階段規(guī)劃到2020年，重點內(nèi)容包括完善可再生能源制氫系統(tǒng)、具有價格競爭力的氫燃料電池汽車進入家庭、建設(shè)分布式燃料電池供電站；第三階段規(guī)劃到2050年，重點任務(wù)包括實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉春拖冗M核能制氫、擴大氫能分配網(wǎng)絡(luò)、將30%的加油站改成加氫站、氫能經(jīng)濟基本取代傳統(tǒng)化石能源經(jīng)濟。

以實現(xiàn)溫室氣體減排為引領(lǐng)，歐盟各國的氫能利用在以下兩個場景上取得了亮眼成績。一是電轉(zhuǎn)氣項目：為了解決可再生能源消納問題，德國、丹麥、英國等國家先行先試了power to gas項目，利用風(fēng)能、光伏發(fā)電的剩余電力制氫，再將氫氣用于與天然氣進行摻混、直接發(fā)電和供熱等。二是燃料電池公交和列車：交通領(lǐng)域是對歐盟降低溫室氣體排放貢獻較大的領(lǐng)域之一，為了降低交通碳排放，歐盟多個國家在公用交通領(lǐng)域氫能利用上實現(xiàn)了突破，科隆、羅馬、奧斯陸、鹿特丹等城市已投入使用氫燃料電池巴士，德國率先在列車領(lǐng)域應(yīng)用了氫能。

3 結(jié)論

在全球能源供需格局走向?qū)捤?、氫能發(fā)展技術(shù)路線不確定的背景下，我國應(yīng)理性看待氫能發(fā)展。一方面，氫能是綠色能源的終極形式之一，是增強未來能源系統(tǒng)靈活性的重要介質(zhì)，不能放棄推進氫能技術(shù)的研發(fā)。另一方面，規(guī)?；茝V氫能仍有賴于儲運技術(shù)、應(yīng)用場景、商業(yè)模式的突破，不應(yīng)盲目跟風(fēng)，要避免重蹈可再生能源無序發(fā)展的覆轍。

1）不同的戰(zhàn)略目標對產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)作用大相徑庭，應(yīng)盡早定下戰(zhàn)略基調(diào)

對于我國而言，以消化可再生能源、解決“三棄”問題為目標，則應(yīng)大力突破電解水制氫的效率和成本問題，重點采用分布式形式利用氫能，避免大規(guī)模集中式建設(shè)；以提高能源自給率、保障能源安全為目標，則應(yīng)大力發(fā)展大規(guī)模集中式的化石能源制氫，突破儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；以增強技術(shù)儲備、趕超能源技術(shù)為目標，則應(yīng)突破電堆等關(guān)鍵零部件技術(shù)，提高氫能系統(tǒng)裝備的國產(chǎn)化率，重點采用示范形式運營相關(guān)項目。

2）在要素?zé)o法自由流動的能源市場，應(yīng)從資源稟賦實際出發(fā)，不能對灰氫、藍氫“一刀切”

不同區(qū)域需要結(jié)合自身的資源稟賦和下游需求，統(tǒng)籌布局氫能發(fā)展。如，西北地區(qū)擁有豐富的風(fēng)光資源，但下游需求有限，可考慮重點發(fā)展可再生能源制氫、氫燃料電池儲能的發(fā)展路線，山東、上海擁有豐富的副產(chǎn)氫資源，則可在短期內(nèi)重點發(fā)展副產(chǎn)氫提純的技術(shù)路線。

不同區(qū)域的灰氫、藍氫清潔程度不一，不應(yīng)過度追捧電解氫、扼殺工業(yè)副產(chǎn)氫。如，對于化石能源發(fā)電占比較高的區(qū)域，電解氫的清潔程度不一定比工業(yè)副產(chǎn)氫高，而對于伴生CO2有具體用途的部分上海化工園區(qū)副產(chǎn)氫，其清潔用途反而有望超過電解氫。