淺析“風(fēng)口”下的氫能發(fā)展前景及建議

◎文/崔占良 王光遠(yuǎn) 蔡 楊

前言

在目前已知的所有能源中，作為終端使用最為清潔的是氫能，氫氣使用最終產(chǎn)物是水，可以真正做到零排放、無污染，被看作是最具應(yīng)用前景的能源之一，或成為能源使用的終極形式。在全球面對(duì)能源安全、氣候變化，在技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，氫能被多國列入國家能源戰(zhàn)略部署中。隨著《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等政策的發(fā)布，對(duì)氫能應(yīng)用及發(fā)展的指導(dǎo)更加明確，氫能產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展也如火如荼，引起了資本的狂熱追逐和地方對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的爭相布局，氫能產(chǎn)業(yè)又處于時(shí)代的“風(fēng)口”。產(chǎn)業(yè)要健康發(fā)展就應(yīng)理性看待氫能發(fā)展的機(jī)遇，減少低技術(shù)含量的過剩產(chǎn)能投資，避免電動(dòng)汽車和光伏產(chǎn)業(yè)的前車之鑒。同時(shí)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，是為減少碳排放和溫室氣體排放、減少化石能源使用、防止氣候變化全球變暖的初心，而發(fā)展綠色制氫技術(shù)。

一、氫能發(fā)展的“風(fēng)口”

（一）全球發(fā)達(dá)國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策及現(xiàn)狀

日本、美國、德國、韓國等國家依據(jù)本國實(shí)際情況，明確發(fā)展定位，制定了氫能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。

1.日本氫能產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展現(xiàn)狀

日本自2003年10月，第一次《能源基本計(jì)劃》中首次提出建設(shè)未來“氫能源社會(huì)”，已通過進(jìn)口氫氣、利用燃料電池進(jìn)行終端利用等措施，大大改變?nèi)毡灸茉垂┬杞Y(jié)構(gòu)和消費(fèi)方式。截至2021年，日本共發(fā)布了6次《能源基本計(jì)劃》。

日本政府對(duì)車用、家用、商業(yè)及工業(yè)用燃料電池以及加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給予持續(xù)全面補(bǔ)貼。截至2020年底，日本在營加氫站142座，計(jì)劃2025年達(dá)到320座，2030年達(dá)到900座。燃料電池汽車保有量4200輛，計(jì)劃保有量2025年20萬輛，2030年80萬輛，2040年實(shí)現(xiàn)燃料電池車的普及。

2.美國氫能產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展現(xiàn)狀

克林頓政府重視氫能與燃料電池技術(shù)，出臺(tái)了《1990年氫研究、開發(fā)及示范法案》《氫能前景法案》；布什政府將氫能源納入國家能源戰(zhàn)略體系之中，發(fā)布了《國家能源政策報(bào)告》《美國向氫經(jīng)濟(jì)過渡的2030年遠(yuǎn)景展望》等政策性報(bào)告，并提出《國家氫能發(fā)展路線圖》。2017年，特朗普政府將氫能與燃料電池作為美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略，開展前沿技術(shù)研究。

美國在氫能及燃料電池領(lǐng)域擁有專利數(shù)僅次于日本，美國液氫產(chǎn)能和燃料電池乘用車保有量全球第一。在政策支持下，截至2020年底，美國累計(jì)銷售燃料電池汽車9252輛，運(yùn)營中的燃料電池公交共計(jì)64輛，已成為全球燃料電池車最大單一市場。運(yùn)營加氫站共計(jì)49座，計(jì)劃2025年建成200座，2030年達(dá)到1000座。

3.德國氫能產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展現(xiàn)狀

德國是歐洲發(fā)展氫能最具代表性的國家。德國的可再生能源制氫規(guī)模為全球第一，燃料電池的供應(yīng)和制造規(guī)模位列全球第三。截至2020年，德國可再生能源制氫規(guī)模全球第一，燃料電池供應(yīng)和制造規(guī)模全球第三。已建成加氫站100座，是擁有第二大加氫基礎(chǔ)設(shè)施的國家，領(lǐng)先于美國，僅次于日本。到2030年，計(jì)劃建設(shè)400座加氫站。全球首列氫燃料電池列車已投入商業(yè)運(yùn)營，續(xù)航可達(dá)1000公里，已經(jīng)安裝了超過300座通信基站備用電源。

4.韓國氫能產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展現(xiàn)狀

韓國對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的扶持從2008年 開 始，2018年 韓國政府發(fā)布《創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略投資計(jì)劃》，將氫能產(chǎn)業(yè)列為三大戰(zhàn)略投資方向之一，計(jì)劃未來5年投入2.6萬億韓元。2019年發(fā)布了《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》，在研發(fā)、推廣等多方面支持建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈，提出要在2030年進(jìn)入氫能社會(huì)，率先成為世界氫經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者。

截至2020年底，韓國建成加氫站60座，計(jì)劃2020年 建 成80座，2025年 達(dá) 到210座，2030年達(dá)到520座。在運(yùn)行燃料電池汽車共有10093輛，計(jì)劃燃料電池乘用車保有量2025年15萬輛，2030年63萬輛，到2040年分階段生產(chǎn)620萬輛。在燃料電池發(fā)電領(lǐng)域，2019年初，韓國已累計(jì)安裝了3267個(gè)燃料電池裝置，在運(yùn)行燃料電池電站41個(gè)，裝機(jī)能力達(dá)307.6MW。

（二）我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策及現(xiàn)狀

近幾年，氫能已經(jīng)納入我國能源戰(zhàn)略，中央和地方政府出臺(tái)了系列支持氫能產(chǎn)業(yè)的政策。目前，氫能成為我國優(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。2016年國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，將氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新作為重點(diǎn)任務(wù)。2018年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，燃料電池補(bǔ)貼政策基本不變，力度不減等相關(guān)氫能政策相繼發(fā)布。2019年《政府工作報(bào)告》補(bǔ)充“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”等內(nèi)容。2020年《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》擬將氫能納入能源種類。2021年五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》，正式啟動(dòng)北上廣燃料電池汽車示范應(yīng)用工作。

《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》提出：2030年實(shí)現(xiàn)百萬輛燃料電池汽車的商業(yè)化，建成1000座加氫站。

到2020年，工信部公布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（征 求 意見稿），國家層面提及“燃料電池”和“氫能”的規(guī)劃文件共21個(gè)，發(fā)布相關(guān)財(cái)稅補(bǔ)貼政策16個(gè)。國內(nèi)至少有36個(gè)地方（省市級(jí)）出臺(tái)了扶持氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的相關(guān)政策，全國各地爭相計(jì)劃建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園（表1）。

表1 我國部分地區(qū)發(fā)布的氫能專項(xiàng)政策或規(guī)劃（2019年6月-2021年8月）

從2020年開始，國家統(tǒng)計(jì)局大力推行“指標(biāo)減負(fù)”，但增加了一個(gè)能源統(tǒng)計(jì)品種——?dú)錃?，這是首次將氫氣納入能源統(tǒng)計(jì)。在2019年11月印制的《能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》里，氫氣和煤炭、天然氣、原油、電力、生物燃料等一起納入2020年能源統(tǒng)計(jì)。氫氣參考的折標(biāo)系數(shù)為4.361噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬立方米，約142000千焦耳/千克，從一個(gè)側(cè)面也表明國家發(fā)展氫氣作為重要能源的策略。

國內(nèi)不同研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)相繼發(fā)布了《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》《車用氫能藍(lán)皮書（2019）》《中國氫能產(chǎn)業(yè)政策研究》等系列研究書籍。

到2020年底，天眼查的信息顯示，公司名稱和經(jīng)營范圍中包括有燃料電池的正常營業(yè)公司有9569家，其中近1220家成立時(shí)間在一年之內(nèi)，不少公司想方設(shè)法與氫能概念聯(lián)系起來。

據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年1-11月，我國燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為1199輛和1177輛。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前提出的燃料電池汽車到2020年要生產(chǎn)1000輛左右的燃料電池汽車進(jìn)行示范運(yùn)行的發(fā)展目標(biāo)。

目前，我國產(chǎn)氫規(guī)模全球第一，已建加氫站118座；已投運(yùn)燃料電池汽車8443輛，全球最大質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電項(xiàng)目投入示范運(yùn)營。

二、氫能產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈綜述

氫能產(chǎn)業(yè)總體可分為上中下游，即氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用三個(gè)產(chǎn)業(yè)。

（一）氫氣的制取

制氫的方式很多，主要包括技術(shù)較為成熟的以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫；可再生能源電解水制氫；氯堿工業(yè)和焦?fàn)t煤氣尾氣制氫、高溫分解制氫及處于開發(fā)試驗(yàn)階段的生物質(zhì)氣化、微生物制氫等。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2020年我國氫氣產(chǎn)量約4100萬噸，約77%的氫氣是由煤、石油和天然氣等化石能源制取，其中63.54%來源于煤炭，約13.76%來自天然氣，僅不到2%來自電解水，其余多為工業(yè)副產(chǎn)制氫。制氫技術(shù)路線的選擇關(guān)鍵在于經(jīng)濟(jì)性和低碳性兩方面分析（圖1）。

圖1 上游產(chǎn)業(yè)（氫氣制取及設(shè)備制備）

制氫成本的順序?yàn)椋好褐茪洌脊I(yè)尾氣制氫＜天然氣制氫＜可再生能源制氫＜甲醇制氫＜電網(wǎng)制氫。從經(jīng)濟(jì)性分析，最好的技術(shù)路線是煤制氫。

從低碳環(huán)保性角度分析，順序?yàn)椋嚎稍偕茉粗茪洌茧娋W(wǎng)制氫＜天然氣制氫=甲醇制氫＜工業(yè)尾氣制氫＜煤制氫?？稍偕茉粗茪涫枪?jié)能減排的最好技術(shù)路線選擇。

（二）氫的存儲(chǔ)與運(yùn)輸

氫的儲(chǔ)存方式有氣液固三種，即高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫、固態(tài)合金儲(chǔ)氫。單位體積儲(chǔ)氫密度為：20MPa高壓氣態(tài)的單位體積密度14.5kg/m3、 液 氫 儲(chǔ) 存 密 度64kg/m3、金 屬 氫 化 物 儲(chǔ) 氫50kg/m3。

主要的儲(chǔ)運(yùn)方式為：氫氣專用管道、壓縮氫氣（CH2）管束車、液化氫氣（LH2）、液體有機(jī)物氫載體（LOHC）、金屬合金儲(chǔ)氫等。目前氫氣主要是以壓縮氣態(tài)或低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。長距離管道輸氫具有安全和高壓純氫對(duì)鋼管道氫脆等“卡脖子”問題，除德國外還鮮有大量應(yīng)用（圖2）。

圖2 中游產(chǎn)業(yè)（氫氣儲(chǔ)備及運(yùn)輸）

（三）加氫基礎(chǔ)設(shè)施

加氫站是燃料電池車輛及其他氫能利用裝置提供氫源的重要基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)儲(chǔ)存相態(tài)分為氣氫和液氫加氫站兩種。加氫站有35MPa和70MPa兩種供氫壓力。目前我國加氫站的加注成本在13元/kg～18元/kg。

（四）燃料電池

燃料電池主要類型有固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸燃料電池。目前氫燃料汽車用的是質(zhì)子交換膜燃料電池，固體氧化物燃料電池主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)供應(yīng)領(lǐng)域（圖3）。

圖3 下游產(chǎn)業(yè)（氫能應(yīng)用）

三、氫能持續(xù)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

（一）發(fā)展氫能要不忘初心

應(yīng)對(duì)氣候變化是全球人民共同面對(duì)的問題，中國從2006開始成為世界上最大的二氧化碳排放國，從2013年超過全球排放量的四分之一。2020年我國承諾自主貢獻(xiàn)目標(biāo)：2030年碳排放量達(dá)峰并盡早達(dá)峰。為實(shí)現(xiàn)減碳、脫碳的能源規(guī)劃，氫能作為理想清潔髙效的二次能源，消耗后產(chǎn)物是水，可實(shí)現(xiàn)零碳排放。所以我國積極發(fā)展氫能，其初心是為減排節(jié)能，保護(hù)環(huán)境。氫能屬于二次能源，自然界中沒有純凈的氫氣可以開采利用，要由一次能源轉(zhuǎn)化而來。氫能來源于化石能源的轉(zhuǎn)化，根本不能起到減排的作用。正如中國工程院院士、國家能源專家委副主任杜祥琬所說：發(fā)展氫能須不忘初心。從氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展到底減排了多少二氧化碳來衡量發(fā)展氫能源的戰(zhàn)略目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)、是否達(dá)到了規(guī)?；?、對(duì)能源轉(zhuǎn)型是否起到了重要作用。鑒于此，建議不忘發(fā)展氫能初心，加大使用清潔能源綠色途徑制氫，制氫應(yīng)在全生命周期內(nèi)做到低能耗、低污染和低碳，實(shí)現(xiàn)氫產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（二）加強(qiáng)氫能的綜合利用

當(dāng)前，我國的氫能發(fā)展更多的關(guān)注是在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。其實(shí)氫除了在傳統(tǒng)上用于車用燃料電池、航空航天工業(yè)、化工的合成氨、石油煉化和甲醇等過程的加氫反應(yīng)，其在冶金工業(yè)和智能電網(wǎng)中能源以氫能形式分布式存貯等領(lǐng)域應(yīng)用還有很大的潛力。

冶金行業(yè)是未來氫能利用的第二大潛在應(yīng)用領(lǐng)域，2020年，全球粗鋼產(chǎn)量為18.64億噸。中國粗鋼產(chǎn)量為10.53億噸，占全球產(chǎn)量的一半以上。生產(chǎn)出1噸生鐵，作為還原劑約消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉。將氫氣代替煤炭作為高爐的還原劑，可以減少鋼鐵生產(chǎn)中的二氧化碳排放。該技術(shù)于2019年11月在德國已經(jīng)開始了實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)韓國也將氫還原煉鐵法指定為國家核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)。天津市榮鋼集團(tuán)于2021年成立綠色氫能產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，打造全國首家國家級(jí)“鋼化聯(lián)產(chǎn)—?dú)淠芤苯稹痹囼?yàn)基地和氫能綠色交通應(yīng)用示范基地，拉開了我國氫能冶金的序幕。

智能電網(wǎng)是21世紀(jì)第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)設(shè)施，光伏建筑一體化、分布式能源、儲(chǔ)能等都與氫能的綜合利用相關(guān)，也是氫能利用研究的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

（三）注重財(cái)政資金使用績效、加強(qiáng)考核，減少低水平投資

國家和地方紛紛出臺(tái)氫能發(fā)展的財(cái)稅補(bǔ)貼政策，以歷史發(fā)展的眼光看，往往豐厚的補(bǔ)貼政策也造成低水平競爭、重復(fù)投資、無效投資，吸取新能源汽車騙補(bǔ)的教訓(xùn)，避免“南陽水氫燃料汽車”套取政府資金的類似事件再發(fā)生。避免再次把氫燃料汽車的技術(shù)密集型的行業(yè)變成了低技術(shù)含量的行業(yè)，拼湊一個(gè)車型就能拿補(bǔ)貼，迅速做大而不能做精前車之鑒。

建議改進(jìn)和優(yōu)化補(bǔ)貼政策，充分發(fā)揮財(cái)政資金的引領(lǐng)和撬動(dòng)作用，同時(shí)加強(qiáng)資金使用的監(jiān)督管理，提高資金的使用效率，抑制低水平投資。

（四）聚焦科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)突破

在氫能的產(chǎn)生和生產(chǎn)方面，原料氫氣相對(duì)較多而能用作能源氫氣的較少，對(duì)尾氣產(chǎn)氫和副產(chǎn)氫氣要達(dá)到GB/T37244-2018的指標(biāo)還需要技術(shù)攻關(guān)并降低氫提純成本；在氫的儲(chǔ)運(yùn)上，要研發(fā)液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、安全可靠的站內(nèi)制氫加氫站、高壓儲(chǔ)氫容器、高質(zhì)量壓縮機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備；質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)能力和關(guān)鍵零部件的發(fā)展落后；固體氧化物燃料電池堆技術(shù)與國外先進(jìn)水平差距較大，功率密度、發(fā)電效率等關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為制氫、儲(chǔ)運(yùn)、利用氫能的發(fā)展瓶頸。隨著減排任務(wù)的緊迫要求，當(dāng)前鋼鐵、化工等作為我國副產(chǎn)氫氣的優(yōu)勢工業(yè)將引入無碳制氫技術(shù)替代當(dāng)前的化石能源實(shí)現(xiàn)脫碳，從而將從氫氣的供給方變?yōu)樾枨蠓健?/p>

以上各技術(shù)環(huán)節(jié)都要求我們聚焦科技創(chuàng)新，解決“卡脖子”關(guān)鍵問題，從而抓住這次新能源開發(fā)利用的風(fēng)口，使氫能這個(gè)“清潔能源”健康可持續(xù)發(fā)展。