我國發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與建議

深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心 張 濤 張 旭

當(dāng)今世界，新一輪科技革命、能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)變革與我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展共同走到了交匯口。其中，氫能作為一種資源可觀、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，目前正在逐步成為我國乃至全球能源發(fā)展的重要載體之一。與此同時(shí)，氫能的規(guī)?；_發(fā)利用技術(shù)逐漸取得重大突破，也為理論上的零碳能源利用開辟了一個(gè)新的窗口。我國必須牢牢把握全球能源發(fā)展的大勢和重要機(jī)遇，加快培育國產(chǎn)氫能產(chǎn)業(yè)，協(xié)助我國能源清潔低碳的快速轉(zhuǎn)型。

1 發(fā)展氫能面臨的挑戰(zhàn)

國際上，全球主要發(fā)達(dá)國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，均在積極培育氫能產(chǎn)業(yè)的增長點(diǎn)。我國作為世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3 300 萬t，然而相較于國際先進(jìn)水準(zhǔn)，我國在發(fā)展氫能的道路上面臨著氫能制造運(yùn)輸成本居高不下、缺乏核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度滯后、基建設(shè)施規(guī)模不足和市場空間不斷擠壓等一系列挑戰(zhàn)。

1.1 制造運(yùn)輸成本居高不下

從目前的氫能技術(shù)發(fā)展情況判斷，氫能產(chǎn)業(yè)屬于高端產(chǎn)業(yè)鏈類型，制氫成本、運(yùn)輸成本比較高昂，限制了氫能產(chǎn)業(yè)向下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，影響了氫能規(guī)模化的普及。

(1)制氫成本。從目前的主流的制氫技術(shù)分析，普遍存在制氫成本偏高的固有問題。例如：天然氣制氫過程中，作為原料的天然氣成本占到制氫成本70%以上；煤炭制氫過程中，作為原料的煤炭成本占到煤制氫成本50%以上。無論天然氣制氫還是煤制氫，均屬于化石能源制氫，在生產(chǎn)過程中都伴隨二氧化碳產(chǎn)生，所產(chǎn)氫氣在學(xué)術(shù)上定義為“灰氫”；如通過額外投資使用碳捕集利用封存(CCUS)技術(shù)所生產(chǎn)的氫氣則在學(xué)術(shù)上定義為“藍(lán)氫”，因此，生產(chǎn)相對清潔的“藍(lán)氫”，比生產(chǎn)“灰氫”多了一道碳捕捉工藝，為此也提高了成本；通過使用再生能源(太陽能、風(fēng)能、核能等)發(fā)電進(jìn)行電解水制造的氫氣，由于在生產(chǎn)過程中沒有碳排放，則在學(xué)術(shù)上定義為“綠氫”，電費(fèi)在“綠氫”的制造成本中占到60%以上，致使“綠氫”成本普遍要高于“灰氫”，因此在當(dāng)下的氫能市場發(fā)展期，“灰氫”資源因其成本因素更受市場青睞。

(2)運(yùn)輸成本。目前，氫能有3 種主要運(yùn)輸方式：高壓氣氫運(yùn)輸、低溫液氫運(yùn)輸和管道輸氫運(yùn)輸。氫能3 種主要運(yùn)輸方式的基本情況，詳見表1。

表1 氫能3 種主要運(yùn)輸方式基本情況

高壓氣氫運(yùn)輸類似于壓縮天然氣(CNG)運(yùn)輸，是現(xiàn)下氫能主流的運(yùn)輸方式。其原理簡單、技術(shù)較為成熟。由于氫氣密度小，使得儲(chǔ)氫壓力容器自重較大，導(dǎo)致拖車運(yùn)輸氫能的質(zhì)量只能占到總運(yùn)輸質(zhì)量的1%～2%，另外氫氣瓶的卸車時(shí)間很長，需要2～6 h，導(dǎo)致高壓氣氫運(yùn)輸?shù)某杀据^高，效能低下。

低溫液氫運(yùn)輸類似于液化天然氣(LNG)運(yùn)輸，在大批量、中遠(yuǎn)距離的氫能運(yùn)輸中，由于液氫運(yùn)輸車相對可以容納更多的氫能，使得低溫液氫運(yùn)輸比高壓氣氫運(yùn)輸更有優(yōu)勢。然而低溫液氫運(yùn)輸?shù)娜秉c(diǎn)也較為明顯，就是在制取液氫過程中需要消耗大量的能量。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)分析，液化過程消耗能源占液氫總能源的30%～40%，與此同時(shí)低溫液氫運(yùn)輸在液氫的儲(chǔ)存、輸送、裝卸過程中必然會(huì)造成一定程度的蒸發(fā)損失，并且終端專用核心接收設(shè)備仍需依賴進(jìn)口，無形中提高了低溫液氫運(yùn)輸?shù)目傮w成本。

管道輸氫運(yùn)輸類似于氣態(tài)天然氣的長輸管運(yùn)，是目前氫能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、(超)長距離、低成本運(yùn)輸?shù)闹匾绞?。但由于管材存在“氫脆”現(xiàn)象，氫氣管道及相關(guān)的配套設(shè)備均需選用特殊處理的低碳鋼材，都將導(dǎo)致整個(gè)管輸氫能系統(tǒng)的設(shè)備需要全部重新試驗(yàn)和研發(fā)，由此帶來的超高附加成本是長期制約管道輸氫運(yùn)輸?shù)闹匾蛩亍?/p>

1.2 核心國產(chǎn)技術(shù)欠缺

我國雖然形成了一定規(guī)模的氫能市場，打造了相對完整的氫能產(chǎn)業(yè)，然而核心技術(shù)與國際先進(jìn)水平對比，仍存在數(shù)年甚至十年的代差。與20年前我國發(fā)展管道天然氣之初較為類似，現(xiàn)有國產(chǎn)氫能設(shè)備的經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力還不能完全匹配我國的發(fā)展需求，某些核心材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口。例如，固定氧化物與陰離子交換膜的國產(chǎn)產(chǎn)品不夠成熟，只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家的研發(fā)公司和設(shè)備制造商掌握其核心技術(shù)。未來，我國氫能產(chǎn)業(yè)的許多技術(shù)發(fā)展路線和核心技術(shù)難題有待“產(chǎn)學(xué)研”的通力解決和艱苦攻關(guān)。就目前而言，核心國產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)有水平，還無法支撐我國開展大規(guī)模的市場化運(yùn)營。

1.3 政策激勵(lì)措施不足

我國現(xiàn)有促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策激勵(lì)方向過于集中，基本圍繞氫燃料電池汽車，還未延伸至整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈，由此造成對氫能技術(shù)全面創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)效能偏低。在頂層戰(zhàn)略方面，我國尚未像發(fā)展電動(dòng)汽車一樣，出臺(tái)大規(guī)模針對氫能使用的明確扶持補(bǔ)貼政策，對于供給側(cè)的激勵(lì)政策大多數(shù)存在于省、市層面，需求側(cè)的激勵(lì)政策基本集中于儲(chǔ)氫和氫能汽車領(lǐng)域，并未提出實(shí)質(zhì)性的硬性考核指標(biāo)。

在未來可預(yù)計(jì)的一定時(shí)間段之內(nèi)，我國在能源方面的政策性激勵(lì)大概率仍會(huì)側(cè)重于新能源和電動(dòng)汽車板塊，由此造成對氫能產(chǎn)業(yè)的政策排斥。

1.4 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)困境

未來氫能發(fā)展最先突破口大概率會(huì)集中在氫燃料電池領(lǐng)域，然而加氫站的數(shù)量偏少、規(guī)模不足是導(dǎo)致氫能推廣的一個(gè)嚴(yán)重的制約性頑疾。雖然我國近年來已在加氫站建設(shè)方面加大了投資力度，累計(jì)建成的加氫站和在營的加氫站已經(jīng)超過了日本，穩(wěn)居世界第一，但是從全國范圍內(nèi)的氫能需求進(jìn)行評(píng)估，現(xiàn)有的加氫站數(shù)量和建設(shè)速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國的氫能市場需求，無法支撐氫能產(chǎn)業(yè)的健康成長。雖然有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)等方面的困難，但核心制約因素主要是加氫站投資較大的問題(站內(nèi)核心部件依賴國外進(jìn)口)，必將成為氫能源汽車乃至氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的一個(gè)重要掣肘因素。

1.5 市場發(fā)展環(huán)境競爭

氫燃料電池汽車市場與電動(dòng)汽車市場是存在競爭關(guān)系的，特別是近年來電池技術(shù)的突飛猛進(jìn)和日新月異，已基本可以達(dá)到燃油車的所有關(guān)鍵性指標(biāo)，可覆蓋汽車的所有類型領(lǐng)域。在可預(yù)計(jì)的未來，電動(dòng)汽車的電池技術(shù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行深度創(chuàng)新，會(huì)更受到市場的青睞，從而進(jìn)一步擠壓氫燃料電池汽車、燃油汽車、燃?xì)馄嚨鹊氖袌霭l(fā)展空間。

2 發(fā)展氫能的建議

針對我國在發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)方面面臨的上述5 大挑戰(zhàn)，為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國應(yīng)該著眼搶占未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)，在統(tǒng)籌氫能產(chǎn)業(yè)布局的前提下，降低氫能成本、提升創(chuàng)新能力，完善政策體系，加大建設(shè)力度、拓展國內(nèi)外市場，以此提高氫能產(chǎn)業(yè)在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，為我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系提供強(qiáng)力支撐。

2.1 拓展綠氫，試點(diǎn)摻氫，降低成本

通過對比而知，“綠氫”憑借其清潔性，比“灰氫”和“藍(lán)氫”更具優(yōu)勢，是未來制氫的發(fā)展重點(diǎn)和方向。通過趨勢分析，在2050年左右，我國將形成以可再生能源制造的“綠氫”為主體，以化石能源+碳捕捉技術(shù)制造的“藍(lán)氫”為補(bǔ)充的氫能發(fā)展格局；在2050年以后，可再生能源制造的“綠氫”將逐步成為唯一的氫能主體。對于可再生能源制造的“綠氫”不存在過多的技術(shù)難題，唯需解決制氫過程中的成本問題。

對現(xiàn)有主流的3 種氫能運(yùn)輸方式而言，天然氣管網(wǎng)摻氫的管道輸氫運(yùn)輸是行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的發(fā)展方向。據(jù)研究，如果在天然氣管網(wǎng)中摻入15%～20%的氫氣，可以直接利用現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行輸送，無需開展全面的管網(wǎng)和配套設(shè)備更換，目前德國、英國等已有類似示范項(xiàng)目。如果天然氣管網(wǎng)摻氫路線通過技術(shù)攻關(guān)后證明可行，并能解決氫氣與天然氣管道相容性的問題，那我國的西北部地區(qū)憑借其作為西氣東輸?shù)纳嫌味蝺?yōu)勢和豐富的光伏、風(fēng)能發(fā)電資源稟賦，可進(jìn)行大規(guī)模的天然氣管網(wǎng)摻氫，能大大降低運(yùn)輸氫能的成本，并可將氫能輸送至能源消耗較大且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠三角和長三角地區(qū)，有效地緩解我國能源供需的地域不平衡問題。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新，加大研發(fā)，攻破難關(guān)

堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，推進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池等技術(shù)的國產(chǎn)化創(chuàng)新，研發(fā)關(guān)鍵性的相關(guān)材料，提高性能指標(biāo)，最終形成批量化生產(chǎn)的能力。此外，我國的氫能產(chǎn)業(yè)還需要持續(xù)提升氫燃料電池的可靠性、穩(wěn)定性、耐久性，加快新一代氫燃料電池等技術(shù)的攻關(guān)，著力推進(jìn)核心零部件以及關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)制造，提高可再生能源制氫轉(zhuǎn)化效率，突破氫能基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)，并且加大制、儲(chǔ)、輸、用氫全鏈條安全技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，持續(xù)推動(dòng)氫能先進(jìn)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、重大產(chǎn)品示范應(yīng)用和國產(chǎn)化發(fā)展，構(gòu)建完成氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展技術(shù)體系。

2.3 健全政策，完善標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)發(fā)展

制定完善的氫能管理政策，規(guī)范氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注等環(huán)節(jié)的建設(shè)管理程序，完善規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營的具體政策規(guī)定，注重在規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)要求、審批流程和監(jiān)管方式等方面強(qiáng)化政策扶持，提升運(yùn)營水平。研究探索可再生能源制氫的支持性電價(jià)政策，完善可再生能源制氫的市場化機(jī)制，健全氫能的儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制，探索其直接參與電力市場交易的可行性。

推動(dòng)完善氫能制、儲(chǔ)、輸、用標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)圍繞建立健全氫能質(zhì)量、應(yīng)用安全等的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，增加標(biāo)準(zhǔn)的有效供給。國家相關(guān)職能部門必須鼓勵(lì)龍頭企業(yè)積極參與各類標(biāo)準(zhǔn)的研制工作，推進(jìn)氫能產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測和認(rèn)證公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)氫能產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證體系建設(shè)。

2.4 布局制氫，構(gòu)建儲(chǔ)運(yùn)，加快建設(shè)

結(jié)合氫能資源稟賦特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局條件，因地制宜選擇制氫技術(shù)路線，逐步推動(dòng)構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫系統(tǒng)，逐步擴(kuò)大示范規(guī)模，探索季節(jié)性儲(chǔ)能和電網(wǎng)調(diào)峰的設(shè)施建設(shè)。

支持開展多種儲(chǔ)運(yùn)方式的探索和實(shí)踐，提高儲(chǔ)運(yùn)效率，降低儲(chǔ)運(yùn)成本，提升儲(chǔ)運(yùn)的商業(yè)化水平，推動(dòng)低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，探索固態(tài)、深冷高壓、有機(jī)液體等儲(chǔ)運(yùn)方式的系統(tǒng)化建設(shè)。

堅(jiān)持需求導(dǎo)向，合理布局建設(shè)加氫站，有序推進(jìn)加氫網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，堅(jiān)持安全為先，節(jié)約集約利用土地資源，支持依法依規(guī)利用現(xiàn)有加油加氣站的場地設(shè)施改擴(kuò)建加氫站，逐步在某些加氫站內(nèi)探索站內(nèi)制氫、儲(chǔ)氫和加氫一體化的新型模式。

2.5 加強(qiáng)融合，錯(cuò)位發(fā)展，拓展市場

發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，突出企業(yè)主體地位，加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合，著力提高氫能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，積極探索氫能利用、電動(dòng)汽車發(fā)展并駕齊驅(qū)的商業(yè)化路徑，選擇適合的技術(shù)路線進(jìn)行錯(cuò)位發(fā)展，以此更好發(fā)揮政府的市場調(diào)配作用，科學(xué)優(yōu)化氫燃料電池產(chǎn)業(yè)布局，引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)市場規(guī)范發(fā)展。

加強(qiáng)與氫能技術(shù)領(lǐng)先的國家和地區(qū)開展項(xiàng)目合作，共同開拓第三方國際市場，推動(dòng)氫燃料電池在備用電源領(lǐng)域的市場應(yīng)用。

3 結(jié)語

低碳發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的必由之路。氫能產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的前沿技術(shù)，是綠色發(fā)展在能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式之一。面對新形勢、新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，我國的氫能產(chǎn)業(yè)亟需加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌謀劃，需進(jìn)一步激發(fā)氫能產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力，不斷拓展市場應(yīng)用新空間，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

本文分析了我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，提出了發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的有關(guān)建議，意在為同行們在氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研究提供理論參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。