從地方層面來看,全國(guó)已有超過100項(xiàng)地方政策支持氫能及燃料電池的發(fā)展,包括財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、科研支持等。北京、上海、山東等地根據(jù)國(guó)家政策及本地實(shí)際情況,制定了地方氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃,明確了各自的發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)
氫是地球的重要組成元素,氫能是氫在物理和化學(xué)變化過程中釋放的能量,可用于儲(chǔ)能、發(fā)電以及各種交通工具和家用能源等領(lǐng)域。在全球加快能源綠色轉(zhuǎn)型的背景下,氫能因其清潔、可再生且高效的特征,被認(rèn)為是一種理想的能源形態(tài)。氫能產(chǎn)業(yè)科技含量高、產(chǎn)業(yè)鏈帶動(dòng)能力強(qiáng),在構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系、促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、保障能源安全、形成新質(zhì)生產(chǎn)力等方面具有重要作用。
為助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo),2022年3月,國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》,明確了氫的能源屬性,是未來國(guó)家能源體系的組成部分。2025年1月1日正式實(shí)施的《中華人民共和國(guó)能源法》將氫能納入能源管理體系,標(biāo)志著氫能將在全國(guó)綜合能源規(guī)劃、分領(lǐng)域能源規(guī)劃以及各省市區(qū)發(fā)展規(guī)劃中占據(jù)一席之地,為其未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
全球氫能政策及發(fā)展現(xiàn)狀
目前,發(fā)展氫能已成為全球共識(shí)。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的數(shù)據(jù),已有超過50個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)布了氫能戰(zhàn)略,全球氫能項(xiàng)目數(shù)量達(dá)到1572個(gè),比2020年增長(zhǎng)了7倍。預(yù)計(jì)到2050年,為了實(shí)現(xiàn)全球凈零排放,將需要大約5.28億噸的低碳?xì)錃?,這顯示了氫能在全球降碳行動(dòng)中占據(jù)的重要位置。目前,世界主要大國(guó)均加大氫能投資力度,推動(dòng)先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。同時(shí),英國(guó)石油公司、殼牌、雪佛龍、道達(dá)爾能源、法國(guó)液化空氣集團(tuán)等國(guó)際能源巨頭都在積極布局氫能產(chǎn)業(yè)。
隨著各國(guó)不斷加大對(duì)氫能的政策支持力度,全球各類氫能產(chǎn)品的數(shù)量也在逐步提升,其中家用熱電聯(lián)供已超過50萬臺(tái)、燃料電池車輛超過8.6萬臺(tái),加氫站也超過1160座。
近年來,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也取得了顯著成效,國(guó)家與地方出臺(tái)了一系列支持政策。2020年11月,國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》,將氫燃料電池汽車作為新能源汽車的重要組成部分,提出了氫燃料電池汽車的發(fā)展目標(biāo)和支持措施。2022年3月,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035)》,明確了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、發(fā)展目標(biāo),部署了推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各階段目標(biāo)。2024年政府工作報(bào)告中明確將氫能列為新興氫能產(chǎn)業(yè),提出加快氫能等前沿新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。2024年11月,第十四屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十二次會(huì)議表決通過的《中華人民共和國(guó)能源法》,將氫能納入能源體系,標(biāo)志著氫能在我國(guó)能源體系中的地位得到了法律層面的認(rèn)可和保障。
從地方層面來看,全國(guó)已有超過100項(xiàng)地方政策支持氫能及燃料電池的發(fā)展,包括財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、科研支持等。北京、上海、山東等地根據(jù)國(guó)家政策及本地實(shí)際情況,制定了地方氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃,明確了各自的發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。很多省市以氫能交通為先導(dǎo),推動(dòng)氫能示范應(yīng)用向多領(lǐng)域擴(kuò)展。隨著各項(xiàng)氫能支持政策落地,截至2023年底,氫燃料電池汽車保有量已超過2萬輛,氫能示范應(yīng)用逐步擴(kuò)展至有軌電車、無人機(jī)、船舶、氫儲(chǔ)能、天然氣摻氫和氫冶金等領(lǐng)域。
氫燃料電池技術(shù)已趨近成熟
在技術(shù)研發(fā)層面,我國(guó)從材料、膜電極、電堆、輔助系統(tǒng)(BOP),層層深入、逐環(huán)解耦,逐步實(shí)現(xiàn)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的自主化和國(guó)產(chǎn)化,同時(shí)自主研發(fā)多項(xiàng)核心技術(shù),在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性、成本上實(shí)現(xiàn)突破,氫燃料電池技術(shù)整體已趨近成熟。
以北京億華通科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱億華通)為例。該公司深耕氫燃料電池行業(yè)10多年,在氫燃料電池技術(shù)上實(shí)現(xiàn)不斷突破。針對(duì)氫燃料電池性能低、壽命不足的問題,億華通開發(fā)寬溫域膜,提升燃料電池耐久性,實(shí)現(xiàn)在電流密度為1安培每平方厘米的條件下,系統(tǒng)的電壓可達(dá)0.76伏特,運(yùn)行溫度最高耐受105攝氏度。針對(duì)氫燃料電池在重型卡車上存在的功率不足、效率偏低問題,制備大功率、高功率密度的電堆,體積功率密度≥6千瓦/升,高溫堆最高運(yùn)行溫度≥105攝氏度,雙堆功率≥350千瓦;實(shí)現(xiàn)空氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的技術(shù)進(jìn)步,如熱管理系統(tǒng)的散熱功率達(dá)480千瓦,功耗下降11.2千瓦,效率提高1.6%。
億華通還對(duì)氫燃料電池的關(guān)鍵部件重點(diǎn)開發(fā),實(shí)現(xiàn)電堆壽命達(dá)20000小時(shí)、氫噴和空壓機(jī)壽命實(shí)現(xiàn)8年120萬千米,零部件故障率大幅降低,氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的平均首次故障里程、平均間隔無故障里程超10萬千米,確保產(chǎn)品可靠性;開發(fā)單體交流阻抗在線檢測(cè)技術(shù)與多段式自適應(yīng)一致性吹掃策略,實(shí)現(xiàn)-40℃低溫124秒啟動(dòng)。目前,億華通生產(chǎn)的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)最高效率、整車氫耗處于國(guó)際領(lǐng)先水平,實(shí)現(xiàn)了百千米氫耗4.93千克;構(gòu)建耐久性優(yōu)化架構(gòu),補(bǔ)齊全面提升產(chǎn)品壽命,常用工況點(diǎn)衰減率3.6微伏/小時(shí),壽命達(dá)到20000小時(shí),推動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)批量化、國(guó)產(chǎn)化,預(yù)計(jì)2030年目標(biāo)成本將降至500元/千瓦。
2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)舉辦期間,搭載億華通產(chǎn)品的氫燃料電池汽車共投放724臺(tái),累計(jì)運(yùn)行375余萬千米,減碳2700余噸,實(shí)現(xiàn)全球首次最大規(guī)模氫燃料電池汽車應(yīng)用,以零故障完成接駁任務(wù),獲得北京冬奧組委會(huì)和科技部科技冬奧小組的認(rèn)可,進(jìn)一步推動(dòng)了北京延慶區(qū)打造氫能產(chǎn)業(yè)園,同時(shí)加快了河北張家口市“氫能城市”的建設(shè)步伐。與此同時(shí),這些車輛在冬奧會(huì)賽后繼續(xù)投入使用,為減少交通領(lǐng)域碳排放,打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”貢獻(xiàn)力量。
制約氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的卡脖子問題
我國(guó)可再生能源儲(chǔ)量可觀,為能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)可再生能源裝機(jī)規(guī)模不斷實(shí)現(xiàn)新突破。截至2024年底,全國(guó)可再生能源裝機(jī)達(dá)到18.89億千瓦,同比增長(zhǎng)25%,約占我國(guó)總裝機(jī)的56%,其中,水電裝機(jī)4.36億千瓦,風(fēng)電裝機(jī)5.21億千瓦,太陽能發(fā)電裝機(jī)8.87億千瓦。同時(shí),可再生能源發(fā)電量穩(wěn)步提升。2024年,全國(guó)可再生能源發(fā)電量達(dá)3.46萬億千瓦時(shí),同比增加19%,約占全部發(fā)電量的35%;其中,風(fēng)電太陽能發(fā)電量合計(jì)達(dá)1.83萬億千瓦時(shí),同比增長(zhǎng)27%。
隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)以及我國(guó)持續(xù)推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略,氫能作為一種高效、清潔的二次能源,在能源轉(zhuǎn)型中扮演起越來越重要的角色。但當(dāng)前,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)鏈在發(fā)展過程中面臨諸多挑戰(zhàn),亟須在關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)突破。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、加氫和用氫等多個(gè)環(huán)節(jié),目前整體尚未形成完善的產(chǎn)業(yè)閉環(huán),輸氫、加氫存在成本高、長(zhǎng)期虧損等卡脖子問題,嚴(yán)重制約了氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。
在制氫環(huán)節(jié),伴隨著技術(shù)進(jìn)步,相關(guān)成本將有所降低。在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的推動(dòng)下,可再生能源制氫需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。預(yù)計(jì)2030年,電解水制氫裝備出貨量將達(dá)86吉瓦。風(fēng)電、光伏技術(shù)發(fā)展有望拉動(dòng)可再生能源度電成本繼續(xù)下降,促進(jìn)制氫成本進(jìn)一步下探。預(yù)計(jì)2030年,電價(jià)預(yù)計(jì)將下降至0.3元/千萬時(shí),堿性電解水制氫成本降幅約20%,達(dá)到16.51元,質(zhì)子交換膜電解水制氫降幅40%,達(dá)到14.91元。
在輸氫環(huán)節(jié),需要破解制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。我國(guó)西部擁有豐富的風(fēng)光電制氫資源,而東部氫燃料電池汽車(FCVC)應(yīng)用廣泛。實(shí)施“西氫東送”戰(zhàn)略,將西部的氫氣輸送到東部,是實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?;l(fā)展的關(guān)鍵所在。
在氫氣的輸送方式中,高壓氣氫和液氫適用于短距離、小規(guī)模的氫氣輸送,而管道運(yùn)輸則是長(zhǎng)距離、大規(guī)模氫氣輸運(yùn)的理想選擇。截至目前,我國(guó)已建成輸氫管道660千米,正在建設(shè)2000千米。已建成的管道中,純氫管道151.6千米,摻氫管道508.5千米。規(guī)劃中的“西氫東送”氫能骨干管網(wǎng),輸氫能力可達(dá)7900萬噸/年,其運(yùn)氫量可達(dá)萬噸級(jí),運(yùn)輸壓力為1-4兆帕,經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸距離大于500千米。據(jù)“西氫東送”工程測(cè)算,輸氫成本與輸氫量呈負(fù)相關(guān),輸氫量越大,成本越低。這充分表明管道輸氫在大規(guī)模氫氣輸送方面,具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)。
在加氫環(huán)節(jié),加氫站作為氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,在發(fā)展過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于加氫站的關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化程度低,建站成本高昂,導(dǎo)致整體經(jīng)濟(jì)性差,成本回收周期長(zhǎng),其建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的卡脖子環(huán)節(jié)。
從設(shè)備角度來看,加氫站的主要設(shè)備依賴進(jìn)口。相關(guān)設(shè)備被美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)壟斷,這不僅增加了設(shè)備采購(gòu)成本,還限制了技術(shù)的自主性。此外,從建站成本來看,以1噸加氫站為例,造價(jià)高達(dá)1000萬元,3噸加氫站的造價(jià)則高達(dá)2850萬元。從審批流程來看,各地政府對(duì)加氫站的審批要求差異較大,缺乏統(tǒng)一的規(guī)范性文件,導(dǎo)致審批過程復(fù)雜且不統(tǒng)一,極大地增加了加氫站建設(shè)的時(shí)間成本和不確定性。氫氣保障也存在困難,不同制氫工藝生產(chǎn)的氫氣質(zhì)量一致性差,成本差異明顯,且氫氣運(yùn)輸成本較高,進(jìn)一步壓縮了加氫站的利潤(rùn)空間。
受上述因素影響,加氫站整體經(jīng)濟(jì)性不佳。以3噸加氫站為例,通過總體成本(TCO)分析可知,在氫氣最終售價(jià)為30元/千克(補(bǔ)貼前)的情況下,加氫站至少需要8年才能實(shí)現(xiàn)收支平衡。由于成本回收周期漫長(zhǎng),車輛加氫尚未形成規(guī)模效應(yīng),加氫站長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài),部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了加氫站“關(guān)停潮”。
面對(duì)傳統(tǒng)加氫站的困境,換氫模式應(yīng)運(yùn)而生,并展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比同為3噸規(guī)模的加氫站與換氫站,換氫模式在相關(guān)方面表現(xiàn)更優(yōu)。從投入成本來看,換氫站僅需730萬元,遠(yuǎn)低于加氫站的2850萬元。加氫時(shí)間大幅縮短,從30分鐘減少至10分鐘,顯著提高了車輛的使用效率,對(duì)司機(jī)更為友好。從經(jīng)濟(jì)性來看,3噸換氫站可服務(wù)60輛49T重型卡車,預(yù)計(jì)在15年運(yùn)營(yíng)期內(nèi),換氫站總收入可達(dá)9000萬元。以49T重型卡車為例,其全生命周期運(yùn)營(yíng)300萬千米,百千米氫氣消耗10千克,需加氫30萬千克。換氫模式下,每服務(wù)1臺(tái)車,換氫站可收入150萬元。換氫站僅需2年即可實(shí)現(xiàn)收支平衡,而加氫站則需要8年,因此,換氫模式的優(yōu)勢(shì)十分明顯。此外,換氫站具有更強(qiáng)的靈活性,可根據(jù)氫能車輛的數(shù)量變化,隨時(shí)調(diào)整換氫模組數(shù)量。
在百千米能耗成本對(duì)比中,選擇換氫模式的氫燃料車輛百千米成本為210元,略高于純電動(dòng)的192元,但遠(yuǎn)低于燃油車的288元,也低于加氫模式的300元,在成本控制上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。
可見,換氫替代加氫的技術(shù)路線具有高效便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn),但還存在一些不足。在標(biāo)準(zhǔn)及備案方面,需要統(tǒng)一高壓氫瓶的標(biāo)準(zhǔn)和模塊化,建立完善的氫瓶安全檢驗(yàn)和安裝資質(zhì)認(rèn)證體系,并推動(dòng)車輛管理與特種設(shè)備管理的創(chuàng)新。在安全責(zé)任方面,要保證換氫過程中的清潔度,提升接插頭的可靠性,明確安全責(zé)任主體,加強(qiáng)安全監(jiān)管。
氫燃料電池的發(fā)展展望在2021年之前,氫燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)尚處于萌芽期,全國(guó)市場(chǎng)以公共交通、物流車輛為主,保有量約1萬輛,氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率為30—80千瓦,額定點(diǎn)效率達(dá)45%。2022—2025年商業(yè)化示范階段,中長(zhǎng)途客運(yùn)、短途中重型卡車開始應(yīng)用氫燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù),保有量增長(zhǎng)至約10萬輛,發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升至30—300千瓦,額定點(diǎn)效率達(dá)50%。預(yù)計(jì)2025—2030年將進(jìn)入快速發(fā)展階段,長(zhǎng)途高速客運(yùn)、長(zhǎng)途重卡、乘用車等市場(chǎng)逐步打開,氫燃料電池電動(dòng)汽車保有量預(yù)計(jì)達(dá)100萬輛,功率提升至30—500千瓦,額定點(diǎn)效率達(dá)60%。同時(shí),車載儲(chǔ)氫技術(shù)不斷進(jìn)步,從35兆帕III型儲(chǔ)氫瓶到70兆帕Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶,再到液氫等高效技術(shù)應(yīng)用,成本也將逐漸降低。
目前,適用氫燃料電池電動(dòng)汽車規(guī)模化發(fā)展的三大應(yīng)用場(chǎng)景為城郊公交、長(zhǎng)途干線物流車輛、冷鏈物流車輛。以京津冀地區(qū)為例,采用氫燃料電池的城郊公交保有量為8000輛,近3年推廣量為5000輛,年用氫2.6萬噸;采用氫燃料電池的長(zhǎng)途干線物流車輛保有量為20萬輛,推廣量為6000輛,年用氫5.3萬噸;采用氫燃料電池的冷鏈物流車輛保有量為52.7萬輛,推廣量為10000輛,年用氫2.1萬噸。這些車輛使用頻繁、路線相對(duì)固定,為氫能應(yīng)用提供穩(wěn)定市場(chǎng)。
為推動(dòng)氫燃料電池車輛實(shí)現(xiàn)規(guī)?;⒖鐓^(qū)域和中長(zhǎng)途運(yùn)營(yíng),在氫能產(chǎn)業(yè)示范城市群的基礎(chǔ)上,聯(lián)通跨區(qū)域高速公路,我國(guó)已形成“兩縱四橫”氫能高速網(wǎng)絡(luò)。目前,山東、湖北、四川、吉林、陜西等多地已出臺(tái)政策,對(duì)氫能車輛免收高速公路通行費(fèi),部分地區(qū)還給予加氫站建設(shè)補(bǔ)貼等支持。這些舉措不僅降低了氫能車輛的運(yùn)營(yíng)成本,還促進(jìn)了氫能產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展,為氫能高速網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和完善提供了有力支撐。
隨著燃料電池成本的持續(xù)下降,在免收高速費(fèi)的條件下,氫能車輛在運(yùn)營(yíng)成本方面展現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)49T牽引車的TCO分析可知,與燃油重型卡車相比,氫能重型卡車在8年內(nèi),可節(jié)省高速費(fèi)200多萬元。從各項(xiàng)成本明細(xì)來看,49T燃油重型卡車的TCO總計(jì)為864萬元,49T換電重型卡車TCO為739萬元,而49T氫能重卡僅為628萬元。這清晰地表明氫能重卡在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中具備顯著的經(jīng)濟(jì)性,有望在長(zhǎng)途干線物流領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
隨著技術(shù)進(jìn)步、成本降低和基礎(chǔ)設(shè)施完善,氫燃料電池車輛市場(chǎng)將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。商用車行駛里程長(zhǎng)、載重量大,對(duì)氫能需求大,大規(guī)模應(yīng)用能推促進(jìn)制氫、運(yùn)氫、儲(chǔ)氫、加氫等環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展,并可推動(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟。以商用車為突破口,借助管道輸氫,可帶動(dòng)西部可再生能源大規(guī)模制氫和東部燃料電池規(guī)模化發(fā)展,有望形成兩條10萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
同時(shí),氫燃料電池應(yīng)用廣泛,適合多場(chǎng)景應(yīng)用,除當(dāng)前已逐步商業(yè)化的公交車、物流車、特種車等陸地交通領(lǐng)域,還可涉及分布式發(fā)電站、家用熱電聯(lián)供等場(chǎng)景,以及無人機(jī)、飛行汽車、飛機(jī)、船舶等航空航海領(lǐng)域。不同功率的氫燃料電池可滿足各場(chǎng)景需求,如乘用車(10—150千瓦)、分布式燃料電池發(fā)電站(1—10兆瓦)等,展現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>
氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)前景廣闊,但也面臨技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、成本如何進(jìn)一步降低、基礎(chǔ)設(shè)施待完善等挑戰(zhàn)。政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)需協(xié)同合作,加大研發(fā)投入,完善政策支持體系,加快加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著技術(shù)成熟和市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大,氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)將在能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用,推動(dòng)全球可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。
(作者:北京億華通科技股份有限公司首席技術(shù)官、北京市氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心總工程師)