劉貴洲 竇立榮 黃永章 鄒才能 許 昕

1. 中國石油國際勘探開發(fā)有限公司, 北京 100034;2. 中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083;3.中國石油天然氣集團有限公司, 北京 100007

0 前言

2021年2月上旬,中國石油在張家口合資建設(shè)的一座加氫站竣工投產(chǎn),開始為2022年冬奧會崇禮賽區(qū)大巴加注氫能,10 d內(nèi)加氫近4 000 kg,服務(wù)365臺次,未來滿負荷將日均加注1 000 kg。該站位于崇禮賽區(qū)核心區(qū)域,是中國石油首座加氫站,也是冬奧會首座加氫站。2020年11月,張家口市與殼牌公司開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。作為全國運營氫能公交車最多的城市,張家口市已有214輛氫能公交車在運行。

氫能目前已經(jīng)為世界上許多國家、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

1.1 氫能是清潔燃料

氫氣不僅是清潔燃料,且最能實現(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。

1)在運輸行業(yè),與傳統(tǒng)燃油汽車比,氫燃料電池汽車不產(chǎn)生污染,又比電動汽車加注時間短、續(xù)航遠?？梢?氫燃料電池汽車具備大規(guī)模推廣的潛力。在政府補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的未來可與燃油汽車和電動汽車相比,且未來隨著技術(shù)進步和規(guī)模效應(yīng),成本會進一步降低。氫能公交車目前已在歐洲20多個城市使用,在我國也有多個城市試行;較長距離、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。燃氣中混入一定量的氫氣,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)電和太陽能發(fā)電與建筑用熱在季節(jié)上、晝夜交替和有風(fēng)無風(fēng)等方面存在不匹配問題,氫能恰好可用來補充調(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、黃金焊接等多個領(lǐng)域,既可作為某種化學(xué)過程的原料,還可提供工業(yè)高溫過程加熱。在減碳困難的鋼鐵和水泥行業(yè),綠氫至關(guān)重要。低(零)碳氫在工業(yè)上應(yīng)用范圍不斷擴大。

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。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)動有機結(jié)合為一體,使其運輸用能與燃油燃氣驅(qū)動、電驅(qū)動比,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,包括從制氫、儲、運、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,并且投入大、產(chǎn)出慢、技術(shù)含量高、競爭激烈、完全市場化[4]。

1.3 氫氣制備來源廣泛

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,整個過程零碳排放,并能有效利用風(fēng)電和太陽能發(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]。藍氫來自于天然氣,由蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化(SMR)制取?；覛渲饕ㄟ^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)尾氣的制氫過程,碳的成分始終存在,因此仍然存在碳排放問題[7],只有配套碳捕捉、收集、利用和儲存(CCUS),才能達到減碳效果。可見這三類氫并不是凈零碳能源[8]。

1.4 氫氣運輸方式多樣

氫氣可通過管道運輸、拖車運輸和罐車運輸。拖車運輸在我國較普遍,且技術(shù)成熟度高。不過這種方式效率低,40 t拖車才運輸氫氣400 kg,因此只在短途200 km以內(nèi)的小規(guī)模運輸上才比較可行[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,比如暫時還不能應(yīng)用在電子設(shè)備上;在運輸方面存在“氫脆”現(xiàn)象,會對傳統(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),運輸環(huán)節(jié)中的“氫脆”問題,氫氣液化和船舶運輸?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。氫燃料電池未來需求大,且行業(yè)競爭激烈,將會配套該類汽車的動力裝置并行發(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氫、灰氫的制取成本高很多。國際能源署公布,灰氫價格約為11.9元人民幣/kg;藍氫價格略高于灰氫價格,為16元人民幣/kg;綠氫最貴,達到27.78～39.68元人民幣/kg。在中國,上述價格還要高得多[11]。

高成本的氫能利用需要仰賴技術(shù)進步、規(guī)?；图苫a(chǎn),以及政府補貼、碳稅征收等政策扶持,還需要全社會對能源轉(zhuǎn)型的高度期待,需要形成共同推動的合力。

綠氫制備的經(jīng)濟性對兩個因素特別敏感:電價和水電解產(chǎn)能利用率。負荷率要達到50%以上,電價要在 30美元/MW·h 以下才具備大規(guī)模利用的條件,這在目前都遠達不到。經(jīng)過一段時間努力,負荷率可望接近20%;可再生電力購電協(xié)議價可望隨著風(fēng)能和太陽能電力的大規(guī)模增長而接近50美元/MW·h。顯然這還有很大的努力空間[12]。

綠氫制備遠未達到規(guī)?；?。全球電解制氫仍處于初始階段,電解制氫項目都較小,規(guī)模都不大。盡管氫氣產(chǎn)能已有3.2 GW,而且成長得很快,但綠氫仍可說是微乎其微,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、日本、美國、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,單個電解制氫項目產(chǎn)能都在1 MW以下;歐洲以外估計不超過5 MW。

膜電極尚未實現(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,價格昂貴,大量使用必然使膜電極和燃料電池汽車價格居高難下。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。燃料電池汽車價格目前是普通汽車價格的兩倍,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年全球平均碳稅達到40美元/t,綠氫利用成本才可與藍氫+碳捕捉與儲存(CCS)有一比,但與燃油和其他電力比仍有差距。由此可見,氫開始對減碳做出有實際意義的貢獻恐怕要到2030年以后。

突破氫能利用的成本瓶頸還需要各國政府政策支持和全社會對能源轉(zhuǎn)型的期待。需要各國和各大公司采取戰(zhàn)略性舉措,推動氫能利用,尤其是綠氫,把綠氫作為減碳戰(zhàn)略重要組成部分,推動綠氫利用大步向前,進而驅(qū)動成本下降。這需要研發(fā)投資、技術(shù)進步、投資者試投項目,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 世界各地紛紛出臺氫能戰(zhàn)略,競相采取政策扶持

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目”,在5～10年內(nèi)投資氫能項目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)能分別達到6 GW/a、40 GW/a,產(chǎn)量分別達到100×104t/a、1 000×104t/a;2030年以后將綠氫部署到各個難以實現(xiàn)脫碳化的行業(yè)中。歐盟氫能倡議已吸納歐盟26個成員國,另外,14個歐盟成員國制定政策,以氫能替代化石能源。歐盟從吸納投資、市場監(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),便利氫氣遠距離運輸,德、奧、法、荷、比、盧等國能源部長共同強調(diào)加大氫氣運輸基礎(chǔ)設(shè)施投資[14]。

3.1.2 英國

英國未來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);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,與其他三項投資基本持平。推進北部城市燃氣全部改為氫,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氫發(fā)電,計劃到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

德國舉全國之力推進氫能利用,2018年6月氫動力列車試運行,屬世界首列;同年12月發(fā)布了推進氫與燃料電池技術(shù)引進支援計劃“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)和政策制定機構(gòu),快速構(gòu)建社會普及、產(chǎn)學(xué)官攜手開發(fā)氫能技術(shù)的體制,主導(dǎo)氫能國際競爭;2020年6月發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》,以發(fā)展綠氫為重點,打造氫能技術(shù)全球領(lǐng)導(dǎo)者,同月公布大規(guī)模經(jīng)濟復(fù)蘇計劃,1 300 億歐元中的90多億歐元用于發(fā)展氫能。為實施龐大的綠氫計劃,德國還計劃創(chuàng)造條件促進可再生能源有效利用,例如對制氫用電免稅、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)運營商探討新的合作模式等。為了激勵電解制氫企業(yè)擴大規(guī)模,德國出臺《管網(wǎng)擴展促進法修正案》,允許運營商建立大規(guī)模儲能設(shè)施,促進氫能產(chǎn)地與消費地連通[16]。

3.1.5 韓國

韓國出臺《氫經(jīng)濟發(fā)展路線圖》,支持研發(fā)氫燃料電池,開展試點示范,推進多領(lǐng)域應(yīng)用,使氫在電力部門和運輸部門更有競爭性。2020年1月開創(chuàng)性地對氫能予以立法,為路線圖有效實施提供法律依據(jù)[17]。

3.1.6 日本

日本政策推動力度更大,2013年把發(fā)展氫能提升為國策,第四版《能源基本計劃》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”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,公布《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》,詳細描述了氫能研發(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)略和氫能利用進度表,明確2025年前快速擴大氫能使用范圍,使氫燃料電池汽車價格降至與混合動力汽車價格持平;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;2040年起,確立零碳供氫系統(tǒng)。2019年9月出臺《氫能和燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》,重點發(fā)展燃料電池、氫能供應(yīng)鏈和電解水三大領(lǐng)域。為促進燃料電池普及使用,日本對燃料電池車購買、家庭用燃料電池系統(tǒng)以及加氫站建設(shè)均進行補貼。對外,日本提出以其為主導(dǎo)開展國際合作,實現(xiàn)全球化氫能社會;發(fā)展氫氣制造、儲運和終端利用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù),并向全世界推廣。在國際上,日本積極推介燃料電池和氫能經(jīng)濟合作計劃,從政府層面制定國際合作激勵措施,同時盡可能多地制定國際標(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,重點開展對氫燃料電池、氫氣液化與船運、“氫脆”問題等的研究[19]。九州大學(xué)久保田祐信教授帶領(lǐng)團隊深度研究“氫脆”問題,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年將達到20萬臺,到2030年應(yīng)達到80萬臺;縮小該型車與混合動力轎車的價格差,到2025年使二者價格相當(dāng),氫燃料電池價格由2萬日元/kW降至0.5萬日元/kW,氫系統(tǒng)價格由70萬日元降至30萬日元。氫燃料電池公共汽車年產(chǎn)量到2030年將達到 1 200 臺,2025年前實現(xiàn)單車價格減半,由目前的1.05億日元降至0.525億日元。已著手開展小型卡車實證研究,進行200 km左右近距離運輸(采用高壓氣罐)、500 km左右遠距離運輸(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,運營費由 3 400 萬日元/a降至 1 500 萬日元/a;氫氣壓縮機由9千萬日元降至5千萬日元,蓄壓器由5千萬日元降至1千萬日元。2030年實現(xiàn)氫能發(fā)電商業(yè)化,2025年實現(xiàn)電網(wǎng)平價,低壓、高壓發(fā)電設(shè)備投資分別降至50萬日元/kW、30萬日元/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,之后進一步達到65%以上,耐久性由9萬 h增至13萬h。氫燃料電池家用發(fā)電設(shè)施由27.4萬臺增長到2030年的530萬臺;固體高分子型氫燃料電池價格降至80萬日元,固體氧化物型氫燃料電池價格降至100萬日元。

在降低成本方面,2030年氫氣價格要降至30日元/Nm3,之后進一步降至20日元/Nm3;提高氫能儲運液化效率,由13.6 kW·h/kg降至6 kW·h/kg。綠氫生產(chǎn)成本由 20萬日元/kW 降至5萬日元/kW;耗能由5 kW·h/Nm3降至4.3 kW·h/Nm3[20]。

3.2 主要國家及其企業(yè)競相付諸具體實施

目前,大約94%的氫來自于化石能源,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動車的20%～25%;氫可望替代一次能源14×108t,占全球能源消費的18%左右;綠氫產(chǎn)能可望達到 1 000 GW/a,占全部氫產(chǎn)能的75%;產(chǎn)能投資可達到1萬億美元,與以往投資3.65億美元相比,將會成數(shù)千倍地增長。

德國是全球綠氫制備的龍頭,占有全歐洲36個在產(chǎn)電解制氫項目中的18個,計劃到2030年綠氫產(chǎn)能達到 5 GW/a,10年間產(chǎn)能增長200倍;到2040年再新增 10 GW/a。德國已經(jīng)宣布2個項目,產(chǎn)能規(guī)模均增加到10～20 MW,另有3個100 MW的項目正在醞釀中。德國通力打造綠氫市場,并以國內(nèi)市場促動國外市場,在國際上推廣氫能技術(shù)和氫能利用,以期促進成本下降,實現(xiàn)規(guī)?；图夹g(shù)進步良性循環(huán),從而增強氫能競爭力。德國擬在摩洛哥等國投資20億歐元建設(shè)大型綠氫制備廠[21]。

各國企業(yè)也紛紛采取行動。2017年全球氫能理事會成立后,會員不斷增多,多個行業(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)計公司Bosch、Alstom,油氣公司Aramco、Shell、BP、Total和Equinor,以及金融企業(yè)等。德國企業(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2023年投產(chǎn)。丹麥海上風(fēng)電商?rsted公司與挪威化肥集團Yara擬合資在荷蘭建設(shè)一個100 MW風(fēng)電電解制氫產(chǎn)氨項目,可望2024—2025年投產(chǎn)。另外,德、法天然氣管道企業(yè)正商討首條跨境運氫管道。最近,英國BP公司和丹麥?rsted公司簽署了LoI(賠償保證書),擬合作建設(shè)一座工業(yè)規(guī)模的電解制氫項目,初始將在BP產(chǎn)能1萬桶/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、松下和愛信精機三家,其產(chǎn)品發(fā)電效率可達40%,總效率高于90%;啟動時間1～2 min,耐用時間8萬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)省的照明和取暖費用約6萬元。ENE-FARM全球銷量至2017年5月已突破20萬套,計劃2030年前達到530萬套。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,百公里加速時間約為10 s,最大續(xù)航里程超過700 km,補充氫燃料3 min;2015年、2016年、2020年產(chǎn)量分別達700輛、2 000輛、30 000 輛;2020年底上市FCV燃料電池車Mirai未來新車型,該型車將燃料電池和蓄電池有效結(jié)合,實現(xiàn)燃料電池和發(fā)電機組的相互配合,從而降低成本;2025年前讓燃料電池車售價降至 2萬美元左右。通過提高發(fā)電效率,一次加氫可行駛的距離更長[22]。豐田公司還為東京奧運會及殘奧會引進燃料電池大巴(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,仰賴日本政府補貼。豐田、本田售價670萬日元/輛、709萬日元/輛的燃料電池車可獲得補貼202萬日元/輛、208萬日元/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41個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)團地的福島氫能源研究基地是亞洲最大的制氫工廠,每小時生產(chǎn)氫氣 2 000 m3,年產(chǎn)能900 t,可以滿足1萬輛氫能源汽車一年的氫能所需。未來還可能將自身氫能發(fā)電融入東北電力公司的電網(wǎng)。氫氣液化運輸方面,日本川崎重工制造的全球首艘液氫運輸船“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)運送到日本神戶,9 000 km路程需花費16 d,每三個月運輸一趟。

3.3 技術(shù)進步和規(guī)?；?yīng)正快速推動成本下降

時下,國際上藍氫的成本在無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)電解制氫實現(xiàn)過程自動化,原料成本下降5%,電解效率提高8%,成本完全能實現(xiàn)下降1/3的目標(biāo)。規(guī)模擴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題的解決等[23]。

3.4 碳稅調(diào)節(jié)既推動氫能利用又增強綠氫競爭能力

世界各國紛紛開征碳稅并有不斷提高稅率的趨勢,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,轉(zhuǎn)而使用氫能;另一方面會增加灰氫和藍氫的成本,使其與不斷降低的綠氫的成本逐步接近[24]。據(jù)預(yù)測,到2040年,灰氫成本可能因碳稅征收上升82%;與此同時,綠氫成本因技術(shù)進步、規(guī)模效應(yīng)和電價優(yōu)惠,可望下降64%。到那時,美國、歐盟和澳大利亞綠氫成本與灰氫成本基本相當(dāng),其中德國可能會在2030年提前達到兩者成本相當(dāng)[25]。

4 中國氫能發(fā)展已起步

2011年以來,中國陸續(xù)出臺政策,鼓勵和引導(dǎo)發(fā)展氫能:1)2019年政府工作報告首次明確“推進加氫等設(shè)施建設(shè)”;2)《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》一改以往將氫能定性為危險品的慣例,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)用財政補貼政策的通知》,對示范城市予以獎勵,以獎代補;4)計劃4年內(nèi)形成燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈;5)開展基礎(chǔ)研究,努力掌握核心關(guān)鍵技術(shù);6)利用龐大市場,參與世界氫能市場強力競爭。

與此同時,區(qū)域發(fā)展如火如荼,2019年《長三角氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展白皮書》發(fā)布;珠三角、長三角、京津冀地區(qū)及山東、海南、湖北、四川等30多個省、市制定了氫能發(fā)展支持政策,迄今各地已發(fā)布氫能產(chǎn)業(yè)政策160多個、標(biāo)準(zhǔn)近70項。珠三角、長三角、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)用財政補助方案、《臨港新片區(qū)綜合能源建設(shè)三年行動計劃(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,重點建設(shè)嘉定、臨港新片區(qū)、青浦、金山、浦東、寶山6個燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)聚集帶[27]。到2023年實現(xiàn)“百站、千億、萬輛”目標(biāo)。規(guī)劃加氫站接近100座,投運30座,產(chǎn)值近千億元,推廣氫燃料電池汽車1萬輛。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,已建成投運加氫站7座,先發(fā)優(yōu)勢明顯[28]。由此,2020年7月上海以75.84分的成績登上勢銀(TrendBank)“中國氫能城市競爭力排行榜”榜首,獨占氫能發(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、儲運、加注、應(yīng)用等環(huán)節(jié)。國富氫能、華昌能源、中車氫能、重塑科技等重點氫能產(chǎn)業(yè)項目60多億元投資相繼落戶蘇州。所屬張家港和常熟成為氫能先導(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:氫氣資源供給充足,企業(yè)集聚效應(yīng)明顯,創(chuàng)新平臺優(yōu)勢突出,示范應(yīng)用場景豐富,支持政策高度聚焦。沙鋼集團、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)。張家港市已開辟5條公交線路,投運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營,日加氫能力達1 000 kg;同時開辟1條公交線路,首批20輛氫燃料電池公交車投入運行,120輛氫燃料電池物流車上牌投運。2021年2月發(fā)布《蘇州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》。

4.3 佛山

佛山率先出臺一系列產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策,進行市區(qū)兩級規(guī)劃,出臺《促進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持辦法》《加氫站建設(shè)運營及氫能源車輛運行扶持辦法》;以仙湖氫谷為核心建設(shè)國際一流的氫能產(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,已建立多個氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺;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,投入運營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、國家電投、東方電氣、中國石油、中國石化、中國中車、中船重工等企業(yè)集團都結(jié)合自身優(yōu)勢,選擇性進入氫能產(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)選擇開發(fā)氫燃料電池汽車并配套開發(fā)燃料電池,實施后段一體化發(fā)展;化石能源豐富的企業(yè)選擇制氫和建設(shè)加氫站,實施前段一體化發(fā)展,其中中國石油和中國石化等加油站分布廣的企業(yè),積極建設(shè)油氫合建站[31]。中國石化氫氣總產(chǎn)能已達到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日在大連投入運營。未來將以京津冀、長三角、珠三角為重點,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。中國石油除已投入運營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,未來還將在全國布局?jǐn)?shù)量可觀的加氫站。

目前中國氫氣產(chǎn)能大約 2 500×104t/a;在運、在建加氫站130多座;運行燃料電池汽車近 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_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年氫氣需求達到 9 800×104t(1.092×1012m3),2040年需要1.96×108t(2.184×1012m3)。

5 對策建議

面對全球氫能利用洶涌發(fā)展勢頭,國家層面、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)慎決策具體項目。

5.1 國家層面要構(gòu)筑好發(fā)展氫能的良性機制

中國在發(fā)展氫能方面做過不少工作,已經(jīng)有了較好基礎(chǔ),但要博采眾長,與日、德之強項比,還有不小改進空間。一是規(guī)劃要超前,著眼于30年以后,看趨勢定目標(biāo),據(jù)實際分階段。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,同時用好政策工具,開征碳稅、加重補貼,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)汽車相比處于競爭優(yōu)勢地位。

5.2 加快構(gòu)建上中下游完整的“氫氣工業(yè)”

從制氫、運氫到氫能多方式利用,整個氫氣工業(yè)上中下游產(chǎn)業(yè)鏈,中國大多數(shù)都有涉獵,但發(fā)展仍處于試點示范階段,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)展價值鏈各環(huán)節(jié)有強有弱,例如燃料電池汽車制造、質(zhì)子交換膜攻堅、加氫站氫氣灌注機替代、氫氣管輸中氫脆難題的克服等等,都需要趕上世界先進水平。而且中國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)濟性上存在一定風(fēng)險,地方政府既要考慮氫能來源,避免以自己的“勞師遠征”去與競爭者的“就地取材”爭高低。還要考慮財政能力,避免出現(xiàn)“以獎代補”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、充分論證、量力而行。

5.4 企業(yè)要積極付諸轉(zhuǎn)型行動,占據(jù)氫能先機

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)勢和光明未來,積極行動起來,投入能源轉(zhuǎn)型大潮中,尤其要重視發(fā)展氫能源。

對傳統(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、現(xiàn)場考察學(xué)習(xí)等方式,進行知識和信息普及,讓各級領(lǐng)導(dǎo)干部及從業(yè)人員掌握氫能發(fā)展的前沿狀況,緊跟新能源時代步伐。

在審視企業(yè)現(xiàn)有資源、現(xiàn)有優(yōu)勢和劣勢基礎(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、正在起步實施之時,相關(guān)企業(yè)應(yīng)力爭將氫能源作為本企業(yè)能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的核心業(yè)務(wù)之一,列入五年重點發(fā)展規(guī)劃,為中國如期實現(xiàn)既定能源目標(biāo)做出新貢獻[33]。

其他如金融業(yè),要大力倡導(dǎo)和實施“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起來,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)展貢獻一份力量。