碳中和背景下海外氫能源發展新思路及對我國的啟示

張翛然, 王亞會, 聶銘歧,3, 王熙大?

(1.國家新材料產業發展戰略咨詢委員會天津研究院,天津 300042;2.天津紹聞迪康科技咨詢有限公司,天津 300042;3.天津前沿科技咨詢有限公司,天津 300042)

0 引言

碳中和愿景下,全球能源體系面臨深度重構,能源利用方式和能源結構都亟待顛覆,清潔能源的規?；l展備受關注與期待。 氫能作為最具潛力的清潔能源,是達成碳中和目標、促進低碳轉型和可持續發展的重要抓手。 現階段,發展氫能已然成為各國實現碳中和目標一致的戰略選擇。 為此,亟需厘清中國氫能產業發展面臨的風險與挑戰,借鑒他國氫能發展思路和先進經驗,制定切實合理的應對之道,探索適合中國現狀的氫能發展之路,為氫能產業發展按下加速鍵。

1 國外氫能產業發展新變化

1.1 美國

早在20 世紀初,美國就將氫能源作為中長期戰略技術進行儲備,碳中和目標提出后,氫能進一步被視作國家能源戰略體系的關鍵部分。 2021 年11 月,《基礎設施投資和就業法案》授權投資95億美元用于區域氫能中心建設以及氫能全產業鏈示范與研究。 2022 年8 月生效的《降低通貨膨脹法案》則為清潔氫氣提供了額外的政策和激勵措施,包括生產稅收抵免。 在此基礎上,2022 年9 月22 日,DOE 發布《國家清潔氫戰略和路線圖(草案)》,確定了氫能產業化推廣的優先事項,并設定到2031 年將清潔氫的成本降低到1 美元/kg 的目標,旨在到2050 年利用清潔氫將美國的排放減少約10%。

清潔氫戰略發布以來,北美已成為全球電解水制氫產能增量最大的地區,巨大需求帶動Teledyne Energy Systems、Plug Power 等電解槽企業繼續擴大優勢。 同時,美國希望利用碳捕集與封存(CCS)技術實現傳統產能向清潔技術的過渡,僅在2021—2022 年,美國至少宣布了78 個新的CCS 項目[1]。 而在應用端,美國加氫站數量繼續攀升,預計到2023 年年底將有108 座加氫站投入使用[2]。 在此基礎上,氫動力重型拖拉機和公交車也進入部署的早期階段,截至2023年2 月28 日,在美國銷售和租賃的燃料電池汽車共計15 471 輛[3]。

1.2 日本

日本也是全球最早開發氫能技術并全面推進氫能應用的國家之一,20 世紀70 年代就著手制氫技術、燃料電池以及液化儲氫方面的研發。 2011 年,福島核事故擊碎了日本的“核電夢”,日本更是將氫能視為下一代能源支柱,提出了“氫能社會”的愿景和實現路徑。 隨著全球向碳中和邁進,日本促進氫能發展方面舉措再次提速,氫能領域的扶持政策逐步細化,如表1 所示。

在政府的支持之下,日本的氫能產業發展取得了較為可觀的成果。 豐田、本田等企業斥巨資積極部署氫燃料電池汽車,豐田推出的氫能源汽車Mirai,是世界首批量產的氫燃料電池車。 根據日本下一代汽車振興中心公布的數據,截至2023 年4 月,日本共計建成加氫站165 座[4];截至2021 年,燃料電池乘用車保有量6 981 輛[5]。

1.3 歐盟

2020 年7 月,歐盟發布《歐盟氫能戰略》,計劃分3 個階段實現氫能在歐洲的實際應用:2020—2024年,歐盟將建成至少6 GW 的電解槽,可再生能源制氫能力達到100 萬t/年,并積極開拓氫能在各個終端領域的應用;2025—2030 年,電解槽建設量擴大至40 GW,可再生能源制氫能力達到1 000 萬t/年,改造現有天然氣設施并建成泛歐洲的綠氫輸送管網,實現與周邊地區的綠氫國際貿易;2030—2050 年,綠氫產業完全成熟,所有需要減排但難度巨大的產業都將大量推廣使用綠氫合成燃料,包括航空和航運等產業。

此外,2022 年7 月和9 月,歐盟委員會先后啟動了“IPCEI Hy2Tech”和“IPCEI Hy2Use”項目,為歐盟成員國提供100 億余歐元的公共資金,意在支持氫技術研究和創新以及首次工業部署。 2023 年3 月,歐盟委員會又推出了“歐洲氫能銀行”計劃,對首批拍賣的可再生能源制氫生產試點項目進行固定溢價形式的補貼。 而隨著歐盟可再生能源制氫產業的發展,一些相關規則的設立也隨之到來。 2023 年2 月,歐盟通過了《可再生能源指令》要求的兩項授權法案,詳細定義了歐盟“綠氫”的構成,這一定程度上可以被視作是一項標準,有利于歐盟未來在氫能領域話語權的確立。

1.4 英國

近年來,英國政府不斷強化其氫能產業的政策布局,希望借此提升英國在全球氣候治理及能源轉型中的話語權,從而維持其“全球英國”的戰略設想。 2021年8 月,英國重磅發布其《國家氫能戰略》,標志著氫能正式成為英國未來綠色發展與能源轉型的核心之一。 2022 年4 月,英國接連發布新版《能源安全戰略》及《氫能投資者路線圖》,將此前2030 年實現5 GW 氫能的生產目標提升至10 GW,而且其中的一半將完全是綠氫。 除了政策上的引導,英國政府也在加大對氫能的投資力度。 “綠色工業革命十點”計劃和《國家氫能戰略》分別為支持氫能發展提供2.4 億英鎊和10 億英鎊資金,同時政府預計還要引入40 億英鎊的私人投資用于資助英國氫能產業的發展。 此外,英國政府利用其新一期的差價合約(CfD)計劃啟動了世界上第一個國家層面的清潔氫氣補貼計劃,該計劃將資助英國國內最初的1 GW 綠氫和1 GW 藍氫項目。

1.5 韓國

在2050 碳中和目標的驅動下,韓國從多角度入手構筑氫經濟健康有序發展的生態系統。 2021 年11月,韓國政府發布最新國家氫能目標,提出到2050 年氫進口代替原油進口、氫能覆蓋大型工業用能,并發布氫能產業一攬子發展規劃;2022 年11 月,韓國政府又公布氫經濟發展戰略,計劃到2030 年普及3 萬輛氫能商用車。 為保障氫經濟的安全發展,韓國還于2020 年專門頒布《促進氫經濟和氫安全管理法》,并在2022 年6 月的部分修訂案中提出通過引入各等級認證制度,構建以清潔氫為中心的生產、儲運及應用全周期生態系統。

同時,為促進氫燃料電池汽車的銷售和普及,韓國政府持續投入資金用于加氫站建設、氫燃料電池研發,其對消費者車輛采購的補貼更是高達車輛出廠價的50%,且新購車用戶前半年免費加氫。 在韓國政府的大力補貼和政策刺激之下,韓國氫燃料電池汽車行業得到了良好發展,現代NEXO 車型銷量世界領先。

2 國內氫能產業發展現狀

2.1 頂層設計

相較于美國和日本,中國的氫能政策制定較晚。2014 年發布的《能源發展戰略行動(2014—2020 年)》,首次將“氫能與燃料電池”作為能源科技創新戰略方向?！笆奈濉睍r期,中國開始著重打造現代能源體系,密集出臺各種政策規劃引導氫能產業發展,如表2 所示。

2.2 產業現狀

2.2.1 制氫

自2010 年以來,中國一直是全球最大的氫生產國,“雙碳”目標提出以來,中國氫產量進入新的快速增長階段,2022 年產量達3781 萬t,3 年復合增長率將近20%。 從制氫來源結構看,化石能源仍然是當前中國主要的制氫來源,電解水制氫占比僅1%[6]?！半p碳”背景下,碳排放巨大的化石能源制氫勢必逐步被低排放的技術路線所取代。 長期來看,可再生能源電力電解水制氫將成為大規模集中供氣的主要手段。 目前,包括中石化、寶豐能源、隆基股份等能源和化工企業紛紛布局可再生能源制氫,截至2022 年年底全國已建、在建和規劃中的可再生能源制氫項目已超過100 個,這些項目將集中于2025—2035 年投入運營。

此外,在制氫設備方面,國內現有的大型、特大型化石能源制氫裝置多為國外引進;國內目前的電解水技術也多集中在效能較低、技術相對落后的堿性電解技術(ALK),產品選擇不多,且所產氫氣純凈度不及國外,質子交換膜(PEMs)和固體氧化物(SOEC)電解水制氫設備研發有待加強。

2.2.2 儲運

在氫氣儲存方面,高壓氣態儲氫是現階段最可行的商業化方案,同時還是車載儲氫的主要技術手段。目前,國內應用還停留在鋁內膽纖維纏繞瓶(III 型)階段,且整體國產化率在50%左右,碳纖維纏繞設備與高壓罐體加工設備仍需進口[7],塑料內膽纖維纏繞瓶(IV 型)產品尚處于研發中。 目前,低溫液氫國內僅限應用于航空航天等高端領域,液氫系統核心設備技術儲備不足,液化氫成本居高。

氫氣的存儲狀態決定了其運輸的形式,目前,中國以氣氫拖車的運輸方式為主,液氫運輸產業還處于萌芽階段,相關法規、標準尚未建立,一定程度上阻礙了液氫在民用領域的發展。 此外,管道運氫作為大規模、長距離運氫的有效手段,近年來國內的發展開始提速,不過仍處在示范研究階段,天然氣管道摻氫比例達到24%,管道總長397 km;純氫管道僅5 個項目,總長109 km[8],氫氣管道的建設布局還有很大提升空間,相關標準法規也亟待完善。

2.2.3 應用

氫能應用產業技術方面,目前全球質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)及其組件的研發制造居多。 國內PEMFC 原材料多數需依賴進口,關鍵設備的國產化能力不足,缺少具有自主知識產權的技術體系。 因此,雖然國內燃料電池產業已具備一定規模,但產業競爭力仍然較弱。 而在SOFC 路線上,中國研發起步較晚,商業化應用方面與日、德、英等數百千瓦級的家用熱電聯供(CHP)系統相比存在一定差距,僅示范了十幾千瓦級別的SOFC 系統。

在多元化應用方面,國內現階段氫動力交通工具以客車和重卡為主,運營數量約占全球運營總量的12%。 為助推燃料電池汽車市場化,國家高度重視加氫站的建設,截至2022 年年底,中國累計建成加氫站358 座,其中在營245 座,數量居全球第一。 在能源領域,將氫能與燃氣輪機或燃料電池技術相結合可實現氫儲能,目前國內氫儲能仍處于起步階段,2021 年全國氫儲能裝機量約為1.5 MW,氫儲能滲透率不足0.1%[9]。

3 國內氫能產業發展風險

3.1 外部風險

我國的氫能產業起步較晚,技術實力也相對薄弱,幾乎在全產業鏈上都存在“卡脖子”的現象,在原材料和基礎制造工藝以及裝備技術方面仍存在明顯短板,比如電解槽的膜催化劑、儲氫瓶密封管閥件材料、燃料電池質子膜材料、加氫槍套管材料等[10-11]。隨著美國對華科技“脫鉤”力度的加大,國內氫能產業發展面臨著嚴重的外部風險。 2022 年2 月,美國白宮發布新版《關鍵和新興技術清單》,包括可再生能源相關技術。 目前,美國在戰略上推行對華精準“脫鉤”,特別強調要在關鍵技術領域實現對華的“脫鉤”。 此外,美國不斷拉攏盟友構建所謂“科技民主聯盟”,在關鍵新興技術發展方面與盟友實現“共享”,從而減少對華依賴,從技術、供應鏈、市場、標準等多方面,全方位排擠和打壓中國。 若美國及其盟友繼續強化關鍵技術領域的對華限制,將對國內氫能產業發展帶來較大的沖擊,這需要引起足夠的重視。

3.2 內部風險

雖然國內氫能產業目前發展得如火如荼,但是這其中仍存在著不少的問題需要解決。 (1)頂層設計方面。 我國近些年才正式出臺了氫能的中長期發展規劃,相較于其它氫能產業強國,我們頂層設計的提出稍顯滯后;圍繞中國氫能發展的戰略目標,政策保障和實施路線還不夠細致和完善[10]。 (2)監管體系和標準方面。 氫能由于其危險性和產業鏈環節的多樣性,亟需在“制-儲-輸-用”等各環節建立統一的國家標準,這樣有利于統一管理歸屬、明確部門的管理職責,從而有效保障氫能產業安全穩步地發展。 (3)產業發展方面。 國內氫能產業正處于商業化初期,應用場景單一且多集中在交通領域,且各地方政府的支持也多集中于燃料電池、燃料電池汽車及其配套裝備上,這導致產業發展有同質化趨勢,甚至是低水平的重復建設[11-12],嚴重制約了氫能在減排和能源轉型中所能發揮的作用,也不利于國內氫能全產業鏈的高質量發展。

4 海外氫能發展對我國的啟示及風險應對策略

4.1 優化頂層設計

頂層設計方面,可借鑒歐美等發達國家/地區氫能戰略,結合國內產業現狀,統籌規劃氫能發展路徑,如發展煤制氫配合碳捕集技術、推動氫能石化化工應用示范、加速氫儲能布局等。 此外,中國各省市及地區氫能發展各自為政,也亟需國家層面的統籌規劃,應結合東、中、西部資源稟賦特點和工業基礎,因地制宜選擇區域發展方向和實施路徑。

4.2 夯實技術儲備

核心技術方面,上游需加快多種制氫大型設備的自主可控,如加壓純氧氣流床液態排渣氣化工藝設備、質子交換膜(PEMs)電解槽以及變壓吸附(PSA)工藝設備等。 中游需推動高強度車載儲氫罐、氫氣液化裝備以及運氫管道材料的技術進步。 下游應關注氫能冶金、燃料電池、氫渦輪、分布式電站等應用技術,以及氫氣壓縮機和加注機等配套技術。

4.3 加速市場培育

多管齊下推動氫能市場化進程。 制氫環節:未來需通過技術進步和規?；a降低電解槽的投資成本,增加電解槽的壽命以攤薄折舊和其他固定成本,利用可再生能源棄電制氫降低制氫電價等。 儲運環節:后續應加快液氫儲運,“西氫東送”長距離輸氫管道等低成本儲運體系建設。 應用環節:探索清潔氫與碳市場、差別電價等機制掛鉤,促進工業部門氫能對化石能源消費的替代。

4.4 配套法規制定

為推進氫能的商業化進程,我國應參照國外先進管理模式,盡快明確綠氫生產、儲運、應用等環節的歸口管理部門,建立統一、快速審批政策及流程。 安全管理方面,也應盡快完善氫氣的制、儲、運、用全生命周期安全法規及安全監管體系。 同時,可考慮充分發揮行業團體和區域性團體在標準化工作中的作用,以應對氫能技術發展迅速、技術迭代快、區域性需求差異大等發展特點。

4.5 加強對外合作

為后續更好地融入全球氫能市場,中國氫能發展過程中應重視對外合作。 技術交流方面,應鼓勵先進技術研發合作以及人才交流,縮小與國際先進水平的差距;積極參與國際標準制定,為將來打入國際市場提供先決條件。 市場開拓方面,可推動可再生能源制氫及相關應用基礎設施在絲綢之路沿線國家的投資建設以及化石能源綠色制氫方法在中東石油主產地區的項目合作,促進中國氫能方案走向世界。

5 結語

碳中和背景下,世界氫能領域各先進國家紛紛對氫能發展戰略進行調整,對新形勢下中國氫能發展具有重要借鑒意義。 首先,當前全球在發展綠氫方面已經達成共識,結合產業現狀制定向可再生能源制氫過渡的短中長期路線圖對國內產業發展至關重要。 其次,突破氫能領域各環節“卡脖子”技術,同時加快前沿技術布局,不僅有利于保障氫能產業的平穩發展,也為將來全方位降低氫能綜合應用成本、推廣氫能應用提供條件。 最后,應加速氫能應用示范和經濟性、安全性綜合研判,推動多元化場景應用,積極拓展國際市場。 碳中和開辟了氫能競賽的新賽道,給予中國彎道超車的機會,中國應緊抓機會,在全球新一輪氫能革命中搶占競爭優勢。