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谢明华 陈梅涛 等 | 全球氢能发展态势及我国的战略选择
发布日期:2021-11-30 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

全球氢能发展态势及我国的战略选择

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氢能战略研究课题组

摘要:氢能作为一种清洁、低碳、高效的绿色能源,正在成为各国竞相发展的战略重点。本文分析了氢能发展的起源以及当前世界主要国家氢能发展的动向,并从新一轮科技革命和产业变革的视角,分析了氢能产业发展的历史性契机,在此基础上,分析我国氢能产业发展的基础以及存在的问题。本文认为,虽然我国氢能产业发展起步较晚,但可坚持“战略引领、扬长补短、协同推进”的原则,依托庞大的能源体系和完整的工业体系两大优势,补齐科技短板,把握好发展步伐,促进上下游协同发展,在世界氢能产业和科技竞争格局中赢得主动。

关键词:氢能;科技革命;碳中和

一、氢能有望在绿色低碳能源体系中发挥重要作用

(一)氢能被誉为21世纪最具发展潜力的清洁能源

氢是宇宙中最常见的元素,主要以化合物的形态存在,通常的单质形态是氢气(H2),一般可通过一定反应从水、化石燃料等含氢物质中制取,是重要的工业原料和能源载体。16世纪,瑞士医学界首次发现氢气,早期主要应用于医药化工领域,氢气作为能源则起源于第二次世界大战之后的航天领域。氢能是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量,作为一种能源载体,相对于其他能源而言,氢能具有来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色低碳、储存方式与利用形式多样等特点,其作为电能最有效的补充,可以满足几乎所有能源特性的需求,从而形成一个解决能源问题的永久性系统(Sherif et al.,2005)。对于目前规模化应用的能源而言,只有石油可以同时用作热、电和交通工具燃料(IEA,2019)。而在未来,氢气将和石油一样,可同时被用作供热、发电和交通工具燃料,并且绿色低碳。因此,氢能发展越来越受到各界的重视,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源 , 是未来人类能源发展的重要方向。

(二)氢能产业将成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力

1.加快推动新一轮科技革命

能源科技革命是历次工业革命的核心要素,极大地促进了人类社会的发展。以蒸汽机为代表的科技革命推动了第一次工业革命,电力的发展和应用推动了第二次工业革命,原子能、电子计算机等科技的突破标志着第三次科技革命的到来,目前以新能源技术、智能技术为标志的第四次工业革命正在演化。随着科技的不断发展,氢能及氢燃料电池技术在国防领域和经济建设领域得到越来越多的应用和发展。作为氢能应用的核心技术,燃料电池的原理研究起步于1839年。20世纪60年代,碱性燃料电池(AFC)作为电源在美国的登月飞船、航天飞机中得到应用;1983 年,加拿大国防部资助巴拉德不能提现出款 研发质子交换膜燃料电池(PEMFC),1993年首批PEMFC大功率电池成功应用于公交车,引起发达国家和各大不能提现出款 高度重视,并投巨资发展这一技术。氢能产业是一个庞大的系统工程,能有效带动传统产业转型升级并催生新产业链,是能源科技创新和产业变革的重要领域。

2.促进产业基础再造

氢能技术和产业发展,涉及氢气“制、储、运、用”等环节。以关键材料质子交换膜为例,要提高氢能转换的效率、降低成本、延长寿命,必须有强大的精细化学工业作为基础;75兆帕高压、超低温液态储氢瓶则对钢材的性能提出了极高的要求;氢要实现密闭储存,对设备的精密度要求可以说近乎苛刻,目前仅有德国等少数国家企业可以生产加氢枪等加注设备。氢能科技和产业每一个环节的发展,都将极大带动基础工艺、基础材料等领域的发展。                 

3.培育新兴产业

氢能产业是一个规模庞大的体系,加快发展氢能产业,将推动制氢、储运、氢气利用等上下游产业链快速发展(见图1)。氢能产业是科技和资本密集型产业,涉及新材料、电力装备、新能源汽车、航空航天、国防军工等诸多高端制造领域,将带动能源架构、产业链底层经济运作模式的深刻变化,进一步带动大规模的氢能产业投资。1972年,国际学者提出“氢能经济”的概念。2014年12月,丰田首辆燃料电池汽车Mirai下线,目前已累计销售超11000辆。与此同时,韩国现代的Nexo燃料电池汽车售出也超过了10000辆。氢能及燃料电池汽车已进入产业化的初级阶段,竞争焦点从技术研发逐步转向全产业链的各个环节。根据2017年麦肯锡研究公布的《2050年氢发展蓝图》研究,氢能将创造3千万个工作岗位,减少60亿吨二氧化碳,创造2.5万亿美元的市场价值。2019年,国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》显示,到2050年,氢能源需求将是目前的10倍,预计到2030年全球燃料电池乘用车将达到1000万~1500万辆。

(三)碳达峰、碳中和目标的提出推动氢能产业发展进入新的阶段

1.氢能的特殊优势在于灵活高效,可有效解决可再生能源更好融入能源系统的瓶颈问题。由于可再生能源具有波动性、间歇性,每年大量的弃风、弃光、弃水,不仅造成大量资源浪费,而且制约了可再生能源行业自身可持续发展。如何让规模庞大且持续增长的可再生能源有效融入能源系统,成为一个长期亟待解决的关健性问题。氢能的突出优势在于转换灵活和可大规模存储。在碳达峰、碳中和背景下,氢能作为一种清洁能源,可在能源供给侧和消费侧助力深度脱碳,是推动电力绿色转型的有效手段。在未来高比例可再生能源系统中,以“氢电协同”为核心,将电力和氢气作为能源系统中的两个重要转化载体,根据特性需求将其他能源转化为电力或者氢气,并实现电力和氢气之间的相互转化,从而实现多种能源之间互融互通,不仅可以提升我国能源体系的弹性,解决可再生能源大规模消纳问题,而且可以提升各类能源开发利用深度,进一步优化能源结构,并从根本上提升能源安全自主保障水平。

2.氢资源来源广泛,技术进步将使大规模可再生能源制氢变得越来越经济。氢气按照制取来源可分为三种:一是从工业副产气提取的氢气;二是从煤或天然气等化石燃料中制得的氢气;三是通过可再生电力或核能来生产的氢气。目前,化石能源制氢是氢气的主要来源,成本相对较低,约合0.6元/立方米~1.2元/立方米;而可再生能源电解水制氢成本相对较高,约合3元/立方米~4元/立方米。低成本的工业副产氢可作为氢能产业发展的起步基础,但从长远来看,随着可再生能源发电成本的下降以及电解水制氢效率的不断提升,可再生能源制氢将变得越来越有竞争力。根据彭博新能源预测,可再生能源制氢成本将从2019年的2.5美元/公斤~6.8美元/公斤降至2030年的1.4美元/公斤~2.9美元/公斤(折合约0.87元/立方米~1.8元/立方米)。行业专家预计,在解决关键技术与产品的一致性、可靠性、经济性问题之后,2025 年左右氢能产业有望进入快速发展阶段。

二、发达国家普遍将氢能作为推动能源创新发展的重要方向

根据国际氢能理事会发布的《全球氢能观察2021》,截至2021年2月,全球已有30多个国家发布了氢能路线图(Hydrogen Concil,2021)。美国、日本、德国、韩国等发达国家将氢能规划上升到国家能源战略高度,逐步明确了氢能在国家能源体系中的战略地位,并通过加强顶层发展政策指引,加大研发投入力度,加快基础设施和应用示范建设,持续推动氢能产业发展。

(一)美国

1969年,氢动力燃料电池系统为首次实现登月的阿波罗系统提供电力和水,并依靠液态氢作为燃料推动火箭。自1969年以来,美国一直是燃料电池和氢能技术的引领者。1995年,美国总统科技政策办公室将氢燃料电池列为对美国经济繁荣和国家安全至关重要的27个关键技术领域之一。

2019年11月6日,美国燃料电池和氢能协会发布了《美国氢能经济路线图——减排及驱动氢能在全美实现增长》,报告显示,在过去十年里美国能源部为氢和燃料电池提供的资金从每年约1亿美元到2.8亿美元不等,报告预测2030年氢需求量将突破1700万吨,在美国道路上有530万辆氢燃料电池汽车,全美有5600个加氢站;2050年氢能有望满足美国终端能源需求的14%。

(二)日本

在多年研发基础上,日本近年提出构建“氢能社会”,采取多种措施在引领氢燃料电池技术国际标准和产业化进程中取得先机。日本政府先后发布《日本复兴战略》《能源战略计划》《氢能源基本战略》《氢能及燃料电池战略路线图》,规划实现氢能社会战略的技术路线。2019年公布的《氢/燃料电池战略路线图》将未来一段时期的氢能及燃料电池发展战略分为三个阶段:第一阶段,从当前到2025年,快速扩大氢能使用范围;第二阶段,从2020年中期到2030年底,全面引入氢发电,建立大规模氢能供应系统;第三阶段,从2040年开始,建立零碳的供氢系统。日本氢能和燃料电池技术拥有专利数全球领先,已实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广。

(三)欧洲

欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障。在能源战略层面提出《2005欧洲氢能研发与示范战略》《2020气候和能源一揽子计划》《2030气候和能源政策框架》《2050低碳经济战略》等文件,在能源转型层面发布了《可再生能源指令》《新电力市场设计指令和规范》等文件。欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目(FCH JU)对欧洲氢能及燃料电池的研发和推广提供了大量的资金支持,2014— 2020 年预算总额为6.65亿欧元(王赓等,2021)。在欧洲国家中,德国是较具代表性的国家,德国政府专门成立了国家氢能与燃料电池技术组织推进相关领域工作,并在 2006 年启动了氢能和燃料电池技术国家创新计划(NIP),2007— 2016年共投资14亿欧元,资助了超过240家企业、50家科研和教育机构以及公共部门;2017— 2019年开展第二阶段的工作,计划投资2.5亿欧元。凭借FCU JU和NIP项目支持,德国确立了氢能及燃料电池领域的领先地位,可再生能源制氢规模全球第一,燃料电池的供应和制造规模全球第三。德国长期致力于推广可再生能源发电制氢技术(Power to Gas),通过氢气连接电网和天然气管网,并利用现有成熟的天然气基础设施作为巨大的储能设备(中国氢能联盟,2020)。2021年5月,德国联邦经济部和联邦交通部宣布,将启动62个由国家资助的大型氢能项目,作为实施国家氢战略的一项重要措施,同时也是欧洲联合氢能项目的一部分。

(四)韩国

韩国氢燃料电池汽车研发有数十年积累,目前已将“氢经济”列为三大创新增长战略之一。2008年以来,韩国政府持续加大对氢能技术研发和产业化推广的扶持力度,先后投入3500亿韩元实施“低碳绿色增长战略”“绿色氢城市示范”等项目,持续推进氢能及燃料电池技术研发。2018年,韩国政府将氢能产业定为三大战略投资领域之一,并在2019年初正式发布《氢能经济发展路线图》,提出要在2030年进入氢能社会,2040年累计生产620万辆氢燃料电池汽车,建成1200座加氢站;普及发电用、家庭用和建筑用氢燃料电池装置。把氢能经济打造成拉动创新增长的重要动力,引领全球氢能及燃料电池产业发展。2018年,韩国现代汽车正式发布第二代燃料电池车Nexo,电堆最大输出功率达到95千瓦,续航里程达800千米。韩国完备的天然气基础设施支持了燃料电池项目的迅速普及,包括世界上能量最密集、最大的燃料电池公园,并计划2040年将燃料电池产量扩大至15吉瓦。

三、我国氢能发展有较好基础但要加强谋划才能形成整体优势

(一)我国氢能发展现状与基础

1.政策体系日益完善

自“九五”时期以来,我国一直将燃料电池作为国家支持的重点领域之一。近年来,氢能正逐渐被纳入国家能源发展规划。

《能源发展战略行动计划(2014— 2020年)》(国办发〔2014〕31号)明确将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向。财政部、科技部、工业和信息化部、国家发展改革委联合发布的《关于2016— 2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》(财建〔2015〕134号),对于燃料电池汽车的财政补贴提高至20万元/辆,并提出2017— 2020年除燃料电池汽车外,其他车型补助标准适当退坡。《能源技术革命创新行动计划2016— 2030年》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《“十三五”国家科技创新规划》等国家级规划,都将氢能发展与燃料电池技术创新提升到国家战略高度,列为重点发展方向。地方政府和企业积极探索氢能产业发展,出台了不少支持政策,初步形成制备、储运、应用等环节的完整产业链(见表1)。氢能产业布局由珠三角、长三角、京津冀等先发区逐步向环渤海、大中原、华北、西北及东北区域扩展。

2.氢气资源潜力巨大

一方面,在我国氢能产业发展的初期阶段,充足且价格较低的工业副产氢可成为支撑氢能产业的基础。2019年,我国副产氢的商用剩余量约为80万吨/年,按每辆车年行驶2万公里计算,可为400万辆氢燃料电池车提供1年燃料使用量。另有198万吨/年的潜在专业制氢产能可做后续氢源供应。另一方面,我国可再生能源规模领先全球,风电和光伏装机分别达到2亿千瓦,合计约占全球的40%。但由于可再生能源具有波动性、间歇性,每年弃风、弃光、弃水规模数百亿度电,如果将这些可再生能源用来电解制氢,则可以制备上百万吨氢气,将不能储存的电制成氢储存起来应用,对电站稳态生产、提高经济效益、延长发电设备寿命、充分利用可再生资源有重大意义。

3.相关技术发展迅速

第一,燃料电池技术方面,国内燃料电池技术发展迅速,燃料电池发动机核心部件国产化率不断提高。在质子交换膜领域,国内企业逐步具备量产能力,有望降低对进口产品的依赖;在催化剂领域,国产催化剂尚不能替代进口产品,但是近几年我国在科研领域取得重大进展;在膜电极领域,国内企业已经建成投产工业化的膜电极生产线;在空压机技术领域,我国目前有十多家企业开发了空压机产品。第二,电解水制氢方面,电解水制氢技术主要有碱性水电解槽(AE)、质子交换膜水电解槽(PEM)和固体氧化物水电解槽(SOE)。其中,碱性水电解槽技术最为成熟,生产成本较低,国内单台最大产气量为1000立方米/小时;质子交换膜水电解槽流程简单,能效较高,国内单台最大产气量为50立方米/小时,但因使用贵金属电催化剂等材料,成本偏高;固体氧化物水电解槽采用水蒸气电解,高温环境下工作,能效最高,但尚处于实验室研发阶段(中国氢能联盟,2020)。第三,储氢技术方面,氢的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢三种方式。高压气态储氢已得到广泛应用,低温液态储氢在航天等领域得到应用,有机液态储氢和固态储氢尚处于示范阶段。

4.产业规划不断扩大

我国燃料电池汽车已进入商业化初期,截至2020年底,我国燃料电池汽车保有量7352辆。加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节,是为燃料电池车充装燃料的专门场所。不同来源的氢气经氢气压缩机增压后,储存在高压储罐内,再通过氢气加注机为氢燃料电池车加注氢气。在商业运行模式下,乘用车氢气加注时间一般控制在3~5分钟。截至2020年底,全球加氢站约为544座,我国建成加氢站128座。同时,中石油、中石化、国家能源不能提现出款等二十余家大型央企纷纷布局发展氢能产业。

(二)氢能产业发展面临的问题

1.氢能在我国能源战略中的定位有待明确

虽然我国从战略层面肯定氢能及燃料电池产业发展,但还缺乏整体顶层设计与战略规划,专项规划以及政策体系缺位,产业发展时间表、路线图、施工图尚待明确。氢气仍被纳入危化品进行管理,加氢站审批难度较大,对氢能产业发展形成制约(景春梅,2019)。

2.氢能产业尚未形成较为成熟可行的产业模式

氢作为燃料的价格仍远高于化石燃料,用氢成本包括从制、储、运到加注的全过程成本。与传统燃油车相比,目前氢燃料电池车百公里消耗的燃料费用要高于燃油车。此外,氢燃料电池车成本较高限制了商业化销售规模,氢燃料电池车尚未规模化生产,市场销量有限。氢燃料电池发动机企业亿华通与宇通客车、福田汽车、中通客车等车企合作,建设了国内首条自动化氢燃料电池发动机生产线,年产能约1万台(于广欣等,2021)。

3.关键材料和核心技术存在瓶颈

与国外先进水平相比,我国氢燃料电池核心关键组件和制备工艺方面还有待继续提升,如膜电极、双极板、空压机、氢循环泵等方面与国际存在较大差距;燃料电池用催化剂、质子交换膜、炭纸等关键材料的开发多处于实验室和样品阶段。近些年,我国燃料电池发动机核心部件国产化率不断提高,但是质子交换膜、催化剂、膜电极、大排量压缩机、加氢枪等主要依赖进口。

4.氢能产业链供应链条还不够完善

按照国家相关法规,氢气等危险化学品要进化工园区。上海、广州、佛山等投放燃料电池汽车数量较多的城市或地区,经济比较发达,制氢厂多搬迁至距离城市中心较远的地区。氢气运输效率低,单位质量氢气运输成本高。氢能供应链盈利能力不足,企业参与度低。加氢站数量仍然较少,不能有效支撑投放市场的氢燃料电池汽车用氢需求。

5.氢能产业标准体系较为滞后

氢能与燃料电池汽车标准体系已初步建立,但氢能领域相关标准还有待进一步完善,还存在一些不协调、不配套的问题,与国际接轨的程度也有待提高。如氢气供给涉及的储、运氢系统安全要求和试验方法,加氢站建设及运营规范,车用氢气品质要求、燃料电池汽车整车安全要求及试验方法,燃料电池发动机性能试验方法等方面还有待完善。

(三)“扬长避短”制定我国氢能产业发展总体战略

我国在氢能开发利用领域起步相对较晚,要在这场科技和产业竞争中赢得主动,必须做好谋篇布局。从长远来看,氢能具有成为新的主体能源的潜力。初步预测,2035年我国氢气消费量将达到3500万吨,其中用于终端能源消费达到600万吨。氢能产业体系涉及三大关键环节:一是核心技术的突破,即电解水制氢、燃料电池等相关技术;二是构建完整的基础设施网络;三是充足且价格合理的氢气供应。从目前的竞争格局来看,在核心技术方面,日本、欧美等发达国家处于领先地位,我国处于加快发展和赶超阶段。在基础设施方面,虽然日本、欧美等发达国家的加氢站数量上稍微领先,但总体都处于起步阶段,这也是我们可以集中力量办大事、迅速取得进展的基础领域。2015年我国仅有加氢站8座,2020年底达到128座。在氢资源方面,我国能源体系规模大、结构多元,为开发氢资源提供了广阔的空间。总的来看,在氢能源发展国际竞争合作当中,我们在三大关键环节具有两个优势、一个短板。应通过整体谋划,发挥好氢气资源和基础设施两大优势,补齐技术和材料短板,凭借我国广阔的市场空间,实现三大环节协同发展,率先实现突破,带动全产业链发展。

四、政策建议

(一)加强氢能产业发展顶层设计

坚持“战略引领、扬长补短、协同发展”的总体思路,明确我国氢能产业发展的路线图和时间表,明确产业发展方向和突破口。突出氢能在能源结构中的地位,在《能源法》的研究制定中,将氢能确立为我国未来能源发展的重要方向。坚持发挥比较优势,控制好发展步伐,争取氢能产业发展的主动权。坚持协同推进,形成牵头部门负责、相关部门配合的权责一致、规范有序、运行高效的协同联动机制。

(二)统筹推进科技攻关和基础研究

坚持科技决定能源未来、科技创造未来能源的理念,大力支持氢能科技自主创新研发,系统分析我国氢能产业链发展面临的技术短板,实现电堆、系统集成与控制、关键零部件等核心技术跟踪国际水平,关键指标与国际接轨。扎实做好基础研究,设立氢能源与燃料电池重大专项,建立持续性研发支持保障机制。以重大需求为导向,协同开展基础性研究和科技攻关,依托骨干企业、高校、科研院所组建氢能与燃料电池国家实验室。完善氢能发展首台(套)政策,对于企业在品种、规格或技术参数等有重大突破、具有自主知识产权但尚未取得市场业绩的首台(套)或首批次的装备、系统和核心部件,给予研发激励等相关措施。推动高校设立氢能相关专业,培养氢能研究型人才和产业工人队伍。支持民营企业承担氢能科技攻关和基础研究。

(三)加快推动关键材料国产化发展

我国燃料电池的关键材料包括催化剂、质子交换膜及炭纸等材料,主要依赖进口;关键组件制备工艺急需提升,膜电极、双极板、压缩机、氢循环泵等和国外存在较大差距。耐高温连接板材料以及集成系统等亟须加大研发力度。这些产业发展的“痛点”,也是机遇。要支持行业企业协调做好关键材料研发和规模化应用,推进关键材料国产化进程。

(四)积极探索氢能产业发展模式

制氢方面,以工业副产氢、弃电制氢等低成本制氢为先导,逐步发展可再生能源电解水,最终形成在可再生能源驱动下的水-氢-水循环的绿色制氢模式。应用方面,以氢燃料电池汽车等为基础,逐步拓展固定式发电方面应用领域。技术方面,以填补氢能产业链短板为重点任务,同时兼顾智能化氢-电融合协调发展。加快形成氢能“制-储-运-用”全产业链系统布局。稳步推进氢能示范应用,立足各地资源禀赋、制造水平和经济实力,按照“创新引领、高点定位、特色鲜明”的基本要求,选择若干地区创建国家级氢能及燃料电池产业发展示范区,并加强统筹协调和政策支持。支持相关地区积极开展氢能制备、储运、加注和利用等自主技术示范。

(五)完善氢能产业发展政策体系

一是加强制度创新供给,在项目基础设施建设用地、规划选址、安全、环保等方面完善政策措施,优化基础设施规划审批流程,加快各类基础设施市场化建设和运营。二是建设公共服务平台,促进技术与产业交流,为企业与机构提供政策、行业信息、技术分析等服务。三是加快建立氢能产业标准体系,建立氢能产品检验监测和认证体系;研究修订城镇燃气管理条例,将氢气视同燃气管理,制订长输天然气管道掺氢标准;坚持安全发展理念,明确监管主体,完善氢能发展监管体系。四是加强金融服务保障。完善政银企沟通交流机制,加大金融业对氢能产业发展的支持力度。进一步拓展股权投资、供应链金融、融资租赁等综合性金融服务。引导和鼓励有条件的各类资本设立燃料电池汽车产业基金,提升市场主体活力和发展潜力,支持和引导向氢能产业关键领域、关键环节集聚。五是推动国际技术合作。坚持自主研发和国际合作并举,融入国际氢能社区,并充分调动市场力量参与,借鉴国际氢能经济发展最佳实践,推动我国氢能产业加快实现高质量发展。

中国国际工程不能提现出款有限不能提现出款 氢能战略研究课题组

谢明华 陈梅涛 张继龙 赵永辉 王凡 丁丹

参考文献

[1]景春梅:“谱写我国氢能产业科学发展蓝图”,《经济日报》2019年6月10日。

[2]王赓、秦晓璇、崔胜楠、赵博:“天津氢能产业发展路径研究”,《天津经济》2021 年第3 期。

[3]于广欣、纪钦洪、刘强、肖钢、熊亮:“氢能及燃料电池产业技术与成本瓶颈分析与思考”,《现代化工》2021 年第4 期。

[4]中国氢能联盟:《中国氢能及燃料电池产业白皮书》,2019年。

[5]Hydrogen Council,2021,Hydrogen Insights 2021.

[6]IEA,2019,The Future of Hydrogen— Seizing Today’s Opportunities.

[7]Sherif S.A, F.Barbir, and luT.Vezirog,2005, Wind Energy and the Hydrogen Economy-review of the Technology. Solar Energy,78(5): 647-660.

注:原文载自《财经智库》2021年7月号。文中图片来源于网络。