碳中和背景下海外氢能源发展新思路及对我国的启示

张翛然, 王亚会, 聂铭歧,3, 王熙大∗

(1.国家新材料产业发展战略咨询委员会天津研究院,天津 300042;2.天津绍闻迪康科技咨询有限公司,天津 300042;3.天津前沿科技咨询有限公司,天津 300042)

0 引言

碳中和愿景下,全球能源体系面临深度重构,能源利用方式和能源结构都亟待颠覆,清洁能源的规模化发展备受关注与期待。 氢能作为最具潜力的清洁能源,是达成碳中和目标、促进低碳转型和可持续发展的重要抓手。 现阶段,发展氢能已然成为各国实现碳中和目标一致的战略选择。 为此,亟需厘清中国氢能产业发展面临的风险与挑战,借鉴他国氢能发展思路和先进经验,制定切实合理的应对之道,探索适合中国现状的氢能发展之路,为氢能产业发展按下加速键。

1 国外氢能产业发展新变化

1.1 美国

早在20 世纪初,美国就将氢能源作为中长期战略技术进行储备,碳中和目标提出后,氢能进一步被视作国家能源战略体系的关键部分。 2021 年11 月,《基础设施投资和就业法案》授权投资95亿美元用于区域氢能中心建设以及氢能全产业链示范与研究。 2022 年8 月生效的《降低通货膨胀法案》则为清洁氢气提供了额外的政策和激励措施,包括生产税收抵免。 在此基础上,2022 年9 月22 日,DOE 发布《国家清洁氢战略和路线图(草案)》,确定了氢能产业化推广的优先事项,并设定到2031 年将清洁氢的成本降低到1 美元/kg 的目标,旨在到2050 年利用清洁氢将美国的排放减少约10%。

清洁氢战略发布以来,北美已成为全球电解水制氢产能增量最大的地区,巨大需求带动Teledyne Energy Systems、Plug Power 等电解槽企业继续扩大优势。 同时,美国希望利用碳捕集与封存(CCS)技术实现传统产能向清洁技术的过渡,仅在2021—2022 年,美国至少宣布了78 个新的CCS 项目[1]。 而在应用端,美国加氢站数量继续攀升,预计到2023 年年底将有108 座加氢站投入使用[2]。 在此基础上,氢动力重型拖拉机和公交车也进入部署的早期阶段,截至2023年2 月28 日,在美国销售和租赁的燃料电池汽车共计15 471 辆[3]。

1.2 日本

日本也是全球最早开发氢能技术并全面推进氢能应用的国家之一,20 世纪70 年代就着手制氢技术、燃料电池以及液化储氢方面的研发。 2011 年,福岛核事故击碎了日本的“核电梦”,日本更是将氢能视为下一代能源支柱,提出了“氢能社会”的愿景和实现路径。 随着全球向碳中和迈进,日本促进氢能发展方面举措再次提速,氢能领域的扶持政策逐步细化,如表1 所示。

在政府的支持之下,日本的氢能产业发展取得了较为可观的成果。 丰田、本田等企业斥巨资积极部署氢燃料电池汽车,丰田推出的氢能源汽车Mirai,是世界首批量产的氢燃料电池车。 根据日本下一代汽车振兴中心公布的数据,截至2023 年4 月,日本共计建成加氢站165 座[4];截至2021 年,燃料电池乘用车保有量6 981 辆[5]。

1.3 欧盟

2020 年7 月,欧盟发布《欧盟氢能战略》,计划分3 个阶段实现氢能在欧洲的实际应用:2020—2024年,欧盟将建成至少6 GW 的电解槽,可再生能源制氢能力达到100 万t/年,并积极开拓氢能在各个终端领域的应用;2025—2030 年,电解槽建设量扩大至40 GW,可再生能源制氢能力达到1 000 万t/年,改造现有天然气设施并建成泛欧洲的绿氢输送管网,实现与周边地区的绿氢国际贸易;2030—2050 年,绿氢产业完全成熟,所有需要减排但难度巨大的产业都将大量推广使用绿氢合成燃料,包括航空和航运等产业。

此外,2022 年7 月和9 月,欧盟委员会先后启动了“IPCEI Hy2Tech”和“IPCEI Hy2Use”项目,为欧盟成员国提供100 亿余欧元的公共资金,意在支持氢技术研究和创新以及首次工业部署。 2023 年3 月,欧盟委员会又推出了“欧洲氢能银行”计划,对首批拍卖的可再生能源制氢生产试点项目进行固定溢价形式的补贴。 而随着欧盟可再生能源制氢产业的发展,一些相关规则的设立也随之到来。 2023 年2 月,欧盟通过了《可再生能源指令》要求的两项授权法案,详细定义了欧盟“绿氢”的构成,这一定程度上可以被视作是一项标准,有利于欧盟未来在氢能领域话语权的确立。

1.4 英国

近年来,英国政府不断强化其氢能产业的政策布局,希望借此提升英国在全球气候治理及能源转型中的话语权,从而维持其“全球英国”的战略设想。 2021年8 月,英国重磅发布其《国家氢能战略》,标志着氢能正式成为英国未来绿色发展与能源转型的核心之一。 2022 年4 月,英国接连发布新版《能源安全战略》及《氢能投资者路线图》,将此前2030 年实现5 GW 氢能的生产目标提升至10 GW,而且其中的一半将完全是绿氢。 除了政策上的引导,英国政府也在加大对氢能的投资力度。 “绿色工业革命十点”计划和《国家氢能战略》分别为支持氢能发展提供2.4 亿英镑和10 亿英镑资金,同时政府预计还要引入40 亿英镑的私人投资用于资助英国氢能产业的发展。 此外,英国政府利用其新一期的差价合约(CfD)计划启动了世界上第一个国家层面的清洁氢气补贴计划,该计划将资助英国国内最初的1 GW 绿氢和1 GW 蓝氢项目。

1.5 韩国

在2050 碳中和目标的驱动下,韩国从多角度入手构筑氢经济健康有序发展的生态系统。 2021 年11月,韩国政府发布最新国家氢能目标,提出到2050 年氢进口代替原油进口、氢能覆盖大型工业用能,并发布氢能产业一揽子发展规划;2022 年11 月,韩国政府又公布氢经济发展战略,计划到2030 年普及3 万辆氢能商用车。 为保障氢经济的安全发展,韩国还于2020 年专门颁布《促进氢经济和氢安全管理法》,并在2022 年6 月的部分修订案中提出通过引入各等级认证制度,构建以清洁氢为中心的生产、储运及应用全周期生态系统。

同时,为促进氢燃料电池汽车的销售和普及,韩国政府持续投入资金用于加氢站建设、氢燃料电池研发,其对消费者车辆采购的补贴更是高达车辆出厂价的50%,且新购车用户前半年免费加氢。 在韩国政府的大力补贴和政策刺激之下,韩国氢燃料电池汽车行业得到了良好发展,现代NEXO 车型销量世界领先。

2 国内氢能产业发展现状

2.1 顶层设计

相较于美国和日本,中国的氢能政策制定较晚。2014 年发布的《能源发展战略行动(2014—2020 年)》,首次将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向。“十四五”时期,中国开始着重打造现代能源体系,密集出台各种政策规划引导氢能产业发展,如表2 所示。

2.2 产业现状

2.2.1 制氢

自2010 年以来,中国一直是全球最大的氢生产国,“双碳”目标提出以来,中国氢产量进入新的快速增长阶段,2022 年产量达3781 万t,3 年复合增长率将近20%。 从制氢来源结构看,化石能源仍然是当前中国主要的制氢来源,电解水制氢占比仅1%[6]。“双碳”背景下,碳排放巨大的化石能源制氢势必逐步被低排放的技术路线所取代。 长期来看,可再生能源电力电解水制氢将成为大规模集中供气的主要手段。 目前,包括中石化、宝丰能源、隆基股份等能源和化工企业纷纷布局可再生能源制氢,截至2022 年年底全国已建、在建和规划中的可再生能源制氢项目已超过100 个,这些项目将集中于2025—2035 年投入运营。

此外,在制氢设备方面,国内现有的大型、特大型化石能源制氢装置多为国外引进;国内目前的电解水技术也多集中在效能较低、技术相对落后的碱性电解技术(ALK),产品选择不多,且所产氢气纯净度不及国外,质子交换膜(PEMs)和固体氧化物(SOEC)电解水制氢设备研发有待加强。

2.2.2 储运

在氢气储存方面,高压气态储氢是现阶段最可行的商业化方案,同时还是车载储氢的主要技术手段。目前,国内应用还停留在铝内胆纤维缠绕瓶(III 型)阶段,且整体国产化率在50%左右,碳纤维缠绕设备与高压罐体加工设备仍需进口[7],塑料内胆纤维缠绕瓶(IV 型)产品尚处于研发中。 目前,低温液氢国内仅限应用于航空航天等高端领域,液氢系统核心设备技术储备不足,液化氢成本居高。

氢气的存储状态决定了其运输的形式,目前,中国以气氢拖车的运输方式为主,液氢运输产业还处于萌芽阶段,相关法规、标准尚未建立,一定程度上阻碍了液氢在民用领域的发展。 此外,管道运氢作为大规模、长距离运氢的有效手段,近年来国内的发展开始提速,不过仍处在示范研究阶段,天然气管道掺氢比例达到24%,管道总长397 km;纯氢管道仅5 个项目,总长109 km[8],氢气管道的建设布局还有很大提升空间,相关标准法规也亟待完善。

2.2.3 应用

氢能应用产业技术方面,目前全球质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)及其组件的研发制造居多。 国内PEMFC 原材料多数需依赖进口,关键设备的国产化能力不足,缺少具有自主知识产权的技术体系。 因此,虽然国内燃料电池产业已具备一定规模,但产业竞争力仍然较弱。 而在SOFC 路线上,中国研发起步较晚,商业化应用方面与日、德、英等数百千瓦级的家用热电联供(CHP)系统相比存在一定差距,仅示范了十几千瓦级别的SOFC 系统。

在多元化应用方面,国内现阶段氢动力交通工具以客车和重卡为主,运营数量约占全球运营总量的12%。 为助推燃料电池汽车市场化,国家高度重视加氢站的建设,截至2022 年年底,中国累计建成加氢站358 座,其中在营245 座,数量居全球第一。 在能源领域,将氢能与燃气轮机或燃料电池技术相结合可实现氢储能,目前国内氢储能仍处于起步阶段,2021 年全国氢储能装机量约为1.5 MW,氢储能渗透率不足0.1%[9]。

3 国内氢能产业发展风险

3.1 外部风险

我国的氢能产业起步较晚,技术实力也相对薄弱,几乎在全产业链上都存在“卡脖子”的现象,在原材料和基础制造工艺以及装备技术方面仍存在明显短板,比如电解槽的膜催化剂、储氢瓶密封管阀件材料、燃料电池质子膜材料、加氢枪套管材料等[10-11]。随着美国对华科技“脱钩”力度的加大,国内氢能产业发展面临着严重的外部风险。 2022 年2 月,美国白宫发布新版《关键和新兴技术清单》,包括可再生能源相关技术。 目前,美国在战略上推行对华精准“脱钩”,特别强调要在关键技术领域实现对华的“脱钩”。 此外,美国不断拉拢盟友构建所谓“科技民主联盟”,在关键新兴技术发展方面与盟友实现“共享”,从而减少对华依赖,从技术、供应链、市场、标准等多方面,全方位排挤和打压中国。 若美国及其盟友继续强化关键技术领域的对华限制,将对国内氢能产业发展带来较大的冲击,这需要引起足够的重视。

3.2 内部风险

虽然国内氢能产业目前发展得如火如荼,但是这其中仍存在着不少的问题需要解决。 (1)顶层设计方面。 我国近些年才正式出台了氢能的中长期发展规划,相较于其它氢能产业强国,我们顶层设计的提出稍显滞后;围绕中国氢能发展的战略目标,政策保障和实施路线还不够细致和完善[10]。 (2)监管体系和标准方面。 氢能由于其危险性和产业链环节的多样性,亟需在“制-储-输-用”等各环节建立统一的国家标准,这样有利于统一管理归属、明确部门的管理职责,从而有效保障氢能产业安全稳步地发展。 (3)产业发展方面。 国内氢能产业正处于商业化初期,应用场景单一且多集中在交通领域,且各地方政府的支持也多集中于燃料电池、燃料电池汽车及其配套装备上,这导致产业发展有同质化趋势,甚至是低水平的重复建设[11-12],严重制约了氢能在减排和能源转型中所能发挥的作用,也不利于国内氢能全产业链的高质量发展。

4 海外氢能发展对我国的启示及风险应对策略

4.1 优化顶层设计

顶层设计方面,可借鉴欧美等发达国家/地区氢能战略,结合国内产业现状,统筹规划氢能发展路径,如发展煤制氢配合碳捕集技术、推动氢能石化化工应用示范、加速氢储能布局等。 此外,中国各省市及地区氢能发展各自为政,也亟需国家层面的统筹规划,应结合东、中、西部资源禀赋特点和工业基础,因地制宜选择区域发展方向和实施路径。

4.2 夯实技术储备

核心技术方面,上游需加快多种制氢大型设备的自主可控,如加压纯氧气流床液态排渣气化工艺设备、质子交换膜(PEMs)电解槽以及变压吸附(PSA)工艺设备等。 中游需推动高强度车载储氢罐、氢气液化装备以及运氢管道材料的技术进步。 下游应关注氢能冶金、燃料电池、氢涡轮、分布式电站等应用技术,以及氢气压缩机和加注机等配套技术。

4.3 加速市场培育

多管齐下推动氢能市场化进程。 制氢环节:未来需通过技术进步和规模化生产降低电解槽的投资成本,增加电解槽的寿命以摊薄折旧和其他固定成本,利用可再生能源弃电制氢降低制氢电价等。 储运环节:后续应加快液氢储运,“西氢东送”长距离输氢管道等低成本储运体系建设。 应用环节:探索清洁氢与碳市场、差别电价等机制挂钩,促进工业部门氢能对化石能源消费的替代。

4.4 配套法规制定

为推进氢能的商业化进程,我国应参照国外先进管理模式,尽快明确绿氢生产、储运、应用等环节的归口管理部门,建立统一、快速审批政策及流程。 安全管理方面,也应尽快完善氢气的制、储、运、用全生命周期安全法规及安全监管体系。 同时,可考虑充分发挥行业团体和区域性团体在标准化工作中的作用,以应对氢能技术发展迅速、技术迭代快、区域性需求差异大等发展特点。

4.5 加强对外合作

为后续更好地融入全球氢能市场,中国氢能发展过程中应重视对外合作。 技术交流方面,应鼓励先进技术研发合作以及人才交流,缩小与国际先进水平的差距;积极参与国际标准制定,为将来打入国际市场提供先决条件。 市场开拓方面,可推动可再生能源制氢及相关应用基础设施在丝绸之路沿线国家的投资建设以及化石能源绿色制氢方法在中东石油主产地区的项目合作,促进中国氢能方案走向世界。

5 结语

碳中和背景下,世界氢能领域各先进国家纷纷对氢能发展战略进行调整,对新形势下中国氢能发展具有重要借鉴意义。 首先,当前全球在发展绿氢方面已经达成共识,结合产业现状制定向可再生能源制氢过渡的短中长期路线图对国内产业发展至关重要。 其次,突破氢能领域各环节“卡脖子”技术,同时加快前沿技术布局,不仅有利于保障氢能产业的平稳发展,也为将来全方位降低氢能综合应用成本、推广氢能应用提供条件。 最后,应加速氢能应用示范和经济性、安全性综合研判,推动多元化场景应用,积极拓展国际市场。 碳中和开辟了氢能竞赛的新赛道,给予中国弯道超车的机会,中国应紧抓机会,在全球新一轮氢能革命中抢占竞争优势。