美国清洁氢气战略和路线图对我国发展清洁氢气的启示与建议

李晓勤, 张 华, 康争光

(江苏省科技发展战略研究院,江苏 南京 210042)

0 引言

2021 年11 月,美国通过实施《两党基础设施法案》(BIL),授权为美国能源部(DOE)拨款620 亿美元,其中95 亿美元用于发展清洁氢气战略。 2022 年8 月,美国通过了《通货膨胀削减法案》(IRA),提出了关于发展氢能战略予以税收抵免的举措。 为落实相关法案要求,相隔近一年时间,2023 年6 月,美国能源部发布分析评估报告,修订提出了发展清洁氢气的战略和路线图(以下简称“路线图”)[1]。 聚焦清洁氢气的高效利用、成本减低以及区域网络三大方面,路线图强调氢能在全面脱碳、发展经济和促进就业方面的广阔潜力,为美国氢能生产、运输、储存和应用提出了综合解决方案。 学习借鉴美国国家清洁氢能战略,对于我国实现“3060”目标、提出我国清洁氢能源发展路径具有重要意义。 为此,本文在分析研究美国路线图,梳理其氢能发展战略的基础上,提出了相关建议,以供参考。

1 美国发展氢能的考虑

路线图的提出是对清洁氢气生产、加工、输送、储存和使用全生命周期的综合考量,更是对清洁氢气技术研究、开发、示范全方位的部署,对于美国实现可持续、有韧性、可负担的清洁氢气,打造净零碳经济,提供了行动指南。

1.1 发展目标上,明确氢能深度脱碳助推器的地位

美国提出2035 年实现100%无碳污染的电力,到2050 年实现温室气体零排放,如图1 所示。 这些目标的实现,需要在能源基础设施和许多行业上取得变革性进展。 清洁氢气的多功能性和潜力适用于工业、交通和发电3 个能源需求最大和排放量最高的行业,因此清洁氢气的应用是实现脱碳目标的关键因素。 在资源利用方面,氢气作为一种多功能的能源载体和化学原料,其优势还在于可以利用可再生能源、核能和带有碳捕获和储存(CCS)的化石燃料等所有能源资源,并且可以将高容量系数的固定电力与可变发电相结合,以提高能源复原力和能源储存。

图1 美国温室气体净排放量

1.2 市场规模上,预测2050 年氢气需求将5倍增长

目前,美国每年生产约1 000 万t 氢气,占全球10.64%。 但制氢主要以灰氢为主,即在高碳排放过程中产生,美国每年生产氢气要产生约1 亿t 的温室气体。 在氢气储运方面,美国拥有全球最大的液氢储存罐,拥有大约2 575 km 的纯氢管道和3 个地质洞穴。 其中包括世界上最大的洞穴,可以储存350 GWh的热能,足以为120 万个家庭提供一周的电力。 在终端应用方面,氢气除了广泛用于炼油、氨生产和化工等行业外,还应用在50 000 多辆燃料电池叉车、近50个开放的零售氢气加油站、80 多辆燃料电池巴士、15 000 多辆燃料电池汽车以及500 多MW 用于固定和备用电源(如用于电信)的燃料电池等方面。 在氢气发展目标上,美国提出在2030 年、2040 年、2050 年的氢气生产量将分别达到1 000 万t/年、2 000 万t/年、5 000 万t/年,这些目标基于氢气在工业应用、重型运输和长期储能等特定领域的使用具有成本竞争力的需求情景下设置,具备较强的可实现性。 到2030 年,由于新资本项目和清洁氢气基础设施的建设,氢经济将为美国创造10 万个新就业岗位[2]。 到2050 年,美国能源部预计,在所有氢气都是清洁生产的情况下,美国的温室气体排放总量可以比2005 年减少约10%。

1.3 实施原则上,倡导效益与公平并举

(1)坚持高价值性。 在应用领域方面,美国通过战略性、高影响力的用途实现深度脱碳,将氢气优先应用于工业加工、重型运输、高温供热、长时间储能等行业。 在增加就业方面,重视发展高质量工作。 美国为从碳密集型行业转型的工人和社区提供机会,如利用和扩大注册学徒计划、制定劳动力发展的行业战略、支持氢价值链中的跨行业技能培训等。 (2)坚持多功能性。 美国将通过多能源有效组合,实现能源系统的可负担性和灵活性,提升能源供应韧性,确保能源安全。 通过将清洁氢作为燃料或储能载体,最大化其跨行业的经济价值。 (3)坚持公平性。 将支持构建促进多元化和包容性的工作场所,重视思想、文化和教育背景的多样性等方面作为实现清洁氢战略的基础。 如,美国在2021 年发布了“Justice40 倡议”,明确将清洁能源项目的40% 收益用于弱势社区。(4)坚持整体性。 立足全局看待清洁氢气的开发和应用,通过有针对性的开发来培养可持续的最佳实践,支持脱碳战略,避免与其他脱碳技术(如电气化)竞争。 在创新主体方面,美国将促进与工业界、学术界、国家实验室和其他利益相关方的合作,投资于清洁氢技术整个价值链的创新。

1.4 支持举措上,利用财税政策推动清洁氢市场形成

美国国家航空和航天局、商务部、国防部、能源部、交通部、环境保护局等机构都有几十年与氢气技术有关的布局活动。 以美国能源部为例,已经资助了1 200 多项氢气和燃料电池发明专利、30 项商业技术以及超过65 项在未来几年内可能商业化的技术。 具体来看,美国能源部对于氢气发展的支持手段主要体现在两个方面:一是强化财政投入力度。 美国能源部出资95 亿美元用于支持清洁氢气发展[3],其中10 亿美元用于清洁氢气电解计划,5 亿美元用于清洁氢气制造和回收的研发活动,80 亿美元用于区域清洁氢气中心建设。 二是实施积极的税收政策。 通过税收优惠、补贴、贷款担保等激励措施,以降低氢能技术、产品的成本和风险。 在税收优惠方面,美国率先出台全球首个清洁氢税收抵免政策,明确对生产每kg 清洁氢气产生二氧化碳排放量低于0.45 kg 的,提供最高不超过3 美元税收抵免[4]。 在信用贷款方面,明确了对于先进能源项目、碳捕捉与封存、氢能生产、清洁商用车等方面的信贷计划。 美国财政部、国税局与能源部合作,宣布在第一轮合格先进能源项目信贷(48C)中提供约40 亿美元的额外支持,用于支持美国清洁能源技术和清洁能源技术生产关键材料供应链的项目,以及减少工业设施温室气体排放的项目。

1.5 发展挑战上,分解成本高起关键因素

虽然美国氢能发展在全球处于领导地位,也对氢能源发展进行了大力支持,但是产业发展仍然面临一些问题。 一方面,制氢成本高,很多制氢方式和系统仍处于商业早期阶段,尚未实现规模化生产。 如,电解清洁氢气的成本超过5 美元/kg,需要更低成本、更耐用的电解槽来降低制氢成本、提升制氢效率。 氢气生产商难以寻求到能够签订长期合同的稳定氢气承购商,进而影响了制氢生产商的创新投入。 另一方面,运输成本高,氢气运输需要依托专门的管道,涉及管式拖车、液化、选址、许可和材料兼容性等多方面。如,根据美国加利福尼亚州的运营数据显示,氢气运送到加气站的成本(包括压缩和分配)超过13 美元/kg,比具有竞争力所需的成本高出3 倍以上。 氢气能量高、密度低,常温条件储存所需容器的重量和体积过大,需要用高度隔热的双壁罐进行储存,储氢罐的绝缘材料和蒸发、排气用途增加了成本。 除此之外,全面评估氢需求与电气化、能源网的演变(包括清洁电力供应、电网可靠性和有效CCS 的比率)、生物燃料和使用氢作为原料或燃料的行业之间的相互作用,也是系统性发展清洁氢气的一个难点。

2 美国发展氢能战略实施路径

路线图为美国发展清洁氢确定了3 项关键战略,以确保清洁氢作为一种有效的脱碳工具得到开发和采用,并为美国带来最大利益。

2.1 行业应用上有所侧重,发挥清洁氢的比较优势

清洁氢气的使用将在行业方向上有所侧重,优先向高效益和难以脱碳的行业提供使用。 同时明确,清洁氢气的应用是其他低成本、高效率去碳化技术的有益补充,重点应用于缺乏替代技术的终端用途上。 一是工业行业。 工业行业是全球能源消耗最大的行业,占总能源需求的38%,其中有6%的能源需求用于生产氢气。 国际能源机构(IEA)报告称,2020 年全球工业用氢需求量为5 100 万t,占所有行业用氢需求量的56.7%。 美国路线图提出,在工业行业中,氢气将主要应用于氨、甲醇等化学品的使用,炼钢和热电行业。二是交通运输行业。 美国运输行业作为温室气体排放量大户,2019 年其排放量占美国总体温室气体排放量的33%。 氢能和燃料电池为需要长行驶里程、快速加注燃料以及大型或重型有效载荷的应用提供了重要机会。 美国能源部通过分析确定氢气在卡车运输行业具有更高效益,同时正在评估论证氢气在采矿设备、渡船和铁路等非公路车辆中的作用。 三是电力行业。 氢气可以作为长期储能、发电和电网服务的媒介,并可以通过为其他行业提供氢气作为原料或燃料来增加额外的收入来源。 如,燃料电池可取代柴油发电机作为备用电源和固定电源,为医院和数据中心等需要全天候供电的关键设施提供支撑。 氢气能够在紧急情况下为国家设施满足能源和水等方面具有韧性的需求。

2.2 技术布署上有所聚焦,多路线降低清洁氢的成本

美国能源部于2021 年6 月启动了首个能源计划项目——“氢能攻关”计划(“111”目标),提出在10年内将清洁氢气的成本降低80%,即氢气价格降到1美元/kg,其目的是在10 年内加速突破更丰富、更实惠和更可靠的清洁能源解决方案,同时创造高薪的工作岗位,最终促进经济增长。 一是水分解制氢技术。电解利用电能和电解质或电解膜将水分离成氢气和氧气,通常使用的技术有碱性、质子交换膜或聚合物电解质膜(PEM)和固体氧化物电解槽(SOEC)3 种。其中,碱性工艺最为成熟;质子交换膜或聚合物电解质膜电解槽可在各种负载条件下有效运行,响应时间为亚秒级,特别适用于太阳能和风能等可再生能源;固体氧化物电解槽(SOEC)在高温下使用陶瓷电解质,是3 种技术中商业化程度最低的一种技术,与前两种技术相比,电气效率更高,在可获得高温热量的情况下,更具成本效益。 二是化石燃料制氢技术。 主要涉及3 种技术:在蒸汽甲烷转化(SMR)产生的二氧化碳排放到大气中之前对其进行捕集和封存,带碳捕集的自热转化(ATR)以及甲烷热解技术。 其中,甲烷热解技术更具应用前景,可以利用高温将甲烷分离为氢气和固态碳,固态碳可以进一步成为工业橡胶和轮胎制造以及油墨、催化剂、塑料和涂料等特种产品制作的高附加值原料。 2021 年,美国能源部贷款项目办公室向MonolithTM公司提供约10 亿美元的贷款担保,用于部署开发甲烷热解技术。

2.3 地区布局上有所突出,锚定打造更具竞争力的区域集群

重点关注具有大规模清洁氢生产和终端就近应用的区域性网络,实现基础设施投资效益最大化,创造高价值工作岗位,形成氢能产业集群,促进经济高质量发展。 打造区域性清洁氢气中心需要重点关注两个方面:一是通过确保长期承购是保证氢能生产项目顺利实施并获得资本投资的关键;二是清洁氢气价格透明是清洁氢商品市场正常运作的必要前提。 从长远来看,发展成熟的清洁氢气商品市场及其衍生品,可以通过提供透明的价格信息并允许开发商对冲价格风险和交易对手风险,从而更容易地获得融资。在区域生产潜力方面,美国国家实验室、能源部基于美国国内资源估算了氢气生产潜力,自然资源、基础设施和氢气需求是决定制氢产量的主要因素。 总体来看,制氢潜力与氢气需求量较大的终端用户地点相一致,每年可生产超过1 000 万kg/km2氢气的地区集中在美国中部地区,如图2 所示。 在区域存储潜力方面,美国能源部通过地下氢评估、存储和技术加速(SHASTA)计划,资助地下氢存储研究,旨在扩大氢存储的地域多样性。 美国能源部还将继续分析和研究开发储存地点等技术,如可以高能量高密度存氢的氨和液态有机氢载体等。 在区域最终用途方面,美国的产业集群密集分布在中东部,是脱碳中心的潜在区域。 其中,合成氨目前已经是大规模消费氢气的行业,很可能成为清洁氢气的早期采用者。 美国提出在2029 年前至少部署两个区域清洁氢中心,示范氢气在难以脱碳行业(如工业和重型运输)的应用;在2035 年前,至少启动一个区域清洁氢中心,展示氢在清洁电网储能中的应用,并量化氢在2035 年实现无碳污染电网方面的潜力。

图2 美国氢气生产潜力

3 我国发展氢能的启示和建议

美国正面向清洁氢气生产、中游基础设施建设以及清洁氢气的研究、开发、示范和部署(RDD&D)进行历史性投资。 从美国的发展经验获得启发,发展氢能战略要有全面分析、发展侧重、跨部门协作和针对性举措。 目前,我国碳排放总量和碳排放强度“双高”的情况仍将持续较长时间,经济发展尚未实现与碳排放脱钩。 我国实现脱碳目标时间紧迫、任务重大,零碳和低碳氢气是未来实现可持续和公平清洁能源的全面解决方案的关键部分。 发展氢能战略对于减排脱碳、解决气候危机、提升能源安全、促进公共卫生发展、经济增长、增加就业、改善生活质量等方面的积极意义不言而喻,应在借鉴美国经验做法的基础上,探索实施具有中国特色的氢能发展战略。

3.1 在组织实施方面,坚持“协同联动”,整体推进氢能战略发展

一是跨部门协同。 路线图虽然由美国能源部制定,但氢能行动需要美国农业部、商务部、国防部、能源部、内政部、劳工部、交通部、财政部、环境保护局、航空和航天局、国家科学基金会和科技政策办公室多个联邦机构的合作,并与总统行政办公室密切协调。同时,美国国家航空和航天局、商务部、国防部、能源部、交通部、环境保护局等部门对于氢气技术项目布局,均有几十年的支持。 因此,建议在氢能发展上,要充分发挥新型举国体制,开展有组织的氢能创新活动,建立由专业部门扎口,财政资金统筹,生态环境、交通、农业农村、卫健、发改、科技等主管部门分头实施、专业化开展氢能技术创新的治理体系。 二是跨机构合作。 美国氢能战略技术攻关集结了联邦政府、各州、各行业、国家实验室、学术界等多方的共同努力和协调。 如美国能源部2020 年发起H2NEW 联合体,汇集了国家实验室、工业行业和学术界的力量,共同研究下一代水电解槽制氢技术。 因此,建议积极关注产业转型升级的主体,引导产业链龙头企业做出碳中和承诺,带动产业链上下游企业实现产业升级、技术进步。 支持领军企业牵头攻关氢能技术,联合高校院所、实验室、行业企业,整合创新链前后端、产业链上下游人才资源,推进氢能项目协同和氢能技术研发活动一体化,做到氢能项目同部署、同实施、同攻关,发展高效强大的共性技术供给体系。

3.2 在技术凝练方面,坚持“科学精准”,立足实际发现真问题

技术进步是实现氢能战略、碳中和愿景的决定因素,发展氢能战略不仅是能源变革,还是经济结构、生产技术、生活方式的变革,也必将掀起新一轮科技革命浪潮[5]。 确定氢能技术方向是发展氢能战略首先要解决的问题。 因此,建议在技术方向遴选上,建立氢能关键核心技术的遴选机制,以科学全面分析我国制氢能力、存储能力、技术现状、能源分布、各行业应用需求和应用场景为前提,对项目布局开展充分论证,科学决策项目实施,聚焦项目支持范围。 同时依托专业研究机构,对氢能发展开展常态化跟踪,根据市场、技术、国际环境等发展情况,动态调整氢能发展技术路线。 美国路线图详细分析了发展氢能战略的难点问题,存在氢气成本高、基础设施不足、安全性不高、终端应用缺乏等问题。 因此,建议在共性技术攻关上,聚焦固体氧化物电解槽(SOEC)、甲烷热解、碳纤维复合材料储氢罐等商业化程度低、成本较高,但效益高、应用前景广阔、能够切实发挥战略性关键作用的技术,以项目化形式,开展技术攻关。

3.3 在支持举措方面,坚持“靶向发力”,高效发展重点领域

美国、日本和欧洲发达国家纷纷在氢能发展上大手笔投入,引导私人资本进入,强化能源供应链韧性。如英国2022 年公布设立2.4 亿英镑净零氢能基金(NZHF),支持氢气生产。 美国出台全球首个清洁氢税收抵免政策,旨在生产全球最便宜清洁氢,强化清洁氢能源领导者地位。 因此,建议强化财税激励,保持氢能发展公共资金投入的只增不减。 聚焦基础设施建设,加大氢站、氢气存储洞穴、运输管道等新型技术设施布局建设。 创新氢能发展相关税收优惠政策,聚焦高效益行业应用,对于电力、工业、交通运输、建筑等碳排放量较大、脱碳替代方案缺乏的行业应用清洁氢气,根据不同的碳排放程度,分档予以税收减免。聚焦降低氢成本,激励企业加大氢能研发投入,加大氢能技术创新或新建示范项目的贷款、担保支持。 强化服务指导,相较于发达国家,我国碳中和提出和实施时间较短,氢能等绿色化理念尚未得到普及,要开展温室气体排放保障指导,组织汇编先进适用节能与低碳技术,帮助企事业单位更便捷实际地找到新的节能降耗和低碳发展空间,同时积极推动公共场所、工业项目、公共建筑等节能降耗。 及时总结经验、树立典型,加强宣传,以案例形式对各主体开展氢能使用、碳中和知识普及。 强化标准制定,美国注重标准的制定和实施,各部门分别对氢气的生产、存储、运输、使用进行监管。 同时,美国正在推进以碳为基础的贸易政策,与欧盟合作,采取措施使全球贸易与气候目标相一致,本质上是设置新的国际贸易碳壁垒,阻止其他国家非环保产品的进入。 我国应加大开放,积极发起、加入国际氢能伙伴关系,支持龙头企业参与全球标准制定,提高氢能发展话语权。

3.4 在产业培育方面,坚持“市场配置”,遵循价值规律优化配置资源

从产业链提升本质看,氢能应用是全球产业链竞争的一场赛跑,国际国内行业龙头企业陆续启动氢能、碳中和计划,将会对其整个产业链、供应链产生革命性的影响,没有零碳竞争力的企业只会被全球供应链淘汰。 因此,建议在前端,探索建立透明的清洁氢气价格体系,确保有长期稳定的清洁氢气需求方,促进清洁氢气生产商扩大投资、促进技术创新;在终端,遵循“工业用-商用-民用”分级分类、逐步推广的氢能发展步骤,遴选一批有清洁氢气应用前景好、碳排放程度低的企业和地区作为清洁氢气示范中心,促进原材料和其他下游供应链、运输和传输系统上的企业共享清洁氢气利益,促进氢能产品和应用的商业规模化,形成清洁氢气产业集群,强化社会参与,提供高质量工作岗位,推动区域发展转型升级,打造更强大、更具竞争力的区域经济体。

4 结语

清洁氢气是我国脱碳道路上的重要因素。 通过我国政府、各地区、各行业、实验室、高校院所的共同努力和协调,以及利益相关方的广泛参与和合作,实施有重点的战略举措,我国势必能够成功发展可持续、有韧性和公平的清洁氢能经济。