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姜士宏:国内外氢能发展动态及发展趋势研判

2021-10-22 17:51:43 mana 114

国内外氢能发展动态及发展趋势研判

姜士宏

(电力规划设计总院党委常委、副院长)


一、氢能和电能的对比分析


氢能是一种来源广泛、清洁灵活、应用场景丰富的二次能源。同属于二次能源的氢能和电能,均可以存在于能源生产、存储、输送和消费的各环节,表1所示是电能和氢能的定性对比分析。从生产的角度说,电能和氢能均能以化石能源(+CCS)、非化石能源作为原料制取;从运输的角度说,电能通过输配电网进行实时传输,氢能通过输气管道、陆/海运输方式进行输运;从存储的角度说,电能和氢能都可以进行存储。从消费的角度说,电能和氢能均可以在交通、电力领域进行应用,是具有能源属性的。然而,氢能还有电能无法替代的原料及燃料属性,可以应用于化工和冶金领域,也就是说,氢能和电能最大的区别在于氢能是具有物质形态的二次能源。这也就决定了在未来高比例可再生能源系统中,氢能可以作为清洁电力的有力补充,在能源领域发挥独特的优势。

表1  电能和氢能定性对比分析Image

为了更加直观全面地了解电能和氢能的技术特点区别,我们用定量分析的方法对两者再次进行对比。有研究以单位热量作为标尺,通过在不同维度对电能和氢能的安全、运输、效率、密度、存储和价格等方面进行比较发现,相较于氢能,电能在能量转换、运输和终端售价存在优势,而氢能在储能、质量能量密度两个方面更优于电能。

图1  电能和氢能定量对比分析

(数据来源:《中国能源发展报告2018》)

正是因为预见了氢能在能源系统中的独特优势,全球范围内正在兴起氢能发展热潮。


二、国际氢能发展



(一)规划与政策分析


世界各主要国家和地区在氢能战略中明确了氢能发展定位,并制定了分阶段实施的氢能发展目标,这些目标主要包括氢能在终端能源消费结构中的占比、可再生能源电解水制氢装置规模、加氢站规模、氢燃料电池车规模、氢气生产成本和销售价格等。

GDP总量在全球排名前50名(共占全球GDP90%以上)的国家中,共有12个国家制定了国家层面的氢能发展战略和路线图,欧盟发布了氢能发展战略,另有近30个国家已经开展氢能发展布局。

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图2 各主要国家可再生能源电解水制氢、加氢站、燃料电池车规模发展目标

(数据来源:世界各主要国家氢能发展战略规划、中国氢能联盟)

总体而言,各主要国家发展氢能的出发点主要包括保障能源安全、应对气候变化、保持技术领先、占领氢能市场。由于各国国情不同,发展氢能产业的主驱动因素也有所差异。

保障能源安全。日本是以保障能源安全为主要目标而发展氢能的典型国家。日本国内能源资源极度匮乏,存在能源对外依存度高、能源自给率低的问题,煤炭、石油的对外依存度均达到99%以上,天然气对外依存度达到97%以上,其能源自给率不足12%。尤其是福岛核事故之后,日本亟需寻找一条支撑本国社会经济发展的能源发展道路。此外,日本制定了温室气体减排目标,已经承诺到2050年实现碳中和。基于上述原因,日本实施了一系列促进氢能发展的战略和政策,主要包括:开展海外化石能源+CCS制氢及本国可再生能源电解水制氢,加强进口和国内氢运输、分配基础设施建设,促进氢在汽车、家庭热电联供和电力等各个部门的应用等。韩国、德国、爱尔兰等国家发展氢能均有保障能源安全方面的考虑。

图3  日本能源自给率统计

(数据来源:www.statista.com)

应对气候变化。以德国为代表的欧盟一直在积极探索向脱碳能源系统转型。德国一直以来积极发展新能源,制定了2022年的退核计划及2038年的退煤计划。此外,德国能源对外依存度达到90%以上,其天然气主要依靠从俄罗斯进口,能源供应随时受到国际关系变化的影响。为了维持本国能源安全,以及应对气候变化、推动能源转型,德国对于氢能的发展主要基于以下逻辑:1.发展以可再生能源电解水制氢技术,实现低成本零排放制氢,以消纳更高比例的可再生能源;2.提出以氢替代部分天然气用于合成燃料(合成甲烷、煤油、甲醇和氨);3.利用现有的天然气基础设施,加快构建氢气管道运输网络。德国已经将氢能确立为重载交通、航空、航海等领域的替代能源,并持续推动氢作为工业原料进行使用。法国、意大利等欧洲国家发展氢能均有应对气候变化方面的考虑。

保持技术领先。由于美国页岩油气革命相关技术逐步成熟,美国能源结构和能源安全等问题并不突出,但美国重视对各类战略性新兴技术的占领,各届政府都将氢能与燃料电池作为先进技术进行战略投资,确保其技术经济领先地位。2019年发布的《美国氢能经济路线图》将氢能发展作为碳减排的重要途径之一,并明确通过氢经济活动扩大美国在全球能源领域的领导地位。

占领氢能市场。澳大利亚具有丰富的煤炭资源,制定氢能发展战略除了考虑实现氢能技术领先外,更多是考虑采用类似煤炭和油气的国际贸易模式,将氢作为商品出售给氢气需求国,其制定的《氢能战略目标》中明确的一个重要目标就是将澳大利亚打造成亚洲三大氢气出口地之一。目前,澳大利亚已经和日本达成合作意向,由澳大利亚褐煤制得的氢气,通过海运的方式运输到日本,日本川崎重工与澳大利亚已合作开展液氢输运船下水试验。智利、南非、沙特等新能源资源禀赋丰富的地区发展可再生能源制氢也主要是考虑占领氢气出口市场。



(二)定位与趋势研判


从各主要国家发展氢能的动因及氢能战略部署可以看出,围绕安全、绿色、低碳的能源主题,氢能发展定位可以概括为三点。

降低对传统化石能源的依赖。氢能是具有物质形态的二次能源,可替代部分或全部天然气以降低天然气消费量,通过加强天然气掺氢、纯氢管网的基础设施建设,促进氢气的规模化输送和利用,提高低碳化水平。

提高可再生能源开发利用比例。各国纷纷布局可再生能源电解水制氢,鼓励风电、光伏、新型低碳或零碳制氢技术的发展,以提高绿氢的比例。

在难以减碳的领域进行深度脱(低)碳。聚焦重型交通工具、化工合成、冶金、高品质供热等,鼓励氢能在上述领域的技术研发及工程应用。

各国结合自身资源禀赋及经济发展阶段,对制氢、储运和应用方面的发展有不同的侧重。

在制氢方面,日本和韩国提出近期和中期以化石燃料制氢(需配置碳捕集及封存或利用装置)为主,中远期氢气主要来源于可再生能源电解水制氢。德国和其他主要欧盟国家则提出重点发展可再生能源电解水制氢技术,并分阶段实现可再生能源电解水制氢规模的不断扩大。

在储运方面,世界各主要国家因地制宜、结合运输距离和具体运输条件,研究探索气态储运、低温液态储运、有机液态储运和固态储运技术的示范应用,开展天然气管道掺氢技术的应用。对于日本、韩国,重点开展本国境内气态氢储运的布局,对于远距离氢气输送则主要采用远洋液态运输、有机液态运输的方式;对于德国等天然气管道基础设施完善的国家,则主要考虑依托现有的管网基础设施,开展天然气管道掺氢、纯氢管道输氢的布局。

在应用方面,各国对交通领域的氢能应用进行了重点发展布局,主要关注加氢站和氢燃料电池车,尤其是重型氢能交通工具的开发及应用、加氢站规模的布局;电力和建筑领域主要关注燃料电池发电及热电联供、掺氢及纯氢燃机的开发及应用;工业领域主要关注氢冶金、氢化工合成等低碳化应用。


三、我国氢能发展



(一)规划与政策分析


国家层面上,我国虽然尚未出台国家层面的氢能发展战略或路线图,但是一直通过政策文件鼓励、财政补贴支持等方式引导氢能产业健康稳步发展。

在氢能政策方面,2019年3月,国务院《政府工作报告》首次提及氢能;2020年4月,国家能源局印发《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》,首次将氢能纳入“能源”范畴;2020年3、6月,氢能先后被写入《2021年国民经济和社会发展计划草案》和《2020年能源工作指导意见》;2020年3月,国家发展改革委、司法部印发《关于加快建立绿色生产和消费法规政策体系的意见》,提出2021年完成研究制定氢能、海洋能等新能源发展的标准规范和支持政策。2021年2月印发的《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》中提出“因地制宜发展水能、地热能、海洋能、氢能、生物质能、光热发电”。

在产业政策方面,我国从2001年起支持氢能产业发展,重点布局加氢和车用燃料电池领域。自2009年起,我国燃料电池车和电动车一起享受财政补贴,2014年,我国单独出台了对加氢站的补贴,自2018年起,燃料电池车和新能源车的补贴力度出现差异,在大幅调整其他新能源车型补贴时,对氢燃料电池汽车仍保持原有补贴支持。2020年,我国采用“以奖代补”的方式,对入围示范的城市群根据目标完成情况进行补贴,重点支持自主化技术研发应用、新技术示范等方面。

地方层面上,据统计,截至2020年12月,我国共有20多个省份、涉及近50个市(县)正在编制或已经发布氢能专项规划和推广补贴政策,在文件中规划加氢站规模,制定产业产值、氢燃料电池汽车推广、固定式发电应用、企业培育等目标,并配套车辆购置补贴、加氢站建设补贴、加氢补贴等不同程度的扶持。

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图4  全国已经发布或正在制定氢能政策的地区

(来源:根据公开信息整理)

从各地支持的力度看,我国氢能发展支持力度最大的地区为珠三角、长三角、京津冀鲁等经济发达地区及市(县)。氢能的商业化发展适合从有一定经济实力基础的省市起步,广东、山东、江苏等地对氢能发展支持力度大、财政补贴金额多,这些地区前期氢能积累较多、也是氢能快速发展应用的地区。

从资源禀赋的角度看,西北地区风光资源丰富,具备发展可再生能源电解水制氢产业的优势。随着我国碳达峰、碳中和目标的逐步推进,碳排放水平高、化工产业聚集的地区对于氢能发展的迫切需求将逐渐凸显,有望出台氢能发展政策,增加氢能发展支持力度,支撑地方能源转型。



(二)定位与趋势研判


氢能作为一种清洁灵活的二次能源,在高比例可再生能源的能源电力系统中,将发挥降低能源对外依存度、保障能源安全、推进绿色低碳发展等重要作用。

近年来,我国氢能产业的发展得到高度重视,氢能在交通领域快速发展,进入商业化应用初步阶段,但在能源电力领域尚在起步期。未来,随着可再生能源大规模快速发展,可再生能源电力与氢能互为补充,可以提高能源系统灵活性,保障能源安全。

从能源供应角度看,可再生能源电力是电、冷、热主要来源,氢能可作为可再生能源电力的有效补充,并降低油气对外依存度;从能源输送角度看,可再生能源电力输电线路和掺氢/纯氢管网将在保障能源安全方面发挥巨大作用;从能源消费角度看,氢能进行原料化和燃料化利用,应用于化工、冶金等领域,可降低化石能源消费比例。

中国和世界其他国家发展氢能的长远目标是一致的,但是国情和发展方式决定了我国和其他国家氢能发展具有差异性,近期氢能处于产业培育期,中远期大规模发展可再生能源之后,氢能是提升能源系统安全性和灵活性的重要方式之一。

在制氢方面,现阶段,煤化工制氢和工业副产氢仍是我国氢气供应的主体,共占氢气总供气量的70%以上;未来随着低碳能源社会的建立,配套碳捕集装置的化石能源制氢和可再生能源电解水制氢方式将主导氢气供给结构;远期来看,在可再生能源电力大规模发展后,氢气的来源将以可再生能源电解水制氢为主。

在储运方面,近期应重点关注氢储运技术的高质量、大规模发展,包括氢气长距离输运、液氢生产和输送、固体储氢技术的应用,为低成本、安全稳定的氢气输运创造条件。中远期,应结合可再生能源制氢不同的应用场景需求,对不同氢储运技术进行推广应用。

在应用方面,继续推广加氢站建设、氢燃料电池车等交通领域氢能应用,推动国产化技术的应用。加强氢能与能源电力领域的融合,重点突破固定式燃料电池发电及掺氢/纯氢燃机技术,以创新规划建设氢能综合能源系统、氢能储能系统和氢能固定发电等协同发展的基本要求,选择条件适宜的地区、企业进行示范。因地制宜开展燃料电池热电联供示范,替代化石能源供热并减少碳排放,显著提高清洁供暖质量。



(三)面临的机遇与挑战


我国氢能发展正处于产业培育的关键时期,具有良好的产业基础和市场潜力。从推进能源转型、规划政策支持、产业资本推动、技术经济竞争力提升等角度看,氢能发展正面临巨大的发展机遇。

1.在能源转型和绿色低碳发展的环境下,氢能发展空间广阔

我国关于碳达峰、碳中和的承诺展现了我国坚定走绿色低碳发展道路的战略定力。在未来相当长一段时间内,绿色低碳发展将是我国能源转型的主基调。低碳制氢是连接可再生能源发电与终端用户的重要纽带,高效氢储运技术是解决大规模新能源发电存储的新途径,氢能在工业、交通、电力和建筑等领域的应用是降低化石能源消费占比的重要方式。因此,发展氢能对提高可再生能源消纳比例、优化能源消费结构具有重要作用,是实现碳达峰、碳中和目标的重要抓手。

2.在国家和地方政府的政策规划支持下,氢能产业迅速布局

当前我国氢能产业正在快速发展,国家多项产业政策支持氢能产业发展。地方政府积极发展氢能,一方面为了助力地方绿色低碳转型,一方面为了吸引氢能产业链聚集落户,促进当地经济发展。以上海和江苏为代表的长三角地区、以广州和佛山为代表的珠三角地区、以北京和山东为代表的京津鲁豫地区,在地方支持政策和推广补贴的支持下,已经初步显现了氢能产业集群效应;以内蒙古等地为代表的西北地区,风光资源禀赋丰富,具备布局风电、光伏电解水制氢的产业基础;以川渝、云南为代表的西南地区,水电资源丰富,具备布局水电制氢的产业基础。应因地制宜,结合各地支持政策和氢能产业引导方向,统筹规划氢能全产业链布局。

3.在能源企业和产业资本的共同推动下,氢能应用加快步伐

以中石化、中石油、延长石油等为代表的石化企业拥有氢能资源优势以及加油站的建设运营经验,重点部署氢能在交通领域的业务转型;以国家电投、国家能源集团等为代表的电力企业拥有丰富的氢能技术储备及发电厂建设运营经验,积极探索氢能应用场景;以中国能建、中国电建为代表的能源建设服务企业具有丰富的技术装备制造、集成设计、建设运行及总包经验,协同带动技术装备应用推广;此外,东方电气、中船重工、哈电集团也在布局氢能产业。各类企业在氢能发展中具有优势互补、协同共赢的需求,在合作中推动氢能应用、加快企业转型步伐。

4.随着氢能技术应用推广及技术水平提高,氢能经济竞争力逐渐凸显

在国家和地方政府配套政策和资金的支持下,一方面,氢能产业链技术创新不断突破,大规模低(零)碳制氢技术、多元化氢储运技术、氢燃料电池技术等实现示范及推广;另一方面,随着对氢能认识的加深,氢能的能源属性将被广泛认可,行政管理审批机制将逐步建立健全,氢能竞争力将逐渐凸显,氢能产业规模化、经济化发展将迎来窗口期和机遇期。

在看到氢能发展机遇的同时,也应该清醒的认识到,现阶段我国氢能发展也存在巨大的挑战,主要体现在缺乏系统、科学的统筹规划,尚未形成明确健全的监督管理机制,核心关键自主化水平有待提升,完善健全的氢能标准体系亟需建立等。

一直以来,我国缺乏国家层面的氢能顶层设计,氢能发展路径、发展目标尚不清晰,氢能产业发展存在一定程度的“过热”现象。地方政府为抢占氢能市场先机,出台氢能规划和产业支持政策,存在政策同质化、碎片化问题,易导致各地氢能产业无序竞争和产能过剩等情形。

在我国,氢气作为危险品进行管控,氢能作为能源利用的国家主管部门尚未明确,安全监督管理体制尚不健全,这些使得氢能全产业链环节应用受到了较大制约,一定程度上制约了氢能产业发展。

我国氢能关键技术、材料、装备与国外相比仍然存在一定差距。我国在氢燃料电池关键技术、材料与装备,加氢站的加氢机、压缩机,掺氢/纯氢燃机技术,车载储氢气瓶碳缠绕纤维制造等方面与国外仍然存在较大差距,关键核心技术装备自主化水平有待提高。

我国氢能和燃料电池国家标准体系框架初步建立,但还存在不协调、不配套的问题。在制氢、输运、应用各环节仍然缺乏相关国家标准。如尚无适用于可再生能源规模化制氢、化工园区制氢应用、加氢站等不同应用场景下的设计、建设、验收标准体系,缺乏35兆帕等级以上的压缩氢气长管拖车国家标准,缺乏民用液氢储运、应用等国家标准,尚无天然气管道掺氢的相关标准等。


内容来源:电力规划设计总院党委常委、副院长姜士宏