一、大規(guī)模發(fā)展氫能的時(shí)機(jī)已經(jīng)來(lái)臨
1、氫能將在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用
(1)發(fā)展氫能有助于應(yīng)對(duì)各種關(guān)鍵的能源挑戰(zhàn)。發(fā)展氫能可以為碳密集型部門(如交通運(yùn)輸、化工和鋼鐵等)提供極具發(fā)展?jié)摿Φ拿撎挤椒ā淠苓€可以幫助改善空氣質(zhì)量并加強(qiáng)能源安全。此外，還可提高電力系統(tǒng)的靈活性。
(2)氫在供應(yīng)和使用方面具有多種途徑。氫是一種自由能源載體，可以由多種能源生產(chǎn)。
(3)發(fā)展氫能可以促進(jìn)對(duì)可再生能源的利用。氫能有潛力幫助解決太陽(yáng)能光伏(PV)等可再生能源的波動(dòng)性輸出問(wèn)題。氫氣是存儲(chǔ)可再生能源的一種良好選擇，并且有望成為最經(jīng)濟(jì)的方式，可在幾天、幾周甚至幾個(gè)月內(nèi)存儲(chǔ)大量電力。氫氣和氫基燃料可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的中長(zhǎng)距離運(yùn)輸。
2、氫能正在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展
(1)清潔氫能正迎來(lái)前所未有的政治和商業(yè)發(fā)展機(jī)遇。全球氫能相關(guān)政策和項(xiàng)目正在迅速增加，多個(gè)國(guó)家正部署可再生能源電解水制氫的示范項(xiàng)目和早期商業(yè)項(xiàng)目，并注重改進(jìn)電解槽技術(shù)和擴(kuò)大電解制氫產(chǎn)能，電解槽制氫項(xiàng)目規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)(圖1)。氫能商業(yè)應(yīng)用不斷增加，到2018年底，全球已安裝22.5萬(wàn)臺(tái)家用燃料電池(其中日本占98%)，建成380多座加氫站，燃料電池汽車保有量達(dá)11200輛，2018年銷售量約為4000輛。
圖1 2000-2023年全球新增電解制氫項(xiàng)目變化態(tài)勢(shì)(左軸：項(xiàng)目數(shù)量;右軸：新項(xiàng)目平均規(guī)模<兆瓦>)
(2)氫能應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。由于可再生能源成本持續(xù)下降，以及全球減少溫室氣體排放的緊迫性增加，許多國(guó)家已開(kāi)始采取行動(dòng)利用氫能促進(jìn)脫碳，其應(yīng)用從汽車工業(yè)轉(zhuǎn)移到了難以脫碳的行業(yè)，例如能源密集型工業(yè)、卡車、航空、船運(yùn)和供熱等。電力制燃料的新概念中，將電解產(chǎn)生的氫氣轉(zhuǎn)化為液體燃料成為氫能一項(xiàng)新的潛在應(yīng)用。氫氣還可用作制氨、鋼鐵和煉油原料，2018年全球直接還原煉鐵產(chǎn)量達(dá)到了1億噸，柴油和航空煤油需求的增加使煉油廠對(duì)用于加氫裂化的氫氣需求增加，對(duì)低硫柴油的需求也使煉油廠脫硫用氫氣的需求增加。
(3)將低碳化石燃料制氫作為過(guò)渡選擇。化石燃料制氫是當(dāng)前成本最低也是最主要的制氫方式，但其排放偏高。為化石燃料制氫配備碳捕集和封存(CCS)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)低碳制氫(即“藍(lán)色氫氣”)，可作為向無(wú)排放的可再生能源電力制氫(即“綠色氫氣”)過(guò)渡的方式。碳捕集效率有望達(dá)到85%-95%，然而目前一些項(xiàng)目的碳捕集效率并不理想，而且如果捕集的CO2被用于提高石油采收率(EOR)或生產(chǎn)石化產(chǎn)品或合成燃料，則最終仍會(huì)排放CO2。因此，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的藍(lán)色氫氣必須基于碳捕集率大大提高，并確保在有效的監(jiān)控、報(bào)告和驗(yàn)證系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期封存。
(4)可暫時(shí)利用天然氣基礎(chǔ)設(shè)施作為氫氣輸運(yùn)設(shè)施。輸送純氫氣的管道雖然技術(shù)上可行，但目前尚未大規(guī)模部署。世界某些地區(qū)已經(jīng)具備完善的天然氣輸送和分配基礎(chǔ)設(shè)施，按低比例將氫氣混入天然氣中，無(wú)需進(jìn)行重大技術(shù)改變和投入大量資金。此外，將氫氣合成為甲烷則可直接使用現(xiàn)有天然氣管道，但這增加了氫能利用的成本。此外，需要仔細(xì)評(píng)估終端設(shè)備(鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)和灶具)是否適應(yīng)氫氣和天然氣的混合。但可以確定，如果要使用純氫氣，則需對(duì)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備進(jìn)行重大升級(jí)。對(duì)于氫氣混合比例以及如何將現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施逐漸向100%輸送氫氣轉(zhuǎn)變，需各方一致確定共同目標(biāo)并設(shè)定清晰的路線圖，還需制定相應(yīng)的監(jiān)管法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)。
(5)綠色氫氣作為新商品的潛力。可以將綠色氫氣轉(zhuǎn)化為合成天然氣(使用生物能源燃燒產(chǎn)生或直接捕集空氣中的二氧化碳)，并使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施將其運(yùn)送到市場(chǎng)。還可通過(guò)蒸汽甲烷重整配合CCS將天然氣轉(zhuǎn)化為低碳?xì)洌@為加拿大、伊朗、挪威、卡塔爾、俄羅斯聯(lián)邦和美國(guó)等天然氣生產(chǎn)國(guó)提供了前景。由于氫氣可以在邊遠(yuǎn)的沙漠地區(qū)以低成本生產(chǎn)并運(yùn)到市場(chǎng)，這為中東和北非等地區(qū)以及阿根廷、澳大利亞、智利和中國(guó)等國(guó)家提供了新的機(jī)遇。因此，向氫經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃褚蕾嚮剂铣隹谧鳛閲?guó)民收入重要來(lái)源的國(guó)家和地區(qū)提供了新的經(jīng)濟(jì)前景，還可能為擁有豐富可再生能源資源的國(guó)家創(chuàng)造新的出口機(jī)會(huì)。但是，運(yùn)輸氫氣需要耗費(fèi)大量能量將氫氣液化，或者將氫氣轉(zhuǎn)化為其他載體，例如氨、甲醇和液態(tài)有機(jī)氫載體，這帶來(lái)了巨大的損失。如果可以在現(xiàn)場(chǎng)制氫并用于生產(chǎn)清潔產(chǎn)品，如氨、甲醇、直接還原煉鐵或通過(guò)電力轉(zhuǎn)換為燃料，則可以減少此類損失。
二、氫能與可再生能源的關(guān)系
1、氫能可推動(dòng)可再生能源的加速部署
氫能大規(guī)模部署(或氫氣衍生的燃料和大宗商品)可以推動(dòng)對(duì)可再生能源發(fā)電需求的顯著增長(zhǎng)。IRENA估計(jì)，2050年將有19艾焦氫氣由可再生能源電力制取，占終端能源消耗的5%和發(fā)電量的16%。而氫運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)造成重大能量損失，可能會(huì)使氫能供應(yīng)的電力需求成倍增加。因此大規(guī)模部署氫氣將對(duì)電力行業(yè)產(chǎn)生重大影響，并且為可再生能源部署帶來(lái)更多機(jī)會(huì)
2、可通過(guò)制氫提高電力系統(tǒng)靈活性
電解槽可在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)增加或降低產(chǎn)量，新興的質(zhì)子交換膜電解槽比堿性電解槽響應(yīng)速度更快，因此可利用電解槽緩解電網(wǎng)擁堵，這有助于減少對(duì)波動(dòng)性可再生能源的削減。同時(shí)，可再生能源電力可通過(guò)制氫來(lái)輸送。
3、氫氣可用于季節(jié)性存儲(chǔ)波動(dòng)性可再生能源電力
到2050年，高比例風(fēng)能和太陽(yáng)能并網(wǎng)將使儲(chǔ)能需求顯著增長(zhǎng)，將可再生能源制氫與儲(chǔ)氫相結(jié)合，可以為能源系統(tǒng)提供長(zhǎng)期的季節(jié)靈活性。儲(chǔ)氫可以以多種方式進(jìn)行，如高壓壓縮、低溫液化、固體儲(chǔ)氫、轉(zhuǎn)化為液體燃料或與天然氣混合儲(chǔ)存在天然氣基礎(chǔ)設(shè)施中。可再生能源電力季節(jié)性儲(chǔ)能需求將從2030年開(kāi)始大幅增長(zhǎng)，但氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和法規(guī)應(yīng)從當(dāng)前開(kāi)始規(guī)劃。
三、清潔氫能的成本競(jìng)爭(zhēng)力
可再生能源制氫成本與電解槽的資本支出、可再生能源電力的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)和電解槽的運(yùn)行率(即年運(yùn)行時(shí)間占比)密切相關(guān)。目前，堿性電解槽的資本支出通常為840美元/千瓦，許多地方公用事業(yè)規(guī)模太陽(yáng)能光伏和陸上風(fēng)電的成本已達(dá)到2-3美分/千瓦時(shí)。電解槽的運(yùn)行率越高，單位氫氣的生產(chǎn)成本越低，應(yīng)確保其運(yùn)行率超過(guò)50%。當(dāng)前可再生能源制氫成本高于化石燃料(煤炭和天然氣)制氫成本，在最佳情況下，即采用最低成本的風(fēng)電(23美元/兆瓦時(shí))和最低成本電解槽(200美元/千瓦，到2040年有望擴(kuò)大規(guī)模使用)，綠色氫氣有望與藍(lán)色氫氣成本相當(dāng)(如圖2所示)。
圖2 各種制氫技術(shù)成本現(xiàn)狀(單位：美元/kg)
IRENA預(yù)測(cè)，到2050年，全球能源領(lǐng)域?qū)⑾?9艾焦“綠色氫氣”，意味著到2030年全球?qū)惭b約700吉瓦電解槽，到2050年則將達(dá)1700吉瓦。考慮技術(shù)的發(fā)展，到2050年電解槽成本降至375美元/千瓦，配備CCS的化石燃料制氫成本則基本保持不變。因此，利用低成本風(fēng)電和光伏電力制取的氫氣將在未來(lái)五年內(nèi)具備與化石燃料制氫相當(dāng)?shù)某杀靖?jìng)爭(zhēng)力，尤其是與配備CCS的天然氣制氫相比。2030-2040年間，所有綠色氫氣的成本將低于藍(lán)色氫氣。到2035年，以可再生能源電力平均成本為基準(zhǔn)的制氫成本也開(kāi)始具備與“藍(lán)色氫氣”的競(jìng)爭(zhēng)力，碳價(jià)將進(jìn)一步提升綠色氫氣的競(jìng)爭(zhēng)力，在某些地區(qū)綠色氫氣將在未來(lái)3-5年內(nèi)具備成本競(jìng)爭(zhēng)力。
圖3 風(fēng)電和光伏發(fā)電制氫成本發(fā)展趨勢(shì)(單位：美元/kg)
四、關(guān)于擴(kuò)大氫能部署規(guī)模的政策建議
1、認(rèn)識(shí)氫能在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略作用
(1)將氫能作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)納入能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。盡管未來(lái)十年中還無(wú)法發(fā)揮氫能的作用，并且還需進(jìn)一步降低氫能成本，但此后氫能將迅速增長(zhǎng)并在2050年前做出重大貢獻(xiàn)。各國(guó)政府和私營(yíng)部門必須加強(qiáng)努力，以實(shí)現(xiàn)這一前景。
(2)將綠色氫氣作為長(zhǎng)遠(yuǎn)的氫氣供應(yīng)方式。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可再生能源制氫是唯一可持續(xù)的氫氣供應(yīng)方式。未來(lái)綠色氫氣將具備成本競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)關(guān)注降低可再生能源電力和電解槽成本，提高電解槽效率，以及電力系統(tǒng)集成。配備CCS的化石燃料制氫也可以起到過(guò)渡作用，特別是在具有低成本化石燃料儲(chǔ)量、良好碳封存條件以及可以向輸送氫氣過(guò)渡的天然氣管道系統(tǒng)的地區(qū)。
(3)將氫經(jīng)濟(jì)納入《巴黎氣候協(xié)定》的國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)(NDC)中。氣候目標(biāo)是向氫經(jīng)濟(jì)過(guò)渡的主要?jiǎng)恿Γ虼藢?duì)于能源系統(tǒng)而言，至關(guān)重要的是要在氣候承諾中體現(xiàn)這種潛力，對(duì)將綠色氫氣作為一種重要的溫室氣體減排方案的認(rèn)識(shí)尚有待提高。
(4)采取措施增加清潔氫氣在能源市場(chǎng)的應(yīng)用。例如，制定可持續(xù)制氫的強(qiáng)制性目標(biāo)，強(qiáng)制性將氫氣與天然氣混合，或?qū)嵤┛稍偕茉粗噶钜源龠M(jìn)交通運(yùn)輸業(yè)中氫的使用等。
2、制定強(qiáng)制性政策助推清潔氫氣普及利用
(1)制定無(wú)碳排放供氫的認(rèn)證系統(tǒng)和規(guī)定。確保未來(lái)的氫氣供應(yīng)與氣候目標(biāo)相一致至關(guān)重要，特別是對(duì)于遙遠(yuǎn)地方運(yùn)輸?shù)臍錃猓瑒t需要確定其來(lái)源。
(2)記錄并交流國(guó)際最佳實(shí)踐，確保信息共享。氫能領(lǐng)域處于迅速發(fā)展階段，技術(shù)、監(jiān)管框架和標(biāo)準(zhǔn)都需要進(jìn)一步發(fā)展。
(3)確保高效的氫氣供應(yīng)和使用。氫氣的揮發(fā)性意味著轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)造成明顯的能耗損失。需要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)以確保較高的整體效率。
3、注重氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和切實(shí)可行的過(guò)渡途徑探索
(1)評(píng)估天然氣管道系統(tǒng)材料及終端用氣設(shè)備，以更好地了解將其用于氫氣運(yùn)輸?shù)臐摿Α８鞣N研究表明，將天然氣管道系統(tǒng)作為過(guò)渡是可行的，但只有實(shí)踐才能證明技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。
(2)進(jìn)行技術(shù)協(xié)作，并協(xié)調(diào)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。天然氣管道系統(tǒng)、地下存儲(chǔ)和燃燒設(shè)備中氣體混合物的使用標(biāo)準(zhǔn)通常是以天然氣中氫氣含量很少為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，因此需進(jìn)行修訂。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織在此過(guò)程中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。在標(biāo)準(zhǔn)變更方面發(fā)展并取得共識(shí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。因此，現(xiàn)在需要采取緊急行動(dòng)，以避免成為中期行動(dòng)的障礙。
(3)鼓勵(lì)發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)通過(guò)研發(fā)和示范以降低綠色氫氣的供應(yīng)成本。盡管綠色氫氣在技術(shù)上是可行的，但在未來(lái)幾十年中將需要進(jìn)行大規(guī)模推廣，以確保氫能在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。
4、開(kāi)拓新的氫能利用市場(chǎng)
(1)將氫能應(yīng)用于碳密集型行業(yè)。對(duì)于卡車運(yùn)輸而言，低成本氫氣的可用性是一個(gè)關(guān)鍵因素。在工業(yè)領(lǐng)域，基于綠色氫氣的氨生產(chǎn)在技術(shù)上是可行的。鋼鐵生產(chǎn)需要開(kāi)發(fā)更多工藝，可極大降低碳排放。鐵路、船運(yùn)和航空領(lǐng)域也極具應(yīng)用前景。新的氫商品貿(mào)易可以使氫能不僅圍繞能源轉(zhuǎn)型發(fā)揮作用，還可以為當(dāng)今的主要石油和天然氣生產(chǎn)國(guó)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)前景。
(2)開(kāi)發(fā)航空、船運(yùn)、化學(xué)品和石化行業(yè)的可再生能源電力轉(zhuǎn)換制化學(xué)品和燃料技術(shù)(Power-to-X)。盡管目前此類技術(shù)的成本很高，但存在巨大的降低成本潛力，能夠?yàn)樘济芗偷男袠I(yè)提供技術(shù)可行且成本低廉的解決方案。其關(guān)鍵是具有可長(zhǎng)期使用的可持續(xù)CO2來(lái)源，例如生物質(zhì)燃燒或直接空氣捕獲CO2。
(3)將氫能作為向未來(lái)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型期間推動(dòng)部署更多波動(dòng)性可再生能源的關(guān)鍵因素。氫能具備增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性、提升電力需求和可再生能源份額等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)被視為能源轉(zhuǎn)型的重要解決方案。
(4)在能夠?qū)錃馍a(chǎn)和氫氣利用結(jié)合的地區(qū)啟動(dòng)示范項(xiàng)目。例如，煉鋼和合成氨以及合成燃料項(xiàng)目，從而消除氫氣運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>
