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“双碳”背景下我国氢能产业发展机遇和方向

作者:顾阿伦 来源:《可持续发展经济导刊》 发布时间:2022-07-18 浏览:

中国储能网讯:顾阿伦 清华大学能源环境经济研究所

来源丨《可持续发展经济导刊》

编辑丨王秋蓉

国际社会普遍认为氢能是未来能源革命的关键技术,2015年,国际能源署发布《氢能与燃料电池技术路线图》报告,全面阐述了氢能发展的技术路线,指出氢能可以连接不同的能源形式,提高未来能源系统运行的灵活性,全球氢能与燃料电池产业迎来了快速导入期,世界发达国家与经济体纷纷布局,预计全球氢能将会呈现发展不断加速、竞争日益激烈的趋势。

2022年3月23日,国家发改委颁布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》(以下简称《规划》),这是我国氢能产业领域的长期纲领性文件。《规划》对氢能在我国能源的战略地位、发展目标及重点领域应用等都提出了明确的指示,其核心思想是确立了氢能对我国能源绿色转型发展提供重要的支撑作用,为氢能产业的中长期发展提出了明确的路线图,我国氢能产业发展预计迎来重大的机遇。政府这只“看得见的手”在各国推进氢能产业发展中均起到了重要的推动作用,预计我国政策支持体系的稳定性和连续性也势必为氢能高质量发展奠定良好的基础。

氢能产业发展的机遇

氢能对减少温室气体排放的潜力较大,其应用场景也较为多种多样。预计全球到2050年,若在基础化学品生产、炼油、重型车辆上的燃料电池,以及钢铁工业还原剂等方面利用绿氢,则每年可减少50亿至60亿吨温室气体排放 。根据中国氢能联盟预计,2050年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到10%,氢气需求量接近6000万吨,其中交通领域氢气需求约为2458万吨,占比整个氢能需求的40%以上。也有研究预测中国2050年的氢能需求接近8000万吨,显示氢能在中国未来的发展前景非常广阔。

“双碳”目标的现实需求,必然加速推动可再生能源的大规模化发展,而氢能可以成为可再生能源的重要载体,实现能源转型中的大规模和长周期的能源存储与多样化的终端利用。此次《规划》明确了氢能的能源属性与地位,必然进一步释放氢能的发展潜力。国际能源署可持续发展情景中指出,2050年氢价值链各环节所需的设备和部件的潜在市场每年资本支出为2000亿美元,可以为整个氢能产业链的每个环节提供各种机遇。

氢能发展的现状

氢能产业链涵盖氢能生产、氢能的储运以及下游利用三部分。我国是世界最大的制氢国,当前氢能产业链已经初步形成从基础研究、应用研究到示范演示的全方位格局,布局了相对完整的氢能产业。京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区已成为我国氢能产业的领跑者,国内众多企业积极参与氢能产业链的布局与生产,在许多领域逐渐缩小了与国外的技术差距。与发达国家相比,我国氢能发展的特点比较突出,制氢产能与氢能需求的地域叠加程度较低,而且氢能的运输距离较长,使储运成本较高,大部分用于自产自销,尚未发挥氢能在促进可再生能源发展的重要地位和作用。

我国的氢能主要利用化石能源热解/重整、工业副产气提纯及电解水等技术制取和生产,其中化石能源制氢及工业副产气制氢占主导地位,而可再生能源电解水制氢比例不足1%。2020年底,我国风力装机容量为2.3亿kW,光伏装机容量为2.5亿kW,弃风和弃光大约为5%,大力支持可再生能源电解水制氢(绿氢),即可以进一步提高可再生能源的利用效率,提高电网安全运行的稳定性,也可有效解决绿氢的生产制备。

此次《规划》也明确了未来清洁能源制氢的发展目标,2030年前碳达峰实现广泛的可再生能源制氢技术应用。2020年以来,国内诸多企业预计有466亿元的投资主要在可再生能源高效制氢技术和示范工程上,这势必有利于推动氢能产业的高质量发展。

高压气态储氢、低温液态储氢和固态合金储氢是目前广泛应用氢气储存的三种形式。其中,最广泛应用的是高压气态储氢形式,该技术环节是氢能得到广泛利用的重要环节。《规划》指出了稳步构建储运体系的任务,提出了掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范,这些为氢能的长距离运输以及大规模利用奠定了坚实的基础。

氢能的应用场景广泛,目前我国氢能多数用于合成甲醇、合成氨和石油炼化等的气体利用,少量则作为工业燃料使用,交通、发电以及建筑等领域的消费需求较小。燃料电池车的产业链基本已经形成,已经有大约1/3的中央企业布局了氢能产业,2021年底加氢站运营和在建超200座。2020年9月,财政部“以奖代补”方式开展核心技术产业化攻关和示范的补贴,进一步激发了核心技术创新的动力。另外,《规划》也将交通领域的示范推广应用重点加以明确,重点推进重型车辆应用,实现与电车的互补发展。

我国氢能发展的未来方向

国家“双碳”目标的提出及这次《规划》的重磅推出,势必使氢能技术研发和产业发展进入提速阶段,预计主要体现在以下四个方面。

1. 关键核心技术和装备攻关为抓手

氢能产业是一种技术密集型的产业,从制取、储存、运输、加注到终端利用等各个环节都有较高的技术要求,当前制氢技术路线选择众多,需要围绕高质量发展把握氢能产业发展方向。我国可再生能源装机潜力巨大,绿氢的供给潜力大,可以为发展以可再生能源电解水制氢为基础的氢电互变、异质能源跨地域和跨季节优化配置等提供技术选择,形成互补融合的新型能源供应体系。《规划》提出加快提高可再生能源制氢转化效率和单台装置制氢规模,显示出制取氢能技术的重点方向,避免低水平的重复投资建设。发展绿氢,需要解决其经济性和技术成熟度等关键问题,需要针对核心材料和关键部件的技术瓶颈开展科技攻关。

氢能装备与核心部件方面是我国氢能产业发展的主要短板,进口依赖程度较高,国内氢燃料电池电堆的质子交换膜、催化剂等核心材料与国外先进水平相比还有较大的差距;国内以高压气态储氢为主,相较于低温液态储氢,高压气态储氢在长距离运输上十分不具有优势,因此大力发展液氢技术和输氢管道等装备也具有重要意义。

中国氢能联盟报告显示,在非运输行业90%的成本削减得益于氢能产业供应链的不断扩大,而运输行业则是70%的成本削减得益于终端应用设备生产规模的扩大,一方面推广大规模的绿氢开发利用与其成本下降有密切关系,另一方面其成本迅速下降则有利于其大规模的利用。因此,“卡脖子”技术的攻关,不仅需要企业层面上的科技研发,也需要国家不断激励企业技术创新和技术研发,尽快破除制约氢能大规模开发利用的技术瓶颈。

2. 引导投资搭建创新平台

据国际氢能委员会预计,到2050年氢能可以满足全球一次能源总需求的12%,氢能及氢能技术相关市场规模将超过2.5万亿美元。而欧盟氢和能源系统的一体化战略,实际上是设定了一个新的清洁能源投资议程,欧盟预计到2050年氢能投资从1800亿欧元增长至4700亿欧元,政府的投资有助于基础设施建设以及成为生产和建设的第一推动者。

相关研究结果显示,碱水电解和PEM技术的学习率分别为9%和13%,储氢罐的学习率约10%~13%,乘用车燃料电池堆的学习率约为17%,商用车约为11%,尽管与可再生能源的学习率高达30%相比,氢能产业链相关技术的学习率较低,但是其规模化的投资与生产仍然可以大大降低整个产业链的设备成本。因此,需要政府鼓励本地的投资机会,包括实施税收减免、补贴以及强制实施等措施,不断创造市场需求,加速绿氢产业链的发展。

《规划》强调加快财政金融的支持,提出了投资引导等相关的创新模式与要素,不仅仅要发挥政府预算内的投资引导作用,更为重要的是鼓励社会基金、上市融资等金融手段支持氢能创新企业。氢能高质量的发展,不能仅仅依靠盲目的项目投资,而应当将技术创新放在首位,鼓励企业在基础材料、核心零部件等领域突破技术瓶颈,引导产业健康有序发展。

3. 完善氢能产业标准体系

加强标准的研究与制定,提高政策支持的精准度,增强标准的有序和有效供给,助力氢能产业发展。2020年3月,国家发改委已经联合印发《关于加快建立绿色生产和消费法规政策体系的意见》,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,截至2021年4月,现行有效氢能相关国家标准共计95项。2022年一季度以来,国家公布的氢能相关产业政策中多次涉及氢能相关标准的制定,涉及的领域涵盖了制氢技术、燃料电池电站、燃料电池汽车等安全标准。

交通领域是氢能规模化利用的主要场景,目前加氢站建设发展的老问题则需要突破。《规划》明确了完善氢能产业标准体系,包括加氢站等基础设施的标准。但是为了进一步适应氢能产业的快速发展需求,需要加快推进氢能标准化工作,进一步制定可再生能源制氢、高压储氢容器检测、固态储氢、氢液化装备及加氢站关键装备等基础设施层面的标准,同时随着氢能应用领域的创新和拓展,不断完善相关的标准体系建设。

4. 参与国际技术和产业合作

在全球氢能项目中,有超过一半以上位于欧洲,而且受制于应用场景和资源的问题,大多数国家都在寻求氢能的国际合作,氢能与燃料电池从工程化向产业化的过渡呈现自下而上的发展模式。因为氢能的产业链较长,目前全球没有一个国家或企业能够完成整个产业链的建设。

在资源和应用场景方面,我国的各种条件比较好,商用车方面处于领先位置,同时其应用场景还可以推广到物流、储能以及钢铁、水泥等领域。目前一些资源发达的国家做一些跨境出口,将氢能输送到资源需求国,例如日本和澳大利亚合作制氢,进而实现其全产业链的构建。

当前我国在氢能方面也积极开展了广泛的国际合作,主要在燃料电池系统研发、氢燃料高压储罐等先进技术领域开展了系列合作。中国市场已经成为国际一流氢能企业布局的目的地,为更好摆脱新冠肺炎疫情的影响,推动经济的复苏,可以预见未来中国氢能的国际合作会不断加速。

来源丨《可持续发展经济导刊》2022年第6期

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