中国储能网讯:氢燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。在能源转型和绿色低碳发展的环境下,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。本栏目概述氢能特点,分析国内外氢能产业战略布局,可为相关研究和行业概览提供参考。
一、氢能概述
氢在宇宙中分布广泛,它构成了宇宙质量的75%。氢能是氢(H)在物理与化学变化过程中释放的能量。氢燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。
氢目前虽然主要是作为重要的工业原料,但在能源转型过程中,氢更重要的是作为一种清洁能源和良好的能源载体,具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点。实现氢能的规模应用,需要解决包括氢的制备、储存、输运、转换和应用在内的相关技术。
氢气是常见燃料中热值最高的(142KJ/g),约是石油的3倍,煤炭的4.5倍。这意味着消耗相同质量的石油、煤炭和氢气,氢气所提供的能量最大,这一特性是满足汽车、航空航天等实现轻量化的重要因素之一。
现阶段来看,氢气作为能量载体的最大竞争对手是锂电池。目前电池市场发展已经很成熟,然而氢能具备电池所不能比拟的优势,氢气的比能量远远超过电池,并且没有工作温度限制(电池工作温度范围在-20℃~60℃)。
氢能和电能同属于二次能源,均可以存在于能源生产、存储、输送和消费的各环节。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,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。
为了更加直观全面地了解电能和氢能的技术特点区别,将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。
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产业发展热潮。氢能主产业链包括上游氢气制取、储存、运输、加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注,中游燃料电池系统及零部件生产制造,下游氢能供热、氢燃料电池应用等众多环节。
二、国外氢能产业战略布局
制定发展战略
2019~2020年,多个国家和地区相继出台具有实操性的氢能战略和氢能发展路线图。一些国家对氢能技术应用进行具体部署,主要以氢能在交通运输领域的应用为主,部分国家着手设定工业、建筑和发电等部门的氢能发展目标。
日本高度重视氢能产业发展,明确提出将氢能社会纳入国家发展战略。日本先后发布《日本复兴战略》《能源战略计划》《氢能源基本战略》《氢能及燃料电池战略路线图》,规划实现氢能社会战略的技术路线。在2019年4月发布的《第五次能源基本计划》中,日本计划将氢能源汽车数量从2020年的4万辆增加到2025年的20万辆,2030年氢能源汽车数量将达到80万辆。
2020年7月,欧盟委员会推出欧盟氢能战略,将绿氢作为未来氢能发展重点。作为氢能战略的一部分,欧盟委员会宣布成立清洁氢能联盟。在此之前的6月,成员国中德国已率先推出国家氢能战略,明确绿氢的优先地位,并计划到2030年将其国内绿氢产能提高至5吉瓦,到2040年进一步提高至10吉瓦。
除欧盟、日本外,俄罗斯、美国、韩国、澳大利亚等国也已发布国家氢能战略。俄罗斯新版《2035年能源战略草案》明确将氢能作为能源行业战略重点,目标是通过扩大氢气产能到2035年成为全球重要的氢能经济国家。2020年,俄罗斯联邦能源部公布本国第一份氢能战略发展路线图,提出2024年前在俄境内建立一个完全由传统能源企业主导的、涉及上下游的氢能产业链。
成立产业联盟
为协同推进氢能市场化和产业化进程,欧美日韩等建立了由政府、非政府组织、学术界、企业界等组成的产业联盟,作为推动氢能产业发展的重要平台。
日本的Japan H2 Mobility联盟,2017年由丰田、日产、本田、新日本石油、岩谷、东京燃气、日本发展银行等机构联合出资成立,横跨政府、金融、产业、学术界,包括氢能产业链各环节,涵盖了研发、示范、推广等各阶段,树立了协同推进的样板。
欧盟推进气候和能源转型的政策框架中,采取了组建跨区域、跨产业联盟的方式,由政府牵头、产业链各环节龙头企业参与,协同推进氢能发展。欧洲清洁氢联盟,2020年由欧盟相关企业、民间机构、国家及地区能源官员和欧洲投资银行共同发起,旨在为氢能大规模生产提供投资、促进技术合作。企业成员包括蒂森克虏伯、西门子、壳牌、空客,以及丹麦和挪威的一些公司等。
德国为加大氢能和燃料电池汽车的开发与商业化应用,先后成立多个技术联盟和产业联盟。最为典型的是2015年法国液化空气集团、戴姆勒、林德、OMV、壳牌和道达尔等企业联合组建H2 Mobility联盟。H2 Mobility计划在汉堡、柏林、鲁尔、法兰克福、斯图加特、慕尼黑六大都市圈的主干道和高速公路上建成100座加氢站,以上六大都市圈各布局10座,其余40座布局在相邻城市之间,作为加氢站网络的连接站和目的地站,形成环网状氢能高速公路。截至2019年底,H2 Mobility已建成75座加氢站,其中绝大多数已实现运营。
加大政策支持
1、提供补贴和税收优惠
目前国外氢能产业发展的财政补贴和税收优惠政策主要集中在燃料电池和加氢基础设施建设方面。随着燃料电池关键技术的突破,日本政府开始对车用、家用、商业及工业用燃料电池以及加氢基础设施建设给予持续全面补贴,设立清洁能源汽车补助金和燃料电池汽车加氢站建设补助金。目前可为每辆丰田Mirai和本田Clarity分别补贴202万日元、208万日元;每座加氢站根据供氢能力、供应方式不同,可获得0.6亿~3.9亿日元补贴。
韩国政府高度重视汽车产业与氢能协同发展,于2019年10月推出氢能城市计划,当年为氢燃料电池汽车提供财政补贴1304亿韩元。根据韩国政府计划,到2022年将为15000辆燃料电池汽车和1000辆氢气公交车提供资金,还将资助310个新的氢气加气站,未来5年内用于氢燃料电池以及加氢站的补贴将达到20亿欧元。
美国通过向消费者提供经济补贴和税收减免,间接促进企业加大开发力度,推动燃料电池产业化和商业化进程。加州政府启动了清洁车辆补贴项目,其中为氢燃料电池汽车提供5000美元的补贴,该补贴政策将持续至2024年1月1日前。截至目前,加州氢燃料电池汽车数量始终位于全美首位。
2、研发投入与融资支持
2019年,除化石燃料下降4%外,国际能源署成员国所有能源技术研究、开发和示范(RD&D)投入均有所增加,其中氢能和燃料电池技术领域增幅最大(为18%),是有史以来的第二高值(2018年增幅25%)。日本则是成员国中氢能和燃料电池研发领域投入最多的国家,2019年该领域投入达到2.97亿美元。
从现在到2050年,欧洲对可再生能源制氢的累计投资可能高达1800亿~4700亿欧元。欧盟2014~2020年期的“地平线2020”投资计划,支持设立了燃料电池和氢能联合项目,重点领域包括氢能合成航空燃料、氢动力航空电池、氢能航空发动机研发等。2020年后,欧盟科研支持计划“地平线欧洲”将加大对氢能的科研支持。
3、完善市场配套机制
欧盟通过碳交易配额等市场手段,缩小可再生能源制氢与化石能源制氢的成本差距。未来欧盟将对碳排放交易机制(ETS)中有关氢能以及制氢方法的概念进行界定,改革相关标准,使化石燃料制氢受到碳排放交易机制的成本约束。
2019年,标准普尔全球普氏能源资讯发布全球第一款氢价评估产品。目前标准普尔共有3套计算氢气生产价格的方法,计算因素包括天然气、电力、甲醇、水、碳排放配额、资本支出等。氢价格指数既可以显示目前主要的制氢方式,也可以反映目前运输等环节成本在终端氢气价格中的占比。
4、完善安全标准体系
氢气易燃易爆,其利用过程中的安全措施一旦失当,容易引发起火爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失,在生产、存储、运输以及终端应用过程中必须谨慎对待。2020年2月,韩国率先发布全球首个《促进氢经济和氢安全管理法》,为氢能供应和氢设施安全管理提供支持,以促进基于安全的氢经济建设。
日本加快修订完善车用氢能安全标准体系,在车用氢能领域建立先进、完整的标准体系,如针对氢燃料电池汽车、高压氢系统(包括高压储氢瓶和容器主阀),适用《高压气体保安法》,其余车辆系统适用《道路运送车辆法》;针对加氢站,适用的法律标准、规范主要有《高压气体保安法》《消防法》《建筑基准法》《加氢站安全检查标准》等。
建立示范区域和氢能城市
从全球范围看,德日韩等国在推动氢能示范区域和氢能城市建设方面力度较大,走在世界前列。德国注重推广氢能示范区项目,韩国推出氢能城市计划,日本、英国和瑞典则大范围推广氢能源住宅社区。
作为德国国家创新计划氢和燃料电池技术(NIP)的一部分,氢能示范区(HyLand)计划自2019年初提出以来获得各地积极响应,共有154个地区提交申报材料。先后于9月和12月确定了3批次共25个氢能示范区试点。
2019年10月,韩国国土交通部在全国检查和调整会议上宣布氢试点城市推广战略。根据韩国政府的计划,到2040年全国40%的城市将成为氢能城市,总计运营82.5万辆氢能汽车和1.2万辆氢能公交车。
日本东京奥运会的运动员村5000多户住宅和街区的商业设施全部采用氢燃料电池,这是日本首次在新式街区大范围推广使用氢能源。选手村每套公寓均采用家用氢能源燃料电池作为基本电源,同时在社区内建设大型加氢站和氢气管线管控中心,通过管线直接将氢气输入到各户家庭的燃料电池中,使得燃料电池成为永久性发电系统。
英国政府2020年公布的《绿色工业革命十点计划》提出,从2023年开始建设氢能社区,到2025年建成氢能村落,最终实现在十年内建成一座氢能城镇,相当于数万个住宅。
加强国际合作
国际合作对于加速氢产业发展至关重要。2020年,荷兰和葡萄牙签署谅解备忘录,将各自的2030年绿氢计划联系起来。两国政府希望将葡萄牙在锡内斯的氢项目与欧洲最大的海港鹿特丹连接起来,并发展战略性的进出口价值链,以确保绿色氢气生产及运输至荷兰。
欧盟积极探索与非洲特别是北非地区合作发展可再生能源制氢行业的可行性,推动周边邻国发展电解氢产能,使其2024年制氢产能达到40吉瓦。在投融资方面,欧盟通过其主导的多边投资机构或开发银行,支持周边国家绿氢建设,其中“西巴尔干投资促进框架”是其重要抓手。
澳大利亚与日本合作建立氢能试点供应链,并与韩国签署意向书,以实现氢能进出口方面的合作,此外正在与德国进行氢能合作的可行性研究,探讨向较远目的地出口氢气面临的高昂海运成本问题。
三、国内氢能产业战略布局
发展规划和政策
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月和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”。2021年3月,全国人大表决通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,将氢能与储能列为前瞻谋划的六大未来产业之一。
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。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。
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,这些地区前期氢能研发积累较多,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。
重点发展区域
1、长三角氢走廊
为破解长三角氢能发展困局,提高区域协同发展水平,在长三角区域合作办公室的指导和上海市科委、南通市人民政府、如皋市人民政府等单位的大力支持下,中国汽车工程学会牵头编写并发布了《长三角氢走廊建设发展规划》(下称《长氢规划》)。该规划的出台对长三角统筹布局区域氢能资源、推动各地加氢基础设施与燃料电池汽车的协调平衡发展具有重要引导作用。
《长氢规划》提出,以长三角城市群城际间带状及网状加氢基础设施建设为重点,兼顾重点城市市内加氢基础设施建设,以满足城际间交通加氢需求为出发点,适度超前建设,以推动实现加氢基础设施与氢燃料电池汽车的协调平衡发展为主要目标。氢走廊建设分为近期(2019-2021年)、中期(2022-2025年)和远期(2026-2030年)三个阶段。
第一阶段:近期发展规划(2019-2021年)。立足长三角现有氢能产业基础,以上海为龙头的产业先行城市打造成氢走廊的核心点,率先启动建设4条氢高速示范线路,示范推广氢燃料电池汽车。同时辐射周边苏州、南通、如皋、宁波、嘉兴等燃料电池汽车推广方面有较好基础或者较强政策导向的城市,形成长三角带状氢能走廊,初步形成氢能高速走廊示范。
第二阶段:中期发展规划(2022-2025年)。大力推进燃料电池汽车的应用发展,进一步提升氢能关键技术水平,在重点城市之间推广建设10条以上氢高速公路,拓宽燃料电池汽车运营范围,形成具有影响力的氢能产业集群,打造特色鲜明的氢走廊创新发展模式。
第三阶段:远期发展规划(2026-2030年)。氢走廊覆盖长三角全部城市和20条以上主要高速公路,形成具有国际影响力的燃料电池汽车应用区域,充分带动全国燃料电池汽车产业发展,推动未来社会清洁能源和动力转型。
《长氢规划》提出了五项重点任务,分别是推进加氢基础设施建设、加快燃料电池汽车推广、统筹氢气资源保障体系、探索可持续发展商业模式、完善政策标准法规框架体系。为确保规划任务的有效实施及有关目标的达成,从强化组织领导、灵活供应土地、明晰审批管理、加强财税支持、拓宽融资渠道、加强安全监管、优化产业环境、加强科普宣传方面提出了八大保障措施。
2、珠三角氢产业链
(1)全产业链格局初具,形成佛广深三大氢能创新核心区
珠三角是氢燃料电池汽车产业先发地之一,引入培育了一批产业链相关企业,具备了较好的发展基础,初步形成了涵盖电堆核心材料、燃料电池系统、整车集成及氢基础设施的全链条产业体系雏形。
一是佛山引进了中科院、浙江大学、武理工等顶尖创新资源,集聚了产业上下游超过40多家企业,实现了公交车、客车、物流车等商用车的示范运营,并在高明区建成氢能现代有轨电车修造和示范基地。
二是广州围绕技术研发、检测认证、产业化项目、示范应用等环节,初步构建了氢能关键产业链条雏形。由鸿基创能、氢能研发中心、恒运、清华启迪等牵头,在核心技术上不断突破,逐步推动关键部件产业化,并向上下游拓展,形成了燃料电池公交车、桶装垃圾车的示范。
三是深圳依托国家能源新材料研发中心、南科大、清华深圳院等创新中心,拥有超过50家相关企业,具备相对丰富的氢能资源。全省集聚化及产学研协同发展进一步凸显,目前初步形成了佛山仙湖氢谷、广州黄埔氢谷、广州湾区氢谷、东莞国青氢谷、云浮氢能小镇、茂名氢能基地等六大氢能产业基地。
(2)创新平台体系建设有序推进
珠三角围绕氢能产业创新发展需求,建成了仙湖实验室——先进能源科学与技术省实验室佛山分中心,聚焦氢能等新能源技术,着力破解能源领域重大科学问题,突破“卡脖子”核心技术。
建设了广东省燃料电池技术重点实验室等省级重点实验室;广汽研究院、中广核研究院等企业研究中心氢能研究力量快速发展;成立了广州氢能源创新中心、佛山(云浮)氢能产业和新材料发展研究院、佛山绿色发展创新研究院、粤港澳大湾区(黄埔)氢能创新中心等一批区域氢能创新中心。
此外,成立了“佛山燃料电池及氢能源产业创新联盟”、佛山华南新能源汽车产业促进中心、广东省氢能与燃料电池产业协会(筹)、云浮(佛山)氢能标准化创新研发中心等,搭建新能源汽车和氢能产业资源整合的专业性公共服务平台,不断提高氢能产业创新扶持力度和开放共享平台服务水平,制定氢标准体系规划和路线图。
(3)关键材料和核心技术具备一定优势
🔹1)电堆及关键材料方面
广东国鸿开发具有自主知识产权的36kW电堆,功率密度等核心技术参数接近巴拉德LCS电堆;鸿基创能、广东武理氢能研究院和南科大在膜电极技术及生产工艺等方面取得突破,鸿基创能建立起了国内第一条双面直涂全自动“卷对卷”涂布膜(CCM)生产线,年产能达30万平米,产品性能处于国际领先;南科燃料的柔性石墨双极板单片厚度达1.7mm,成本比传统CNC方式降低80%,性能优于同类产品。
🔹2)燃料电池系统方面
广东稳力、广顺新能源等积极布局,其中广东稳力已完成三款离心式超高速无油空压机开发,驱动电机额定转速达8.1万转/分钟,技术水平达到国际先进;国鸿重塑、深圳氢蓝等布局氢气循环系统、DC/DC升压转换器和系统集成,均实现了量产销售。
🔹3)整车集成方面
飞驰客车、东风、开沃等已初步具备客车整车集成技术,在稳定供氢、续驶里程、动力性能等关键指标上取得商用性突破。广汽已开展乘用车动力系统平台化拓展,在高集成、长寿命及高效率上开展专项攻关。
🔹4)氢能基础设施方面
东莞巨正源、茂名东华的丙烷脱氢制丙烯项目副产物氢经过提纯可提供大量的高纯度氢,深圳埃森副产氢将达到40吨/天的产能。北京科泰克储氢罐项目、上海舜华车载储氢及加氢设备项目的引入,弥补了我省在氢储运技术和设备方面的薄弱环节。在储氢模式上,鸿达兴业、大洋电机等不断探索液态/固态储氢新模式,中山引入中科富海打造氢液化装备集群,佛山积极引入镁格氢动(苏州)科技公司氢化镁产业化项目。
央企积极布局
根据香橙会研究院统计数据显示,国务院国资委监管的96家央企中,开展氢能相关业务或布局的中央企业有26家,数量占比高达27%;具备氢能资源或应用场景但尚未开展具体业务的央企有13家。
整体来看,26家央企在氢能基础设施建设、关键技术研发、产品推广应用等场景布局最为积极。未来有氢能资源的企业重点发挥资源优势,有场景应用的企业集中发力核心零部件技术研发布局。
1、电力石油能源类央企为主导
氢能产业链涵盖了上游制氢、储氢、运氢、销售以及中游燃料电池制造以及应用等诸多环节。横跨能源(石油化工)、船舶、汽车、核能、电力、设备、节能环保、钢铁军工、建设等多个领域的央企纷纷布局。尤其是在2019年两会后首次将氢能写入政府工作报告后,各大央企在氢能领域的动作有所加快。
图 不同领域央企布局氢能行业分布图
从图可以得知,电力、石油化工等能源类央企参与氢能行业最多,包括6家电力公司、3家石油化工类企业、2家核能公司。设备类企业也积极介入氢能领域。汽车领域的东风、中车、一汽在氢燃料电池整车有所布局。
国家电网公司、南方电网公司侧重于在氢储能方面开展研究和应用。国家能源集团、华能集团、三峡集团、国家电投、中核集团、中石化、中船重工、中国航天、中节能集团积极利用自身能源优势参与制氢、储氢、加氢站环节。
2、聚焦基础设施建设和关键技术研发
当前我国氢能发展处于初期,各大央企从氢能基础设施建设、关键技术研发、产品推广应用等场景积极布局。
从氢能及燃料电池产业链条来看,央企重点从制氢、氢燃料电池研发以及加氢站建设上重点布局。这主要是因为在各类新能源中,氢能与传统油气产业链最为紧密。石油公司具有资源规划、炼化生产(制氢用氢)、油气储运零售终端建设与运维等多方面的技术基础与整合优势。
核心零部件关键技术研发成为各大央企关注重点。央企专注于研发氢燃料电池,突破核心技术,建立自主知识产品。国家能源集团、国家电投、东方电气、中化集团、中国航天、兵工集团、中船重工、中节能集团积极参与氢燃料电池研发环节。对于未来在氢端没有资源优势、又想在新能源战略发展中获得一席之地的央企来说,核心零部件的投资空间会更大。
我国氢燃料电池技术跟国外技术差距较大,多数核心零部件依赖进口。央企采用走出去技术引进和自主研发相结合,寻求突破技术壁垒,掌握氢燃料电池核心零部件自主知识产品,实现国产化,是产业发展方向。
26家央企布局氢能行业情况详见原文。