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国家|氢能是应对气候变化 综合解决方案的重要环节

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国家|氢能是应对气候变化 综合解决方案的重要环节
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林伯强
[ 氢能作为有发展潜力的清洁能源 ， 既可以推动工业、交通与建筑等部门深度脱碳 ， 又能促进国家经济绿色低碳增长 ， 成为许多国家重点发展的领域 ， 但是不同国家发展氢能的出发点与侧重点不同 。]
中国政府日前宣布2030年碳达峰和2060年碳中和目标 。 全球多个国家均提出了具体的碳中和时间表 ， 例如日本与欧盟均提出于2050年前实现碳中和 。 碳中和目标促使各国的能源结构向低碳化、无碳化与清洁化的方向转变 。 氢能能够成为应对气候变化、能源结构转型与保障能源供应安全的综合解决方案 。
一方面 ， 未来我们将面对的是一个更不稳定的极端气候；另一方面 ， 由于风电光伏比例大规模提升 ， 我们还将面对一个更不稳定的能源系统 。 因此 ， 稳定的清洁能源对于未来的能源系统至关重要 。
氢能具有多种优点
氢能具有许多独特的优点 。 一是氢能是优秀的储能介质 ， 可配合可再生能源协同发展 。 未来电力系统中的风光占比必定会不断提高 ， 风能、太阳能的不稳定性会导致调峰需求快速增长 。 储能作为风电、光伏调峰与消纳的有效途径 ， 其重要性逐渐展现 。 抽水蓄能受制于地理位置 ， 蓄电池储能又难以满足大容量储能的需求 。 氢能可以作为储能的新方式 ， 将多余的可再生能源电力用于电解水制氢并储存起来 ， 不仅可以用于电网系统调峰 ， 还可大规模消纳风能、太阳能 ， 成为解决弃风、弃光问题的新路径 。 绿氢可作为清洁能源直接利用 ， 保障高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行 。
二是氢气的制取途径多样 ， 氢元素在自然界中储量丰富 。 氢气不仅可以利用煤炭、天然气等化石燃料制取 ， 也可以通过电解水制取 ， 来源多样化 。 同时 ， 氢元素是自然界含量非常丰富的元素 ， 以化合物的方式广泛存在于自然界 ， 例如：水与空气 。 水又是地球上存在最广泛的物质 ， 所以从现实来看氢能的提取原料十分丰富 ， 储量非常大 。
三是消费端的清洁能源 。 氢气无论是直接燃烧还是燃料电池中的电化学转化 ， 最终排放的只有水 。
四是应用领域可以十分广泛 。 可以应用于交通、工业和建筑等多个领域 ， 能够实现多领域的清洁化与低碳化 。 例如作为氢燃料电池汽车应用于交通运输领域 ， 为工业领域直接提供清洁的化工原料或燃料 ， 作为储能介质支持大规模可再生能源发电的调峰与消纳等 。 鉴于氢能的诸多潜在优点 ， 在未来的能源系统中可能具备广阔的发展潜力、研究开发价值以及应用前景 。
国外氢能产业发展现状
许多国家碳中和目标的确立与全球能源结构向低碳化、清洁化转型 ， 为氢能带来了良好的发展预期 。 根据国际氢能委员会预测 ， 到2050年氢能占全球终端能源消费比例将达到18% ， 而当前所占比例接近于零 ， 并且氢能产业链的潜在市场规模将达2.5万亿美元 。 氢能已成为欧盟、日本以及韩国等发达国家重点发展的领域之一 ， 且各国纷纷制定产业政策和加大资金投入 ， 推动产业链整体技术水平的提高和配套基础设施的建设 。 同时 ， 重视氢能产业链整体发展的不仅有欧洲与亚洲等主要能源进口国 ， 俄罗斯、阿联酋、沙特和澳大利亚等重要的油气资源出口国也对氢能产生浓厚的兴趣 ， 纷纷布局和规划本国氢能产业的发展 。 德国制定顶层氢能战略推动国家深度脱碳 。 日本政府大力推进氢能产业链整体发展 ， 计划构建“氢能源社会” 。
主要油气资源出口国也对氢能产业产生兴趣 ， 积极规划本国氢能产业发展 。 2020年11月 ， 沙特政府提出将成为全球最大氢能出口国 ， 其庞大的天然气储量能够生产蓝氢 。 并计划从2025年起在NEMO未来城生产以太阳能为基础的“绿氢” 。 俄罗斯表示将在全球氢能市场占据领导者地位 。 2020年10月俄政府批准了《2020~2024年俄罗斯氢能发展路线图》 ， 计划在2024年前在境内建成完整的氢能产业链 。 阿联酋在2021年阿布扎比可持续发展周峰会上 ， 宣布了两项氢能领域的合作 ， 阿布扎比国家石油公司与两大主权基金成立国家氢能联盟 ， 马斯达尔与德国西门子等公司达成“绿氢”领域合作 。 澳大利亚作为全球最大的液化石油气（LNG）出口国和煤炭出口国 ， 2019年11月出台了《国家氢能战略》 ， 制定了具体的氢能产业发展目标 。 澳大利亚发展氢能的重要战略目的是成为全球重要的氢能供应基地 ， 成为氢能出口大国 。 其正积极与中、日、韩等国签订氢气贸易协定 ， 打造新的能源出口产业 ， 同时与其他国家开展技术合作 ， 完善氢能供应链 ， 扩大氢能供应能力 ， 降低供应成本 。
总的来说 ， 氢能作为有发展潜力的清洁能源 ， 既可以推动工业、交通与建筑等部门深度脱碳 ， 又能促进国家经济绿色低碳增长 ， 成为许多国家重点发展的领域 ， 但是不同国家发展氢能的出发点与侧重点不同 。 德国重点投资“绿氢”领域 ， 借助“绿氢”帮助国家深度脱碳 。 为了保障能源供应安全以及经济绿色低碳增长 ， 日本旨在打造“氢能社会” ， 推动氢能成为重要的能源载体 。 为了减少经济增长对油气资源的依赖 ， 实现经济可持续发展 ， 阿联酋、沙特也开始发展氢能 ， 寻求经济的新增长点 。 欧洲是俄罗斯重要的能源出口市场 ， 欧盟能源结构低碳化转型可能倒逼俄罗斯发展氢能产业 ， 制定国家氢能发展规划 。 澳大利亚考虑到自身经济转型与扩宽出口市场 ， 推动氢能产业发展 ， 计划成为氢能出口大国 。
国内氢能发展现状
1.中国各级政府持续出台产业扶持政策 ， 氢能产业集群已初步形成 。 进入21世纪后 ， 中国政府陆续出台产业扶持政策 ， 推动氢能产业以及燃料电池的发展 。 国务院2006年出台《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020）》 ， 其内容涵盖低成本化石能源制氢、可再生能源制氢、氢气存储与输配技术 。 “十三五”以来 ， 政策上高度重视氢能产业发展 ， 陆续发布《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》《能源技术革命创新行动（2016~2030年）》《节能与新能源汽车产业发展规划（2012~2020年）》《新时代的中国能源发展》等涉及氢能发展的顶层规划 ， 并将“推进加氢设施建设”等内容首次写入2019年政府工作报告 。
在国家政策大力支持下 ， 地方政府和企业对氢能产业表现出极大的兴趣 ， 相继出台产业扶持政策 ， 规划产业整体布局 ， 加大资金投入 ， 支撑产业发展 。 目前中国已经初步建成京津冀、长三角、珠三角、华中、西南等氢能产业集群 ， 逐步形成氢能“制、储、运、用”完整的产业链 ， 具备规模化、商业化发展的基础 ， 配套的行业标准与规范体系也在逐渐探索和完善 。
2.国内氢能产业基础比较好 ， 但产业链中多个环节存在技术成熟度不足等问题 。 氢能完整的产业链包括制氢、储氢、运氢与用氢四个环节 。 在产业链上游 ， 制氢工业基础良好 ， 煤制氢、天然气制氢与甲醇制氢的技术相对成熟 ， 具备规模产业化基础 ， 成本较低 ， 制氢规模居世界首位 。 但是制取过程主要依赖于化石能源 ， 仍有碳排放和其他有害气体 ， 杂质较多需要提纯 ， 不符合2060年碳中和目标的发展要求 。
未来可行的路径是利用“可再生能源+电解水”制氢 ， 但是目前制氢规模很小 ， 技术不成熟 ， 成本较高 。 由于中国可再生能源资源逆向分布 ， 在解决弃风、弃光方面 ， 未来可再生能源制氢的潜力很大 。 根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》数据预测 ， 到2050年可再生能源电解水制氢占总制氢量的比例可达70% 。
在产业链中游 ， 国内现阶段主要是高压气态储氢 ， 主要适合短距离、小规模运输 ， 并且存在着安全隐患 ， 难以实现大规模、低成本的储运 。 此外 ， 储氢的基础设施也不完备 ， 未形成规模效应 ， 而且现有的加氢站也普遍处于亏损状态 。 在产业链下游 ， 国内氢气主要用作工业原料 ， 较少涉及其他领域 。 国内氢燃料电池车商业化程度落后于电动汽车 ， 尚处于应用示范阶段 ， 与美国、日本等国家相比 ， 技术水平也存在较大差距 。
【国家|氢能是应对气候变化 综合解决方案的重要环节】3.国内企业积极投资氢能产业 ， 推动产业链整体发展 。 中国氢能领域相关上市公司覆盖整个产业链 。 国有与民营都积极加大氢能产业投资 ， 布局氢能产业 。 中国石化公司设立目标 ， 锚定“中国第一大氢能公司” ， 将氢能全产业链作为新能源发展的核心业务 。 2018年2月 ， 国家能源集团牵头成立中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟 ， 目的是推动中国氢能及燃料电池产业的协同创新、资源整合和应用推广 。
相关意义和几点政策考虑
能源结构低碳化转型与2060年前实现碳中和目标 ， 使得中国氢能产业发展迎来重要的机遇期 ， 但是氢能实现规模化、商业化利用 ， 仍面临着诸多挑战 。 鉴于国内外氢能产业发展现状 ， 针对中国氢能产业未来发展提出以下政策考虑 。
一是发展“可再生能源+电解水”制氢 ， 提升绿氢规模 。 目前 ， 中国制取氢气主要依靠化石能源生产的灰氢 ， 绿氢规模非常小 。 为了实现2060年碳中和目标 ， 可再生能源电力会逐渐替代煤电 ， 成为中国电力供应的主体力量 。 但是 ， 中国各省市仍然面临着可再生能源消纳的问题 ， 弃风、弃光持续存在 。 利用可再生能源电力制氢 ， 制取的绿氢可应用于其他部门 ， 既能解决弃风、弃光等资源浪费问题 ， 又能帮助难以脱碳的部门深度脱碳 。 目前 ， 与化石燃料制氢相比 ， 可再生能源制氢的成本较高 ， 但随着相关领域的技术突破 ， 以及风电、光伏的规模化效应显现 ， 可再生能源制氢成本可以有很大的下降空间 。
二是依托大型能源国企 ， 积极推动氢能产业链整体成本下降 。 氢能产业链包括制、储、运、用等多个环节 ， 技术上比风电光伏要求高 ， 涉及面广且复杂 ， 基础设施投资大且运营成本高 。 目前高成本是制约氢能产业商业化发展的主要原因 。 与民营企业相比 ， 大型能源国企拥有相关成熟的技术与管理经验而具备优势 。 大型能源国企拥有成熟的油气管道建设、石油与天然气储运、加油站与加气站布局与运营方面的管理经验及技术 ， 可应用于氢能产业链相关环节 ， 比较快地降低产业链整体成本 。 在氢能储运环节 ， 油气国企在石油储运及液化天然气储运方面经验丰富 ， 由于液氢储运与液化天然气储运有相似之处 ， 在氢气液化、输氢管道材料选择与管道铺设等方面具有一定基础 ， 具备快速搭建氢能储运基础设施的能力 。 在加氢站方面 ， 加氢站建设周期长、投入大 ， 但大型油企的加油站已经遍布全国 ， 比如中石化已在大连建成国内首个“氢电油合建站”并投入使用 ， 利用加油与加氢、加气与加氢等合建站模式 ， 有利于减少基础设施投资成本 ， 降低征地和行政审批难度 ， 能够在全国快速建成加氢站 ， 推动国内氢能产业商业化的进程 。
三是拓宽氢能在其他领域的应用场景 。 目前国内氢气主要作为工业原料被用于石油炼制、合成氨、甲醇等领域 ， 其他领域的应用较少涉及、商业化程度明显滞后 。 与纯电动汽车相比 ， 氢燃料电池车商业化程度明显滞后 ， 普及率很低 。 所以 ， 氢气作为清洁能源的减排潜力还未被挖掘和发挥 。 各级政府应积极出台政策支持氢能在其他领域的应用 ， 国内企业也应积极探索氢能作为潜在的清洁能源在其他场景的应用 ， 发挥氢能在工业、交通与建筑等领域的减排潜力 ， 做好多部门、多领域深度脱碳布局 。
四是加大氢能相关科技研发投入 ， 提升关键环节的核心技术水平 。 中国氢能产业的部分核心关键技术与世界先进水平存在差距 ， 一些关键零部件仍需依靠国外进口 。 若不重视氢能产业的自主科技创新 ， 关键技术的“卡脖子”现象会日益严重 ， 氢能产业整体发展也会受制于人 。 政府需要加大氢能产业关键技术的自主创新与技术研发的扶持 ， 弥补国内相关领域技术水平不足的缺点 。
（作者系厦门大学中国能源政策研究院院长）

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