氫能源作為一種綠色、高效的二次能源,具有熱值較高、儲量豐富、來源多樣、應用廣泛、利用形式多等特點,是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級的重要助力。隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的興起,全球迎來“氫能社會”發(fā)展熱潮,各國家和地區(qū)均出臺相應政策,將發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。
1??氫能源行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展概況
隨著應對氣候變化壓力增大、能源低碳轉(zhuǎn)型加速,氫能源以其清潔、高效和應用場景豐富的優(yōu)勢備受世界矚目。氫能源是實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的關(guān)鍵能源,當前已有多個國家制定了氫能源發(fā)展路線圖。歐美等國家和地區(qū)通過戰(zhàn)略引領(lǐng)、路線規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)支持政策以及持續(xù)投資,在氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展上取得了實質(zhì)性進展。我國已將氫能源產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),從鼓勵創(chuàng)新與投資、獎勵與優(yōu)惠等多方面頒布了多個支持政策,各級地方政府與企業(yè)積極開展產(chǎn)業(yè)布局和項目建設(shè)。
1.1?? 國外氫能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢
美國、俄羅斯、日本、歐盟等多個國家和地區(qū)都開展了氫能源戰(zhàn)略布局。美國重視氫能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢的建立和前瞻技術(shù)的研發(fā),發(fā)布了《美國氫能經(jīng)濟路線圖——減排及驅(qū)動氫能在全美實現(xiàn)增長》,在氫能源經(jīng)濟的迅速興起和發(fā)展進程中,不斷壯大相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動;俄羅斯新版《2035年能源戰(zhàn)略草案》明確將氫能源作為能源行業(yè)戰(zhàn)略重點,目標是通過擴大氫氣產(chǎn)能到2035年成為全球重要的氫能源經(jīng)濟國家。俄羅斯聯(lián)邦能源部公布本國第一份氫能源戰(zhàn)略發(fā)展路線圖,提出2024年前在俄境內(nèi)建立一個完全由傳統(tǒng)能源企業(yè)主導的、涉及上下游的氫能源產(chǎn)業(yè)鏈;日本高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,致力于構(gòu)建氫能源社會和氫經(jīng)濟,明確提出將氫能源社會納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。先后制定發(fā)布了《氫能源基本戰(zhàn)略》和《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》,規(guī)劃實現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線;歐盟將氫能源作為能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要保障,加大了氫能產(chǎn)業(yè)的推進步伐,推出《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》,宣布建立歐盟氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,將綠氫作為未來氫能源發(fā)展重點,大力促進氫能源特別是可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及氫能源的廣泛應用。
各國除了明確了氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略,還制定了一系列產(chǎn)業(yè)支持政策,還不斷完善氫能源產(chǎn)業(yè)政策體系。
1.2??國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢
我國是全球最大的氫生產(chǎn)國,豐富的資源為發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。自2011年以來,我國持續(xù)出臺支持氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策,從戰(zhàn)略定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新、財政金融等多個方面相繼發(fā)布了一系列支持政策,引導鼓勵氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書(2016)》首次提出我國氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖,制定了我國在氫能源領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施和燃料電池汽車的發(fā)展目標;2019年,加強氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)寫進了《政府工作報告》,明確提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”,國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展良機?！吨袊圃?025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃,將發(fā)展氫燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度[1]。2020年,國家發(fā)改委提請十三屆全國人大三次會議審查的《關(guān)于2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃執(zhí)行情況與2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃草案的報告》中明確指出制定國家氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,這是氫能源首次被寫入年度國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃。2020年4月,在《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中,首次將“氫能”納入能源范疇。氫能產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),正迎來政策性利好的發(fā)展機遇。
近年來,我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼,各省市相繼出臺了多元化跟進政策并示范實施,結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈特點和各自的優(yōu)勢,提出了各自的發(fā)展重點。目前,我國已初步形成京津冀、長三角、珠三角、山東半島及中部地區(qū)等氫能源產(chǎn)業(yè)集群和示范應用。隨著我國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,我國氫能源產(chǎn)業(yè)政策導向及產(chǎn)業(yè)定位逐漸明朗。2019年10月召開的國家能源委員會會議指出,探索先進儲能、氫能等商業(yè)化路徑。2020年,國家能源局發(fā)布關(guān)于《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》首次將“氫能”納入能源范疇;近日,財政部下發(fā)燃料電池汽車推廣意見征求稿,決定以獎勵替代補貼的形勢支持燃料電池汽車的推廣和示范。
2??氫能源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈是涵蓋氫氣制備、儲存、運輸、加注、燃料電池到終端應用的龐大產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈整體具有技術(shù)含量高、投入大、產(chǎn)出慢、市場化程度高、政策依賴性強等特點。近年來,我國氫能源產(chǎn)業(yè)鏈在技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施方面都初具規(guī)模,但是國外相比還有一定的差距。
2.1??氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游為制氫環(huán)節(jié),包含氫氣制取(見圖1)(主要技術(shù)方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副制氫、高溫分解制氫、電解水制氫以及其他工藝制氫)、氫氣純化等環(huán)節(jié)[2]。氫氣制取方式的不同會極大影響制氫成本,主要的影響因素包括制氫設(shè)備、規(guī)模和原料成本等。目前,我國超過95%的氫氣生產(chǎn)主要依靠化石燃料制氫?；剂现茪涔に嚦墒?原料價格較低,適合大規(guī)模制氫,但是碳排放和常規(guī)污染物排放量大,不符合清潔低碳的綠色氫能要求。工業(yè)副制氫成本低,技術(shù)比較成熟,但是受制于原料供應,建設(shè)地點受到約束。高溫分解制氫污染少、產(chǎn)氫純度高,但是能耗和成本較高。電解水制氫是各類制氫方式中中碳排放最低的工藝,尤其是可再生能源電解水制氫呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢,是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。其他工藝制氫,包括生物質(zhì)制氫和核能制氫等新型制氫技術(shù),目前尚處于研發(fā)示范階段,制氫成本受實際生產(chǎn)條件影響大。
氫氣純化是指利用物理或化學的方法,除去氫氣中的雜質(zhì)。由于自然界中的氫總是以化合物的形式存在,因此在制氫時就會帶有雜質(zhì)。氫氣中有雜質(zhì),就帶來了安全隱患,容易發(fā)生爆炸,這就要求對氫氣原料進行純化。常用的氫氣純化技術(shù)有膜分離法、低溫分離法、變壓吸附法、金屬氫化物法、催化脫氧法等。通過各類氫氣純化技術(shù),可以制取高純氫和超純氫,滿足工業(yè)上對各種高純氫的需求。
圖1 氫氣制取方式
2.2??氫能源產(chǎn)業(yè)鏈中游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的中游就是儲運環(huán)節(jié)。由于制氫與用氫不在同一地點,必然需要儲存和運輸。在實際工業(yè)應用中,氫能的儲存、運輸系統(tǒng)要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷,因此氫能的儲運技術(shù)是實現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。
氫氣儲存方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機氫化物儲氫和固態(tài)儲氫[3-7]。高壓氣態(tài)儲氫是最常見的儲氫方式,氫氣的密度小,需用1.5 MPa以上的高壓才可用特制的鋼瓶貯存;低溫液態(tài)儲氫是指在標準大氣壓下,將氫氣降溫至零下252.72攝氏度變?yōu)橐后w,然后保存在特制的高度真空的絕熱容器中,目前主要應用在航空航天領(lǐng)域;有機氫化物儲氫,儲氫密度高,但脫氫溫度也高,尚未應用在工業(yè)領(lǐng)域。固態(tài)儲氫一般是用金屬合金儲氫,儲氫密度大,成本低,安全性穩(wěn)定性高,但是技術(shù)尚未成熟,目前還停留在實驗室階段。
氫氣運輸方式主要有氣氫拖車、液氫罐車以及氣氫管道運輸。氣氫拖車運輸技術(shù)成熟,是國內(nèi)最普遍的運氫方式,但運輸效率低,適用于小規(guī)模的短途運輸。氣氫管道運輸輸送量大,供應可靠性高,是實現(xiàn)長距離大規(guī)模運輸氫的重要環(huán)節(jié),我國正處于起步階段,目前氫氣管網(wǎng)僅有300-400公里。相對于氣氫儲運,液氫儲運最大的優(yōu)勢在于其運輸?shù)臍淠苊芏雀摺⑦\輸周期短,是一種極為理想和有效的儲存、運輸方式,是未來氫儲運的重要方向。但同時也存在一些不足:氫氣液化過程將消耗大量的外部能量,儲存液氫的容器為特制液氫罐,增加了液氫儲運容器的結(jié)構(gòu)復雜性與加工成本。目前,國內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力發(fā)展相對落后,液化設(shè)備依賴進口,與國外技術(shù)差距明顯。
2.3??氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游為加氫及氫的綜合應用,涉及到加氫站建設(shè)以及交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的應用。加氫站是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至2020年11月21日我國累計建成88座加氫站,其中已投入運營的有80座,另有50座正在建設(shè)當中,還有99座正在規(guī)劃中。氫燃料電池是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)和制高點,它是由燃料電堆及輔助系統(tǒng)構(gòu)成,燃料電堆是核心,包括質(zhì)子交換膜、催化劑、擴散層、雙極板。降低燃料電堆成本的關(guān)鍵在于核心組件膜電極的技術(shù)突破。國內(nèi)外企業(yè)紛紛開展技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,競爭激烈,未來需求量大,需要與氫燃料電池汽車等動力裝置配套發(fā)展。目前我國氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)比較成熟,但距國際先進水平還有一定差距。在交通領(lǐng)域,氫燃料電池汽車屬于氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的終端應用,相比傳統(tǒng)燃油汽車,具有無污染、無噪聲、無傳動部件的優(yōu)勢;相比電動汽車,具有高續(xù)航、加注時間短的優(yōu)勢,發(fā)展前景廣闊。我國出臺的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等重要文件中,明確提及要大力發(fā)展氫燃料汽車。未來隨著技術(shù)進步以及規(guī)模效應帶來的成本下降,氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。
除此之外,氫能源除了作為移動能源外,還可以用于固定能源,作為建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源;還可以用于氫冶金、汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接等多個領(lǐng)域,擴大低碳氫的工業(yè)應用范圍。
3??氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景
從中長期看,由于氫能源獨特的優(yōu)勢、能源轉(zhuǎn)型的大趨勢以及掌握核心技術(shù)、替代進口的戰(zhàn)略需求,我國的氫能源產(chǎn)業(yè)具有非常大的發(fā)展空間。中國氫能聯(lián)盟2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預計,到2030年,我國氫氣需求量將達到3500萬噸,在終端能源消費中占比5%,燃料電池商用車銷量將達到36萬輛;到2050年,氫能源將在我國終端能源消費中占比至少達到10%,氫氣需求量接近6000萬噸,可減排CO2約7億噸,其中交通運輸領(lǐng)域用氫約2500萬噸,約占該領(lǐng)域用能的20%。氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景,對我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標具有極重要的戰(zhàn)略價值。
