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,是實現能源轉型升級的重要助力。隨著氫能源產業的興起,全球迎來“氫能社會”發展熱潮,各國家和地區均出臺相應政策,將發展氫能源產業提升到國家能源戰略高度。
1??氫能源行業國內外發展概況
隨著應對氣候變化壓力增大、能源低碳轉型加速,氫能源以其清潔、高效和應用場景豐富的優勢備受世界矚目。氫能源是實現碳中和戰略的關鍵能源,當前已有多個國家制定了氫能源發展路線圖。歐美等國家和地區通過戰略引領、路線規劃、產業支持政策以及持續投資,在氫能源產業發展上取得了實質性進展。我國已將氫能源產業作為戰略性新興產業,從鼓勵創新與投資、獎勵與優惠等多方面頒布了多個支持政策,各級地方政府與企業積極開展產業布局和項目建設。
1.1?? 國外氫能源產業化發展的形勢
美國、俄羅斯、日本、歐盟等多個國家和地區都開展了氫能源戰略布局。美國重視氫能源產業技術優勢的建立和前瞻技術的研發,發布了《美國氫能經濟路線圖——減排及驅動氫能在全美實現增長》,在氫能源經濟的迅速興起和發展進程中,不斷壯大相關產業活動;俄羅斯新版《2035年能源戰略草案》明確將氫能源作為能源行業戰略重點,目標是通過擴大氫氣產能到2035年成為全球重要的氫能源經濟國家。俄羅斯聯邦能源部公布本國第一份氫能源戰略發展路線圖,提出2024年前在俄境內建立一個完全由傳統能源企業主導的、涉及上下游的氫能源產業鏈;日本高度重視氫能源產業發展,致力于構建氫能源社會和氫經濟,明確提出將氫能源社會納入國家發展戰略。先后制定發布了《氫能源基本戰略》和《氫能/燃料電池戰略發展路線圖》,規劃實現氫能社會戰略的技術路線;歐盟將氫能源作為能源轉型和低碳發展的重要保障,加大了氫能產業的推進步伐,推出《氣候中性的歐洲氫能戰略》,宣布建立歐盟氫能產業聯盟,將綠氫作為未來氫能源發展重點,大力促進氫能源特別是可再生能源制氫產業的發展以及氫能源的廣泛應用。
各國除了明確了氫能源產業發展戰略,還制定了一系列產業支持政策,還不斷完善氫能源產業政策體系。
1.2??國內氫能產業化發展的形勢
我國是全球最大的氫生產國,豐富的資源為發展氫能源產業奠定了物質基礎。自2011年以來,我國持續出臺支持氫能源產業發展的政策,從戰略定位、產業結構、科技創新、財政金融等多個方面相繼發布了一系列支持政策,引導鼓勵氫能源產業發展。《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》首次提出我國氫能源產業的發展路線圖,制定了我國在氫能源領域基礎設施和燃料電池汽車的發展目標;2019年,加強氫能基礎設施建設寫進了《政府工作報告》,明確提出“推動充電、加氫等設施建設”,國內氫能產業迎來發展良機。《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發展規劃,將發展氫燃料電池提升到了戰略高度[1]。2020年,國家發改委提請十三屆全國人大三次會議審查的《關于2019年國民經濟和社會發展計劃執行情況與2020年國民經濟和社會發展計劃草案的報告》中明確指出制定國家氫能源產業發展戰略規劃,這是氫能源首次被寫入年度國民經濟和社會發展計劃。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。氫能產業作為國家戰略性新興產業,正迎來政策性利好的發展機遇。
近年來,我國氫能產業發展如火如荼,各省市相繼出臺了多元化跟進政策并示范實施,結合產業鏈特點和各自的優勢,提出了各自的發展重點。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等氫能源產業集群和示范應用。隨著我國氫能及燃料電池汽車產業的不斷發展,我國氫能源產業政策導向及產業定位逐漸明朗。2019年10月召開的國家能源委員會會議指出,探索先進儲能、氫能等商業化路徑。2020年,國家能源局發布關于《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??氫能源行業產業鏈
氫能源產業鏈是涵蓋氫氣制備、儲存、運輸、加注、燃料電池到終端應用的龐大產業鏈。產業鏈整體具有技術含量高、投入大、產出慢、市場化程度高、政策依賴性強等特點。近年來,我國氫能源產業鏈在技術和基礎設施方面都初具規模,但是國外相比還有一定的差距。
2.1??氫能源產業鏈上游
氫能源產業鏈上游為制氫環節,包含氫氣制取(見圖1)(主要技術方式包括化石燃料制氫、工業副制氫、高溫分解制氫、電解水制氫以及其他工藝制氫)、氫氣純化等環節[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備、規模和原料成本等。目前,我國超過95%的氫氣生產主要依靠化石燃料制氫。化石燃料制氫工藝成熟,原料價格較低,適合大規模制氫,但是碳排放和常規污染物排放量大,不符合清潔低碳的綠色氫能要求。工業副制氫成本低,技術比較成熟,但是受制于原料供應,建設地點受到約束。高溫分解制氫污染少、產氫純度高,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快速發展態勢,是未來能源產業的發展方向。其他工藝制氫,包括生物質制氫和核能制氫等新型制氫技術,目前尚處于研發示范階段,制氫成本受實際生產條件影響大。
氫氣純化是指利用物理或化學的方法,除去氫氣中的雜質。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。氫氣中有雜質,就帶來了安全隱患,容易發生爆炸,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,可以制取高純氫和超純氫,滿足工業上對各種高純氫的需求。
圖1 氫氣制取方式
2.2??氫能源產業鏈中游
氫能源產業鏈的中游就是儲運環節。由于制氫與用氫不在同一地點,必然需要儲存和運輸。在實際工業應用中,氫能的儲存、運輸系統要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷,因此氫能的儲運技術是實現氫能源產業大規模發展的重要環節之一。
氫氣儲存方式主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機氫化物儲氫和固態儲氫[3-7]。高壓氣態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攝氏度變為液體,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,尚未應用在工業領域。固態儲氫一般是用金屬合金儲氫,儲氫密度大,成本低,安全性穩定性高,但是技術尚未成熟,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。氣氫拖車運輸技術成熟,是國內最普遍的運氫方式,但運輸效率低,適用于小規模的短途運輸。氣氫管道運輸輸送量大,供應可靠性高,是實現長距離大規模運輸氫的重要環節,我國正處于起步階段,目前氫氣管網僅有300-400公里。相對于氣氫儲運,液氫儲運最大的優勢在于其運輸的氫能密度高、運輸周期短,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構復雜性與加工成本。目前,國內液氫技術和裝備能力發展相對落后,液化設備依賴進口,與國外技術差距明顯。
2.3??氫能源產業鏈下游
氫能源產業鏈下游為加氫及氫的綜合應用,涉及到加氫站建設以及交通、工業、建筑等領域的應用。加氫站是氫燃料電池產業化、商業化的重要基礎設施。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座正在建設當中,還有99座正在規劃中。氫燃料電池是整個產業鏈的核心技術和制高點,它是由燃料電堆及輔助系統構成,燃料電堆是核心,包括質子交換膜、催化劑、擴散層、雙極板。降低燃料電堆成本的關鍵在于核心組件膜電極的技術突破。國內外企業紛紛開展技術攻關和產業化發展,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展。目前我國氫燃料電池系統集成技術比較成熟,但距國際先進水平還有一定差距。在交通領域,氫燃料電池汽車屬于氫能源產業鏈的終端應用,相比傳統燃油汽車,具有無污染、無噪聲、無傳動部件的優勢;相比電動汽車,具有高續航、加注時間短的優勢,發展前景廣闊。我國出臺的《國家創新驅動發展戰略綱要》等重要文件中,明確提及要大力發展氫燃料汽車。未來隨著技術進步以及規模效應帶來的成本下降,氫燃料電池汽車產業將快速發展。
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、黃金焊接等多個領域,擴大低碳氫的工業應用范圍。
3??氫能源產業發展前景
從中長期看,由于氫能源獨特的優勢、能源轉型的大趨勢以及掌握核心技術、替代進口的戰略需求,我國的氫能源產業具有非常大的發展空間。中國氫能聯盟2019年發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》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,其中交通運輸領域用氫約2500萬噸,約占該領域用能的20%。氫能源產業具有極為廣闊的發展前景,對我國實現碳達峰、碳中和目標具有極重要的戰略價值。
