美國清潔氫氣戰略和路線圖對我國發展清潔氫氣的啟示與建議

李曉勤, 張 華, 康爭光

(江蘇省科技發展戰略研究院,江蘇 南京 210042)

0 引言

2021 年11 月,美國通過實施《兩黨基礎設施法案》(BIL),授權為美國能源部(DOE)撥款620 億美元,其中95 億美元用于發展清潔氫氣戰略。 2022 年8 月,美國通過了《通貨膨脹削減法案》(IRA),提出了關于發展氫能戰略予以稅收抵免的舉措。 為落實相關法案要求,相隔近一年時間,2023 年6 月,美國能源部發布分析評估報告,修訂提出了發展清潔氫氣的戰略和路線圖(以下簡稱“路線圖”)[1]。 聚焦清潔氫氣的高效利用、成本減低以及區域網絡三大方面,路線圖強調氫能在全面脫碳、發展經濟和促進就業方面的廣闊潛力,為美國氫能生產、運輸、儲存和應用提出了綜合解決方案。 學習借鑒美國國家清潔氫能戰略,對于我國實現“3060”目標、提出我國清潔氫能源發展路徑具有重要意義。 為此,本文在分析研究美國路線圖,梳理其氫能發展戰略的基礎上,提出了相關建議,以供參考。

1 美國發展氫能的考慮

路線圖的提出是對清潔氫氣生產、加工、輸送、儲存和使用全生命周期的綜合考量,更是對清潔氫氣技術研究、開發、示范全方位的部署,對于美國實現可持續、有韌性、可負擔的清潔氫氣,打造凈零碳經濟,提供了行動指南。

1.1 發展目標上,明確氫能深度脫碳助推器的地位

美國提出2035 年實現100%無碳污染的電力,到2050 年實現溫室氣體零排放,如圖1 所示。 這些目標的實現,需要在能源基礎設施和許多行業上取得變革性進展。 清潔氫氣的多功能性和潛力適用于工業、交通和發電3 個能源需求最大和排放量最高的行業,因此清潔氫氣的應用是實現脫碳目標的關鍵因素。 在資源利用方面,氫氣作為一種多功能的能源載體和化學原料,其優勢還在于可以利用可再生能源、核能和帶有碳捕獲和儲存(CCS)的化石燃料等所有能源資源,并且可以將高容量系數的固定電力與可變發電相結合,以提高能源復原力和能源儲存。

圖1 美國溫室氣體凈排放量

1.2 市場規模上,預測2050 年氫氣需求將5倍增長

目前,美國每年生產約1 000 萬t 氫氣,占全球10.64%。 但制氫主要以灰氫為主,即在高碳排放過程中產生,美國每年生產氫氣要產生約1 億t 的溫室氣體。 在氫氣儲運方面,美國擁有全球最大的液氫儲存罐,擁有大約2 575 km 的純氫管道和3 個地質洞穴。 其中包括世界上最大的洞穴,可以儲存350 GWh的熱能,足以為120 萬個家庭提供一周的電力。 在終端應用方面,氫氣除了廣泛用于煉油、氨生產和化工等行業外,還應用在50 000 多輛燃料電池叉車、近50個開放的零售氫氣加油站、80 多輛燃料電池巴士、15 000 多輛燃料電池汽車以及500 多MW 用于固定和備用電源(如用于電信)的燃料電池等方面。 在氫氣發展目標上,美國提出在2030 年、2040 年、2050 年的氫氣生產量將分別達到1 000 萬t/年、2 000 萬t/年、5 000 萬t/年,這些目標基于氫氣在工業應用、重型運輸和長期儲能等特定領域的使用具有成本競爭力的需求情景下設置,具備較強的可實現性。 到2030 年,由于新資本項目和清潔氫氣基礎設施的建設,氫經濟將為美國創造10 萬個新就業崗位[2]。 到2050 年,美國能源部預計,在所有氫氣都是清潔生產的情況下,美國的溫室氣體排放總量可以比2005 年減少約10%。

1.3 實施原則上,倡導效益與公平并舉

(1)堅持高價值性。 在應用領域方面,美國通過戰略性、高影響力的用途實現深度脫碳,將氫氣優先應用于工業加工、重型運輸、高溫供熱、長時間儲能等行業。 在增加就業方面,重視發展高質量工作。 美國為從碳密集型行業轉型的工人和社區提供機會,如利用和擴大注冊學徒計劃、制定勞動力發展的行業戰略、支持氫價值鏈中的跨行業技能培訓等。 (2)堅持多功能性。 美國將通過多能源有效組合,實現能源系統的可負擔性和靈活性,提升能源供應韌性,確保能源安全。 通過將清潔氫作為燃料或儲能載體,最大化其跨行業的經濟價值。 (3)堅持公平性。 將支持構建促進多元化和包容性的工作場所,重視思想、文化和教育背景的多樣性等方面作為實現清潔氫戰略的基礎。 如,美國在2021 年發布了“Justice40 倡議”,明確將清潔能源項目的40% 收益用于弱勢社區。(4)堅持整體性。 立足全局看待清潔氫氣的開發和應用,通過有針對性的開發來培養可持續的最佳實踐,支持脫碳戰略,避免與其他脫碳技術(如電氣化)競爭。 在創新主體方面,美國將促進與工業界、學術界、國家實驗室和其他利益相關方的合作,投資于清潔氫技術整個價值鏈的創新。

1.4 支持舉措上,利用財稅政策推動清潔氫市場形成

美國國家航空和航天局、商務部、國防部、能源部、交通部、環境保護局等機構都有幾十年與氫氣技術有關的布局活動。 以美國能源部為例,已經資助了1 200 多項氫氣和燃料電池發明專利、30 項商業技術以及超過65 項在未來幾年內可能商業化的技術。 具體來看,美國能源部對于氫氣發展的支持手段主要體現在兩個方面:一是強化財政投入力度。 美國能源部出資95 億美元用于支持清潔氫氣發展[3],其中10 億美元用于清潔氫氣電解計劃,5 億美元用于清潔氫氣制造和回收的研發活動,80 億美元用于區域清潔氫氣中心建設。 二是實施積極的稅收政策。 通過稅收優惠、補貼、貸款擔保等激勵措施,以降低氫能技術、產品的成本和風險。 在稅收優惠方面,美國率先出臺全球首個清潔氫稅收抵免政策,明確對生產每kg 清潔氫氣產生二氧化碳排放量低于0.45 kg 的,提供最高不超過3 美元稅收抵免[4]。 在信用貸款方面,明確了對于先進能源項目、碳捕捉與封存、氫能生產、清潔商用車等方面的信貸計劃。 美國財政部、國稅局與能源部合作,宣布在第一輪合格先進能源項目信貸(48C)中提供約40 億美元的額外支持,用于支持美國清潔能源技術和清潔能源技術生產關鍵材料供應鏈的項目,以及減少工業設施溫室氣體排放的項目。

1.5 發展挑戰上,分解成本高起關鍵因素

雖然美國氫能發展在全球處于領導地位,也對氫能源發展進行了大力支持,但是產業發展仍然面臨一些問題。 一方面,制氫成本高,很多制氫方式和系統仍處于商業早期階段,尚未實現規?；a。 如,電解清潔氫氣的成本超過5 美元/kg,需要更低成本、更耐用的電解槽來降低制氫成本、提升制氫效率。 氫氣生產商難以尋求到能夠簽訂長期合同的穩定氫氣承購商,進而影響了制氫生產商的創新投入。 另一方面,運輸成本高,氫氣運輸需要依托專門的管道,涉及管式拖車、液化、選址、許可和材料兼容性等多方面。如,根據美國加利福尼亞州的運營數據顯示,氫氣運送到加氣站的成本(包括壓縮和分配)超過13 美元/kg,比具有競爭力所需的成本高出3 倍以上。 氫氣能量高、密度低,常溫條件儲存所需容器的重量和體積過大,需要用高度隔熱的雙壁罐進行儲存,儲氫罐的絕緣材料和蒸發、排氣用途增加了成本。 除此之外,全面評估氫需求與電氣化、能源網的演變(包括清潔電力供應、電網可靠性和有效CCS 的比率)、生物燃料和使用氫作為原料或燃料的行業之間的相互作用,也是系統性發展清潔氫氣的一個難點。

2 美國發展氫能戰略實施路徑

路線圖為美國發展清潔氫確定了3 項關鍵戰略,以確保清潔氫作為一種有效的脫碳工具得到開發和采用,并為美國帶來最大利益。

2.1 行業應用上有所側重,發揮清潔氫的比較優勢

清潔氫氣的使用將在行業方向上有所側重,優先向高效益和難以脫碳的行業提供使用。 同時明確,清潔氫氣的應用是其他低成本、高效率去碳化技術的有益補充,重點應用于缺乏替代技術的終端用途上。 一是工業行業。 工業行業是全球能源消耗最大的行業,占總能源需求的38%,其中有6%的能源需求用于生產氫氣。 國際能源機構(IEA)報告稱,2020 年全球工業用氫需求量為5 100 萬t,占所有行業用氫需求量的56.7%。 美國路線圖提出,在工業行業中,氫氣將主要應用于氨、甲醇等化學品的使用,煉鋼和熱電行業。二是交通運輸行業。 美國運輸行業作為溫室氣體排放量大戶,2019 年其排放量占美國總體溫室氣體排放量的33%。 氫能和燃料電池為需要長行駛里程、快速加注燃料以及大型或重型有效載荷的應用提供了重要機會。 美國能源部通過分析確定氫氣在卡車運輸行業具有更高效益,同時正在評估論證氫氣在采礦設備、渡船和鐵路等非公路車輛中的作用。 三是電力行業。 氫氣可以作為長期儲能、發電和電網服務的媒介,并可以通過為其他行業提供氫氣作為原料或燃料來增加額外的收入來源。 如,燃料電池可取代柴油發電機作為備用電源和固定電源,為醫院和數據中心等需要全天候供電的關鍵設施提供支撐。 氫氣能夠在緊急情況下為國家設施滿足能源和水等方面具有韌性的需求。

2.2 技術布署上有所聚焦,多路線降低清潔氫的成本

美國能源部于2021 年6 月啟動了首個能源計劃項目——“氫能攻關”計劃(“111”目標),提出在10年內將清潔氫氣的成本降低80%,即氫氣價格降到1美元/kg,其目的是在10 年內加速突破更豐富、更實惠和更可靠的清潔能源解決方案,同時創造高薪的工作崗位,最終促進經濟增長。 一是水分解制氫技術。電解利用電能和電解質或電解膜將水分離成氫氣和氧氣,通常使用的技術有堿性、質子交換膜或聚合物電解質膜(PEM)和固體氧化物電解槽(SOEC)3 種。其中,堿性工藝最為成熟;質子交換膜或聚合物電解質膜電解槽可在各種負載條件下有效運行,響應時間為亞秒級,特別適用于太陽能和風能等可再生能源;固體氧化物電解槽(SOEC)在高溫下使用陶瓷電解質,是3 種技術中商業化程度最低的一種技術,與前兩種技術相比,電氣效率更高,在可獲得高溫熱量的情況下,更具成本效益。 二是化石燃料制氫技術。 主要涉及3 種技術:在蒸汽甲烷轉化(SMR)產生的二氧化碳排放到大氣中之前對其進行捕集和封存,帶碳捕集的自熱轉化(ATR)以及甲烷熱解技術。 其中,甲烷熱解技術更具應用前景,可以利用高溫將甲烷分離為氫氣和固態碳,固態碳可以進一步成為工業橡膠和輪胎制造以及油墨、催化劑、塑料和涂料等特種產品制作的高附加值原料。 2021 年,美國能源部貸款項目辦公室向MonolithTM公司提供約10 億美元的貸款擔保,用于部署開發甲烷熱解技術。

2.3 地區布局上有所突出,錨定打造更具競爭力的區域集群

重點關注具有大規模清潔氫生產和終端就近應用的區域性網絡,實現基礎設施投資效益最大化,創造高價值工作崗位,形成氫能產業集群,促進經濟高質量發展。 打造區域性清潔氫氣中心需要重點關注兩個方面:一是通過確保長期承購是保證氫能生產項目順利實施并獲得資本投資的關鍵;二是清潔氫氣價格透明是清潔氫商品市場正常運作的必要前提。 從長遠來看,發展成熟的清潔氫氣商品市場及其衍生品,可以通過提供透明的價格信息并允許開發商對沖價格風險和交易對手風險,從而更容易地獲得融資。在區域生產潛力方面,美國國家實驗室、能源部基于美國國內資源估算了氫氣生產潛力,自然資源、基礎設施和氫氣需求是決定制氫產量的主要因素。 總體來看,制氫潛力與氫氣需求量較大的終端用戶地點相一致,每年可生產超過1 000 萬kg/km2氫氣的地區集中在美國中部地區,如圖2 所示。 在區域存儲潛力方面,美國能源部通過地下氫評估、存儲和技術加速(SHASTA)計劃,資助地下氫存儲研究,旨在擴大氫存儲的地域多樣性。 美國能源部還將繼續分析和研究開發儲存地點等技術,如可以高能量高密度存氫的氨和液態有機氫載體等。 在區域最終用途方面,美國的產業集群密集分布在中東部,是脫碳中心的潛在區域。 其中,合成氨目前已經是大規模消費氫氣的行業,很可能成為清潔氫氣的早期采用者。 美國提出在2029 年前至少部署兩個區域清潔氫中心,示范氫氣在難以脫碳行業(如工業和重型運輸)的應用;在2035 年前,至少啟動一個區域清潔氫中心,展示氫在清潔電網儲能中的應用,并量化氫在2035 年實現無碳污染電網方面的潛力。

圖2 美國氫氣生產潛力

3 我國發展氫能的啟示和建議

美國正面向清潔氫氣生產、中游基礎設施建設以及清潔氫氣的研究、開發、示范和部署(RDD&D)進行歷史性投資。 從美國的發展經驗獲得啟發,發展氫能戰略要有全面分析、發展側重、跨部門協作和針對性舉措。 目前,我國碳排放總量和碳排放強度“雙高”的情況仍將持續較長時間,經濟發展尚未實現與碳排放脫鉤。 我國實現脫碳目標時間緊迫、任務重大,零碳和低碳氫氣是未來實現可持續和公平清潔能源的全面解決方案的關鍵部分。 發展氫能戰略對于減排脫碳、解決氣候危機、提升能源安全、促進公共衛生發展、經濟增長、增加就業、改善生活質量等方面的積極意義不言而喻,應在借鑒美國經驗做法的基礎上,探索實施具有中國特色的氫能發展戰略。

3.1 在組織實施方面,堅持“協同聯動”,整體推進氫能戰略發展

一是跨部門協同。 路線圖雖然由美國能源部制定,但氫能行動需要美國農業部、商務部、國防部、能源部、內政部、勞工部、交通部、財政部、環境保護局、航空和航天局、國家科學基金會和科技政策辦公室多個聯邦機構的合作,并與總統行政辦公室密切協調。同時,美國國家航空和航天局、商務部、國防部、能源部、交通部、環境保護局等部門對于氫氣技術項目布局,均有幾十年的支持。 因此,建議在氫能發展上,要充分發揮新型舉國體制,開展有組織的氫能創新活動,建立由專業部門扎口,財政資金統籌,生態環境、交通、農業農村、衛健、發改、科技等主管部門分頭實施、專業化開展氫能技術創新的治理體系。 二是跨機構合作。 美國氫能戰略技術攻關集結了聯邦政府、各州、各行業、國家實驗室、學術界等多方的共同努力和協調。 如美國能源部2020 年發起H2NEW 聯合體,匯集了國家實驗室、工業行業和學術界的力量,共同研究下一代水電解槽制氫技術。 因此,建議積極關注產業轉型升級的主體,引導產業鏈龍頭企業做出碳中和承諾,帶動產業鏈上下游企業實現產業升級、技術進步。 支持領軍企業牽頭攻關氫能技術,聯合高校院所、實驗室、行業企業,整合創新鏈前后端、產業鏈上下游人才資源,推進氫能項目協同和氫能技術研發活動一體化,做到氫能項目同部署、同實施、同攻關,發展高效強大的共性技術供給體系。

3.2 在技術凝練方面,堅持“科學精準”,立足實際發現真問題

技術進步是實現氫能戰略、碳中和愿景的決定因素,發展氫能戰略不僅是能源變革,還是經濟結構、生產技術、生活方式的變革,也必將掀起新一輪科技革命浪潮[5]。 確定氫能技術方向是發展氫能戰略首先要解決的問題。 因此,建議在技術方向遴選上,建立氫能關鍵核心技術的遴選機制,以科學全面分析我國制氫能力、存儲能力、技術現狀、能源分布、各行業應用需求和應用場景為前提,對項目布局開展充分論證,科學決策項目實施,聚焦項目支持范圍。 同時依托專業研究機構,對氫能發展開展常態化跟蹤,根據市場、技術、國際環境等發展情況,動態調整氫能發展技術路線。 美國路線圖詳細分析了發展氫能戰略的難點問題,存在氫氣成本高、基礎設施不足、安全性不高、終端應用缺乏等問題。 因此,建議在共性技術攻關上,聚焦固體氧化物電解槽(SOEC)、甲烷熱解、碳纖維復合材料儲氫罐等商業化程度低、成本較高,但效益高、應用前景廣闊、能夠切實發揮戰略性關鍵作用的技術,以項目化形式,開展技術攻關。

3.3 在支持舉措方面,堅持“靶向發力”,高效發展重點領域

美國、日本和歐洲發達國家紛紛在氫能發展上大手筆投入,引導私人資本進入,強化能源供應鏈韌性。如英國2022 年公布設立2.4 億英鎊凈零氫能基金(NZHF),支持氫氣生產。 美國出臺全球首個清潔氫稅收抵免政策,旨在生產全球最便宜清潔氫,強化清潔氫能源領導者地位。 因此,建議強化財稅激勵,保持氫能發展公共資金投入的只增不減。 聚焦基礎設施建設,加大氫站、氫氣存儲洞穴、運輸管道等新型技術設施布局建設。 創新氫能發展相關稅收優惠政策,聚焦高效益行業應用,對于電力、工業、交通運輸、建筑等碳排放量較大、脫碳替代方案缺乏的行業應用清潔氫氣,根據不同的碳排放程度,分檔予以稅收減免。聚焦降低氫成本,激勵企業加大氫能研發投入,加大氫能技術創新或新建示范項目的貸款、擔保支持。 強化服務指導,相較于發達國家,我國碳中和提出和實施時間較短,氫能等綠色化理念尚未得到普及,要開展溫室氣體排放保障指導,組織匯編先進適用節能與低碳技術,幫助企事業單位更便捷實際地找到新的節能降耗和低碳發展空間,同時積極推動公共場所、工業項目、公共建筑等節能降耗。 及時總結經驗、樹立典型,加強宣傳,以案例形式對各主體開展氫能使用、碳中和知識普及。 強化標準制定,美國注重標準的制定和實施,各部門分別對氫氣的生產、存儲、運輸、使用進行監管。 同時,美國正在推進以碳為基礎的貿易政策,與歐盟合作,采取措施使全球貿易與氣候目標相一致,本質上是設置新的國際貿易碳壁壘,阻止其他國家非環保產品的進入。 我國應加大開放,積極發起、加入國際氫能伙伴關系,支持龍頭企業參與全球標準制定,提高氫能發展話語權。

3.4 在產業培育方面,堅持“市場配置”,遵循價值規律優化配置資源

從產業鏈提升本質看,氫能應用是全球產業鏈競爭的一場賽跑,國際國內行業龍頭企業陸續啟動氫能、碳中和計劃,將會對其整個產業鏈、供應鏈產生革命性的影響,沒有零碳競爭力的企業只會被全球供應鏈淘汰。 因此,建議在前端,探索建立透明的清潔氫氣價格體系,確保有長期穩定的清潔氫氣需求方,促進清潔氫氣生產商擴大投資、促進技術創新;在終端,遵循“工業用-商用-民用”分級分類、逐步推廣的氫能發展步驟,遴選一批有清潔氫氣應用前景好、碳排放程度低的企業和地區作為清潔氫氣示范中心,促進原材料和其他下游供應鏈、運輸和傳輸系統上的企業共享清潔氫氣利益,促進氫能產品和應用的商業規?；?形成清潔氫氣產業集群,強化社會參與,提供高質量工作崗位,推動區域發展轉型升級,打造更強大、更具競爭力的區域經濟體。

4 結語

清潔氫氣是我國脫碳道路上的重要因素。 通過我國政府、各地區、各行業、實驗室、高校院所的共同努力和協調,以及利益相關方的廣泛參與和合作,實施有重點的戰略舉措,我國勢必能夠成功發展可持續、有韌性和公平的清潔氫能經濟。