國內外氫能產業發展實踐對比及對我國的啟示

施昱萱,張志全

(長江大學 地球科學學院,湖北 武漢 430100)

氫能源因其來源廣泛、便于儲存、靈活高效、清潔低碳及安全可控等特點,是除電能外唯一可廣泛應用的零碳終端能源,也是唯一可廣泛應用的零碳實體能源[1]。中國氫能的發展雖起步晚,但近年來的強勁之勢不減。截至2021年底,我國現行氫能相關國家標準有100余項,涵蓋了基礎與管理、氫氣儲輸、加注、應用、氫安全及氫檢測等領域[2]?，F階段,中國氫能產業已初具規模,但尚未斬獲重大突破。由于受產業鏈單一分散、國家標準可操作性低、技術發展成熟度不高等原因,中國氫能產業的發展舉步維艱。

1 國外氫能產業發展現狀

1.1 美國

美國是最先提出“氫經濟”的概念的國家,上世紀70年代,通用公司便啟動了燃料電池車的研發,拉開了全世界氫能利用的序幕。隨后全美各行各業氫能技術的研發蔚然成風,近年來,由于受疫情的影響,美國對氫能產業的財政補貼有所減少,但仍能保持1億美元/年以上的資金投入[3]。

除直接財政補貼外,政府還通過一系列措施,間接促進企業研發,尤其是通過向消費者提供稅收減免和經濟補助,支持燃料電池技術的應用。在聯邦政府的氫能產業支持政策影響下,部分地方政府對氫能的支持力度亦如火如荼。加利福尼亞州通過一系列立法,直接通過購車補貼(5 000美元/輛)、加氫補償(企業三年免費加氫等)方式大力推廣燃料電池汽車的普及和應用[4]。2020年,美國燃料電池協會對全美未來大規模應用氫能的能源系統進行了系統規劃。

1.2 日本

日本很早便開始著手對氫能的技術研發,長期以來日本政府致力于以發展燃料電池技術為突破口,帶動氫能高速發展,降低傳統能源對外依存度,以期將日本建設成為全球首個“氫能社會”國家。為達到該目標,其國內相繼出臺了《日本復興戰略》、《NEDO氫能源白皮書》等一系列發展政策,從國家層面確定了未來全國發展氫能的具體行動計劃和舉措[5]。

除了國家政策外,日本企業對燃料電池的規?；ㄔO也非常積極?，F階段,本田、日產等燃料電池車在世界范圍內的總銷量已突破1萬輛。在資金支持上,日本政府向NEDO投入大量的專項科研經費,在東京、名古屋及大版等地先后建成加氫站100余座[6]。此外,日本也大力發展氫能和燃料電池在固定式發電領域中的應用,擁有全球最大的微型分布式熱電聯供系統[7]?，F階段,日本的氫能發展位居全球最前列。

1.3 歐盟

歐盟一直致力于氫能產業的發展,早在20年前,便計劃實現具有世界水平的歐洲氫能/燃料電池系統和部件在交通、固定和移動動力方面的開發和部署。近期,歐盟頒布了《歐洲氫戰略》這一發展規劃,提出氫能是支持歐洲2050年實現碳中和的必要條件,預計到2030年投入240～420億歐元用于安裝4 000萬kW的電解設施,產生1 000萬t的“綠色氫”[8]。

德國是較早實現氫能應用的國家,為滿足日益嚴格的國際尾氣排放標準,德國政府致力于加氫站的建設,從而推動其汽車制造從常規內燃機型向氫燃機型轉變。據悉,德國政府在過去10年先后投資14億歐元用于氫能項目開發,重在解決燃料電池產業化的相關問題及建設融合氫能的綜合體系。經過多年的發展,德國氫能產業鏈實力大幅增強,綜合實力位居世界第三位,僅次于日美[9]。在2020年6月通過的經濟復蘇計劃中,德國預計要在未來10年將持續投入90億歐元用于發展氫能。

1.4 韓國

韓國是氫能領域的后起之秀,近幾年來,韓國政府于稅收抵免、補貼支持及研發投入等多方面支持氫能產業鏈的建設。2020年,韓國出臺了相關氫能發展政策,以期盡快完善氫能產業鏈系統。計劃到2023年年初實現氫動力汽車銷量突破1.6萬輛,到2030年實現氫動力汽車年產量突破10萬輛,并將其售價降至2020年水平的一半,同時建設加氫站300余座,躋身于全球氫能經濟領先國家[10]。此外,韓國也在公共交通領域大力推行氫燃料電池巴士,并逐步在公共領域使用氫燃料電池垃圾車等。

2 中國氫能產業發展現狀

2.1 氫能制備

煤制氫是我國當前主要的制氫方式,但卻面臨過程繁雜,不能實現氫能利用無碳排放的技術壁壘。天然氣制氫適用于大規模制氫,但由于綜合成本較高,加之我國的天然氣大量依賴進口,導致原料供應相對難以保證[11]。此外,化石燃料制氫生產的氣體雜質成分多,若要應用于燃料電池,還需進行提純,進一步增加了制氫成本。工業副產氫制氫雖提純工藝相對復雜,但具備成本低、環保等優勢[12],有望成為未來高純氫氣制備的關鍵舉措。

我國堿性電解水制氫技術發展至今,已相當成熟,是現階段國內主流的電解水制氫方法,具有工藝簡單、制氫規模靈活、純度高等優點。而SPE制氫在國內尚處于早期開發階段,與國際先進水平的差距依然較大[13]。與AWE制氫技術相比,其制氫設備價格高出數倍,但具有對負荷變化響應速度快的特點,更適用于可再生能源發電[14],有望在進一步薄化成本后,成為未來更具市場前景的電解水制氫技術。

氫氣提純技術也是制氫階段的關鍵一環,其中PSA技術因其工藝簡單、安全性高、能耗低等優點,是國內氫提純的主要技術路線,適用于各種規模的H2純化[15]。而氫膜分離技術雖可實現H2的選擇性分離,但卻存在膜污染、成本高、易發生氫脆等技術瓶頸,工業化應用程度較慢[16]。深冷分離法是工業生產中最成熟的H2提純工藝,由于受耗能大、成本高的影響,適用范圍有限[17]。

2.2 氫能儲運

氫氣的儲運與加注也是全產業鏈的關鍵步驟,該過程的成本投入、安全性與可靠性是整個體系的關鍵。高壓氣態儲氫為目前氫氣儲運的主要方式,國內高壓儲罐的最高設計壓力為98 MPa,主要用于加氫站的固定式儲氫或其他對空間要求比較苛刻的場景[18]。液態儲氫在國外已經被推廣應用,但國內只應用于航天領域。其閃光點在于儲氫密度大,每立方米儲罐可儲存70 kg的液氫,但由于H2液化過程耗能高,加之液氫保存需要適宜的溫度,進一步制約了其適用范圍[19]。而固體儲氫在國內仍處于研究開發階段,要想實現其普及應用,還需進一步解決提高儲氫密度、降低釋氫溫度及改善服役壽命等一系列實際問題。

國內的主流輸氫技術包括高壓氣態、管道運輸及液態氫輸送。高壓H2運輸是指H2經高壓處理后,利用長管拖車的方式實施運輸,該輸送方法由于成熟度較高,我國加氫站的外進氫氣均采用該方法進行運輸[20]。而管道運輸則主要應用于大規模、長距離的H2輸送。隨著氫能產業的快速發展,新建輸氫管網可滿足我國巨大的用氫需求,但當前我國尚未建立統一的輸氫管網規劃部署[21]。液態儲氫可在常溫常壓下以液態形式輸運,運輸過程安全、高效,到達使用地點后在催化劑作用下通過脫氫反應實現H2提取[22],但由于受相關技術條件的限制,我國液態輸氫技術尚位于研發和示范初期階段。

加氫站是氫能產業基礎設施的終端設備,到目前為止,我國在建或已建加氫站180余座。從現有加氫站區域保有量來看,廣東省居全國首位,山東、江蘇、上海次之[23]。當前,我國加氫站的建站模式呈多元化、經濟化發展,建站所需的儲氫罐、隔膜式壓縮機等關鍵設備均已實現國產化。隨著氫能應用端需求的變化,加氫站的加注壓力將從35 MPa提至70 MPa,但我國70 MPa加氫站的相關設備和標準法規還不夠成熟[24]。

2.3 氫能應用

目前我國氫氣主要用于化工冶金領域,其中占比最大的是作為生產合成氨的中間原料,占比約為30%;其次是生產甲醇的中間原料,占比約為28%;焦炭副產氫利用(煉鋼等)與石油煉化用氫次之,分別占比15%,12%。此外,還有煤化工用氫(占比約為10%)以及其他領域用氫(5%)[25]。相比美、日、韓等國,氫能作為一種能源在國內交通、建筑、供電等領域的用量還相對較少。

與國外燃料電池乘用車推廣數量遠大于商用車不同,我國燃料電池車開發目前以商用客車與專用車為主。形成差異的原因在于[26]:一方面,國內由于在燃料電池電堆功率密度這一核心指標上同國際先進水平存在較大差距,燃料電池還達不到在乘用車上商業化應用的需求。與乘用車空間小、對燃料電池體積要求高不同,商用客車有相對較大的空間,對電堆功率密度要求不高。另一方面,乘用車多為私家車,目前國內加氣站的數量有限,不能滿足龐大規模私家車的需求。而客車和專用車對空間要求較為寬泛,對加氫站布局密度的要求較低,車輛使用地區附近有一座即可滿足需求。

除氫燃料電池應用方式外,在我國以其他形式的多元化應用示范亦取得了積極發展。在工業領域,全球最大規模的太陽能電解水制氫儲能綜合應用示范項目在寧夏寧東能源化工基地展開,該項目是我國煤制烯烴行業首個引入綠氫的項目[27]。全國第一個千t級液態太陽能燃料合成示范項目,于2020年10月在蘭州落成,該項目利用可再生能源制氫制取合成燃料,為解決CO2利用提供了新思路[28]。

2.4 產業支持政策

我國現行氫能產業國家支持政策聚焦于燃料電池和基礎設施層面,在示范應用領域,由財政部、發改委等部門敦促實施,仍然重點推動燃料電池汽車在中遠途、中重型商用車領域的應用,并提出利用信息化平臺實現燃料電池汽車的示范全過程、全鏈條監管。在總體規劃領域,由國家出面將氫能劃入能源種類,并分別從標準法規、技術攻關、產業發展政策等層面進一步明確國家對發展氫能產業的支持 。

部分地方政府基于能源和低碳轉型的角度,陸續頒布了支持氫能發展的相關規劃。截至2021年底,國內至少有50個省市級政府發布了相關幫扶政策,內容涵蓋燃料電池汽車地方性補貼、產業示范應用、技術研發、產業群打造乃至示范城市建設等[29]。僅2021年全國就有超過30個地方政府發布了氫能相關規劃,涉及加氫站數量超過1 000座、燃料電池車數量超25萬輛,不論是規劃數量還是發展目標,均比2020年有大幅提升[30]。

3 對中國氫能體系建設的啟示與建議

3.1 制定中長期的氫能發展戰略是前提

我國應積極效仿美國、歐盟及日本等發達國家,高度重視氫能在未來能源體系中的地位,將發展氫能產業提升至國家戰略高度。由國家層面出手,構建中長期的氫能發展規劃,同時根據本國資源稟賦和產業特征,因地制宜地制定和出臺相應的氫能發展政策和法規,并推出相關的財政補貼、稅費減免等扶持策略,以期大力刺激國內氫能體系的高速發展。

3.2 逐步完善多元化應用場景是關鍵

強調綠氫的使用,重點構建規?；G色氫氣供應體系,強調氫能在化工、煉鋼和交通等領域中大范圍脫碳的重要作用,并將氫能整合至國家的綜合能源系統中。在氫能應用端,強調將綠色氫氣應用于天然氣摻氫、分布式發電或供熱、氫能煉鋼、化工、氫燃料電池汽車等多個領域,逐步完善多元化應用場景。

3.3 統籌各方先進技術實現市場擴展是保障

日本氫能產業占據鰲頭的原因在于先進的燃料電池技術,該技術促使其加氫站建設與燃料電池汽車的投入成本大幅銳減?；诖?我國也應將氫能定位為提升經濟增長與產業競爭力的手段,重點扶持燃料電池產業,加大對提純、輸氫等各方先進工藝的支持力度。不斷完善氫能產業鏈,注重相關技術的輸出,最大化實現市場擴展。

3.4 構建全域聯動氫能發展模式是目標

全域聯動氫能發展模式對氫能產業的發展至關重要,已在韓國氫能發展中得到了有效印證。相比日韓,我國擁有豐富的可再生能源和制氫原材料,今后應以本國資源為依托,專注氫氣生產,拓展出口渠道,推動氫能貿易,打造全球氫能供應基地,將氫能塑造成未來資源出口的重要組成部分。同時應在保證氫能供應鏈安全性的前提下,實現氫能的共制、共建、共享,開創氫能發展現代化新局面。

4 結語

經過多年的實踐與發展,我國氫能產業已初步形成標準體系,在整個產業鏈的一些關鍵環節取得了長足的進步。在產業如火如荼發展的同時,也要認識到我國氫能技術與發達國家水平尚有較大的差距,仍存在燃料電池制造及氫能運營成本高、現有的氫儲運標準規范完整性差、加氫站與安全驗收技術成熟度低等行業壁壘。建議國家首先應高度重視氫能產業和技術發展,在氫能關鍵技術和設備、氫能交通、加氫站等方面開展大量的實踐,增大相關的技術儲備和經驗積累;其次是加大對核心技術及產品自主化、裝備產業基地建設、氫能示范應用等多個領域的支持力度,有效解決氫能行業中的“卡脖子”問題;最后是構建即獨立又相互補充的氫網和電網,實現能源結構的多元化,在新一輪全球能源革命中奮力搶占氫能革命制高點。