施昱萱,張志全

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430100)

氫能源因其來源廣泛、便于儲(chǔ)存、靈活高效、清潔低碳及安全可控等特點(diǎn),是除電能外唯一可廣泛應(yīng)用的零碳終端能源,也是唯一可廣泛應(yīng)用的零碳實(shí)體能源[1]。中國氫能的發(fā)展雖起步晚,但近年來的強(qiáng)勁之勢不減。截至2021年底,我國現(xiàn)行氫能相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)有100余項(xiàng),涵蓋了基礎(chǔ)與管理、氫氣儲(chǔ)輸、加注、應(yīng)用、氫安全及氫檢測等領(lǐng)域[2]?，F(xiàn)階段,中國氫能產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模,但尚未斬獲重大突破。由于受產(chǎn)業(yè)鏈單一分散、國家標(biāo)準(zhǔn)可操作性低、技術(shù)發(fā)展成熟度不高等原因,中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展舉步維艱。

1 國外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

美國是最先提出“氫經(jīng)濟(jì)”的概念的國家,上世紀(jì)70年代,通用公司便啟動(dòng)了燃料電池車的研發(fā),拉開了全世界氫能利用的序幕。隨后全美各行各業(yè)氫能技術(shù)的研發(fā)蔚然成風(fēng),近年來,由于受疫情的影響,美國對氫能產(chǎn)業(yè)的財(cái)政補(bǔ)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(cái)政補(bǔ)貼外,政府還通過一系列措施,間接促進(jìn)企業(yè)研發(fā),尤其是通過向消費(fèi)者提供稅收減免和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助,支持燃料電池技術(shù)的應(yīng)用。在聯(lián)邦政府的氫能產(chǎn)業(yè)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(bǔ)貼(5 000美元/輛)、加氫補(bǔ)償(企業(yè)三年免費(fèi)加氫等)方式大力推廣燃料電池汽車的普及和應(yīng)用[4]。2020年,美國燃料電池協(xié)會(huì)對全美未來大規(guī)模應(yīng)用氫能的能源系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃。

1.2 日本

日本很早便開始著手對氫能的技術(shù)研發(fā),長期以來日本政府致力于以發(fā)展燃料電池技術(shù)為突破口,帶動(dòng)氫能高速發(fā)展,降低傳統(tǒng)能源對外依存度,以期將日本建設(shè)成為全球首個(gè)“氫能社會(huì)”國家。為達(dá)到該目標(biāo),其國內(nèi)相繼出臺(tái)了《日本復(fù)興戰(zhàn)略》、《NEDO氫能源白皮書》等一系列發(fā)展政策,從國家層面確定了未來全國發(fā)展氫能的具體行動(dòng)計(jì)劃和舉措[5]。

除了國家政策外,日本企業(yè)對燃料電池的規(guī)?；ㄔO(shè)也非常積極。現(xiàn)階段,本田、日產(chǎn)等燃料電池車在世界范圍內(nèi)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(xiàng)科研經(jīng)費(fèi),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(fā)展氫能和燃料電池在固定式發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用,擁有全球最大的微型分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)[7]。現(xiàn)階段,日本的氫能發(fā)展位居全球最前列。

1.3 歐盟

歐盟一直致力于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,早在20年前,便計(jì)劃實(shí)現(xiàn)具有世界水平的歐洲氫能/燃料電池系統(tǒng)和部件在交通、固定和移動(dòng)動(dòng)力方面的開發(fā)和部署。近期,歐盟頒布了《歐洲氫戰(zhàn)略》這一發(fā)展規(guī)劃,提出氫能是支持歐洲2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的必要條件,預(yù)計(jì)到2030年投入240～420億歐元用于安裝4 000萬kW的電解設(shè)施,產(chǎn)生1 000萬t的“綠色氫”[8]。

德國是較早實(shí)現(xiàn)氫能應(yīng)用的國家,為滿足日益嚴(yán)格的國際尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),德國政府致力于加氫站的建設(shè),從而推動(dòng)其汽車制造從常規(guī)內(nèi)燃機(jī)型向氫燃機(jī)型轉(zhuǎn)變。據(jù)悉,德國政府在過去10年先后投資14億歐元用于氫能項(xiàng)目開發(fā),重在解決燃料電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)問題及建設(shè)融合氫能的綜合體系。經(jīng)過多年的發(fā)展,德國氫能產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)力大幅增強(qiáng),綜合實(shí)力位居世界第三位,僅次于日美[9]。在2020年6月通過的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃中,德國預(yù)計(jì)要在未來10年將持續(xù)投入90億歐元用于發(fā)展氫能。

1.4 韓國

韓國是氫能領(lǐng)域的后起之秀,近幾年來,韓國政府于稅收抵免、補(bǔ)貼支持及研發(fā)投入等多方面支持氫能產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)。2020年,韓國出臺(tái)了相關(guān)氫能發(fā)展政策,以期盡快完善氫能產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)。計(jì)劃到2023年年初實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力汽車銷量突破1.6萬輛,到2030年實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力汽車年產(chǎn)量突破10萬輛,并將其售價(jià)降至2020年水平的一半,同時(shí)建設(shè)加氫站300余座,躋身于全球氫能經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先國家[10]。此外,韓國也在公共交通領(lǐng)域大力推行氫燃料電池巴士,并逐步在公共領(lǐng)域使用氫燃料電池垃圾車等。

2 中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 氫能制備

煤制氫是我國當(dāng)前主要的制氫方式,但卻面臨過程繁雜,不能實(shí)現(xiàn)氫能利用無碳排放的技術(shù)壁壘。天然氣制氫適用于大規(guī)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(jìn)口,導(dǎo)致原料供應(yīng)相對難以保證[11]。此外,化石燃料制氫生產(chǎn)的氣體雜質(zhì)成分多,若要應(yīng)用于燃料電池,還需進(jìn)行提純,進(jìn)一步增加了制氫成本。工業(yè)副產(chǎn)氫制氫雖提純工藝相對復(fù)雜,但具備成本低、環(huán)保等優(yōu)勢[12],有望成為未來高純氫氣制備的關(guān)鍵舉措。

我國堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展至今,已相當(dāng)成熟,是現(xiàn)階段國內(nèi)主流的電解水制氫方法,具有工藝簡單、制氫規(guī)模靈活、純度高等優(yōu)點(diǎn)。而SPE制氫在國內(nèi)尚處于早期開發(fā)階段,與國際先進(jìn)水平的差距依然較大[13]。與AWE制氫技術(shù)相比,其制氫設(shè)備價(jià)格高出數(shù)倍,但具有對負(fù)荷變化響應(yīng)速度快的特點(diǎn),更適用于可再生能源發(fā)電[14],有望在進(jìn)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(shù)。

氫氣提純技術(shù)也是制氫階段的關(guān)鍵一環(huán),其中PSA技術(shù)因其工藝簡單、安全性高、能耗低等優(yōu)點(diǎn),是國內(nèi)氫提純的主要技術(shù)路線,適用于各種規(guī)模的H2純化[15]。而氫膜分離技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)H2的選擇性分離,但卻存在膜污染、成本高、易發(fā)生氫脆等技術(shù)瓶頸,工業(yè)化應(yīng)用程度較慢[16]。深冷分離法是工業(yè)生產(chǎn)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(chǔ)運(yùn)

氫氣的儲(chǔ)運(yùn)與加注也是全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵步驟,該過程的成本投入、安全性與可靠性是整個(gè)體系的關(guān)鍵。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為目前氫氣儲(chǔ)運(yùn)的主要方式,國內(nèi)高壓儲(chǔ)罐的最高設(shè)計(jì)壓力為98 MPa,主要用于加氫站的固定式儲(chǔ)氫或其他對空間要求比較苛刻的場景[18]。液態(tài)儲(chǔ)氫在國外已經(jīng)被推廣應(yīng)用,但國內(nèi)只應(yīng)用于航天領(lǐng)域。其閃光點(diǎn)在于儲(chǔ)氫密度大,每立方米儲(chǔ)罐可儲(chǔ)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(jìn)一步制約了其適用范圍[19]。而固體儲(chǔ)氫在國內(nèi)仍處于研究開發(fā)階段,要想實(shí)現(xiàn)其普及應(yīng)用,還需進(jìn)一步解決提高儲(chǔ)氫密度、降低釋氫溫度及改善服役壽命等一系列實(shí)際問題。

國內(nèi)的主流輸氫技術(shù)包括高壓氣態(tài)、管道運(yùn)輸及液態(tài)氫輸送。高壓H2運(yùn)輸是指H2經(jīng)高壓處理后,利用長管拖車的方式實(shí)施運(yùn)輸,該輸送方法由于成熟度較高,我國加氫站的外進(jìn)氫氣均采用該方法進(jìn)行運(yùn)輸[20]。而管道運(yùn)輸則主要應(yīng)用于大規(guī)模、長距離的H2輸送。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,新建輸氫管網(wǎng)可滿足我國巨大的用氫需求,但當(dāng)前我國尚未建立統(tǒng)一的輸氫管網(wǎng)規(guī)劃部署[21]。液態(tài)儲(chǔ)氫可在常溫常壓下以液態(tài)形式輸運(yùn),運(yùn)輸過程安全、高效,到達(dá)使用地點(diǎn)后在催化劑作用下通過脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)H2提取[22],但由于受相關(guān)技術(shù)條件的限制,我國液態(tài)輸氫技術(shù)尚位于研發(fā)和示范初期階段。

加氫站是氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的終端設(shè)備,到目前為止,我國在建或已建加氫站180余座。從現(xiàn)有加氫站區(qū)域保有量來看,廣東省居全國首位,山東、江蘇、上海次之[23]。當(dāng)前,我國加氫站的建站模式呈多元化、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展,建站所需的儲(chǔ)氫罐、隔膜式壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著氫能應(yīng)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(guān)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還不夠成熟[24]。

2.3 氫能應(yīng)用

目前我國氫氣主要用于化工冶金領(lǐng)域,其中占比最大的是作為生產(chǎn)合成氨的中間原料,占比約為30%;其次是生產(chǎn)甲醇的中間原料,占比約為28%;焦炭副產(chǎn)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(lǐng)域用氫(5%)[25]。相比美、日、韓等國,氫能作為一種能源在國內(nèi)交通、建筑、供電等領(lǐng)域的用量還相對較少。

與國外燃料電池乘用車推廣數(shù)量遠(yuǎn)大于商用車不同,我國燃料電池車開發(fā)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(nèi)由于在燃料電池電堆功率密度這一核心指標(biāo)上同國際先進(jìn)水平存在較大差距,燃料電池還達(dá)不到在乘用車上商業(yè)化應(yīng)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(nèi)加氣站的數(shù)量有限,不能滿足龐大規(guī)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(qū)附近有一座即可滿足需求。

除氫燃料電池應(yīng)用方式外,在我國以其他形式的多元化應(yīng)用示范亦取得了積極發(fā)展。在工業(yè)領(lǐng)域,全球最大規(guī)模的太陽能電解水制氫儲(chǔ)能綜合應(yīng)用示范項(xiàng)目在寧夏寧東能源化工基地展開,該項(xiàng)目是我國煤制烯烴行業(yè)首個(gè)引入綠氫的項(xiàng)目[27]。全國第一個(gè)千t級液態(tài)太陽能燃料合成示范項(xiàng)目,于2020年10月在蘭州落成,該項(xiàng)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(chǎn)業(yè)支持政策

我國現(xiàn)行氫能產(chǎn)業(yè)國家支持政策聚焦于燃料電池和基礎(chǔ)設(shè)施層面,在示范應(yīng)用領(lǐng)域,由財(cái)政部、發(fā)改委等部門敦促實(shí)施,仍然重點(diǎn)推動(dòng)燃料電池汽車在中遠(yuǎn)途、中重型商用車領(lǐng)域的應(yīng)用,并提出利用信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的示范全過程、全鏈條監(jiān)管。在總體規(guī)劃領(lǐng)域,由國家出面將氫能劃入能源種類,并分別從標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等層面進(jìn)一步明確國家對發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的支持 。

部分地方政府基于能源和低碳轉(zhuǎn)型的角度,陸續(xù)頒布了支持氫能發(fā)展的相關(guān)規(guī)劃。截至2021年底,國內(nèi)至少有50個(gè)省市級政府發(fā)布了相關(guān)幫扶政策,內(nèi)容涵蓋燃料電池汽車地方性補(bǔ)貼、產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)群打造乃至示范城市建設(shè)等[29]。僅2021年全國就有超過30個(gè)地方政府發(fā)布了氫能相關(guān)規(guī)劃,涉及加氫站數(shù)量超過1 000座、燃料電池車數(shù)量超25萬輛,不論是規(guī)劃數(shù)量還是發(fā)展目標(biāo),均比2020年有大幅提升[30]。

3 對中國氫能體系建設(shè)的啟示與建議

3.1 制定中長期的氫能發(fā)展戰(zhàn)略是前提

我國應(yīng)積極效仿美國、歐盟及日本等發(fā)達(dá)國家,高度重視氫能在未來能源體系中的地位,將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升至國家戰(zhàn)略高度。由國家層面出手,構(gòu)建中長期的氫能發(fā)展規(guī)劃,同時(shí)根據(jù)本國資源稟賦和產(chǎn)業(yè)特征,因地制宜地制定和出臺(tái)相應(yīng)的氫能發(fā)展政策和法規(guī),并推出相關(guān)的財(cái)政補(bǔ)貼、稅費(fèi)減免等扶持策略,以期大力刺激國內(nèi)氫能體系的高速發(fā)展。

3.2 逐步完善多元化應(yīng)用場景是關(guān)鍵

強(qiáng)調(diào)綠氫的使用,重點(diǎn)構(gòu)建規(guī)?；G色氫氣供應(yīng)體系,強(qiáng)調(diào)氫能在化工、煉鋼和交通等領(lǐng)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(tǒng)中。在氫能應(yīng)用端,強(qiáng)調(diào)將綠色氫氣應(yīng)用于天然氣摻氫、分布式發(fā)電或供熱、氫能煉鋼、化工、氫燃料電池汽車等多個(gè)領(lǐng)域,逐步完善多元化應(yīng)用場景。

3.3 統(tǒng)籌各方先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)市場擴(kuò)展是保障

日本氫能產(chǎn)業(yè)占據(jù)鰲頭的原因在于先進(jìn)的燃料電池技術(shù),該技術(shù)促使其加氫站建設(shè)與燃料電池汽車的投入成本大幅銳減?；诖?我國也應(yīng)將氫能定位為提升經(jīng)濟(jì)增長與產(chǎn)業(yè)競爭力的手段,重點(diǎn)扶持燃料電池產(chǎn)業(yè),加大對提純、輸氫等各方先進(jìn)工藝的支持力度。不斷完善氫能產(chǎn)業(yè)鏈,注重相關(guān)技術(shù)的輸出,最大化實(shí)現(xiàn)市場擴(kuò)展。

3.4 構(gòu)建全域聯(lián)動(dòng)氫能發(fā)展模式是目標(biāo)

全域聯(lián)動(dòng)氫能發(fā)展模式對氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要,已在韓國氫能發(fā)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(yīng)以本國資源為依托,專注氫氣生產(chǎn),拓展出口渠道,推動(dòng)氫能貿(mào)易,打造全球氫能供應(yīng)基地,將氫能塑造成未來資源出口的重要組成部分。同時(shí)應(yīng)在保證氫能供應(yīng)鏈安全性的前提下,實(shí)現(xiàn)氫能的共制、共建、共享,開創(chuàng)氫能發(fā)展現(xiàn)代化新局面。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的實(shí)踐與發(fā)展,我國氫能產(chǎn)業(yè)已初步形成標(biāo)準(zhǔn)體系,在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得了長足的進(jìn)步。在產(chǎn)業(yè)如火如荼發(fā)展的同時(shí),也要認(rèn)識(shí)到我國氫能技術(shù)與發(fā)達(dá)國家水平尚有較大的差距,仍存在燃料電池制造及氫能運(yùn)營成本高、現(xiàn)有的氫儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完整性差、加氫站與安全驗(yàn)收技術(shù)成熟度低等行業(yè)壁壘。建議國家首先應(yīng)高度重視氫能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展,在氫能關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備、氫能交通、加氫站等方面開展大量的實(shí)踐,增大相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)積累;其次是加大對核心技術(shù)及產(chǎn)品自主化、裝備產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)、氫能示范應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域的支持力度,有效解決氫能行業(yè)中的“卡脖子”問題;最后是構(gòu)建即獨(dú)立又相互補(bǔ)充的氫網(wǎng)和電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的多元化,在新一輪全球能源革命中奮力搶占?xì)淠芨锩聘唿c(diǎn)。