中國儲能網訊：文/趙聰穎 中國石化集團經濟技術研究院有限公司，當代石油石化
近年來，氫能在世界能源轉型中的地位日益凸顯。氫能的利用被視作與化石燃料清潔低碳利用、可再生能源規(guī)模化利用相并行的一種可持續(xù)能源利用路徑。根據制取路徑的不同，氫能一般分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”。
以化石能源為原料，通過蒸汽甲烷重整（SMR）或自熱重整（ATR）等方法制造的氫氣成本較低，但碳強度較高，被稱為“灰氫”?！八{氫”是由化石能源生產，通過使用碳捕集等技術，降低全生命周期的碳排放。在合成氣或燃料氣中的殘余碳被捕集并用于后續(xù)使用或存儲，以減少溫室氣體排放?！八{氫”作為一種減少碳排放切實可行的方式，在能源轉型中占有重要地位?！熬G氫”是由可再生能源產生，如可再生電力或者碳中性的能源。另外還有“青氫”和“粉氫”之說，“青氫”是指熔融的金屬與天然氣熱解，得到氫氣和副產物固體碳，由于副產物碳以固體形式存在，不需要額外的碳捕集裝置，因此被認為介于“藍氫”和“綠氫”之間，目前還處于研發(fā)階段；“粉氫”是指利用核能發(fā)電再電解水得到的氫氣。
1、全球氫能發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，隨著全球氣候變暖和對能源安全方面的考量，以及氫能全產業(yè)鏈技術的不斷進步，氫能產業(yè)在全球范圍內升溫，美國、日本、歐盟等國家及地區(qū)相繼制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略。
1.1、美國
作為全球第一大經濟體的美國，十分重視氫能產業(yè)的發(fā)展，在持續(xù)推動氫能技術研發(fā)和產業(yè)推廣的同時，一直加強在全球氫能領域的影響力。
1970年石油危機后，美國便提出了“氫經濟”概念，開始布局氫能技術研究，資助與氫能相關的研究項目。1974年組織召開了第一次國際氫能會議，并于同年底，成立迄今為止歷史最悠久的國際氫能組織——國際氫能協(xié)會（IAHE）。
2001年起，美國便形成了較完整的推進氫能發(fā)展的國家政策、法律和科研計劃體系，確定氫能為國家戰(zhàn)略，引導能源體系向氫能經濟過渡。2002年，美國能源部（DOE）發(fā)布《國家氫能發(fā)展路線圖》，標志著美國氫能產業(yè)從構想進入行動階段。2004年DOE發(fā)布《氫立場計劃》，明確氫能產業(yè)發(fā)展要經過研發(fā)示范、市場轉化、基礎建設和市場擴張、完成向氫能社會轉化等4個階段。
2005年，美國兩院通過了能源政策法案，要求汽車制造企業(yè)在2015年實現(xiàn)氫燃料電池汽車的市場化。2012年，聯(lián)邦政府預算63億美元用于氫能、燃料電池等清潔能源的研發(fā)，并對美國境內氫能基礎設施實行30%~50%的稅收抵免。2019年，宣布為29個項目提供約4000萬美元資金，并在同年發(fā)布的《美國氫能經濟路線圖》中，還格外強調了氫能作為可再生能源在多個領域的適用性。
目前，美國已經建立起以國家實驗室為主，大學和企業(yè)研究院所為輔的科研體系。自2006年以來，其支持的各類項目燃料電池成本降低一半、耐用性翻倍、所需鉑金屬量也顯著減少。美國在氫能全產業(yè)鏈中的代表性企業(yè)有提供氫能基礎設施解決方案的Air Products、以叉車燃料電池為主的Plug Power、固定式燃料電池為主的Fuel Cell Energy、Bloom Energy等大型燃料電池生產企業(yè)，以GE為代表的主機廠等。
截至2019年底，美國加氫站數(shù)量達到71個，燃料電池乘用車保有量約8000輛，燃料電池大巴42輛，燃料電池叉車超過29000輛。而根據路線圖規(guī)劃，2025年，美國燃料電池汽車運營數(shù)目將達到20萬輛，叉車達到12.5萬輛，建設加氫站1180座，氫氣需求達到1300萬噸。2030年，燃料電池汽車達到530萬輛，加氫站7100座，氫氣需求達到1700萬噸。2050年，氫氣需求達到6300萬噸，產值7500億美元。實現(xiàn)氫能大規(guī)模應用。
此外，美國的液氫產業(yè)十分發(fā)達，產能居于全球首位，有15座以上的液氫工廠，產能達326噸/天以上，占世界液氫產能的65%以上。
1.2、日本
日本在全球氫能產業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)突出，國家政策導向明確，氫能產業(yè)已成體系。近年來日本陸續(xù)提出明確的氫能戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖。2013年，推出《日本再復興戰(zhàn)略》，提升氫能源發(fā)展為國策。2014年，在第四期《能源基本計劃》中，將氫能源定位為與電力和熱能并列的二次核心能源，并提出建設“氫能社會”的愿景。同年，對外公布的《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》中，詳細描述了氫能源研發(fā)推廣的三大階段以及每個階段的戰(zhàn)略目標。2017年，發(fā)布了《氫能源基本戰(zhàn)略》（見表1），為全球首例，提出了2050年愿景和2030年行動計劃，在氫能供應和氫能利用方面提出了詳細的目標。
綜上，近年來日本氫能發(fā)展戰(zhàn)略、產業(yè)政策的重點在于強調降低產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)成本，而且初步形成了相對完整的氫能產業(yè)鏈體系。氫氣制取方面主要采用化石能源（天然氣、LPG）制氫和工業(yè)富產氫，供應鏈戰(zhàn)略重點是建立基于海外氫氣供給、可再生能源制氫以及區(qū)域氫氣供給三大供應體系。儲運方面除高壓儲運外，重點開發(fā)液化氫、液體有機化合物儲運和氨儲運。在氫能利用領域，重點開發(fā)燃料電池乘用車和燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其中，最具代表性企業(yè)有豐田、本田以及Ene–farm。在參與制定《全球氫能和燃料電池技術規(guī)范》和《聯(lián)合國氫能和燃料電池汽車規(guī)范》的同時，日本形成了國內完善的標準法規(guī)體系。
1.3、歐盟
為了更好地應對能源和氣候變化的挑戰(zhàn)，歐盟把氫能和燃料電池技術作為能源轉型的戰(zhàn)略技術。2002年，歐盟發(fā)布了《氫能和燃料電池—我們未來的前景》，制定了歐洲向氫經濟過渡的近期（2000–2010年）、中期（2010–2020年）和長期（2020–2050年）三個主要研發(fā)目標和示范路線圖。
2016年，歐盟發(fā)布《可再生能源指令》，將氫能作為能源系統(tǒng)的重要組成部分。2019年，燃料電池和氫能聯(lián)合組織發(fā)布《歐洲氫能路線圖—歐洲能源轉型的可持續(xù)發(fā)展路徑》，預計到2030年氫能可占最終能源需求的6%，創(chuàng)造1300億歐元的市場，加氫站數(shù)量超過750座；2050年可占最終能源需求的24%，創(chuàng)造8200億歐元的市場。預計2050年實現(xiàn)4500萬輛燃料電池乘用車、650萬輛輕型商用車、25萬輛燃料電池公交車、170萬輛燃料電池卡車、5500輛燃料電池列車的保有量，加氫站達15000座以上。
2020年7月發(fā)布了《歐盟能源系統(tǒng)整合戰(zhàn)略》，明確了將“綠氫”作為未來發(fā)展的重點，同時指出在中短期內，仍需要“藍氫”以推動氫能市場的發(fā)展和成熟。與此同時，德國和法國表示將提供160億歐元用以氫能技術的研究和推廣。而實際上，氫能經濟的開啟預計需要4300億歐元，仍有較大缺口。在政策方面，尚缺乏歐盟級的可行氫能管控框架。這都將制約歐洲氫能技術的發(fā)展。
面對氫能行業(yè)發(fā)展存在的諸多挑戰(zhàn)，在2020年7月，500家企業(yè)組成了歐洲氫能聯(lián)盟，提出一系列的戰(zhàn)略以及在歐洲具有可操作性的管理框架。主要目標是開啟歐洲氫能產業(yè)，實現(xiàn)歐洲氣候目標。除了將2024年的6GW“綠氫”產能在2030年擴充至2×40GW外，還希望CO2減排能力由2024年的900萬噸/年提高至9000萬噸/年，將在2024年投資50億~90億歐元的基礎上，至2030年每年投資260億~440億歐元用于可再生氫氣電解槽的投資。
截至2019年底，根據H2stations的數(shù)據，歐洲有177個加氫站，其中德國87座，法國26座。除了在車用能源領域的應用，歐盟還積極在金屬冶煉、可再生發(fā)電儲能、天然氣管道摻氫等領域進行嘗試。
1.4、中國
在國家及各級地方政府的政策推動下，中國氫能產業(yè)熱度持續(xù)攀升。2006年，將氫能與燃料電池列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006–2020年）》發(fā)展計劃。2014年，在國務院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014–2020年）》中，將“氫能與燃料電池”列為20個重點創(chuàng)新方向之一。2016年5月，在國務院印發(fā)的《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中，提出“開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術”。2016年，國務院發(fā)布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，在“專欄14新能源汽車動力電池提升工程”中，提出“推動車載儲氫系統(tǒng)以及氫制備、儲運和加注技術發(fā)展，推進加氫站建設，到2020年，實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產和規(guī)模化示范應用”。2019年，“推動充電、加氫等設施建設”首次寫入《政府工作報告》。2020年，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》公開征求意見，提出將氫能納入能源定義。
2014年11月，財政部、科技部等印發(fā)了《關于新能源汽車充電設施建設獎勵的通知》，首次提出對符合國家技術標準且日加氫能力不少于200kg的新建加氫站補貼400萬元。2019年3月，又提出將對新能源汽車的補貼向支持加氫和充電基礎設施“短板”建設和配套運營服務等方面過渡。2020年4月，提出將當前對燃料電池汽車的購置補貼，調整為選擇有基礎、有積極性、有特色的城市或區(qū)域，重點圍繞關鍵零部件的技術攻關和產業(yè)化應用開展示范，中央財政將采取“以獎代補”方式對示范城市給予獎勵，爭取通過4年左右時間建立氫能和燃料電池汽車產業(yè)鏈。
各地地方政府結合當?shù)貙嶋H情況，密集出臺了氫能產業(yè)發(fā)展的專項政策和規(guī)劃，對地區(qū)氫能產業(yè)的發(fā)展提出了近中遠期目標，但從產業(yè)結構布局上，均存在規(guī)劃求大求全、技術布局同質化、未能做到因地制宜等問題，在一定程度上引發(fā)了氫能產業(yè)的局部過熱。截至2020年底，中國燃料電池汽車保有量7352輛，建成加氫站128座，投入運營101座。
2、氫能發(fā)展趨勢分析
氫能全產業(yè)鏈包括制取、儲存、運輸及利用4個環(huán)節(jié)。不同技術路線會在不同的時間節(jié)點推動乃至引領氫能產業(yè)鏈發(fā)展。零碳排放制氫、高效低成本安全儲運、氫燃料電池高效率低成本技術是關鍵。
2.1、“藍氫”是目前最經濟可行的技術途徑
2.1.1從減少溫室氣體排放角度分析
氫氣生產過程中產生的CO2來自于烴類?！盎覛洹毖b置的進料是烴類原料、燃料、軟化水/鍋爐用水，產生氫氣產品和高壓蒸汽，大多數(shù)工廠都進行廢熱利用，能源以氫氣、蒸汽、電力等多種方式出廠，全生命周期每千克“灰氫”產生8~12kgCO2。
“藍氫”裝置的進料是在烴類、燃料、軟化水/鍋爐用水的基礎上，加入具有低碳低成本的優(yōu)勢原料、煉廠廢氣和CO2，產生氫氣、高壓蒸汽、超高壓蒸汽、中壓蒸汽、低壓蒸汽、電力、高純度CO、氫氣和CO2混合氣、還原氣/合成氣、CO2。在這個過程中幾乎全部CO2被捕集，全生命周期只產生非常少的CO2排放，每千克氫氣直接和間接產生不到1kg的CO2。
對于“綠氫”，基于電力來源不同，每千克“綠氫”產生的CO2變化幅度很大，全生命周期為0.5~30.0kgCO2。
因此，在碳捕集、利用及封存技術（CCUS）可行的前提下，“藍氫”是目前最經濟可行的技術途徑。因為基準線不固定，目前尚無法得出具體的減排比例。
2.1.2、從平均成本角度分析
“灰氫”制取技術每生產1kg氫氣，排放8~10kgCO2，成本為1.5~2€/kg，天然氣制氫搭配CCUS，與“灰氫”相比，可減少約85%的CO2排放，與碳捕集相關的額外成本為50~70€/tCO2，使用可再生能源制氫，無碳排放，成本為3.5~5€/kg。
只要有使用或儲存CO2的選項，使用CCS進行蒸汽轉化是目前最具競爭力的選擇；關于電解制氫，到2025年，在任何電價情景下，電解產生的可再生氫都幾乎沒有利益，隨著技術發(fā)展以及在電網中引入更多的可再生能源，預計到2030年左右，電解產生的可再生氫的將會有利潤收益。
2.2、關鍵核心技術加快突破
目前能源公司大多采用天然氣制氫＋CCS作為向“綠氫”過渡階段的主要制氫技術，其制氫成本為1.2€/kgH2（天然氣價格為0.12€/m3），碳捕集率為98%~99%，CO2運輸和捕集的成本0.3~0.5€/kgH2。突破CCUS技術，實現(xiàn)大規(guī)模應用是降低成本的關鍵。
氫氣長距離輸送時，管道輸送最具競爭力，隨著氫能產業(yè)發(fā)展，大宗氫氣跨境貿易的發(fā)展?jié)摿薮?。氫燃料電池催化劑以Pt/C催化劑為主，目前鉑用量保持在0.3~0.5g/kW的水平，降低鉑用量并尋求廉價替代催化劑是擴大氫燃料電池使用空間的關鍵。
3、對石化產業(yè)發(fā)展氫能的建議
面對環(huán)保、能源安全的壓力，石化企業(yè)正在實施能源轉型的變革，利足自身優(yōu)勢進軍氫能產業(yè)。但目前中國氫能產業(yè)發(fā)展面臨著國家層面缺乏總體統(tǒng)籌和頂層設計，在液態(tài)儲氫等核心技術、高端材料、裝備制造方面存在“卡脖子”風險，氫能管理體系尚未建立，行業(yè)標準、技術路線需要進一步研究探索，當前“綠氫”制取成本高，經濟性利用較為困難。對石化產業(yè)發(fā)展氫能的建議如下：
1）不忘環(huán)保初心，在CCS技術不成熟的情況下，建議不開展大規(guī)?；茉粗茪?，可進行小規(guī)模一體化示范。
2）加氫站建設成本高，氫氣在交通領域的規(guī)?；瘧萌Q于氫燃料電池技術的突破以及氫燃料電池汽車輔助系統(tǒng)中空壓機、控制器等成本的降低。因此，建議石化企業(yè)根據自身優(yōu)勢，謹慎布局加氫站建設，并根據國家政策爭取補貼。
3）為盡國企之社會責任，建議石化大企業(yè)立足自身優(yōu)勢，聯(lián)合大學等研究機構、氫產業(yè)鏈上其他企業(yè)共同開展研究，加快氫能產業(yè)關鍵核心技術突破，降低產業(yè)鏈成本，為中國氫能產業(yè)高質量發(fā)展提供科技支撐。
4、結語
未來能源的總體發(fā)展方向是從傳統(tǒng)化石燃料轉向可持續(xù)能源結構，能源轉型是一個漫長而艱辛的過程。氫能作為清潔的二次能源，全產業(yè)鏈成本高，制取、儲運、應用領域許多關鍵核心技術有待突破。石化企業(yè)可根據自身優(yōu)勢，與研究機構及其他行業(yè)聯(lián)合開展氫能研究，加快氫能全產業(yè)鏈核心技術突破，綠色、安全、高效、低成本實現(xiàn)能源轉型。
