中國儲能網訊：氫氣具有較強的“倫理屬性”，相比有大量碳排放的灰氫和藍氫，綠氫無疑身份高貴。但價格同樣昂貴的綠氫如何適應市場？它的未來在哪里？
文 | 武魏楠
盡管被無數的網友和媒體吐槽，但日本東京奧運會也有著很多開創(chuàng)性的第一次。采用氫燃料點燃的奧運圣火就是東京奧運會無數“氫元素”的開端。而火炬與圣火臺所用的氫氣均來自于太陽能電解水制氫裝置生產的綠氫。
除了奧運圣火，氫燃料電池大巴和汽車、超級加氫站、氫能發(fā)電供暖的奧運會村都為東京奧運會增添了無數的“氫元素”。
元素周期表中氫被排在第一位元素，具有高熱值、零排放等多重優(yōu)點。但作為能源，氫能難以獲取、成本較高，一直沒有能夠得到廣泛應用。除了航天領域之外，氫能在能源行業(yè)的應用多年來一直未有大的突破。
2020年9月，中國正式提出了“2030年碳達峰、2060年碳中和”的目標（以下簡稱“3060雙碳目標”）。與此同時在過去一兩年的時間里，世界許多國家都開始提出“碳中和”目標。據不完全統(tǒng)計，超過100個國家已經承諾要實現“碳中和”，這些國家的排放占全球總排放量的73%。其中，甚至有90%以上的國家將2050年設為“碳中和”節(jié)點。
“碳中和”大潮席卷全球為氫能發(fā)展帶來了巨大的機遇。縱觀能源的發(fā)展歷史，從最初使用固態(tài)的木柴、煤炭，到液態(tài)的石油，直至氣態(tài)的天然氣，其分子結構中的氫碳比例一直在不斷地提高：木柴的氫碳比在1:3~10之間，煤為1:1，石油為2:1，天然氣為4:1。從18世紀中葉至今，氫碳比上升超過6倍。每一次能源的“脫碳”都會推動人類社會的進步和文明程度的提高，可以預見未來隨著碳中和的進行，氫在能源中的占比將會繼續(xù)提高。
然而需求的急速增長并不能為氫的制備立刻帶來顛覆性地進步。除了高成本問題依然存在，我們在“碳中和”時代還需要制氫過程的低碳甚至無碳化。
目前，全球氫能產量中，有23%是煤制氫，43%是天然氣制氫，33%是工業(yè)副產品制氫。這些大多屬于灰氫，部分屬于藍氫。而中國更是有超過60%的氫來自于完全屬于灰氫的煤制氫。
一般來說，我們把使用化石能源燃料制取，且不對釋放二氧化碳進行處理的氫氣，都叫做灰氫。如果對釋放出的二氧化碳進行捕集和封存，這種氫氣則被稱為藍氫。只有使用可再生能源發(fā)電電解或者光解制取的氫氣，才能被成為綠氫。所以即便是電解水制氫，考慮到目前電力系統(tǒng)的脫碳比例，我們依然無法統(tǒng)稱其為綠氫。而無論是中國的“3060雙碳目標”，還是世界各國或早或晚的碳中和目標，所需要的氫能都更多是綠氫。
進入2021年，中國的“3060雙碳目標”逐漸從熱議進入了各行業(yè)的實踐階段。能源行業(yè)是脫碳的主力軍，電力更是主力中的主力，很快就確立了以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設。盡管困難重重，但已經有了明確的發(fā)展路徑和方向。
但是對于傳統(tǒng)工業(yè)、交通、建筑等領域來說，脫碳受困于經濟和技術條件。因為能源的使用有時候不僅是提供動力，還有熱值、熱能、能量密度等多種因素的考慮。而無論是從人類能源發(fā)展還是化學性質考慮，氫能都是替代化石能源的最佳選擇。也因此有人喊出了“氫能是人類能源終極解決方案”的口號。
然而綠氫發(fā)展還是不可避免地面臨著經濟技術性條件的制約。甚至于在《能源》雜志記者的采訪中，對于“2021年是否是綠氫元年”這一觀點，業(yè)內人士還沒有能夠形成統(tǒng)一的意見。
中國的綠氫發(fā)展正在呈現出怎樣的格局？面對經濟技術難題，綠氫應該如何破局？這些紛紛涌入綠氫產業(yè)的企業(yè)，又有著怎樣的發(fā)展計劃？
熱潮源起
中國對于氫能的研究最早可以追溯到20世紀50年代，但是在“十三五”之前，對于氫能的研究局限于航空應用和小范圍的燃料電池、電解技術發(fā)展等領域，商業(yè)化程度較低，而且國家層級的政策支持也較少。
從“十三五”時期開始，氫能在國內的發(fā)展開始逐漸有了商業(yè)化的突破。產業(yè)鏈開始初具雛形，這側面反映在國家政策對于氫能的支持力度開始增大。
“實際上氫能作為交通領域的清潔能源，在國內興起熱潮至少有了5年的時間。但是氫燃料汽車的覆蓋面還是比較小?！敝锌圃阂晃粴淠芸蒲袑＜腋嬖V《能源》雜志記者，“2021年或許是氫能發(fā)展的一個關鍵點，一方面是國家和地方政策越來越開始關注氫能，另一方面就是越來越多的行業(yè)外企業(yè)—比如光伏企業(yè)—開始進入氫能產業(yè)?！?
2021年3月31日，西安隆基氫能科技有限公司（以下簡稱“隆基氫能”）正式注冊。隆基股份的創(chuàng)始人李振國親自擔任董事長、總經理。
6月陽光電源下屬氫能公司——合肥陽光氫能科技有限公司成立（下稱合肥陽光氫能）宣布成立。7月，協鑫集團高調對外發(fā)布旗下協鑫新能源的氫能戰(zhàn)略，具體目標為：藍氫——首期建成年產230萬噸合成氨，逐步擴能至每年400萬噸生產規(guī)模，可供應國內70萬噸藍氫；綠氫——2025年建設100座綜合能源站，達到40萬噸年產能。
對于光伏企業(yè)開始大規(guī)模進入氫能產業(yè)，氫能業(yè)內人士認為這主要有內因和外因兩個方面的驅動?！巴庖蚍矫媸菄?060雙碳目標的設定，對于氫能產業(yè)有了直接的刺激。這必然會帶來更多地產業(yè)外資本進入氫能領域?！鄙鲜鰵淠軐＜艺f，“內因的話，更多來自于光伏企業(yè)自身發(fā)展進入了瓶頸期或者平臺期，需要找到新的發(fā)展方向?！?
2021年是中國光伏平價上網的元年，經過十幾年的發(fā)展中國光伏發(fā)電成功實現平價上網。在“3060雙碳目標”之下，電力系統(tǒng)減排會要求可再生能源裝機持續(xù)快速增長。但增長的同時，由于消納制度、電力市場建設的相對滯后，可再生能源的消納也面臨著一定的挑戰(zhàn)。這也是國內光伏企業(yè)在解決了平價上網問題之后的又一個挑戰(zhàn)。
《能源》記者在采訪中了解到，國內光伏企業(yè)進軍氫能也并非都是突然的心血來潮，而是都有著一定的積累。陽光電源氫能事業(yè)部營銷總監(jiān)方偉告訴《能源》雜志記者，陽光電源早在2016年就在公司內部成立了氫能的研究小組。“陽光電源最終選擇氫能業(yè)務有兩個主要原因，一方面是因為氫能的發(fā)展逐漸被大家所關注，重要性在不斷增強。另一方面就是氫能與我們的主業(yè)——新能源——結合的非常緊密。”
隆基的氫能戰(zhàn)略也有著類似的考慮。據《能源》雜志了解，隆基股份從2018年開始就對氫能的技術進行儲備。隆基氫能副總經理王英歌對《能源》雜志記者說：“隆基拓展氫能業(yè)務有兩個方面的考慮，作為光伏企業(yè)，隆基擁有全套的光伏解決方案，我們希望利用光伏的技術優(yōu)勢與電解水制氫結合。另外一點是中國在提出雙碳目標之后，除了電力領域需要深化清潔能源對化石能源的替代，還有很多領域是目前可再生能源難以實現脫碳的?！?
的確，在“3060雙碳目標”涉及整個國家方方面面的前提下，電力系統(tǒng)脫碳實際上是相對容易的領域。但很多領域依然十分依賴化石能源。例如鋼鐵生產中的高爐就產生了大量的碳排放。
當前，我國煉鋼企業(yè)大多使用鐵礦石為鐵源、煉焦煤作為碳源的長流程高爐生產技術，通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量并產生還原劑一氧化碳（CO），在高溫下利用一氧化碳將鐵礦石中的氧發(fā)生反應生成CO2，將鐵礦石還原得到鐵，這個過程帶來了大量的二氧化碳排放。除了提高能源利用率、發(fā)展CCS技術，電鍋爐是鋼鐵行業(yè)碳減排的主要手段。但如果想要做到更深層次、高效率的“零排放”，通過綠氫作為還原劑的直接還原技術（DRI）是最佳方案。
除此之外，工業(yè)與建筑供熱也很難通過單一的電氣化改造來實現完全的脫碳。綠氫的應用已經超越了最初的燃料電池領域，擴展到整個經濟體系的應用，包括將氫轉化成其他能源載體和產品，例如氨、甲醇和合成液體燃料。
“可再生能源發(fā)電或者說綠電可以保證我們的電力系統(tǒng)實現100%的脫碳。但并不是全世界所有的工業(yè)門類以及生產生活的所有領域都可以實現電氣化?！蔽鏖T子能源股份公司新能源業(yè)務全球首席戰(zhàn)略官兼新能源亞太區(qū)業(yè)務負責人趙作智博士對《能源》雜志記者說，“飛機、工業(yè)用熱等等很多門類我們都無法實現電氣化。在無法實現電氣化的領域，實現脫碳的一個必經之路就是使用綠氫?！?
看起來綠氫正是一片廣袤的藍海，光伏企業(yè)涉足其中不僅可以積極拓展自身主業(yè)的發(fā)展，還可以搶占未來能源轉型的全新制高點。但綠氫發(fā)展的諸多障礙依然不能被我們所忽視。遲遲無法大規(guī)模商業(yè)化的綠氫依然還處于發(fā)展的最初階段。那么這個被寄予厚望的未來能源，又正在走著怎樣的商業(yè)化之路呢？
技術路徑的選擇
如果說東京奧運會增加了氫能源在奧運會場景中的應用，那么即將到來的北京冬奧會將使氫能的應用進一步拓寬。北京延慶是2022年冬奧會的三大賽區(qū)之一。2016年，國家電投與延慶區(qū)政府簽署戰(zhàn)略合作協議，以冬奧會為契機，共同推進綠色制氫、加氫項目落地，探索氫能創(chuàng)新技術，促進氫能裝備產業(yè)發(fā)展，并配合北京市交通委、冬奧組委開展氫能交通示范應用，共同推動綠色智慧園區(qū)和低碳示范村莊建設，著力打造新能源應用示范區(qū)。
作為國家電投的綠氫合作伙伴，西門子能源將為國家電投位于延慶的中國電力氫能創(chuàng)新產業(yè)園提供一套橇裝式質子交換膜（PEM）純水電解制氫系統(tǒng)“Silyzer200”。而質子交換膜水電解技術正是能夠生產綠氫的制氫技術—電解水技術—的三大類技術路徑之一。除了質子交換膜水電解技術外，電解水制氫技術還有堿性水電解、固體氧化物水電解兩種。
“水電解制氫實際上并不是一個新鮮的技術，而是一個成熟了幾十年的技術。最早來源于航天領域，用于給宇航員制氧，產生了氫氣這樣的副產品?！鄙鲜鰵淠軐＜艺f，“目前的水電解技術路線中，堿水電解和質子交換膜技術應用最多。其中堿水電解更加成熟、成本更低。但是在安全和品質上還存在問題，產量、效率也有限。質子交換膜技術更簡單，理論上效率更高，但是成本也更高，部分關鍵設備還需要進口?！?
看起來制氫技術的發(fā)展遭遇了和當年太陽能發(fā)電類似的境況：多種技術路線并存的情況下，是選擇當下低成本的技術通過大規(guī)模產業(yè)化降低成本，還是押注高成本而更具技術含量的技術？對于這個問題，西門子能源的思考結合了現實性和前瞻性?！百|子交換膜制氫是我們研發(fā)的重點之一?！壁w作智說，“質子交換膜水電解槽的啟停非常靈活，可以成為電網調節(jié)負荷的重要參與者。這一點已經在西門子能源位于法蘭克福的制氫項目中進行了實踐。這種特性也讓質子交換膜技術能夠很好地與可再生能源發(fā)電的波動性相耦合，從而降低用電成本。從氫能應用的角度來說，質子交換膜制氫也可以與下游的氫燃料電池應用實現技術上的互通，更具競爭力。”但他同時強調，西門子能源對于制氫技術路線的選擇不僅僅考慮制作綠氫本身，在不同的場景，結合不同的國情，需要不同的技術路線。
相比于西門子能源對未來技術進步和創(chuàng)新的期待，國內的光伏企業(yè)或許更加“謹慎”。王英歌告訴《能源》雜志記者，隆基選擇產業(yè)化的制氫路線依然是目前更加成熟的堿水電解制氫?！皬男詢r比的角度來說，堿水電解制氫更符合大規(guī)模可再生能源制氫的應用。隆基會更加注重技術是否適應當前的產業(yè)化發(fā)展。”但同時王英歌也強調，隆基對于其他的電解水技術也在進行關注和研究?！霸诋a業(yè)化的同時，保持對新技術研究與創(chuàng)新的領先，這是隆基的一貫作風。一旦新技術成熟，我們就會立刻將其產業(yè)化?！?
陽光電源也表示正在同時推進堿水電解制氫技術和質子交換膜制氫技術的發(fā)展?！暗莾烧叩亩ㄎ煌耆煌?，前者是立馬可以做到的，后者是基于未來3到5年需求的發(fā)展?！狈絺フf。
而將多種技術路線齊頭并進做到極致的，或許就是協鑫了。在2021年6月的SNEC大會上，協鑫集團與西門子中國、東芝中國、中船派瑞氫能科技、國家電投北京綠氫科技公司正式牽手，締結氫能源戰(zhàn)略合作伙伴關系。這其中西門子能源押注質子交換膜制氫技術，東芝在水電解的研究上正積極推進固體氧化物電解池的研發(fā)。中船派瑞氫能科技公司是中國船舶重工集團第718研究所（以下簡稱718所）的子公司，而718所正式國內主要研究水電解氫的機構，掌握著成熟的堿水電解技術。
在采訪中《能源》雜志記者發(fā)現，所有的企業(yè)對于綠氫制造技術未來發(fā)展的預判幾乎都借鑒了光伏成本下降的路徑：技術創(chuàng)新與大規(guī)模產業(yè)化讓成本得以快速下降。從宏觀的角度來看，這并沒有問題。但對于綠氫的制造成本，也必須有更為細致的分析。
“目前綠氫項目的固定成本中，有三分之一屬于工程、項目管理、風險成本，這部分成本與選擇哪一種技術路線沒有關系。”趙作智告訴《能源》雜志記者說，“剩余三分之二的硬件成本中，對于堿水電解的技術路線，大約四分之一屬于電解槽的成本。也就是說整體固定成本中只有大約16%~17%由技術路線來決定。相對來說，目前質子交換膜的硬件成本則達40%到50%，但隨著技術研發(fā)與進步，未來有巨大的成本降幅空間。此外，電解水制氫還有大量的變動成本，也就是電價?！?
所以實際上綠氫的制造成本必須要綜合考慮電解槽成本、電價和運行時間三個重要的因素。
這樣看起來，國內蜂擁而上的光伏企業(yè)制氫似乎存在了邏輯上的問題：雖然光伏發(fā)電的成本幾乎可以降到最低，但考慮到光伏發(fā)電只有1000多小時的利用小時數，似乎光伏制氫在成本上存在很大問題。再加上光資源豐富的西北地區(qū)水資源緊缺，似乎同時包含了海水資源、風電資源和東部發(fā)達地區(qū)條件的海上風電制氫更具潛力。
事實果真如此么？綠氫的發(fā)展還存在著哪些我們沒有發(fā)現的隱形限制呢？
有限制的解決方案
從數據上看，中國可再生能源制氫的潛力無疑是巨大的。2020年全國棄風電量166.1億千瓦時，棄光電量52.6億千瓦時，主要河流棄水電量301億千瓦時。
但是中國風資源、光資源和水電資源分布都呈現出極強的地域特征。西北地區(qū)風光資源豐富且開發(fā)潛力巨大，但水資源相對較少。西南地區(qū)水資源和水電資源都十分豐富，看起來適合發(fā)展電解水。但西南地區(qū)經濟發(fā)展程度較低，人口密度相對較少。缺乏廣泛的氫能應用市場。東南沿海地區(qū)海上風電資源、水源充足，并且工業(yè)門類齊全、城市密集，同時具備綠氫的制造和應用潛力。
“但是目前海上風電成本下降的幅度不僅低于陸上風電，更遠低于光伏。”上述業(yè)內人士說，“再加上氫氣或者電力的運輸成本、海水淡化成本，目前的海上風電制氫幾乎沒有經濟上的競爭力?！?
西北地區(qū)雖然看起來風光利用小時數少、經濟欠發(fā)達、氫能需求不足，并不是完美的綠氫發(fā)展區(qū)域。但在綠氫的起步階段，西北地區(qū)依然吸引了大量的企業(yè)進入。
“寧夏的寧東、河北的張家口、內蒙的鄂爾多斯、陜西的榆林，這些都是西北地區(qū)氫能發(fā)展火熱的地方?！狈絺フf，“這其中有三個煤化工基地，具備絕佳的消納條件?！?
在現代煤化工的生產工藝流程中，氫不僅僅是重要的產品，更是重要的化工原料。在“3060雙碳目標”的嚴苛要求之下，煤化工如何實現生產過程的低碳乃至脫碳，是西北煤化工基地必須要解決的問題。這也為西北地區(qū)綠氫的發(fā)展提供了市場潛力。
對于光伏發(fā)電小時數較低的問題，光伏企業(yè)則正在通過風光儲結合等方式來解決?！澳壳爸茪溥€是要使用一部分網電。但使用網電制氫在電力系統(tǒng)脫碳之前沒有解決制氫的碳排放問題。”王英歌說，“目前來看風光儲結合的可再生能源制氫是主流的制造綠氫方向。”
而水資源的制約對于綠氫來說也是有限的。制造綠氫的水消耗主要分為綠氫的生產環(huán)節(jié)和綠電的生產環(huán)節(jié)。氫生產而言，電解水的最小消耗大約是9千克水/千克氫氣。考慮到水的脫礦過程，這一比例大約為18~24千克水/千克氫氣。而上游的綠電用水更少，光伏發(fā)電的用水量在2.4~19千克水/千克氫氣（50~400L/MWh）之間變化，風力發(fā)電的用水量在0.2~2.1千克水/千克氫氣（5~45L/MWh）之間?？傮w來講，利用光伏發(fā)電和風力發(fā)電產生氫氣的總耗水量平均為32kg千克水/千克氫氣和22千克水/千克氫氣。
“實際上從化學上來說，不管是煤制氫、天然氣制氫還是電解水制氫，都是將氫元素與氧元素進行結合?！鄙鲜鲋茪鋵＜艺f，“反而是電解水的耗水是最少的。水對于綠氫制造的約束性沒有那么強?！?
對于涉足綠氫的企業(yè)來說，電價還是最大的限制性因素?！霸谒杏绊懗杀镜囊蛩刂校妰r是第一位的。第二就是設備的運行小時數?！壁w作智說。
盡管綠氫在水資源相對貧瘠的西北地區(qū)也可以發(fā)展，但這依然無法掩蓋綠氫發(fā)展過程中受到多種條件限制的現實。當下的光伏企業(yè)選擇西北地區(qū)也是看中龐大的煤化工作為消納市場。除了制氫，氫的儲運、加注成本也在全口徑成本中占據了重要部分。
“目前氫氣通過管道運輸還存在技術上的難題?！眹鴥纫患覛錃膺\輸設備制造商負責人對《能源》雜志記者說，“除非對現有天然氣管道進行大規(guī)模的改造，否則管輸氫氣很可能存在較大隱患。而用罐車運輸氫氣，較為經濟的輻射半徑大概在以氫氣制造為中心的500公里范圍內?！?
顯然，對于當下有關氫氣成為未來“終極能源解決方案”的看法，更多只是側面反應出當下氫能市場的火熱。對于真正踏足綠氫制造的企業(yè)來說，它們不約而同的選擇了將氫氣作為低碳電力在未來能源體系中的補充?！懊撎嫉碾娏ο到y(tǒng)始終是能源產業(yè)碳中和的首選和最主要目標，使用綠氫更多地是為了補全能源系統(tǒng)中無法進行電氣化的部分。讓整個能源產業(yè)的碳中和完整地實現。”
然而任何一項新技術從出現、興起到最終的產業(yè)化和規(guī)模化都要經歷一番艱難的波折。綠氫恐怕也難以逃脫這一循環(huán)。
未來的考驗
中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）在制氫與燃料電池技術技術方面在國內處于領先地位。近一兩年來，大連物化所可以說是門庭若市?！拔覀兘哟撕芏嗪芏嗟钠髽I(yè)?！贝筮B化物所的一位專家說，“到最后我都會提醒企業(yè)，綠氫是很好的技術方向，但是它要實現產業(yè)化還有很大的難度，很長的時間?！?
每一個企業(yè)都想當先行者，但是沒有一家企業(yè)想做先烈。然而，一個產業(yè)從無到有、從默默無聞到長成參天大樹，總會有人犧牲。中國光伏產業(yè)過去十幾年的降本過程中，無數曾經顯赫一時的明星企業(yè)都是“眼見他高樓起，又眼見他樓塌了”。
“即便是企業(yè)沒有成為行業(yè)發(fā)展過程中的“先烈”，綠氫行業(yè)未來不可預期的大量投入—包括時間投入和資本投入—都需要企業(yè)有充足的的思想準備?！?
據大連化物所專家介紹，現在的電解水成本正在進入成本劇烈下降的階段?！坝糜趯嶒灥?兆瓦設備成本近期就下降了三分之一左右。如果是規(guī)?；a，成本還能更低?！钡鎸覛浜退{氫，綠氫依然缺乏經濟上的競爭力。
現階段綠氫最大的優(yōu)勢是零碳排放，但碳排放偏偏對用戶缺乏經濟性約束?！艾F在單純讓綠氫和煤制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產品制氫相比，成本還是相對較高的。”王英歌說，“未來中國各地區(qū)會有更強的碳排放約束，以及逐漸完善的覆蓋全行業(yè)的碳市場。歐洲的碳價已經達到每噸50歐元，中國未來的碳價是可以預見會上漲。這些因素都會增加化石能源制氫的成本，有利于綠氫的發(fā)展。”
在光伏產業(yè)發(fā)展的過程中，國家補貼發(fā)揮了巨大作用。綠氫有可能會延續(xù)這一發(fā)展路徑么？對于這一問題，光伏企業(yè)普遍表達了對于綠氫直接補貼的期待。不過它們同時也表示，補貼并不應該成為企業(yè)生存的基礎?！皬墓夥慕涷瀬砜?，如果依靠補貼解決企業(yè)生存問題也是不正確的?！狈絺フf，“國家補貼證明了產業(yè)發(fā)展的方向和趨勢沒有錯，表明了國家對這個行業(yè)的支持。最終還是要依靠企業(yè)自身的投入和創(chuàng)新才能實現行業(yè)的健康發(fā)展?！?
對于補貼，有專家預測國家可能會更加傾向于支持氫能的用能端，而且不再過多地使用直接補貼?！袄绮糠殖鞘谐雠_對于氫燃料汽車的支持政策或者是其他使用綠氫工業(yè)項目可以得到其他政策。”上述大連化物所專家說，“從技術角度來看，我們已經應用到了元素周期表的第一個元素。在目前的人類認知下，可能幾乎無法找到更清潔的能源。從這個角度來說，把氫能稱為終極能源也不算過分?！?
這個“終極能源”未來會又怎樣的發(fā)展空間呢？當《能源》雜志記者問出對“十四五”綠氫產能規(guī)模預測這一問題的時候，所有的企業(yè)專家都表示很難預判。而最大的阻礙就是氫能“十四五”規(guī)劃的未知。也許只有當未來5年政策導向這只“靴子”真正落地，我們才能夠更加看清楚綠氫未來的發(fā)展方向與路徑。
