中國儲能網(wǎng)訊中國制氫工業(yè)基礎(chǔ)良好：從化石能源到新能源制氫的過渡路徑清晰
01
中國工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量充足
中國當前化工工業(yè)基礎(chǔ)具有強大和廣泛的制氫基礎(chǔ)，2015年國內(nèi)副產(chǎn)氫（by-product production）的商用剩余量約為38萬噸/年（圖1），是190萬輛燃料電池車一年的燃料使用量（按每輛車年行駛兩萬公里計算）。
中國另有198萬噸/年的潛在專業(yè)制氫 (captive production) 產(chǎn)能可做后續(xù)氫源供應(yīng)。不考慮物流運輸問題，上述約240萬噸氫源供應(yīng)都無需新增資本投入。
所以，在中國氫能經(jīng)濟發(fā)展的初期階段，中國工業(yè)制氫基礎(chǔ)有能力提供充足且廉價氫氣資源。
中國工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能示意圖
02
煤制氫加碳捕捉技術(shù)將成為主流制氫路線
中國煤炭資源豐富且相對廉價，故將來煤制氫很有可能成為中國規(guī)模化制氫的主要途徑。但煤制氫工藝過程二氧化碳排放水平高，所以需要引入二氧化碳捕捉技術(shù)(Carbon Capture and Storage, CCS)，以降低碳排放。
目前二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）主要應(yīng)用于火電和化工生產(chǎn)中，其工藝過程涉及三個步驟：二氧化碳的捕捉和分離，二氧化碳的輸送，以及二氧化碳的封存（圖2）。
據(jù)美國環(huán)境保護局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）的應(yīng)用可以減少火電廠80%-90%的二氧化碳排放量。
二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）在國際上早已被深入研究和實踐。2014年加拿大建成了世界上首個商業(yè)化的二氧化碳捕捉項目—邊界大壩火電廠。該項目在火電廠的基礎(chǔ)上整合了二氧化碳捕捉裝置，降低了發(fā)電過程中的碳排放量。
而國內(nèi)的神華集團也早在2009年就在鄂爾多斯建設(shè)二氧化碳捕集和封存項目，近期神華集團已經(jīng)在鄂爾多斯成功示范30萬噸二氧化碳封存技術(shù)。
隨著二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）的逐步成熟，煤制氫加二氧化碳捕捉技術(shù)的制氫工藝路線也會日益清晰，將為中國氫能經(jīng)濟中長期發(fā)展提供充足的氫氣資源。
二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）示意圖
03
可再生能源制氫將實現(xiàn)能源的清潔生產(chǎn)與利用
國家能源局發(fā)布的《2015年度全國可再生能源電力發(fā)展監(jiān)測評價報告》顯示，2015年我國棄風電量339億千瓦時（圖3），同比增加213億千瓦時，甘肅、新疆和吉林的棄風率均超過30%；西北地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴重的棄光現(xiàn)象（圖4），甘肅棄光電量26億千瓦時、棄光率31%，新疆棄光電量18億千瓦時、棄光率26%。
西南地區(qū)棄水現(xiàn)象也同樣嚴重，四川棄水電量達到102億千瓦時，云南棄水電量152.6億千瓦時。
據(jù)此推算，2015年我國至少有642億千萬時的可再生能源沒有利用。如這些可再生能源用來電解制氫，則可以制備160.5億立方米的氫氣（按照制備每立方米氫氣耗費4度電來計算）。
2015年全國風電限制出力（停機）情況
2015年全國光伏發(fā)電限制出力（停機）情況
目前棄光、棄風和棄水發(fā)電的成本價格為0.15元/度，據(jù)此計算出的電解水制氫成本為1.5元/立方米，這已經(jīng)遠低于利用上網(wǎng)電電解水制氫的成本，且與化石燃料（煤、焦炭和天然氣）制氫的成本上限接近（表1）。
所以，未來氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游儲運等環(huán)節(jié)一旦取得突破，新能源支持的大規(guī)模電解水制氫的市場份額將出現(xiàn)增長，氫能成本也會進一步降低。
制氫成本對比
氫能在能源市場的多種應(yīng)用場景將降低氫能的整體使用成本
目前市場對氫能使用存在一個明顯的誤區(qū)，即將氫能的應(yīng)用范圍局限于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域這一單一應(yīng)用場景，由此而擔憂氫能基礎(chǔ)設(shè)施投入開銷巨大，且使用成本高昂。
事實上，氫能作為儲能介質(zhì)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個領(lǐng)域，促使能源供應(yīng)端融合，提升能源使用效率，其應(yīng)用模式可以抽象為以下三個方面：
01
電能到電能的轉(zhuǎn)換
電解制氫實現(xiàn)電能向氫能的轉(zhuǎn)化，必要時氫能可通過燃料電池再次轉(zhuǎn)化為電能。
02
電能到燃氣的轉(zhuǎn)換
電解制氫后，將氫氣直接混入天然氣管道，或者合成甲烷后混入天然氣管道；混合天然氣在終端作為燃料提供熱能。
03
電能到燃料的轉(zhuǎn)換
電解制氫后，氫氣作為燃料電池車的燃料，為汽車提供動力。
而氫能作為能源載體的具體應(yīng)用模式涉及新能源制氫補充發(fā)電、燃料電池汽車、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。
所以氫能的應(yīng)用場景具有很強的多樣性，如未來能夠形成電力、供熱和燃料相互交叉的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，將大幅降低其使用成本。
氫能作為儲能介質(zhì)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個領(lǐng)域
應(yīng)用一：傳統(tǒng)石油化工生產(chǎn)的原材料
中國目前年產(chǎn)氫氣2000萬噸，其中50%用于石油和煤化工領(lǐng)域，45%用于合成氨。所以中國對于氫氣的應(yīng)用主要集中在石化生產(chǎn)領(lǐng)域，即氫氣的傳統(tǒng)使用領(lǐng)域（表2）。
在這些生產(chǎn)過程中，氫氣是直接參與反應(yīng)的原材料。相對于傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，氫能在新能源方面的應(yīng)用份額很低，說明中國氫能經(jīng)濟的發(fā)展還處于萌芽階段。
氫氣的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
應(yīng)用二：氫能可實現(xiàn)再生能源補充發(fā)電
近幾年，以德國為首的西歐國家正嘗試探索風電、太陽能電解制氫，并用天然氣管道輸送氫氣或氫氣制甲烷的氫能發(fā)展模式，即電轉(zhuǎn)氣（power to gas, P2G）模式（圖6）。
電轉(zhuǎn)氣（P2G）模式的第一步是利用風能和太陽能等可再生能源產(chǎn)生的電能電解水制取氫氣。
第二步是氫氣與二氧化碳反應(yīng)制備甲烷，再通過天然氣管道與天然氣混合儲存運輸；或者直接將制得的氫氣與天然氣按一定比例混合后，再通過天然氣管道進行儲存運輸。
截至2016年1月，歐洲地區(qū)已經(jīng)建成了50個電轉(zhuǎn)氣（P2G）示范項目。
電轉(zhuǎn)氣（Powerto Gas）概念圖解
歐洲電轉(zhuǎn)氣（Powerto Gas）示范項目建設(shè)情況
目前中國主要城市的天然氣管道建設(shè)已經(jīng)較為完備，具有發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）的初步基礎(chǔ)。中國發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）具有多重重大意義。
一是通過發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）可實現(xiàn)可再生能源補充發(fā)電。目前風能和太陽能等可再生能源發(fā)電的難點在于發(fā)電的波動性。波動的可再生能源使發(fā)電高峰和用電高峰產(chǎn)生錯配，造成并網(wǎng)困難。
但如果波動的可再生能源先轉(zhuǎn)化成氫能儲存起來，在用電高峰時，再轉(zhuǎn)化為電能，就可實現(xiàn)可再生能源補充發(fā)電。
二是降低氫能的儲運成本。目前氫氣主要通過高壓壓縮和液化等方式儲存和運輸，儲運費用占氫氣售價的40%至70%。儲運費用過高成為阻礙氫能推廣的一個重要原因。
如果通過現(xiàn)有天然氣管道輸送氫氣，則輸送壓力較低，且能夠連續(xù)供氣，所以氫氣的儲運成本可以大幅降低。
三是電轉(zhuǎn)氣（P2G）的應(yīng)用能夠提高可再生能源在中國能源消費中的占比，減少化石燃料的使用，有助于減少污染和碳排放。
應(yīng)用三：以氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)可提高能源利用率
氫能不但能夠?qū)崿F(xiàn)前文所述的并網(wǎng)發(fā)電，還因其儲運的機動性，可以依托氫燃料電池技術(shù)，建立分布式能源網(wǎng)絡(luò)，做到區(qū)域或城市電力、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng)。
燃料電池自身的能源轉(zhuǎn)化效率高，且分布式能源系統(tǒng)的能源輸送距離短，以氫燃料電池為核心的能源網(wǎng)絡(luò)的能源利用率明顯高于傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)。
分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)示意圖
日本東京天然氣公司和松下公司聯(lián)合研發(fā)的家庭分布式能源系統(tǒng)Ene-Farm已經(jīng)在日本成功推廣。
該系統(tǒng)的燃料電池以天然氣管道輸送的氫氣為燃料，發(fā)電和用電地點相同，且發(fā)電產(chǎn)生的熱量也被用來供熱。整個系統(tǒng)的能源利用效率高達95%，而傳統(tǒng)天然氣發(fā)電加鍋爐供熱的能源效率僅有68.7%（圖10）。
根據(jù)東京天然氣公司和松下公司公布的數(shù)據(jù)，Ene-Farm可以減少37%的一次能源使用量和49%的二氧化碳排放量。
氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電效率約為60% 僅低于水利發(fā)電效率
分布式的燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)，將使得整體能源轉(zhuǎn)化效率大幅提高
應(yīng)用四：燃料電池客車或成為中國氫燃料電池汽車發(fā)展的突破口
國外汽車生產(chǎn)廠商經(jīng)過多年技術(shù)積累，已經(jīng)為燃料電池車的商業(yè)化打下了良好基礎(chǔ)。配合靈活的銷售方案，包括美國、德國、丹麥、英國在內(nèi)的國家的燃料電池汽車，正在從概念車逐步向商業(yè)化生產(chǎn)過渡。
目前豐田Mirai、現(xiàn)代iX35以及本田Clarity燃料電池汽車已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
傳統(tǒng)車企的燃料電池發(fā)展路徑
而燃料電池的研發(fā)和技術(shù)進步速度也在加快，預(yù)計未來2-3年內(nèi)，會有多輛概念車型步入商業(yè)化。
燃料電池汽車性能在逐步提高
而燃料電池客車因技術(shù)門檻相對較低、具有良好的宣傳推廣效應(yīng)、以及加氫站布局存在優(yōu)勢的原因，有可能成為中國燃料電池汽車發(fā)展的突破口。
2015年中國燃料電池客車的訂單數(shù)量出現(xiàn)了明顯增長。
2015年4月，宇通與北京億華通公司簽訂了100輛燃料電池客車合作意向書；5月福田汽車接到了有車（北京）新能源汽車租賃有限公司購買100輛歐輝氫燃料電池電動客車的訂單，采用北京億華通第三代氫燃料電池發(fā)動機動力系統(tǒng)；6月佛山飛馳宣布簽署了28輛燃料電池客車訂單，北京億華通提供氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)集成。
國內(nèi)外燃料電池客車性能對比
氫能在中國能源市場的突破點在于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，政府的扶持和明晰規(guī)劃是關(guān)鍵
基礎(chǔ)建設(shè)是發(fā)展氫能經(jīng)濟的突破口，而政府補貼和明晰的發(fā)展規(guī)劃是關(guān)鍵不同于其他新能源，氫能經(jīng)濟的中間環(huán)節(jié)至關(guān)重要。
以加氫站為例，其前期投資巨大，單個產(chǎn)業(yè)和個體企業(yè)無法獨立承擔。據(jù)IEA的估計，加氫站的累計現(xiàn)金流在加氫站運營后的10-15年都處于負值。
為了確保氫能經(jīng)濟在發(fā)展初期能夠順利開展，德國和日本的政府部門都為氫能經(jīng)濟制定了清晰、周密的發(fā)展方針，并提供全面的政策及資金支持。
而目前中國政府對氫能經(jīng)濟的補貼主要集中在加氫站建設(shè)和燃料電池車的銷售環(huán)節(jié)：
a. 每建設(shè)一個加氫站的國家補貼為400萬元；
b. 每銷售一輛燃料電池商用車最高可獲得50萬元的地方補貼和50萬元的國家補貼。
如沒有政府支持，加氫站累計現(xiàn)金流長期處于負區(qū)間
德國模式：自上而下
德國氫能經(jīng)濟走的是一條由上至下的發(fā)展道路。首先重點發(fā)展P2G模式，以期盡快為下游氫能應(yīng)用提供便捷的基礎(chǔ)設(shè)施，進而激活下游應(yīng)用場景。在氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局方面，德國政府采取以核心城市為中心，并依托完備的天然氣管道系統(tǒng)逐步向外延擴展。
與此同時，德國政府和產(chǎn)業(yè)資本也積極推動氫能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和建設(shè)。德國政府牽頭成立了國家全資公司（National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology, NOW GmbH），以支持氫能經(jīng)濟的初期發(fā)展。該公司的管理層由德國聯(lián)通署、建筑與城市發(fā)展部等5個部門組成。
為推動氫能發(fā)展項目的實施，NOW啟動了NIP計劃（National Hydrogen and Fuel CellTechnology Innovation Program）。通過NIP計劃，共募集14億歐元的專項資金用于2007年至2016年的氫能項目開發(fā)。
募集資金中的7億歐元由德國政府出資，剩余資金則按項目合作制度由產(chǎn)業(yè)提供。除此而外，由AirLiquide，Daimler，Linde，OMV，Shell 和 Total六家氫能產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)結(jié)成了H2 Mobility 聯(lián)盟，以社會產(chǎn)業(yè)資本的身份通NOW一同支持德國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
德國其他氫能產(chǎn)業(yè)資本也全力支持氫能經(jīng)濟發(fā)展，目前有約300家上下游公司（包括汽車廠商和各類配件供應(yīng)商）準備投入超過20億歐元，用于推動氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
德國有遍及全國的天然氣管道發(fā)展P2G有天然的優(yōu)勢
德國首先在人口密度高的地區(qū)建設(shè)氫能的基礎(chǔ)設(shè)施并逐步向外延拓展
NOW領(lǐng)頭的德國氫能經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃
日本模式：自下而上
因能源匱乏，日本很早就將氫能經(jīng)濟視為未來國家能源的發(fā)展方向，并已持續(xù)推廣氫能經(jīng)濟多年。2014年6月日本通過了新的氫能發(fā)展政策，從更廣的維度加速推進氫能經(jīng)濟發(fā)展。該政策主要內(nèi)容包括以下幾點：
a. 明確了當前到2050年之間的氫能長期發(fā)展路線圖；
b. 推廣氫能發(fā)電，以及氫能在叉車和船舶方面的應(yīng)用；
c. 建立廉價的氫氣系統(tǒng)，促使氫能應(yīng)用多樣化，并于2020年初步構(gòu)建國際氫能供應(yīng)鏈；
d. 在日本奧運會上展示氫能經(jīng)濟成果。
從日本氫能經(jīng)濟三階段任務(wù)可以看出，其選擇的是自下而上的發(fā)展路徑。日本希望在前期著重普及氫能及燃料電池的下游應(yīng)用，并不斷拓展下游市場規(guī)模。
日本氫能經(jīng)濟路線圖
為了推進氫能經(jīng)濟的初期發(fā)展，2014年日本提供約46億日元的財政補貼資金，2015年則為89億日元。這些資金將用于補貼50%的加氫站建設(shè)成本。
在基礎(chǔ)設(shè)施布局方面，日本與德國一樣，首先在人口密集的區(qū)域建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。日本將前期的基礎(chǔ)設(shè)施建在車輛集中且可能首先商業(yè)化的城市，并將加氫站布局在四個核心地區(qū)之間的高速公路上。
日本對加氫站的補貼標準
日本的人口集中在，關(guān)東、名古屋、關(guān)西以及福岡地區(qū)
日本將加氫站重點建設(shè)在人口和車輛集中的地區(qū)
中國急需需要發(fā)展氫能
全國40%的汽車集中于東部地區(qū)，高水平的汽車保有量造成城市擁堵，加劇空氣污染。據(jù)OECD組織估算，中國大氣污染造成的死亡人數(shù)將長期高于全球平均水平，中國環(huán)境壓力已接近極限。
2015年中國汽車 保有量超過200萬輛的城市共有11個，其中東部沿海城市占7個
2016年2季度全國交通擁堵排名顯示，東部汽車保有量高的地區(qū)擁堵嚴重
在二氧化碳排放方面，中國作為《巴黎氣候變化協(xié)定》的締約國，承諾在2030年使二氧化碳排放達到峰值，并且將非化石能源在一次能源中的比重提升到20%。中國作為全球碳排放第一大國，加上以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，未來二氧化碳減排壓力巨大。
綜合上述因素，在條件成熟的情況下，中國東部發(fā)達地區(qū)將會率先開展氫能經(jīng)濟的發(fā)展建設(shè)。
中國東部地區(qū)整體PM2.5水平遠超國際標準（25微克/立方米）
中國大氣污染造成的死亡人數(shù)將長期高于全球其他地區(qū)，中國環(huán)境已接近極限
雖然中國氫能是否成為電力一樣廣泛適用的能源載體尚有很大的不確定性，但作為融合分布式能源供應(yīng)轉(zhuǎn)換、無污染和高效靈活的能源媒介，其市場潛力和未來貢獻卻是毋庸置疑的。
中國的環(huán)境壓力遠遠大于其他國家，同時中國現(xiàn)行體制又適合高效的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和政府推動的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在中國經(jīng)濟增速放緩，傳統(tǒng)經(jīng)濟投資發(fā)力的市場環(huán)境下，氫能經(jīng)濟在中國無疑具有天時地利與人和的優(yōu)勢，不可錯失良機。
