氢能源作为一种绿色、高效的二次能源,具有热值较高、储量丰富、来源多样、应用广泛、利用形式多等特点,是实现能源转型升级的重要助力。随着氢能源产业的兴起,全球迎来“氢能社会”发展热潮,各国家和地区均出台相应政策,将发展氢能源产业提升到国家能源战略高度。
1 氢能源行业国内外发展概况
随着应对气候变化压力增大、能源低碳转型加速,氢能源以其清洁、高效和应用场景丰富的优势备受世界瞩目。氢能源是实现碳中和战略的关键能源,当前已有多个国家制定了氢能源发展路线图。欧美等国家和地区通过战略引领、路线规划、产业支持政策以及持续投资,在氢能源产业发展上取得了实质性进展。我国已将氢能源产业作为战略性新兴产业,从鼓励创新与投资、奖励与优惠等多方面颁布了多个支持政策,各级地方政府与企业积极开展产业布局和项目建设。
1.1 国外氢能源产业化发展的形势
美国、俄罗斯、日本、欧盟等多个国家和地区都开展了氢能源战略布局。美国重视氢能源产业技术优势的建立和前瞻技术的研发,发布了《美国氢能经济路线图——减排及驱动氢能在全美实现增长》,在氢能源经济的迅速兴起和发展进程中,不断壮大相关产业活动;俄罗斯新版《2035年能源战略草案》明确将氢能源作为能源行业战略重点,目标是通过扩大氢气产能到2035年成为全球重要的氢能源经济国家。俄罗斯联邦能源部公布本国第一份氢能源战略发展路线图,提出2024年前在俄境内建立一个完全由传统能源企业主导的、涉及上下游的氢能源产业链;日本高度重视氢能源产业发展,致力于构建氢能源社会和氢经济,明确提出将氢能源社会纳入国家发展战略。先后制定发布了《氢能源基本战略》和《氢能/燃料电池战略发展路线图》,规划实现氢能社会战略的技术路线;欧盟将氢能源作为能源转型和低碳发展的重要保障,加大了氢能产业的推进步伐,推出《气候中性的欧洲氢能战略》,宣布建立欧盟氢能产业联盟,将绿氢作为未来氢能源发展重点,大力促进氢能源特别是可再生能源制氢产业的发展以及氢能源的广泛应用。
各国除了明确了氢能源产业发展战略,还制定了一系列产业支持政策,还不断完善氢能源产业政策体系。
1.2 国内氢能产业化发展的形势
我国是全球最大的氢生产国,丰富的资源为发展氢能源产业奠定了物质基础。自2011年以来,我国持续出台支持氢能源产业发展的政策,从战略定位、产业结构、科技创新、财政金融等多个方面相继发布了一系列支持政策,引导鼓励氢能源产业发展。《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》首次提出我国氢能源产业的发展路线图,制定了我国在氢能源领域基础设施和燃料电池汽车的发展目标;2019年,加强氢能基础设施建设写进了《政府工作报告》,明确提出“推动充电、加氢等设施建设”,国内氢能产业迎来发展良机。《中国制造2025》明确提出燃料电池汽车发展规划,将发展氢燃料电池提升到了战略高度[1]。2020年,国家发改委提请十三届全国人大三次会议审查的《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》中明确指出制定国家氢能源产业发展战略规划,这是氢能源首次被写入年度国民经济和社会发展计划。2020年4月,在《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》中,首次将“氢能”纳入能源范畴。氢能产业作为国家战略性新兴产业,正迎来政策性利好的发展机遇。
近年来,我国氢能产业发展如火如荼,各省市相继出台了多元化跟进政策并示范实施,结合产业链特点和各自的优势,提出了各自的发展重点。目前,我国已初步形成京津冀、长三角、珠三角、山东半岛及中部地区等氢能源产业集群和示范应用。随着我国氢能及燃料电池汽车产业的不断发展,我国氢能源产业政策导向及产业定位逐渐明朗。2019年10月召开的国家能源委员会会议指出,探索先进储能、氢能等商业化路径。2020年,国家能源局发布关于《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》首次将“氢能”纳入能源范畴;近日,财政部下发燃料电池汽车推广意见征求稿,决定以奖励替代补贴的形势支持燃料电池汽车的推广和示范。
2 氢能源行业产业链
氢能源产业链是涵盖氢气制备、储存、运输、加注、燃料电池到终端应用的庞大产业链。产业链整体具有技术含量高、投入大、产出慢、市场化程度高、政策依赖性强等特点。近年来,我国氢能源产业链在技术和基础设施方面都初具规模,但是国外相比还有一定的差距。
2.1 氢能源产业链上游
氢能源产业链上游为制氢环节,包含氢气制取(见图1)(主要技术方式包括化石燃料制氢、工业副制氢、高温分解制氢、电解水制氢以及其他工艺制氢)、氢气纯化等环节[2]。氢气制取方式的不同会极大影响制氢成本,主要的影响因素包括制氢设备、规模和原料成本等。目前,我国超过95%的氢气生产主要依靠化石燃料制氢。化石燃料制氢工艺成熟,原料价格较低,适合大规模制氢,但是碳排放和常规污染物排放量大,不符合清洁低碳的绿色氢能要求。工业副制氢成本低,技术比较成熟,但是受制于原料供应,建设地点受到约束。高温分解制氢污染少、产氢纯度高,但是能耗和成本较高。电解水制氢是各类制氢方式中中碳排放最低的工艺,尤其是可再生能源电解水制氢呈现快速发展态势,是未来能源产业的发展方向。其他工艺制氢,包括生物质制氢和核能制氢等新型制氢技术,目前尚处于研发示范阶段,制氢成本受实际生产条件影响大。
氢气纯化是指利用物理或化学的方法,除去氢气中的杂质。由于自然界中的氢总是以化合物的形式存在,因此在制氢时就会带有杂质。氢气中有杂质,就带来了安全隐患,容易发生爆炸,这就要求对氢气原料进行纯化。常用的氢气纯化技术有膜分离法、低温分离法、变压吸附法、金属氢化物法、催化脱氧法等。通过各类氢气纯化技术,可以制取高纯氢和超纯氢,满足工业上对各种高纯氢的需求。
图1 氢气制取方式
2.2 氢能源产业链中游
氢能源产业链的中游就是储运环节。由于制氢与用氢不在同一地点,必然需要储存和运输。在实际工业应用中,氢能的储存、运输系统要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷,因此氢能的储运技术是实现氢能源产业大规模发展的重要环节之一。
氢气储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机氢化物储氢和固态储氢[3-7]。高压气态储氢是最常见的储氢方式,氢气的密度小,需用1.5 MPa以上的高压才可用特制的钢瓶贮存;低温液态储氢是指在标准大气压下,将氢气降温至零下252.72摄氏度变为液体,然后保存在特制的高度真空的绝热容器中,目前主要应用在航空航天领域;有机氢化物储氢,储氢密度高,但脱氢温度也高,尚未应用在工业领域。固态储氢一般是用金属合金储氢,储氢密度大,成本低,安全性稳定性高,但是技术尚未成熟,目前还停留在实验室阶段。
氢气运输方式主要有气氢拖车、液氢罐车以及气氢管道运输。气氢拖车运输技术成熟,是国内最普遍的运氢方式,但运输效率低,适用于小规模的短途运输。气氢管道运输输送量大,供应可靠性高,是实现长距离大规模运输氢的重要环节,我国正处于起步阶段,目前氢气管网仅有300-400公里。相对于气氢储运,液氢储运最大的优势在于其运输的氢能密度高、运输周期短,是一种极为理想和有效的储存、运输方式,是未来氢储运的重要方向。但同时也存在一些不足:氢气液化过程将消耗大量的外部能量,储存液氢的容器为特制液氢罐,增加了液氢储运容器的结构复杂性与加工成本。目前,国内液氢技术和装备能力发展相对落后,液化设备依赖进口,与国外技术差距明显。
2.3 氢能源产业链下游
氢能源产业链下游为加氢及氢的综合应用,涉及到加氢站建设以及交通、工业、建筑等领域的应用。加氢站是氢燃料电池产业化、商业化的重要基础设施。截至2020年11月21日我国累计建成88座加氢站,其中已投入运营的有80座,另有50座正在建设当中,还有99座正在规划中。氢燃料电池是整个产业链的核心技术和制高点,它是由燃料电堆及辅助系统构成,燃料电堆是核心,包括质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板。降低燃料电堆成本的关键在于核心组件膜电极的技术突破。国内外企业纷纷开展技术攻关和产业化发展,竞争激烈,未来需求量大,需要与氢燃料电池汽车等动力装置配套发展。目前我国氢燃料电池系统集成技术比较成熟,但距国际先进水平还有一定差距。在交通领域,氢燃料电池汽车属于氢能源产业链的终端应用,相比传统燃油汽车,具有无污染、无噪声、无传动部件的优势;相比电动汽车,具有高续航、加注时间短的优势,发展前景广阔。我国出台的《国家创新驱动发展战略纲要》等重要文件中,明确提及要大力发展氢燃料汽车。未来随着技术进步以及规模效应带来的成本下降,氢燃料电池汽车产业将快速发展。
除此之外,氢能源除了作为移动能源外,还可以用于固定能源,作为建筑、社区等的供能载体和备用能源;还可以用于氢冶金、汽油精炼工艺、玻璃磨光、黄金焊接等多个领域,扩大低碳氢的工业应用范围。
3 氢能源产业发展前景
从中长期看,由于氢能源独特的优势、能源转型的大趋势以及掌握核心技术、替代进口的战略需求,我国的氢能源产业具有非常大的发展空间。中国氢能联盟2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预计,到2030年,我国氢气需求量将达到3500万吨,在终端能源消费中占比5%,燃料电池商用车销量将达到36万辆;到2050年,氢能源将在我国终端能源消费中占比至少达到10%,氢气需求量接近6000万吨,可减排CO2约7亿吨,其中交通运输领域用氢约2500万吨,约占该领域用能的20%。氢能源产业具有极为广阔的发展前景,对我国实现碳达峰、碳中和目标具有极重要的战略价值。
