氫能起步，可以為電力做什么

習(xí)總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)提出了我國要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的宏偉目標(biāo)，隨后在聯(lián)合國生物多樣性峰會(huì)、第三屆巴黎和平論壇、氣候雄心峰會(huì)、領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)等多次國際會(huì)議上強(qiáng)調(diào)了這一目標(biāo)，并在國內(nèi)中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議等多次會(huì)議上提出了明確的要求。目前風(fēng)、光發(fā)電已經(jīng)被提到了新高度，根據(jù)預(yù)測，2060年我國風(fēng)電與光伏發(fā)電裝機(jī)比重將超過70%、發(fā)電量比重接近60%，但是風(fēng)光具有間歇性、波動(dòng)性以及隨機(jī)性，迫切需要靈活性資源與之協(xié)調(diào)。由于水電資源有限、核電資源受到選址制約、電化學(xué)儲(chǔ)能受到稀有金屬的限制、火電正在逐步退出，為此氫能在提供靈活性方面的作用被行業(yè)逐漸重視。目前越來越多的企業(yè)開始在氫能領(lǐng)域布局，包括中石油、中石化以及國家能源集團(tuán)等。國資委秘書長彭華崗2021年7月16日在國新辦新聞發(fā)布會(huì)上表示，目前超過三分之一的中央企業(yè)已經(jīng)在制氫、儲(chǔ)氫、加氫、用氫等環(huán)節(jié)開始布局，并取得了一批技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用的成果。實(shí)際上，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，經(jīng)濟(jì)性尚無法滿足大規(guī)模發(fā)展的需要。為加快市場培育，中央及地方政府陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)支持政策，但是目前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然存在很多制約。下一步，為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，應(yīng)明確氫能在能源系統(tǒng)(尤其是電力系統(tǒng))中的定位，逐步實(shí)現(xiàn)氫能從交通領(lǐng)域起步到電力領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，推行氫能與新能源一體化的發(fā)展模式，同時(shí)在技術(shù)方面應(yīng)加大創(chuàng)新力度，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行。

培育氫能技術(shù)的政策環(huán)境已經(jīng)初步具備

氫能是最具清潔特性的潛力能源，由于目前經(jīng)濟(jì)性能較差，但是政府有關(guān)部門仍將其作為儲(chǔ)備技術(shù)進(jìn)行研究培育。

首先，我國已經(jīng)將氫能作為未來能源技術(shù)的戰(zhàn)略性選擇，在能源戰(zhàn)略、科技創(chuàng)新等方面，高度支持氫能的發(fā)展。2017年，《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016-2030)》發(fā)布，提出要開展前沿性創(chuàng)新研究，加快研發(fā)氫能、石墨烯等技術(shù)。2019年，政府工作報(bào)告提出“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，氫能首次被寫入了政府工作報(bào)告。2020年《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》提出，能源是包含氫能等在內(nèi)的各種資源，這也是國家首次通過法律的形式將氫能納入能源體系進(jìn)行管理。2021年2月印發(fā)的《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》中提出“因地制宜發(fā)展水能、地?zé)崮?/strong>、海洋能、氫能、生物質(zhì)能、光熱發(fā)電”。2021年3月份，《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確，要前瞻謀劃未來產(chǎn)業(yè)，在量子信息、氫能與儲(chǔ)能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》也提出了氫能發(fā)展的相關(guān)措施。

圖1 主要政策文件

其次，在推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，應(yīng)用層面的政策主要是以發(fā)展燃料電池汽車為主。2020年9月份，財(cái)政部等五部委發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，開展燃料電池汽車示范應(yīng)用工作，將對(duì)燃料電池汽車的購置補(bǔ)貼政策調(diào)整為燃料電池汽車示范應(yīng)用支持政策，對(duì)符合條件的城市群開展燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎(jiǎng)勵(lì)。與其他新能源汽車普惠制不同的補(bǔ)貼方式，該政策采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的方式對(duì)示范應(yīng)用的城市群給予獎(jiǎng)勵(lì)，補(bǔ)貼范圍由全國調(diào)整為部分示范應(yīng)用的城市群。2020年11月，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)的通知》，提出突破氫燃料電池汽車應(yīng)用支撐技術(shù)等瓶頸，提升基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)核心零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料等研發(fā)能力。力爭經(jīng)過15年的持續(xù)努力，燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

最后，為貫徹落實(shí)國家關(guān)于支持氫能發(fā)展的相關(guān)要求，地方政府主要在燃料電池汽車方面布局。在國家政策的指引下，北京示范城市群、上海示范城市群、廣東示范城市群相繼獲批為首批氫燃料電池汽車示范群。各地陸續(xù)出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見、行動(dòng)規(guī)劃、實(shí)施方案等政策文件，主要是對(duì)氫燃料電池汽車運(yùn)營數(shù)量、加氫站建設(shè)數(shù)量、加氫能力等提出了明確的要求。從各地制定的“十四五”規(guī)劃綱要中，除了西藏之外所有省份均提出了支撐氫能發(fā)展的舉措，但是主要以支持氫能燃料電池汽車為主，在制氫與輸氫方面支持較少。

由于國內(nèi)的政策環(huán)境處于探索階段，目前缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)也較為緩慢。在規(guī)劃方面，受成本、技術(shù)等因素制約，目前在氫能產(chǎn)業(yè)鏈方面的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)并不是很充分。一方面地域之間互補(bǔ)性不足。國家雖然在多項(xiàng)文件提出了要支持氫能發(fā)展，但是迄今為止并未形成關(guān)于氫能發(fā)展的頂層文件，國家層面的統(tǒng)一規(guī)劃缺失，導(dǎo)致地方政府在研發(fā)布局等方面重復(fù)性過多，例如不少企業(yè)扎堆研究燃料電池。另一方面產(chǎn)業(yè)鏈之間協(xié)同性不充分。雖然新能源大省也在積極制定推廣風(fēng)電、光伏以及水電等制氫的相關(guān)措施，但是在運(yùn)輸、以及利用方面缺少銜接，也直接制約了可再生能源發(fā)電企業(yè)制氫的積極性。在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，我國氫能產(chǎn)業(yè)剛剛興起，部分技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)或示范階段，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)建設(shè)速度較慢。目前氫能依然按照危險(xiǎn)品進(jìn)行管控，作為能源利用的主管部門并未明確。另外，生產(chǎn)利用環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)不健全，新能源規(guī)?；茪洹⒒@區(qū)制氫應(yīng)用、加氫站、天然氣管道摻氫等方面的標(biāo)準(zhǔn)缺失。

制約氫能發(fā)展的關(guān)鍵因素

由于灰氫沒有減少溫室氣體排放，藍(lán)氫是在對(duì)灰氫脫除了二氧化碳，成本與二氧化碳捕集裝置有關(guān)，為此，隨著“雙碳”戰(zhàn)略的繼續(xù)實(shí)施，綠氫將成為主要的發(fā)展趨勢(shì)(以下主要對(duì)綠氫進(jìn)行討論)。但是受技術(shù)、政策等多重因素影響，綠氫的成本依然較高，發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

一是高成本使氫能“叫好不叫座”。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)電價(jià)為0.3元/千瓦時(shí)，制氫成本約32元/千克左右，遠(yuǎn)高于煤炭制氫成本(約14.5元/千克)。從全產(chǎn)業(yè)鏈成本看(具體見圖2)，運(yùn)輸與加氫成本占比仍然很大，運(yùn)輸距離為100公里以及200公里時(shí)，運(yùn)輸與加氫成本約占46%、51%。若氫能用于發(fā)電，按照50%的發(fā)電效率計(jì)算，當(dāng)氫能成本為58元/千克時(shí)，發(fā)電成本約為3元/千瓦時(shí)，相當(dāng)于天然氣發(fā)電成本的5倍;當(dāng)氫能成本為41元/千克時(shí)，發(fā)電成本約為2.2元/千瓦時(shí)，相當(dāng)于天然氣發(fā)電成本(0.58元/千瓦時(shí))的3.7倍;當(dāng)氫能成本降至9元/千克時(shí)，大約與天然氣發(fā)電成本相當(dāng)。若在新能源場站直接布置氫能發(fā)電設(shè)施，可省去運(yùn)輸與加注環(huán)節(jié)，成本可大幅降低。若進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與天然氣平價(jià)，則需要在制氫環(huán)節(jié)繼續(xù)大幅降低成本。

圖2 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈成本(元/kg)

二是技術(shù)水平是國內(nèi)制氫成本居高不下的主要原因。一是技術(shù)本身限制。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，以電解堿水制氫方式為例，制取1立方米氫氣，理論消耗電量約4千瓦時(shí)，目前技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4.5千瓦時(shí)，電能成本占據(jù)制氫成本的60%以上，由此可見傳統(tǒng)的電解堿水制氫成本下降幅度有限。二是先進(jìn)的制氫技術(shù)受制于人。質(zhì)子交換膜、固體氧化物技術(shù)可以彌補(bǔ)電解堿水制氫技術(shù)在能耗(效率)方面的缺陷，但是目前技術(shù)依然不成熟，關(guān)鍵設(shè)備依賴于國外，導(dǎo)致成本偏高。三是運(yùn)輸技術(shù)較為落后。提高儲(chǔ)氣壓力是降低運(yùn)輸成本的關(guān)鍵措施，目前我國氣態(tài)氫能存儲(chǔ)壓力低于國外，液態(tài)存儲(chǔ)也停留在實(shí)驗(yàn)階段。四是燃料電池關(guān)鍵零部件依然進(jìn)口。目前綠氫主要應(yīng)用途徑是燃料電池，但是我國在燃料電池催化劑、質(zhì)子交換膜等關(guān)鍵材料方面大都依賴進(jìn)口，而且國產(chǎn)的部分設(shè)備，例如氫能循環(huán)泵也與國外存在較大差距。

三是氫能作為?；饭芾磉M(jìn)一步增加了建設(shè)與運(yùn)營成本。首先是制氫成本。按照危化品管理方式，商業(yè)化制氫設(shè)施必須建設(shè)在工業(yè)園區(qū)內(nèi)，即制氫用的電能不能直接來源可再生能源，而是需要通過電網(wǎng)進(jìn)行輸送，即電費(fèi)中增加了輸電費(fèi)，導(dǎo)致用電成本較高。二是加氫站也需要建設(shè)在工業(yè)園區(qū)，雖然多地相繼出臺(tái)了關(guān)于加氫站建設(shè)的流程和管理辦法，但是政策并未落地，大大增加了加氫站的建設(shè)成本，而且由于加氫站較為偏遠(yuǎn)，進(jìn)一步增加了供需之的復(fù)雜性。另外，無論是在制氫、運(yùn)氫、加氫站等方面，由于缺乏統(tǒng)一的管理體系，各環(huán)節(jié)的審批變得非常復(fù)雜，進(jìn)一步增加了氫能的成本。

四是燃料電池使用難以規(guī)?；?，造成了成本與規(guī)模之間未能形成正向互動(dòng)效應(yīng)。學(xué)習(xí)曲線模型認(rèn)為，當(dāng)某種產(chǎn)業(yè)規(guī)模增加時(shí)，運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富，產(chǎn)品的報(bào)廢率逐步降低，操作程序逐步改進(jìn)，為此產(chǎn)品的成本將按照一定的幅度下降。但是從燃料電池汽車的應(yīng)用規(guī)?？?，2020年僅為1177輛，比2019年降低近50%，而且近幾年的新增規(guī)模也不穩(wěn)定，即規(guī)模效應(yīng)未能顯現(xiàn)。另外，各地政府對(duì)電動(dòng)汽車提供了較高的補(bǔ)助，使市場主體在選擇方面偏向于電動(dòng)汽車而非燃料電池汽車。目前市場消費(fèi)側(cè)主要以公交車、貨車為主，具有巨大潛力的小型轎車寥寥無幾。由此可見，燃料電池汽車的需求側(cè)并未打通，規(guī)模效應(yīng)有待進(jìn)一步發(fā)揮。

對(duì)氫能在電力行業(yè)發(fā)展應(yīng)用的建議

在“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施下，電力行業(yè)需要?dú)淠?為盡快降低成本，氫能也需要在交通等新的領(lǐng)域加快應(yīng)用。為此，政府有關(guān)部門、相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)高度重視對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持。為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)更好的服務(wù)于我國“雙碳”戰(zhàn)略：一是需要規(guī)劃氫能路徑，從交通領(lǐng)域起步，逐步實(shí)現(xiàn)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用;二是需要?jiǎng)?chuàng)新商業(yè)模式，推動(dòng)制氫、用氫產(chǎn)業(yè)應(yīng)與新能源聯(lián)合發(fā)展;三是需要健全氫能發(fā)展機(jī)制，充分發(fā)揮氫能在儲(chǔ)能方面發(fā)揮作用，通過電力現(xiàn)貨市場尋求盈利途徑;四是重視技術(shù)創(chuàng)新，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行，為氫能低成本、高安全創(chuàng)新良好條件。

(1)路徑

從交通領(lǐng)域起步，逐步實(shí)現(xiàn)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。從目前的成本看，交通領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性較好，建議先在交通領(lǐng)域開展應(yīng)用。隨著規(guī)模效應(yīng)的顯現(xiàn)，以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，待成本大幅下降后，逐步將氫能引入發(fā)電領(lǐng)域。目前，國內(nèi)重卡污染物與溫室氣體排放量較大，而且電動(dòng)替代存在成本高、自重大、續(xù)航里程短、動(dòng)力不足等缺點(diǎn)，為此氫能可優(yōu)先在重卡領(lǐng)域開展替代，隨后逐步在乘用車、小型轎車等領(lǐng)域開展替代。隨著成本的進(jìn)一步下降，逐步將氫能引入發(fā)電領(lǐng)域，為電系統(tǒng)靈活性構(gòu)建做出貢獻(xiàn)，助力新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。

(2)模式

制氫、用氫產(chǎn)業(yè)應(yīng)與新能源聯(lián)合發(fā)展，不斷降低成本。從制氫環(huán)節(jié)看，電能成本是占據(jù)了制氫成本的60%左右;從氫能產(chǎn)業(yè)鏈的成本看，運(yùn)輸與加注環(huán)節(jié)成本占據(jù)了45%以上，為進(jìn)一步降低成本，建議制氫設(shè)施與“三北”地區(qū)的風(fēng)光基地聯(lián)合發(fā)展，通過利用棄電、低價(jià)電量等，大幅消減制氫成本;在氫能發(fā)電方面，通過聯(lián)合發(fā)展模式，可進(jìn)一步降低運(yùn)輸與存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的成本，提高氫能利用的經(jīng)濟(jì)性。

(3)機(jī)制

充分發(fā)揮氫能在儲(chǔ)能方面的作用，通過電力現(xiàn)貨市場獲取利潤。從電能到氫能再到電能，整個(gè)轉(zhuǎn)換效率約20%左右，可見氫能直接作為能源使用并不經(jīng)濟(jì)。為此，氫能應(yīng)充分發(fā)揮儲(chǔ)能的作用，在替代煤電、電化學(xué)儲(chǔ)能等方面發(fā)揮效應(yīng)。隨著風(fēng)、光資源的不斷增加，電力現(xiàn)貨市場的價(jià)格將呈現(xiàn)出頻繁的波動(dòng)趨勢(shì)，而且峰谷的電價(jià)差也將進(jìn)一步拉大，氫能發(fā)電可通過電力現(xiàn)貨市場獲取一定利潤。當(dāng)然，氫能也將在部分存在電能替代困難的領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如煉鋼、航空等領(lǐng)域。以此估算，2060年氫能使用量可達(dá)到1億噸以上。

(4)技術(shù)

高度重視技術(shù)創(chuàng)新，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行，為氫能低成本、高安全創(chuàng)新良好條件。制氫技術(shù)類型較多，未來發(fā)展中，在推廣應(yīng)用電解堿水技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)質(zhì)子膜電池、高溫固體氧化物制氫技術(shù)的研發(fā)與推廣;加強(qiáng)CCUS技術(shù)在化石能源制氫領(lǐng)域的應(yīng)用;為太陽能制氫、生物制氫等的研發(fā)與推廣創(chuàng)造環(huán)境。另外，鑒于氫能標(biāo)準(zhǔn)體系完善空間較大，應(yīng)堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行的理念，以政府為主導(dǎo)，行業(yè)協(xié)會(huì)牽頭，企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)等共同參與，努力做好標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，搶占國際標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)權(quán)。

氫能是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的重要選擇，也是國際社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要方向。目前全球氫能(主要是綠氫)技術(shù)均處于起步階段，為搶占全球氫能技術(shù)競爭制高點(diǎn)，我國政府有關(guān)部門與行業(yè)需要共同努力，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期加大投入，在需求方面拓寬使用規(guī)模，努力將氫能培育成技術(shù)領(lǐng)先、用能安全、經(jīng)濟(jì)高效的產(chǎn)業(yè)。

(司紀(jì)朋 華能集團(tuán)能源研究院戰(zhàn)略研究部)