被稱為“未來能源”“終極能源”的氫能已經(jīng)成為近兩年的一個熱門話題，在國際上，美國、歐盟、日本都出臺了相應(yīng)的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，日本甚至提出了“氫能社會”的宏大構(gòu)想；在國內(nèi)，中石油、中石化、國家能源集團(tuán)、國家電投等能源央企紛紛入局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，多個地方政府出臺了氫能發(fā)展方案和扶持政策。
隨著“2060年碳中和”任務(wù)的提出，氫能似乎成為實現(xiàn)終端燃料脫碳的最終解，又增添了其討論的熱度。那么，我國的氫能發(fā)展到什么程度了？制氫和用氫將分別向什么方向發(fā)展？氫能將在未來能源體系中擔(dān)任什么角色？本文將嘗試對這些問題作出解答。
01
可再生能源制氫：理想很豐滿
氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲氫、運氫、用氫幾個環(huán)節(jié)。當(dāng)前我國氫氣總產(chǎn)能達(dá)到2500萬噸/年，是全球氫氣產(chǎn)能最大的國家。
氫是一種清潔高效的二次能源，無法直接從自然界中獲取，必須通過制備得到。目前主流制氫路線中，煤炭、天然氣等化石燃料制氫是當(dāng)前國內(nèi)成本最低的制氫路線，其中煤制氫成本可低至 9-11元/公斤 ，比天然氣制氫成本低約30%；鋼鐵、化工等行業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫也是較為成熟的手段，綜合成本在10-16元/公斤，我國工業(yè)副產(chǎn)氫還有較大利用空間，可以在提供就近氫源的同時提高資源利用率，但建設(shè)地點受限于原料供應(yīng)；電解水制氫作為新興的熱門方向，項目經(jīng)濟(jì)性直接受電價影響，市電生產(chǎn)的成本約30-40元/公斤，一般認(rèn)為當(dāng)電價低于0.3元/千瓦時時，電解水制氫的成本才能接近傳統(tǒng)化石能源制氫。
不論是國內(nèi)還是國外，目前電解水占所有制氫方式的比重僅為3%-5%左右，但卻是專家學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士眼中未來最重要的制氫途徑，特別是可再生能源電力制氫。這是由于不論是化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫還是傳統(tǒng)電解水制氫，都存在生產(chǎn)過程中的碳排放問題，在碳捕集與封存裝置（CCS）不具備大規(guī)模推廣可能性的前提下，可再生能源電力制氫是唯一能實現(xiàn)全周期零碳排放的制氫方式。
在中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《氫能源及燃料電池白皮書》中，預(yù)測隨著我國能源結(jié)構(gòu)由化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主的格局，氫氣供給結(jié)構(gòu)中可再生能源電解水的比例也將大幅增長，到2050年占比70%。
中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測
來源：中國氫能協(xié)會
當(dāng)前國家政策層面，雖沒有出臺針對性支持政策，但是在促進(jìn)可再生能源消納相關(guān)文件中提到電制氫途徑。《清潔能源消納行動計劃（2018-2020年）》指出“探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實現(xiàn)可再生能源多途徑就近高效利用”。國家能源局2020年5月發(fā)布的《關(guān)于建立健全清潔能源消納長效機(jī)制的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》也提到了“清潔能源富集地區(qū)，鼓勵推廣電采暖、電動汽車、港口岸電、電制氫等應(yīng)用，采取多種措施提升電力消費需求，擴(kuò)大本地消納空間”。
項目實踐層面，已經(jīng)有數(shù)個落地案例。國內(nèi)首個風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項目——河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項目于2019年投產(chǎn)，項目包含200MW風(fēng)電場、10MW電解水制氫系統(tǒng)。2019年7月，陽光電源與晉中市榆社縣政府簽訂300MW光伏和50MW制氫綜合示范項目，9月與山西省長治市舉行200MW光伏發(fā)電項目（一期）開工暨二期500MW光伏制氫項目簽約儀式。水電大省四川已出臺多項相關(guān)支持政策，但目前尚未有水電制氫項目落地。整體來說，可再生能源制氫項目主要為科技項目試點示范。
可再生能源制氫的優(yōu)點似乎顯而易見，一方面隨著可再生能源大規(guī)模推廣，電價將會明顯降低，可進(jìn)一步降低制氫成本；另一方面可再生能源制氫有利于清潔能源消納，將棄風(fēng)棄光等可再生能源電力以氫能的形式存儲下來，可解決電力供需的大規(guī)模季節(jié)性不平衡問題，助力高比例可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題。
但是，可再生能源制氫要實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展，還有諸多問題需要解決：
一是近年來我國棄風(fēng)棄光現(xiàn)象已經(jīng)得到明顯好轉(zhuǎn)，容易出現(xiàn)電解設(shè)備利用率低、無法收回投資的情況。近年來，國家出臺了多項措施促進(jìn)清潔能源消納，并明確表態(tài)到2020年基本解決棄風(fēng)棄光棄水問題。2019年我國棄風(fēng)率4%，棄光率2%，連續(xù)幾年實現(xiàn)雙降。棄風(fēng)棄光制氫理論上既是一種有效的電力調(diào)峰手段，又能降低制氫成本，但由于棄風(fēng)棄光的尖峰特性，將導(dǎo)致制氫設(shè)備利用小時數(shù)低，分?jǐn)偟矫抗餁涞耐顿Y相關(guān)成本高昂。
二是現(xiàn)階段電解水制氫的成本仍然較高，即使隨著風(fēng)電光伏的技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)降低到發(fā)電端“一毛錢一度電”，但加上輸配電價、政府性基金及附加、輔助服務(wù)成本之后，終端電價相比其他制氫方式仍不具備成本優(yōu)勢。且在降電價過程中，過低的上網(wǎng)電價、輸配電價會對發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)收益造成明顯損害，難以實現(xiàn)多方合作。
三是制氫還需要配套的氫氣儲運和下游產(chǎn)業(yè)需求，否則產(chǎn)生的氫氣無法最終轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。即使制氫成本得到大幅降低，在經(jīng)過儲存、運輸多個環(huán)節(jié)層層疊加后終端氫氣價格仍較高，只有當(dāng)氫氣大規(guī)模儲存、運輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸得到解決，且下游需求如氫燃料電池得以激發(fā)的情況下，大規(guī)模制氫才可以實現(xiàn)商業(yè)模式上的閉環(huán)。
四是從儲能的角度出發(fā)，儲氫的效率、成本等各方面均無法與其他常規(guī)儲能方式相競爭?！翱稍偕茉粗茪?氫氣儲存-燃料電池發(fā)電”聽起來是零碳利用的完美途徑，但電-氫-電兩次能源轉(zhuǎn)化綜合效率只有30%-40%。對比現(xiàn)在技術(shù)路線較為成熟的電化學(xué)儲能效率80%-90%，抽水蓄能效率75%，即使儲氫具有存儲規(guī)模大、不受地理環(huán)境制約的優(yōu)點，其成本、效率、響應(yīng)速度和安全性都是制約發(fā)展的硬傷。
02
氫燃料電池汽車：政策曙光已現(xiàn)
正如前文所述，我國當(dāng)前已具備較高的制氫能力，但在消費端，90%以上的氫氣仍然作為工業(yè)原料，用于合成氨、合成甲醇、煉油、煤炭深加工等，氫的“能源化”利用歷史較短，其中最受關(guān)注的便是氫燃料電池汽車的發(fā)展。
氫燃料電池汽車的優(yōu)點在于清潔環(huán)保、能量密度高、續(xù)航里程遠(yuǎn)、加氫時間短（只需3-5分鐘），但成本高昂、加氫站數(shù)量少等因素制約了其進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)過多年發(fā)展，純電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)較為成熟，進(jìn)入規(guī)模化商業(yè)化發(fā)展階段，而氫燃料電池汽車仍處于試點示范階段。截至2020年7月，我國累計推廣燃料電池汽車超過7200輛，建成加氫站約80座。
2015-2019氫燃料電池銷量統(tǒng)計
全球來看，2019年全球氫燃料電池汽車銷量創(chuàng)下歷史新高，達(dá)到10409輛，銷量最高的韓國突破4000輛，其次分別是中國、美國和日本。品牌方面，自日本豐田于2014年推出第一代商用燃料電池汽車Mirai后，本田Clarity、現(xiàn)代Nexo幾款車型均已實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，日韓品牌在燃料電池乘用車市場上占據(jù)絕對優(yōu)勢。
我國燃料電池汽車以客車、貨車為主，應(yīng)用在公交、物流等領(lǐng)域，這也與燃料電池續(xù)航里程長的特點相適應(yīng)。公交車一般由政府集中采購，廣東佛山、河北張家口燃料電池公交車數(shù)量均超過百輛，北京、山西大同、湖北武漢等地也紛紛加大了燃料電池公交車的投放力度。相比乘用車，公交車路線固定，一個加氫站可滿足一批車的加氫需求，利用效率更高。
目前階段，氫燃料電池汽車用車成本仍居高不下。據(jù)測算，純電動汽車百公里電費約為6元～15元，燃油車百公里油費約為50元，而氫燃料電池車燃料費用高達(dá)100元。成本問題是制約燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。如何才能降成本？根據(jù)國際氫能協(xié)會發(fā)布的《氫能平價之路》，到2030年大型乘用車的總體擁有成本可能下降45%，主要來自于擴(kuò)大產(chǎn)量帶來的規(guī)模效應(yīng)、增加加氫站降低的運輸成本、使用可再生能源降低的制氫成本。
來源：國際氫能委員會
氫燃料電池汽車的發(fā)展越來越得到政府重視和政策支持。自2019年政府工作報告中首次提及“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，近兩年間各地密集出臺氫燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃。9月21日，財政部、工信部、科技部、發(fā)改委、國家能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，對 2020 年開始的 4 年示范期的氫燃料電池支持政策進(jìn)行了初步明確。
下一階段，燃料電池汽車的政策方向是采取“以獎代補(bǔ)”方式，對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)用給予獎勵。根據(jù)中金公司測算，不同車型獎勵金額上下限差異較大，重卡的獎勵總金額與單位功率獎勵金額均高于其他品類，有一定強(qiáng)化引導(dǎo)作用；關(guān)鍵零部件在示范期內(nèi)補(bǔ)貼金額總體不變，有望強(qiáng)化頭部企業(yè)實力。
我們認(rèn)為，該政策出臺后將在氫能發(fā)展基礎(chǔ)好、財政實力強(qiáng)、有產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)企業(yè)的地區(qū)形成龍頭聚集效應(yīng)，接下來10年將是氫燃料電池汽車突破技術(shù)瓶頸、實現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵時期，氫燃料電池將與電動汽車實現(xiàn)差異化發(fā)展，在不同的應(yīng)用場景下發(fā)揮作用，共同推進(jìn)我國新能源汽車行業(yè)更上層樓。
03
能源轉(zhuǎn)型中的氫能：受重視但不是最關(guān)鍵要素
縱觀人類能源轉(zhuǎn)型歷史，可以發(fā)現(xiàn)從高碳到低碳、從低密度到高密度轉(zhuǎn)變的明顯趨勢。人類學(xué)會用火標(biāo)志著薪柴時代的開始，第一次工業(yè)革命伴隨著煤炭的大量使用，石油的開采極大推進(jìn)了現(xiàn)代文明，而我們現(xiàn)在正處在大規(guī)?？稍偕茉刺娲茉吹霓D(zhuǎn)換期，那么下一次能源革命，會是更加清潔高效的氫能時代嗎？
在中國氫能聯(lián)盟公布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》中，預(yù)測到2050年氫能在中國能源體系中的占比約為10%。而根據(jù)最近發(fā)布的BP世界能源展望（2020版），在低碳轉(zhuǎn)型的迫切要求下，傳統(tǒng)能源品種將在很大程度上被低碳能源代替，主要指的是大規(guī)模的電能替代和小比例的氫能替代。預(yù)計到2050年，電能在終端能源消費中的占比將達(dá)到50%（快速轉(zhuǎn)型情境下）-60%（凈零排放情境下），而氫能則為7%（快速轉(zhuǎn)型情境下）-16%（凈零排放情境下）。隨著技術(shù)和原料成本的下降、碳價的上漲，氫能在強(qiáng)調(diào)低碳的情境下會逐步具有競爭力，與之相反，在一切如常（Business as usual）情境下，氫能的發(fā)展空間則非常有限。
左圖：電能和氫能在終端能源消費中的比重預(yù)測
右圖：不同情境下終端能源消費結(jié)構(gòu)預(yù)測
來源：BP
同樣作為二次能源，電能的利用范圍要比氫能廣得多，必將成為能源轉(zhuǎn)型的主要載體，而氫能的一個額外優(yōu)勢在于可以用作工業(yè)領(lǐng)域中需要高溫燃燒場景的燃料，部分實現(xiàn)對化石燃料的替代，從而實現(xiàn)減排效益。電能可以將氫氣作為載體，通過氫冶金、電氫合成氨尿素等工藝實現(xiàn)對傳統(tǒng)工業(yè)的重構(gòu)。
綜上所述，在制氫環(huán)節(jié)，可再生能源制氫在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不具備足夠的可行性和競爭力；在用氫環(huán)節(jié)，氫燃料電池汽車在乘用車方面難以匹敵電動車，將主要向重卡等長距離運輸領(lǐng)域發(fā)展；而在低碳轉(zhuǎn)型的背景下，尤其是總書記提出“力爭在2060年實現(xiàn)碳中和”的環(huán)境下，氫能將比以往發(fā)揮更大作用，但難以成為轉(zhuǎn)型的主要支撐和中堅力量。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的培育，需要政策、市場、技術(shù)多方面力量的有效協(xié)同和共同努力，雖然還有很長的路要走，但正如哈佛大學(xué)《中國的氫經(jīng)濟(jì)即將來臨嗎？》報告中所說：如果中國政府能夠在氫能價值鏈上投入全部的制造和政策力量，就將成為一個真正的游戲規(guī)則改變者，并對整個世界產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。
參考資料：
[1] 中國氫能聯(lián)盟.中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019版）
[2] 國際氫能委員會.氫能平價之路
[3] 蔣敏華,肖平,劉入維,黃斌.氫能在我國未來能源系統(tǒng)中的角色定位及“再電氣化”路徑初探[J].熱力發(fā)電,2020,49(01):1-9.
[4] Is China’s Hydrogen Economy Coming?A Game-Changing Opportunity.Nicola De Blasio, Fridolin Pflugmann. Harvard Kennedy School.
[5] BP Energy Outlook 2020.
