利用氫能攻克“難以減排領(lǐng)域”，助力實現(xiàn)“碳中和”
符冠云、薛進軍
中國已做出2030年前實現(xiàn)碳達峰和2060年實現(xiàn)“碳中和”的莊嚴承諾，為實現(xiàn)這些目標，除了大幅提升能源利用效率、大力發(fā)展可再生能源以外，還需要創(chuàng)新手段來應(yīng)對碳排放巨大的“難以減排領(lǐng)域”（主要包括工業(yè)原料、高品位熱源、重卡、船舶等領(lǐng)域）。近幾年，氫能對于“難以減排領(lǐng)域”的深度脫碳作用被越來越多的研究和實踐所證明。例如國際能源署發(fā)布的《氫能的未來》中認為，依托于可再生能源電解水制氫成本的快速下降，以及氫能煉鋼、綠氫化工、氫燃料電池汽車等技術(shù)進步，氫能有望在“難以減排領(lǐng)域”得到大規(guī)模應(yīng)用，完成這些領(lǐng)域的深度脫碳。彭博新能源發(fā)布的研究也佐證了這一觀點。因此，需要在實現(xiàn)“碳中和”目標的約束下，逐一探討氫能助推“難以減排領(lǐng)域”深度脫碳的技術(shù)路徑及潛力，進而討對氫能發(fā)展定位、作用和意義進行重新思考。
一、氫能如何攻克“難以減排領(lǐng)域”
工業(yè)領(lǐng)域：氫能可應(yīng)用于鋼鐵、化工等行業(yè)，實現(xiàn)原料用能、高品位熱源等難以減排領(lǐng)域深度脫碳。中國是全球最大的工業(yè)化國家，鋼鐵、石化、化工等行業(yè)需要使用化石能源作為還原劑或原料、提取其中的碳氫組分。在鋼鐵生產(chǎn)過程中需要使用焦炭作為還原劑，在石化和化工行業(yè)需要使用來自化石能源的氫氣作為原料，這些領(lǐng)域造成的二氧化碳排放接近15億噸/年，占全國能源排放二氧化碳的15%左右。化石能源用作工業(yè)原料產(chǎn)生的碳排放，很難用可再生能源電力來替代，屬于“難以減排領(lǐng)域”，而氫能是破解原料碳排放的重要途徑。例如，在可再生能源制取的綠氫基礎(chǔ)上，應(yīng)用氫能煉鋼技術(shù)，可大幅降低鋼鐵生產(chǎn)的碳排放。根據(jù)瑞典HYBRIT項目數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)高爐轉(zhuǎn)爐煉鋼方式相比，氫能煉鋼可降低90%以上的碳排放。目前寶武集團等多個鋼鐵公司都開展了氫能煉鋼示范項目。綠氫還可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，進而替代制氫所需的化石能源。2020年9月剛剛完成驗收的蘭州“液態(tài)陽光甲醇”項目，采用了光伏發(fā)電+電解水制氫+合成甲醇工藝，成功生產(chǎn)出“零碳甲醇”。在上述工業(yè)領(lǐng)域，氫能是最佳、甚至是截至目前唯一的脫碳方案。
交通領(lǐng)域：氫能可在重卡、航運等難以減排領(lǐng)域，與鋰電池等技術(shù)形成互補。中國是物流運輸大國，雖然高鐵、電動汽車發(fā)展迅速，開始替代傳統(tǒng)燃油汽車，但仍有重卡、航運等“難以減排領(lǐng)域”亟待解決。以重卡為例，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會分析，中國重卡燃料以柴油為主，柴油重卡占全國汽車保有量僅7%，產(chǎn)生了60%以上的交通領(lǐng)域大氣污染物。而重卡載重大、對于動力系統(tǒng)功率要求高，如果采用鋰電池技術(shù)，電池自重將占整車總量的2/3以上；同時很多重卡都采取了“換人不換車”長時間運行模式，鋰電池充電時間較長、無法滿足這種模式需要；再加上重卡主要分布在中國北方重工業(yè)區(qū)，低氣溫對鋰電池工作影響嚴重。如上所述，重卡也屬于較典型的“難以減排領(lǐng)域”，而氫燃料電池具有能量密度較高、加注時間較短、耐低溫等特點，能夠?qū)Σ裼椭乜ㄟM行有效替代，進而實現(xiàn)交通領(lǐng)域清潔低碳發(fā)展。值得一提的是，中國鋰電池汽車已具備較好發(fā)展基礎(chǔ)，實踐證明，鋰電池汽車在小型轎車、客車等領(lǐng)域表現(xiàn)出眾，能效、經(jīng)濟性優(yōu)越，因此氫燃料電池汽車（FCV）應(yīng)與之形成互補發(fā)展，可以專注于重卡、船舶、無人機等對于續(xù)航能力和能量密度較高的交通領(lǐng)域。
能源領(lǐng)域：氫能是理想的能源載體，可提升能源系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性。中國能源轉(zhuǎn)型需要解決好供給和需求之間在時間、空間、品種等方面的匹配問題，需要將氫能作為重要能源載體，完成跨時間調(diào)節(jié)、跨區(qū)域配置和跨品種耦合的任務(wù)。未來氫能在能源領(lǐng)域中的樞紐位置如圖1所示。首先，在可再生能源資源富集地區(qū)，可通過電解水制氫來提升可再生能源的本地消納能力，特別是可以為工業(yè)園區(qū)提供高純氫氣和氧氣；第二，電解水制氫具有響應(yīng)速度快、適用規(guī)模大、儲存時間長等特點，可應(yīng)用于調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，進而提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。例如青海省海西州已部署了“風光氫儲”多能互補項目，將電解水制氫作為儲能調(diào)峰的重要手段。第三，氫能還可摻入到天然氣管網(wǎng)、尤其是城市燃氣管網(wǎng)（具體摻混比例視管網(wǎng)材料而定），在基本不增加改造成本的前提下，滿足生產(chǎn)生活的燃氣、供熱等需求。據(jù)測算，摻氫天然氣燃燒效率更高、污染物排放更少，有較大發(fā)展?jié)摿?。例如國電投集團已在張家口開展了可再生能源制氫+天然氣摻氫示范項目，類似模式可在綠氫資源豐富地區(qū)率先應(yīng)用。此外，內(nèi)蒙已開展二氧化碳加氫制甲烷試點工作，為CCUS開辟了新的技術(shù)路徑。
圖1：氫能在能源系統(tǒng)中的作用示意
信息來源：符冠云.氫能在中國能源轉(zhuǎn)型中的地位和作用[J].中國煤炭,2019,45(10):15-21.
建筑和其他領(lǐng)域：氫能是高效、經(jīng)濟的分布式能源解決方案。建筑等領(lǐng)域并非“難以減排領(lǐng)域”，但如果從提升能源利用效率、降低能源服務(wù)成本等角度考慮，氫能仍有較多發(fā)展空間。例如，氫燃料電池可為家庭、社區(qū)和寫字樓提供分布式供熱發(fā)電服務(wù)。例如日本推廣的ENE-FARM項目，通過固體氧化物燃料電池進行熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率高達90%以上，且使用過程無污染物排放。因此，家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置未來在中國高檔寫字樓、別墅區(qū)都有推廣潛力。這種分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)還特別適用于解決電力、燃氣基礎(chǔ)設(shè)施不可達地區(qū)。中國已有地區(qū)開始探索“光伏+氫燃料電池”模式，為偏遠地區(qū)、特別是牧區(qū)人口提供能源服務(wù)。此外，由于中國正在大力推進信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，5G基站、大數(shù)據(jù)中心用電量激增給所在地電力供應(yīng)造成較大壓力?！肮夥?氫儲能+燃料電池發(fā)電”可形成一個分布式能源站，為信息基礎(chǔ)設(shè)施提供能源解決方案。
綜上所述，未來氫能將扮演高效清潔的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料這三重角色，在工業(yè)、交通、能源、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，2050年可形成超過15億噸二氧化碳的減排能力，并與可再生電力形成協(xié)同，實現(xiàn)中國深度減碳目標。
但是，氫能也存在技術(shù)難度高，生產(chǎn)成本高，儲藏和運輸困難大的“兩高一大”問題，在制氫過程中也有“灰氫”（化石能源制氫）、“藍氫”（工業(yè)副產(chǎn)品制氫等）、“綠氫”（可再生能源制氫）之分，特別是目前中國的制氫主要不是利用電解質(zhì)而是化石原料的煤炭和天然氣，從而使得制氫過程成為高污染、高排放、低成本的局面（薛進軍，孫倩，2020），這些劣勢問題不解決，氫能就難以為碳中和貢獻力量。
二、氫能發(fā)展的瓶頸與問題
亟需顛覆以化石能源為主的氫源結(jié)構(gòu)，由灰氫向綠氫轉(zhuǎn)變。中國氫氣主要來自化石能源、特別是煤炭，基于當前氫源結(jié)構(gòu)發(fā)展氫能，與能源轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的初衷“南轅北轍”。根據(jù)中國氫能標準化技術(shù)委員會提供數(shù)據(jù)，中國2017年氫氣產(chǎn)量約為2500萬噸，其中來自煤制氫的氫氣占62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%。從氫源結(jié)構(gòu)上看，灰氫一家獨大、藍氫開發(fā)程度較低、綠氫數(shù)量稀缺。使用化石能源制成的灰氫、再去替代終端部門的化石能源消費，這種模式可謂“多此一舉”，消耗無謂投資的同時，在物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中會存在大量能量損失和污染物排放。如果不改變當前氫源結(jié)構(gòu)，氫能經(jīng)濟將“越發(fā)展、越耗能、越污染”，而且還會造成“生產(chǎn)地污染、消費地清潔”的結(jié)果，進而加劇區(qū)域間的不公平現(xiàn)象。
亟需大幅度降低氫能供應(yīng)鏈成本，形成替代傳統(tǒng)能源的市場驅(qū)動力。當前由于供應(yīng)鏈成本過高，氫能難與傳統(tǒng)能源形成競爭關(guān)系。未來中國氫能發(fā)展必須建立在“綠氫”資源基礎(chǔ)之上，但成本過高是推廣綠氫的最大障礙。如圖2所示，當前中國能源價格體系之下，煤制氫成本最低、電解水制氫成本最高。例如在工業(yè)領(lǐng)域，煤制氫價格在10元/kg左右，要開展綠氫替代灰氫，電力價格就要控制在0.15元/度以內(nèi)。雖然有“棄電制氫”的提法，但現(xiàn)實中棄電基本處于數(shù)量無保證、電價無優(yōu)惠狀態(tài)，根本無法有效降低綠氫成本。再比如在交通領(lǐng)域，氫氣終端售價須低于40元/kg，氫燃料電池才能比燃油車更具運行成本優(yōu)勢，但在沒有補貼的情況下，氫氣售價高達60元以上?？梢?，只有大幅度降低供應(yīng)鏈成本，氫能終端應(yīng)用才能打開。
圖2：不同制氫工藝的氫氣生產(chǎn)成本對比
數(shù)據(jù)來源：國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，2019
亟需突破氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展自主化水平。當前中國氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)創(chuàng)新能力不足、關(guān)鍵部件自主程度不高、產(chǎn)品性能指標與國際先進水平差距較大。長期以來，燃料電池核心部件—質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極等—都嚴重依賴進口，其成本占到燃料電池系統(tǒng)的30%甚至更高。最近雖然涌現(xiàn)出一批企業(yè)做出了國產(chǎn)化產(chǎn)品，但性能指標遠遠落后于國際先進水平，且成本較高、穩(wěn)定性有待檢驗，短期內(nèi)難以完全實現(xiàn)對進口產(chǎn)品的替代?；诋斍凹夹g(shù)掌握程度，如果強行通過補貼手段刺激下游需求，相當于把大量補貼資金輸送至國外公司。
三、政策建議
做好氫能發(fā)展的頂層設(shè)計，將氫能作為實現(xiàn)“碳中和”、應(yīng)對難以減排領(lǐng)域的核心解決方案。氫能即將成為能源系統(tǒng)的新成員，其發(fā)展必須服從和服務(wù)于能源革命的總體要求。需要認清的是，中國擁有多個與氫能存在替代關(guān)系的能源解決方案，因此氫能并非中國的必選項，而是備選項和優(yōu)選項。因此，應(yīng)從中國能源系統(tǒng)的核心問題出發(fā)，找準切入點，選擇融入能源系統(tǒng)的合適路徑。應(yīng)重視氫能對實現(xiàn)”碳中和”的意義和作用，圍繞“難以減排領(lǐng)域”，統(tǒng)籌經(jīng)濟效益、節(jié)能減碳和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素，逐步構(gòu)建綠色低碳的多元化氫能應(yīng)用場景。
制定清潔制氫路線圖，引導(dǎo)灰氫有序退出、藍氫高值利用和綠氫大規(guī)模發(fā)展。構(gòu)建“灰氫、藍氫、綠氫”評價體系，引導(dǎo)清潔低碳氫源的優(yōu)先開發(fā)和傳統(tǒng)制氫方式的清潔低碳發(fā)展。研究制定清潔制氫發(fā)展路線圖，明確不同技術(shù)條件和時間階段的發(fā)展重點。近中期，應(yīng)定位在以藍氫、綠氫來保證氫氣增量需求。即在確保資源供應(yīng)和氫氣需求相銜接條件下，優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵在“棄電”現(xiàn)象嚴重地區(qū)建設(shè)現(xiàn)場制氫項目，實現(xiàn)清潔制氫、副產(chǎn)品高值化利用和提升可再生能源消納的“三贏”。中長期，應(yīng)著力打造綠氫為主體，多種方式并存的低碳氫源結(jié)構(gòu)。此外，還應(yīng)鼓勵光解制氫、生物制氫、煤制氫+CCS等新技術(shù)的研發(fā)，為清潔制氫做好技術(shù)儲備。
完善氫能管理體制，建立健全氫能推廣的激勵機制。氫能發(fā)展需要在體制機制上做出重大調(diào)整和創(chuàng)新。首先，可參照天然氣兼具能源和?；返哪Ｊ竭M行管理。其次，需要明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的監(jiān)管部門和對應(yīng)的責任義務(wù)。例如氫氣壓力容器標準、液氫相關(guān)標準、加氫站的歸口管理部門和審批流程、油氫氣氫合建站監(jiān)管模式等。第三，在重點地區(qū)可采用以政策紅利代替補貼紅包的方式，通過加強環(huán)境監(jiān)管、能源和煤炭消費總量控制等方式，以及碳排放交易、碳稅等價格機制，為氫能應(yīng)用拓展市場空間。
開展技術(shù)、模式等綜合示范，因地制宜探索氫能發(fā)展路徑。近幾年，盡管全球很多國家都在積極發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，但尚未形成“放之四海而皆準”的發(fā)展模式。在發(fā)展之初不確定性較多的情況下，尤其是技術(shù)不成熟、自給率不足條件下，不宜過早進行大規(guī)模推廣。而是應(yīng)做好試點示范工作，探索可復(fù)制、可推廣的發(fā)展路徑。應(yīng)結(jié)合氫能在中國發(fā)展現(xiàn)狀和未來定位，開展技術(shù)、體制機制、標準法規(guī)等全方位綜合示范，并根據(jù)不同地區(qū)氫能資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，選擇不同示范內(nèi)容，打通氫能供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，為氫能大規(guī)模融入能源生產(chǎn)和消費體系提供經(jīng)驗借鑒。
制定氫能發(fā)展的碳足跡標準，形成清潔、低碳、低成本和長效的氫能生產(chǎn)供應(yīng)鏈。氫能產(chǎn)業(yè)要評估它從原料采集、生產(chǎn)‘運輸、使用、回收的全生命周期碳足跡，制定氫能發(fā)展的碳足跡標準和測量指標，來引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逐步形成由中國特色的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
2021年是十四五規(guī)劃元年，綠色低碳發(fā)展將是十四五的主旋律，我們期待綠色能源特別是氫能能夠助力綠色發(fā)展，促進2030年碳達峰和2060年碳中和目標的實現(xiàn)。
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