利用氫能攻克“難以減排領(lǐng)域”，助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”
符冠云、薛進(jìn)軍
中國(guó)已做出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的莊嚴(yán)承諾，為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，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?jiǎng)?chuàng)新手段來(lái)應(yīng)對(duì)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(duì)于“難以減排領(lǐng)域”的深度脫碳作用被越來(lái)越多的研究和實(shí)踐所證明。例如國(guó)際能源署發(fā)布的《氫能的未來(lái)》中認(rèn)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(jìn)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(diǎn)。因此，需要在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)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(jìn)而討對(duì)氫能發(fā)展定位、作用和意義進(jìn)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(shí)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(guó)是全球最大的工業(yè)化國(guó)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?xì)浣M分。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(lái)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(guó)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(lái)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(xiàng)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(tuán)等多個(gè)鋼鐵公司都開(kāi)展了氫能煉鋼示范項(xiàng)目。綠氫還可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，進(jìn)而替代制氫所需的化石能源。2020年9月剛剛完成驗(yàn)收的蘭州“液態(tài)陽(yáng)光甲醇”項(xiàng)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(yùn)等難以減排領(lǐng)域，與鋰電池等技術(shù)形成互補(bǔ)。中國(guó)是物流運(yùn)輸大國(guó)，雖然高鐵、電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，開(kāi)始替代傳統(tǒng)燃油汽車，但仍有重卡、航運(yùn)等“難以減排領(lǐng)域”亟待解決。以重卡為例，根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)分析，中國(guó)重卡燃料以柴油為主，柴油重卡占全國(guó)汽車保有量?jī)H7%，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(duì)于動(dòng)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(shí)很多重卡都采取了“換人不換車”長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行模式，鋰電池充電時(shí)間較長(zhǎng)、無(wú)法滿足這種模式需要；再加上重卡主要分布在中國(guó)北方重工業(yè)區(qū)，低氣溫對(duì)鋰電池工作影響嚴(yán)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(shí)間較短、耐低溫等特點(diǎn)，能夠?qū)Σ裼椭乜ㄟM(jìn)行有效替代，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域清潔低碳發(fā)展。值得一提的是，中國(guó)鋰電池汽車已具備較好發(fā)展基礎(chǔ)，實(shí)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(jì)性優(yōu)越，因此氫燃料電池汽車（FCV）應(yīng)與之形成互補(bǔ)發(fā)展，可以專注于重卡、船舶、無(wú)人機(jī)等對(duì)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(guó)能源轉(zhuǎn)型需要解決好供給和需求之間在時(shí)間、空間、品種等方面的匹配問(wèn)題，需要將氫能作為重要能源載體，完成跨時(shí)間調(diào)節(jié)、跨區(qū)域配置和跨品種耦合的任務(wù)。未來(lái)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(guò)電解水制氫來(lái)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(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。例如青海省海西州已部署了“風(fēng)光氫儲(chǔ)”多能互補(bǔ)項(xiàng)目，將電解水制氫作為儲(chǔ)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?xì)夤芫W(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?xì)?、供熱等需求。?jù)測(cè)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Α＠鐕?guó)電投集團(tuán)已在張家口開(kāi)展了可再生能源制氫+天然氣摻氫示范項(xiàng)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(kāi)展二氧化碳加氫制甲烷試點(diǎn)工作，為CCUS開(kāi)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(lái)源：符冠云.氫能在中國(guó)能源轉(zhuǎn)型中的地位和作用[J].中國(guó)煤炭,2019,45(10):15-21.
建筑和其他領(lǐng)域：氫能是高效、經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目，通過(guò)固體氧化物燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率高達(dá)90%以上，且使用過(guò)程無(wú)污染物排放。因此，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置未來(lái)在中國(guó)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?xì)饣A(chǔ)設(shè)施不可達(dá)地區(qū)。中國(guó)已有地區(qū)開(kāi)始探索“光伏+氫燃料電池”模式，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、特別是牧區(qū)人口提供能源服務(wù)。此外，由于中國(guó)正在大力推進(jìn)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(chǔ)能+燃料電池發(fā)電”可形成一個(gè)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(lái)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(guò)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(shí)現(xiàn)中國(guó)深度減碳目標(biāo)。
但是，氫能也存在技術(shù)難度高，生產(chǎn)成本高，儲(chǔ)藏和運(yùn)輸困難大的“兩高一大”問(wèn)題，在制氫過(guò)程中也有“灰氫”（化石能源制氫）、“藍(lán)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(guó)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(guò)程成為高污染、高排放、低成本的局面（薛進(jìn)軍，孫倩，2020），這些劣勢(shì)問(wèn)題不解決，氫能就難以為碳中和貢獻(xiàn)力量。
二、氫能發(fā)展的瓶頸與問(wèn)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(guó)氫氣主要來(lái)自化石能源、特別是煤炭，基于當(dāng)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(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)提供數(shù)據(jù)，中國(guó)2017年氫氣產(chǎn)量約為2500萬(wàn)噸，其中來(lái)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(dú)大、藍(lán)氫開(kāi)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(fèi)，這種模式可謂“多此一舉”，消耗無(wú)謂投資的同時(shí)，在物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)存在大量能量損失和污染物排放。如果不改變當(dāng)前氫源結(jié)構(gòu)，氫能經(jīng)濟(jì)將“越發(fā)展、越耗能、越污染”，而且還會(huì)造成“生產(chǎn)地污染、消費(fèi)地清潔”的結(jié)果，進(jìn)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前由于供應(yīng)鏈成本過(guò)高，氫能難與傳統(tǒng)能源形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。未來(lái)中國(guó)氫能發(fā)展必須建立在“綠氫”資源基礎(chǔ)之上，但成本過(guò)高是推廣綠氫的最大障礙。如圖2所示，當(dāng)前中國(guó)能源價(jià)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(jià)格在10元/kg左右，要開(kāi)展綠氫替代灰氫，電力價(jià)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(shí)中棄電基本處于數(shù)量無(wú)保證、電價(jià)無(wú)優(yōu)惠狀態(tài)，根本無(wú)法有效降低綠氫成本。再比如在交通領(lǐng)域，氫氣終端售價(jià)須低于40元/kg，氫燃料電池才能比燃油車更具運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)，但在沒(méi)有補(bǔ)貼的情況下，氫氣售價(jià)高達(dá)60元以上。可見(jiàn)，只有大幅度降低供應(yīng)鏈成本，氫能終端應(yīng)用才能打開(kāi)。
圖2：不同制氫工藝的氫氣生產(chǎn)成本對(duì)比
數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)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(dāng)前中國(guó)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(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大。長(zhǎng)期以來(lái)，燃料電池核心部件—質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極等—都嚴(yán)重依賴進(jìn)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(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，但性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，且成本較高、穩(wěn)定性有待檢驗(yàn)，短期內(nèi)難以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的替代。基于當(dāng)前技術(shù)掌握程度，如果強(qiáng)行通過(guò)補(bǔ)貼手段刺激下游需求，相當(dāng)于把大量補(bǔ)貼資金輸送至國(guó)外公司。
三、政策建議
做好氫能發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，將氫能作為實(shí)現(xiàn)“碳中和”、應(yīng)對(duì)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(rèn)清的是，中國(guó)擁有多個(gè)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(guó)的必選項(xiàng)，而是備選項(xiàng)和優(yōu)選項(xiàng)。因此，應(yīng)從中國(guó)能源系統(tǒng)的核心問(wèn)題出發(fā)，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，選擇融入能源系統(tǒng)的合適路徑。應(yīng)重視氫能對(duì)實(shí)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(jì)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(chǎng)景。
制定清潔制氫路線圖，引導(dǎo)灰氫有序退出、藍(lán)氫高值利用和綠氫大規(guī)模發(fā)展。構(gòu)建“灰氫、藍(lán)氫、綠氫”評(píng)價(jià)體系，引導(dǎo)清潔低碳?xì)湓吹膬?yōu)先開(kāi)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(shí)間階段的發(fā)展重點(diǎn)。近中期，應(yīng)定位在以藍(lán)氫、綠氫來(lái)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(lì)在“棄電”現(xiàn)象嚴(yán)重地區(qū)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)制氫項(xiàng)目，實(shí)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(zhǎng)期，應(yīng)著力打造綠氫為主體，多種方式并存的低碳?xì)湓唇Y(jié)構(gòu)。此外，還應(yīng)鼓勵(lì)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(chǔ)備。
完善氫能管理體制，建立健全氫能推廣的激勵(lì)機(jī)制。氫能發(fā)展需要在體制機(jī)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危化品的模式進(jìn)行管理。其次，需要明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)管部門和對(duì)應(yīng)的責(zé)任義務(wù)。例如氫氣壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、液氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、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(diǎn)地區(qū)可采用以政策紅利代替補(bǔ)貼紅包的方式，通過(guò)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管、能源和煤炭消費(fèi)總量控制等方式，以及碳排放交易、碳稅等價(jià)格機(jī)制，為氫能應(yīng)用拓展市場(chǎng)空間。
開(kāi)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(guó)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(zhǔn)”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(guò)早進(jìn)行大規(guī)模推廣。而是應(yīng)做好試點(diǎn)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(guó)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)定位，開(kāi)展技術(shù)、體制機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)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(shì)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(fèi)體系提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。
制定氫能發(fā)展的碳足跡標(biāo)準(zhǔn)，形成清潔、低碳、低成本和長(zhǎng)效的氫能生產(chǎn)供應(yīng)鏈。氫能產(chǎn)業(yè)要評(píng)估它從原料采集、生產(chǎn)‘運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量指標(biāo)，來(lái)引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逐步形成由中國(guó)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(jìn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國(guó)國(guó)際經(jīng)濟(jì)交流中心課題組．中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命[M]．北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2014.
[2] 符冠云,熊華文.日本、德國(guó)、美國(guó)氫能發(fā)展模式及其啟示[J].宏觀經(jīng)濟(jì)管理,2020,(6):84-90.
[3] 邊文越,陳挺,陳曉怡等. 世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家能源政策研究與啟示[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊. 2019,34(4): 488-494
[4] 吳善略,張麗娟.世界主要國(guó)家氫能發(fā)展規(guī)劃綜述[J].科技中國(guó), 2019 (07): 91-97
[5] 曹勇.中美氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].石油石化綠色低碳,2019,4(06):1-6+19.
[6] 鄒才能,潘松圻,荊振華,高金亮,楊智,吳松濤,趙群.頁(yè)巖油氣革命及影響[J].石油學(xué)報(bào),2020,41(01):1-12.
[7] 符冠云.氫能在中國(guó)能源轉(zhuǎn)型中的地位和作用[J].中國(guó)煤 炭,2019,45(10):15-21.
[8] 吳初國(guó),馬永歡,張迎新,曹庭語(yǔ),湯文豪.把握新時(shí)代中國(guó)能源革命的時(shí)和勢(shì)[J].宏觀經(jīng)濟(jì)管理,2019(12):12-17+36.
[9] 符冠云,郁聰,白泉.“氫能熱”下的“冷思考”:謹(jǐn)防化石能源制氫形成的高碳鎖定效應(yīng)[J].中國(guó)經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊,2019(12):44-47.
[10] Hydrogen Council: https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2020/01/Path-to-Hydrogen-Competitiveness_Full-Study-1.pdf
[11] 國(guó)際能源署：《能源展望2019》.
[12] BP《BP世界能源展望》.
[13] Energy and Climate Intelligent Unit, 2020. https://eciu.net/
[14] 日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省《氫能源基本戰(zhàn)略》2014, 2019.
[15] Nikkei Asia 20201229.
[16] 薛進(jìn)軍、孫倩：“日本的氫能社會(huì)計(jì)劃”，載于薛進(jìn)軍主編：《中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告2019》，對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)出版社，2020年。
