“氫能時(shí)代” 何時(shí)來(lái)
氫能源本質(zhì)上清潔、低碳、高效，對(duì)能源體系的安全具有重要的意義，但實(shí)際上，氫能源的發(fā)展在全世界范圍內(nèi)都舉步維艱。氫能源是絕對(duì)清潔的嗎?氫能源汽車(chē)是備受歡迎的嗎？各地發(fā)展氫能源的規(guī)劃只要全部落地就足夠了嗎？在“氫能社會(huì)”成為新能源熱詞之前，關(guān)注者早已指出，氫能源技術(shù)其實(shí)是處于一種技術(shù)超前，但市場(chǎng)不成熟，以及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施未完全配套的狀態(tài)。本期三篇文章逐一解讀應(yīng)對(duì)策略，分別從“超前”能源技術(shù)在替代傳統(tǒng)能源過(guò)程中的遇到的技術(shù)阻力，反思能源技術(shù)路徑的選擇策略；從豐田“MIRAI”汽車(chē)的銷(xiāo)售情況，分析中國(guó)氫能源汽車(chē)市場(chǎng)培育策略；以及從各地基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)布局，思考如何通過(guò)國(guó)家頂層設(shè)計(jì)對(duì)氫能源產(chǎn)業(yè)鏈加以統(tǒng)籌規(guī)劃和引導(dǎo)。
中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)融媒體記者 陳雯
從人類(lèi)升起代表文明的第一堆篝火，到蒸汽機(jī)帶動(dòng)起的工業(yè)車(chē)輪，碳元素就一直在人類(lèi)的能源體系中扮演著不可缺少的角色。但回顧世界能源變革史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)能源更替實(shí)際上是一個(gè)不斷“降碳”和“增氫”的過(guò)程。具體地說(shuō)，從柴薪(C10，H1)到煤炭(C2，H1)，再到石油(C1，H2)以及天然氣(C，H4)的主要元素構(gòu)成比例的變化，可以看出“脫碳加氫”是能源科技進(jìn)步的趨勢(shì)。全國(guó)政協(xié)副主席、中國(guó)科協(xié)主席萬(wàn)鋼也提出，百年以來(lái)，能源發(fā)展遵循著“脫碳加氫”和“清潔高效”兩條路。
氫能熱值較高，儲(chǔ)量豐富，來(lái)源多樣，應(yīng)用廣泛，具有極佳的環(huán)境友好度，代表著人類(lèi)能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景，是理想的長(zhǎng)期替代能源候選對(duì)象之一。國(guó)務(wù)院印發(fā)了《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(jiàn)》，多部委及地方政府也先后出臺(tái)政策，支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，河北、陜西、山東、上海、遼寧等10省市在“十四五”規(guī)劃中明確提出大力推動(dòng)新能源與氫能協(xié)同發(fā)展。利用氫氣的橋接作用，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉(zhuǎn)化為液體燃料，從而有可能實(shí)現(xiàn)由化石能源順利過(guò)渡到可再生能源的可持續(xù)循環(huán)，催生可持續(xù)發(fā)展的“氫經(jīng)濟(jì)”。
始于“氫煤竹馬”，終于“脫碳入氫”
雖然氫能被稱(chēng)為21世紀(jì)的“終極能源”，但實(shí)際上，它的安全性和產(chǎn)業(yè)化成熟程度遠(yuǎn)不如其他能源的發(fā)展，而且，制氫還要依賴(lài)化石能源。當(dāng)前常用的制氫方法中，或者是以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源重整制氫，或者是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)提純制氫，又或者是以電解水制氫為代表的可再生能源制氫。至于其他技術(shù)路線(xiàn)，如生物質(zhì)直接制氫和光解水制氫等新型制氫技術(shù)產(chǎn)收率較低，仍處于實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)階段，尚未達(dá)到規(guī)模制氫要求。
從全球來(lái)看，燃料電池汽車(chē)還處于實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的推進(jìn)階段，需要解決來(lái)自于壽命、成本與氫源的三大挑戰(zhàn)。美國(guó)UTC公司車(chē)用燃料電池運(yùn)行7000小時(shí)的標(biāo)志性成果，使人們看到了燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的曙光，壽命問(wèn)題有希望在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化與控制策略的改進(jìn)得以解決;材料的創(chuàng)新與改進(jìn)是取得燃料電池長(zhǎng)壽命的根本性變革，但需要相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的努力。
“脫碳加氫”和“清潔高效”本來(lái)應(yīng)該是相輔相成的結(jié)果，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，二者卻形成了互相制約的窘境。
中國(guó)工程院院士彭蘇萍公開(kāi)表示：“我們專(zhuān)門(mén)算了一個(gè)賬，化石能源制氫是最便宜的方法，化石能源制氫是中國(guó)人最熟悉的，日本氫能的計(jì)劃他們有戰(zhàn)略規(guī)劃了，還是煤制氫是主線(xiàn)，因?yàn)槊褐茪浔阋?。最?0年基本化石能源制氫還是我們國(guó)家要考慮的主要目標(biāo)?！?
以煤、石油及天然氣等為原料制取氫氣是當(dāng)前制取氫氣最主要的方法。煤制氫在我國(guó)具有成熟的工藝，并建有工業(yè)生產(chǎn)裝置。煤制氫優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低，煤制氫成本每立方米僅0.55-0.83元，遠(yuǎn)低于天然氣制氫0.80-1.75元及甲醇制氫1.5-2.5元的成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但煤制氫的缺點(diǎn)也很明顯，那就是排放量高，氣體雜質(zhì)多。中國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了在一定時(shí)期內(nèi)以煤炭作為主要的氫能原料的地位不會(huì)改變?！爸袊?guó)對(duì)氫能的推動(dòng)，實(shí)際上是一大堆煤化工企業(yè)產(chǎn)能相對(duì)過(guò)剩反過(guò)來(lái)思考怎么走，”彭蘇萍坦言。
化石燃料制氫法依靠煤等礦物燃料違背初衷，工業(yè)副產(chǎn)品制氫采用工業(yè)排放廢氣，雖然成本低、純度高但產(chǎn)量低，來(lái)源不穩(wěn)定。除了制備，儲(chǔ)藏運(yùn)輸和應(yīng)用諸多環(huán)節(jié)也都存在大量技術(shù)難題需要克服。氫化學(xué)性質(zhì)非常不穩(wěn)定，在高溫高壓下甚至可以穿透厚鋼板發(fā)生泄漏，易燃易爆的性質(zhì)使得運(yùn)輸儲(chǔ)存難度極大。氫能源的應(yīng)用對(duì)產(chǎn)業(yè)協(xié)同要求也很高。氫氣生產(chǎn)在未達(dá)到一定規(guī)模之前難以有效降低成本，如何保證相關(guān)企業(yè)獲得商業(yè)利潤(rùn)，還需要考慮相關(guān)基礎(chǔ)配套設(shè)施的構(gòu)建、推動(dòng)企業(yè)研發(fā)成本的收回以保護(hù)其積極性，保證能源經(jīng)濟(jì)性和企業(yè)獲利前景。
氫能源國(guó)際合作會(huì)議召開(kāi)地點(diǎn)廣泛分布于歐洲、北美洲、南美洲、大洋洲等地，包含中國(guó)在內(nèi)的主要國(guó)家都已經(jīng)參與其中并已形成世界氫能源大會(huì)和世界氫技術(shù)大會(huì)交替召開(kāi)的慣例。國(guó)際范圍內(nèi)每年都有重量級(jí)的專(zhuān)業(yè)會(huì)議召開(kāi)，一方面說(shuō)明氫能源開(kāi)發(fā)的國(guó)際合作持續(xù)進(jìn)行，另一方面也體現(xiàn)了氫能源技術(shù)開(kāi)發(fā)難度之大。
工業(yè)和信息化部原部長(zhǎng)李毅中在2019中國(guó)汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)與政策實(shí)施高峰論壇上，就中國(guó)汽車(chē)未來(lái)發(fā)展方向及趨勢(shì)研究指出：“我國(guó)研究燃料電池的難點(diǎn)在于高純度氫氣的制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注，多種氫源選擇不夠科學(xué)，需加快落實(shí)。電解水制氫，要用清潔電源，減少棄水棄風(fēng)棄光，就近消化；天然氣、輕油、煤制氫成本高、污染重，大量排放二氧化碳，需要做好環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)和廢氫回收提純;石化廢氫回收首先要用于自身，焦?fàn)t氣凈化制氫需做好經(jīng)濟(jì)核算。氫燃料電池車(chē)應(yīng)全面比較，充分論證，先做試點(diǎn)?！?
能源大轉(zhuǎn)型，欲速則不達(dá)
從光伏到構(gòu)建特高壓網(wǎng)絡(luò)、再到新能源汽車(chē)，能源變革的同時(shí)，兩個(gè)潛在問(wèn)題也逐漸暴露：一個(gè)是大量的可再生能源棄電，一個(gè)是新能源汽車(chē)難以突破的續(xù)航難題。在反對(duì)陣營(yíng)中，馬斯克曾對(duì)投資者放言“燃料電池沒(méi)有未來(lái)”，大眾汽車(chē)集團(tuán)CEO赫伯特·迪斯也曾對(duì)媒體說(shuō)：你們將不會(huì)看到任何氫能源的乘用車(chē)。
一方面，我國(guó)石油對(duì)外依存度逐年上升，實(shí)施能源替代迫在眉睫;另一方面，能源結(jié)構(gòu)中化石能源居于絕對(duì)主體地位，環(huán)保壓力巨大，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣刻不容緩。中國(guó)社科院研究生院院長(zhǎng)、國(guó)際能源安全研究中心主任黃曉勇認(rèn)為，“從目前煤炭占中國(guó)一次能源消費(fèi)近66%的比重看，中國(guó)仍處于煤炭消費(fèi)時(shí)代。中國(guó)已經(jīng)是世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，無(wú)論是實(shí)現(xiàn)中國(guó)的能源供給安全，還是從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的角度統(tǒng)籌能源生產(chǎn)，都必須加快發(fā)展可再生能源及天然氣、核電等清潔能源?！彪m然目前歐洲、美國(guó)、日本和中國(guó)等能源消費(fèi)大國(guó)的可再生能源發(fā)展都取得了較快發(fā)展，但我們需要意識(shí)到，想要過(guò)渡到可再生能源為主的能源系統(tǒng)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
GHK公司創(chuàng)始人、美國(guó)天然氣專(zhuān)家羅伯特·海夫納三世(Robert A.Hefner III)在其著作《能源大轉(zhuǎn)型：氣體能源的崛起與下一波經(jīng)濟(jì)大發(fā)展》中提出了一種有關(guān)能源轉(zhuǎn)型的全新觀(guān)點(diǎn)。作者認(rèn)為，所有能源從形態(tài)上看分為固體、液體和氣體，其中液體是固體與氣體的過(guò)渡狀態(tài)。能源大轉(zhuǎn)型是從過(guò)去的不可持續(xù)的固體能源向未來(lái)無(wú)限的、清潔的可持續(xù)發(fā)展能源過(guò)渡。作者還強(qiáng)調(diào)，在每個(gè)過(guò)渡階段，都會(huì)發(fā)生周期性的能源替代。比如，固體燃料階段，煤炭取代木材；液體燃料階段，石油取代鯨脂油，生物燃料開(kāi)始替代石油。氣體燃料中，天然氣的市場(chǎng)地位也會(huì)逐漸受到氫燃料的威脅。每一次社會(huì)形態(tài)的重大變化和國(guó)家綜合國(guó)力的此消彼長(zhǎng)，都與能源形態(tài)的變化分不開(kāi)。人類(lèi)社會(huì)在文明發(fā)展史上曾長(zhǎng)期以木材為主要能量來(lái)源，直到工業(yè)革命開(kāi)始煤炭的占比才迅速上升，并于20世紀(jì)前半期達(dá)到頂峰。隨后石油大踏步登上歷史舞臺(tái)，其消費(fèi)量于1973年達(dá)到歷史高峰。第三次能源革命的核心是大力推動(dòng)可再生能源發(fā)展，提高可再生能源在一次能源和電能中的比重，最終實(shí)現(xiàn)當(dāng)前化石能源系統(tǒng)向綠色、可持續(xù)的可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。
德國(guó)是世界第七大能源消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是歐洲能源進(jìn)口大國(guó)，降低對(duì)化石能源的依賴(lài)一直是其能源政策的核心目標(biāo)。2010年9月，德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部在《能源方案》報(bào)告中，闡述了德國(guó)中長(zhǎng)期能源發(fā)展思路，明確了到2050年實(shí)現(xiàn)“能源轉(zhuǎn)型”的發(fā)展目標(biāo)。然而，從2013年開(kāi)始，對(duì)于德國(guó)能源轉(zhuǎn)型的態(tài)勢(shì)，出現(xiàn)了一些質(zhì)疑的聲音。消費(fèi)者電費(fèi)負(fù)擔(dān)日益沉重，煤炭進(jìn)口增加，碳排放不降反升。大力推行可再生能源補(bǔ)貼和附加費(fèi)的政策直接導(dǎo)致其電價(jià)持續(xù)上漲。據(jù)德國(guó)聯(lián)邦能源和水資源協(xié)會(huì)(BDEW)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2000-2013年，德國(guó)居民電價(jià)從13.94歐分/kWh上升到28.84歐分/kWh，上漲幅度高達(dá)106.9%；高出歐盟平均水平近50%。德國(guó)目前的電價(jià)中，各種稅費(fèi)占比高達(dá)49%。
“德國(guó)能源轉(zhuǎn)型出現(xiàn)的問(wèn)題意味著，當(dāng)前能源革命或能源轉(zhuǎn)型的復(fù)雜性和艱巨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)想。中國(guó)作為一個(gè)處于工業(yè)化和城市化快速發(fā)展階段能源消費(fèi)大國(guó)，能源革命的艱巨性和復(fù)雜性比德國(guó)更甚?！敝袊?guó)社會(huì)科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所能源經(jīng)濟(jì)室主任朱彤表示。
能源體系換車(chē)道中暗藏玄機(jī)
“碳中和”的要求引發(fā)了新一輪能源與材料的變革，成了現(xiàn)階段為數(shù)不多的超車(chē)大機(jī)遇之一。而要實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，意味著要進(jìn)行一場(chǎng)更廣泛而深刻的能源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性變革，倒逼能源體系的零碳化和產(chǎn)業(yè)體系的去碳化、低碳化。
我們國(guó)家一邊通過(guò)消納棄電及延伸鋰電池的續(xù)航切入新能源產(chǎn)業(yè)鏈，一邊積極探索著電網(wǎng)之外的氫能源世界。尤其是氫燃料電池以其高效、潔凈、兼容可再生能源技術(shù)等特點(diǎn)，在未來(lái)交通、運(yùn)輸、通訊等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景，作為人們提出的后石油時(shí)代解決移動(dòng)動(dòng)力源的方案之一，是實(shí)現(xiàn)低碳減排目標(biāo)的重要能源轉(zhuǎn)換技術(shù)?！懊撎既霘洹辈⒎且资?，化石燃料制氫法雖然經(jīng)濟(jì)但伴隨著著能耗和污染。目前，二氧化碳捕集與封存技術(shù)正不斷完善，另外，如生物制氫法原料成本低且來(lái)源廣泛，制取過(guò)程不產(chǎn)生污染和有害物質(zhì)，也是替代方案之一。短期來(lái)看，化石能源廉價(jià)制氫技術(shù)或工業(yè)副產(chǎn)氫利用技術(shù)仍是主流，長(zhǎng)期則需培育和發(fā)展可再生能源或核能制氫技術(shù)，使之與可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟(jì)接軌。
制定完善的推動(dòng)可再生能源發(fā)展法律和政策體系非常重要。全國(guó)政協(xié)委員、民建天津市委會(huì)主委李文海建議加快氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，引導(dǎo)氫能源產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展。明確氫能源發(fā)展的中長(zhǎng)期目標(biāo)、路線(xiàn)圖及可操作性的實(shí)施細(xì)則，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，提升加氫站的運(yùn)營(yíng)水平。同時(shí)，全面推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色發(fā)展，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)控制化石能源消費(fèi)，大力發(fā)展包括氫能源在內(nèi)的清潔能源。此外，配合進(jìn)一步深化能源和價(jià)格改革，推動(dòng)能源革命。
實(shí)際上，能源體系的這種轉(zhuǎn)型不是能源品種的簡(jiǎn)單替換，而是從思維方式到社會(huì)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式的整體變革。風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能等可再生能源具有“間歇性”或“能源密度小”等弱點(diǎn)，與基于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模生產(chǎn)、遠(yuǎn)距離輸送、大規(guī)模消費(fèi)的化石能源體系是截然不同的。因此，可以認(rèn)為，在通向第三次能源革命過(guò)程中，能源轉(zhuǎn)型過(guò)程必然呈現(xiàn)反復(fù)拉鋸、轉(zhuǎn)型過(guò)快或不足、成本高昂等特征。所謂轉(zhuǎn)型過(guò)程“反復(fù)拉鋸”，是指可再生能源增長(zhǎng)會(huì)隨著政策波動(dòng)而波動(dòng)，在這樣的情況下，目前可再生能源發(fā)展主要依靠稅收優(yōu)惠和補(bǔ)貼政策推動(dòng)，隨著可再生能源份額的提高，消費(fèi)者負(fù)擔(dān)的成本越來(lái)越高，“成本高昂”就成為另一個(gè)必然結(jié)果。朱彤認(rèn)為，“對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，除了需要從反復(fù)拉鋸特征角度加深對(duì)能源轉(zhuǎn)型過(guò)程復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)和理解外，要更加注意避免‘能源轉(zhuǎn)型過(guò)快’情況的出現(xiàn)?！北热绲聡?guó)，顯然屬于“轉(zhuǎn)型過(guò)快”的國(guó)家。因此，我國(guó)石油天然氣替代煤炭和可再生能源替代化石能源的過(guò)程將同步進(jìn)行，而且需要經(jīng)歷相當(dāng)一段時(shí)間，否則可能會(huì)導(dǎo)致“能源轉(zhuǎn)型過(guò)快”而付出的代價(jià)。
