中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，國際能源署（IEA）發(fā)布《全球氫能評(píng)估報(bào)告2021》指出，氫能將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，氫能尤其在難減排的行業(yè)（如化工、鋼鐵、長途卡車運(yùn)輸、海運(yùn)和航運(yùn)等行業(yè)）具有重要應(yīng)用潛力；全球到2030年需投資1.2萬億美元，以構(gòu)建全球氫能市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)全球凈零排放。針對(duì)氫能未來發(fā)展，報(bào)告提出了五大戰(zhàn)略性建議：各國需要制定氫能戰(zhàn)略/路線圖；發(fā)展低碳制氫技術(shù)；推進(jìn)氫能項(xiàng)目投資；加速技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)化；構(gòu)建配套的認(rèn)證、標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體系。報(bào)告要點(diǎn)如下：
一、當(dāng)前全球多國政府積極采取行動(dòng)，推動(dòng)氫能快速發(fā)展
迄今公布的氫能戰(zhàn)略顯示，幾乎所有國家對(duì)氫能在其能源系統(tǒng)中所扮演角色的認(rèn)識(shí)大致相同，都強(qiáng)調(diào)了其對(duì)交通運(yùn)輸和工業(yè)部門脫碳的重要性。具體國家氫能戰(zhàn)略布局如表1所示：
表1 不同國家氫能戰(zhàn)略布局情況
二、當(dāng)前全球制氫技術(shù)正在清潔轉(zhuǎn)型，但進(jìn)度較為緩慢
2020年，全球氫氣需求量達(dá)到9000萬噸，幾乎全部用于工業(yè)煉油和其他應(yīng)用，且?guī)缀跬耆ㄟ^化石燃料生產(chǎn)，給全球帶來了近9億噸CO2排放量。有跡象表明，過去5年，全球電解槽產(chǎn)能翻了一番，到2021年中旬達(dá)到300多兆瓦。目前全球正在開發(fā)的350個(gè)電解水制氫項(xiàng)目，到2030年將實(shí)現(xiàn)氫供應(yīng)量超過800萬噸。盡管發(fā)展顯著，但這一數(shù)字仍遠(yuǎn)低于IEA《全球能源部門凈零排放路線圖》中設(shè)定到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放發(fā)展的需求，即氫氣供應(yīng)量需要達(dá)到8000萬噸。
歐洲在電解槽產(chǎn)能部署方面處于全球領(lǐng)先地位，占全球裝機(jī)容量的40%，在歐盟和英國政府氫能戰(zhàn)略的支持下，短期內(nèi)歐洲仍將是全球最大的氫能市場(chǎng)。澳大利亞宣布將在幾年之內(nèi)趕上歐洲；拉丁美洲和中東地區(qū)也將部署大量電解槽；中國雖然起步較晚，但氫能項(xiàng)目建設(shè)數(shù)量正在迅速增加；美國近日也宣布了“氫能攻關(guān)計(jì)劃”。目前，全球16個(gè)利用碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)制氫項(xiàng)目已投運(yùn)，每年可生產(chǎn)70萬噸氫氣。另外50個(gè)制氫項(xiàng)目正在開發(fā)中，預(yù)計(jì)到2030年，每年氫能產(chǎn)量將增加到900萬噸以上。加拿大和美國利用CCUS技術(shù)在化石燃料制氫領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，占全球產(chǎn)能的80%以上。
三、氫能應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸擴(kuò)大
近年來，氫能在交通運(yùn)輸部門應(yīng)用取得較為顯著的進(jìn)展。自2008年以來，由于技術(shù)進(jìn)步和燃料電池汽車（FCEVs）銷量的增加，燃料電池汽車制造成本下降了70%。在韓國、美國、中國和日本的努力下，投運(yùn)的燃料電池汽車數(shù)量從2017年的7000輛增加到2021年中旬的超過4.3萬輛，增長幅度達(dá)到6倍以上。2017年，幾乎所有的燃料電池汽車均為乘用車；而目前，五分之一為公共汽車和卡車，這表明氫燃料電池汽車可以更好地與電動(dòng)汽車相競(jìng)爭(zhēng)。然而，燃料電池汽車部署數(shù)量仍遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車，后者的部署規(guī)模為1100萬輛。鐵路、航運(yùn)和海運(yùn)方面使用氫基燃料的幾個(gè)示范項(xiàng)目正在開發(fā)，預(yù)計(jì)將為創(chuàng)造氫需求開辟新的機(jī)會(huì)。此外，在工業(yè)部門，氫是工業(yè)脫碳的一個(gè)重要支柱，盡管大多數(shù)突破性技術(shù)仍處在萌芽階段。今年，世界上第一個(gè)利用低碳?xì)渖a(chǎn)無碳鋼的示范項(xiàng)目在瑞典啟動(dòng)；一個(gè)使用波動(dòng)性可再生氫生產(chǎn)氨的試點(diǎn)項(xiàng)目將于2021年底在西班牙啟動(dòng)；數(shù)個(gè)數(shù)萬噸氫氣產(chǎn)能規(guī)模的項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在未來2-3年內(nèi)投入使用。水泥、陶瓷和玻璃制造等工業(yè)應(yīng)用中使用氫能的示范項(xiàng)目也在開發(fā)中。
四、具有潛在應(yīng)用前景的新興制氫技術(shù)現(xiàn)狀
1、固體氧化物電解槽（SOEC）制氫技術(shù)
固體氧化物電解槽（SOEC）利用蒸汽替代水來制氫，這是與堿性水電解和質(zhì)子交換膜電解槽一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。由于SOEC采用陶瓷作為電解質(zhì)，因此材料成本較低。在高溫環(huán)境下，其工作效率高達(dá)79%-84%，核能、太陽能熱、地?zé)嵋约肮I(yè)余熱都可作為SOEC的熱源。此外，SOEC可以作為燃料電池在逆反應(yīng)模式下將氫能轉(zhuǎn)換成電能，這是區(qū)別于堿性質(zhì)子交換膜電解槽的另一個(gè)特點(diǎn)。將SOEC與儲(chǔ)氫設(shè)施相結(jié)合，可以為電網(wǎng)提供支撐服務(wù)，提高設(shè)備整體利用率。SOEC還可以促使水蒸汽與CO2共電解，從而制得合成燃料。
目前，SOEC仍處于大規(guī)模應(yīng)用示范階段（技術(shù)成熟度<TRL>為6-7級(jí)），通常應(yīng)用于合成碳?xì)淙剂?。荷蘭Rotterdam正在開發(fā)2.6兆瓦的SOEC制氫系統(tǒng)；丹麥計(jì)劃在2023年前啟動(dòng)500兆瓦的SOEC制氫工廠。
2、甲烷熱解制氫技術(shù)
甲烷熱解（也稱為甲烷裂解）制氫技術(shù)是將甲烷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫和固態(tài)碳（如炭黑、石墨）的過程，此過程不會(huì)直接排放CO2。反應(yīng)需要相對(duì)較高的溫度（>800℃），可通過傳統(tǒng)方式（如電加熱裝置）或使用等離子體來實(shí)現(xiàn)。甲烷熱解每單位氫氣耗電量比電解制氫減少3-5倍，但該方法與甲烷蒸汽重整制氫技術(shù)相比，需要消耗更多的天然氣。甲烷熱解制氫的轉(zhuǎn)換效率為40%-45%，但其副產(chǎn)物炭黑可用于制造橡膠、輪胎、打印油墨和塑料制品，2020年全球炭黑需求量為1600萬噸。此外，熱解生成的碳還可用于建筑材料，或替代煉鋼過程中所需的焦炭。
目前，正在開發(fā)的甲烷熱解制氫技術(shù)TRL為3-6級(jí)。2020年美國Monolith材料公司啟動(dòng)了利用等離子體高溫加熱甲烷熱解制氫工廠，并計(jì)劃建立一個(gè)商業(yè)化規(guī)模的氨生產(chǎn)工廠；澳大利亞Hazer集團(tuán)正在建造催化輔助流化床反應(yīng)器示范工廠，用于將沼氣轉(zhuǎn)化為氫氣和石墨；俄羅斯天然氣公司正開發(fā)一種基于等離子體的甲烷熱解制氫工藝；美國C-Zero公司正開發(fā)一種用于甲烷熱解的電加熱金屬熔融反應(yīng)器。
3、陰離子交換膜（AEM）電解制氫技術(shù)
陰離子交換膜（AEM）電解槽結(jié)合了堿性水電解和質(zhì)子交換膜電解槽的優(yōu)點(diǎn)，僅使用過渡金屬催化劑（CeO2-La2O），并不需要鉑金屬。AEM電解槽一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是AEM為固態(tài)電解質(zhì)，避免了在堿性水電解中使用的腐蝕性電解質(zhì)。
目前，AEM技術(shù)仍處于早期研發(fā)階段（TRL為4-5級(jí)），德國Enapter公司正在開發(fā)千瓦級(jí)AEM電解槽系統(tǒng)。
4、電氣化甲烷蒸汽重整（ESMR）制氫技術(shù)
電氣化甲烷蒸汽重整（ESMR）制氫是一種利用電加熱反應(yīng)器代替燃?xì)庹羝卣磻?yīng)器的工藝。目前，ESMR技術(shù)僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模進(jìn)行了測(cè)試（TRL為4級(jí)），一個(gè)正在部署的示范項(xiàng)目計(jì)劃將沼氣作為ESMR原料生產(chǎn)氫氣和一氧化碳，然后轉(zhuǎn)化為甲醇用于工業(yè)生產(chǎn)。
五、制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫及氫能應(yīng)用全價(jià)值鏈技術(shù)成熟度情況
氫是一種用途廣泛的燃料，可以使用各種能源（如煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)、可再生能源和核能）通過多種技術(shù)（重整、氣化、電解、熱解、水分解等）來生產(chǎn)。制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫及氫能應(yīng)用全價(jià)值鏈技術(shù)成熟度情況如圖1和圖2所示。
圖1 制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫過程技術(shù)成熟度
圖2 氫能終端應(yīng)用各項(xiàng)技術(shù)成熟度
六、各國政府需加大投資，促進(jìn)低碳?xì)渖a(chǎn)以及氫能創(chuàng)新需求
目前，采取氫能戰(zhàn)略的國家已承諾資助370億美元，并聯(lián)合私營部門投資3000億美元用于氫能工業(yè)生產(chǎn)（如圖3所示）。但要使氫能行業(yè)在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放，到2030年前需投資1.2萬億美元用于低碳?xì)涞纳a(chǎn)和應(yīng)用。當(dāng)前，大多數(shù)政府關(guān)注重點(diǎn)是生產(chǎn)低碳?xì)?，?duì)氫能創(chuàng)新需求關(guān)注較少。要提高低碳?xì)湓谇鍧嵞茉崔D(zhuǎn)型中的作用，需要在創(chuàng)新需求方面做出努力，多國政府已宣布包括制定碳價(jià)、配額、公共采購等各種政策激勵(lì)手段，但這些措施尚未生效。未來需加速推廣氫能創(chuàng)新需求激勵(lì)手段，大規(guī)模推進(jìn)氫能項(xiàng)目示范部署，擴(kuò)大氫能需求。
圖3 承諾目標(biāo)情景和凈零排放情景中各領(lǐng)域氫能相關(guān)技術(shù)投資額需求（單位：十億美元）
七、未來十年低碳?xì)涞氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將日益增強(qiáng)
目前，發(fā)展低碳?xì)涞囊粋€(gè)主要障礙是其成本遠(yuǎn)高于化石燃料制氫成本?；剂现茪涫鞘澜缟隙鄶?shù)地區(qū)最具經(jīng)濟(jì)效益的方式之一。根據(jù)各地區(qū)天然氣價(jià)格的不同，通過天然氣生產(chǎn)氫氣的平均成本為0.5-1.7美元/千克。使用CCUS技術(shù)來減少氫生產(chǎn)過程中的碳排放，將使氫生產(chǎn)成本提高到1-2美元/千克。而當(dāng)前使用可再生能源制氫成本最高，為3-8美元/千克。通過技術(shù)創(chuàng)新和增加規(guī)模，將有效降低氫氣生產(chǎn)成本。長遠(yuǎn)來看，根據(jù)IEA的2050凈零排放情景，可再生能源電力制氫成本可降至1美元/千克（范圍為1.0-3.0美元/千克），在一些地區(qū)，即使沒有采用CCUS技術(shù)，太陽能光伏制氫的成本也將可以媲美天然氣制氫成本。
八、實(shí)現(xiàn)氣候承諾需采取更果斷的行動(dòng)，并加強(qiáng)國際合作
雖然氫燃料需求量和使用范圍正不斷增加，但以目前的發(fā)展進(jìn)程仍無法達(dá)到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的要求。如果目前所有宣布的氫能計(jì)劃都能實(shí)施，到2030年將實(shí)現(xiàn)如下進(jìn)展：①與2050凈零排放情景中超過2億噸的氫能需求相比，目前總氫能需求將增加到1.05億噸；②低碳?xì)洚a(chǎn)量將達(dá)到1700萬噸，但這只是2050凈零排放情景中所要求的八分之一；③電解槽裝機(jī)容量將達(dá)到90吉瓦，但遠(yuǎn)低于2050凈零排放情景中所要求的近850吉瓦；④最多可部署600萬輛燃料電池汽車，但僅為2050凈零排放情景中所要求部署規(guī)模的40%（1500萬輛燃料電池汽車）。
國際合作對(duì)加速氫能市場(chǎng)構(gòu)建至關(guān)重要，自2018年以來，日本一直通過氫能部長級(jí)會(huì)議引領(lǐng)該領(lǐng)域全球發(fā)展。此后，多個(gè)國家和組織宣布了若干雙邊和多邊合作協(xié)議和倡議，包括清潔能源部長級(jí)氫能倡議、氫能創(chuàng)新使命和聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的全球氫能伙伴關(guān)系。加強(qiáng)倡議間的協(xié)調(diào)對(duì)避免重復(fù)工作和確保有效進(jìn)展具有重要意義。
九、國際能源署對(duì)構(gòu)建全球氫能市場(chǎng)五大戰(zhàn)略性建議
（1）各國需要制定氫能戰(zhàn)略/路線圖。特別是氫能需求較大的國家需要制定國家氫能戰(zhàn)略/路線圖，重點(diǎn)設(shè)定低碳?xì)洚a(chǎn)量的具體指標(biāo)，通過刺激措施撬動(dòng)更多的投資以擴(kuò)大氫能市場(chǎng)價(jià)值，加速氫能項(xiàng)目部署速度，這將對(duì)利益相關(guān)方構(gòu)建低碳?xì)錆撛谑袌?chǎng)的信心至關(guān)重要。
（2）建立激勵(lì)機(jī)制，發(fā)展低碳制氫技術(shù)以取代化石燃料。充分挖掘氫能作為清潔能源載體的潛力，一些國家/地區(qū)已經(jīng)在利用碳價(jià)來縮小可再生能源制氫與化石燃料制氫之間的成本差距，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為幫助行業(yè)降低風(fēng)險(xiǎn)和提高項(xiàng)目生產(chǎn)效益，政府應(yīng)設(shè)計(jì)透明和可預(yù)測(cè)的政策框架和金融支持計(jì)劃，如實(shí)施碳價(jià)、授權(quán)/配額、公共采購等措施。國際社會(huì)的積極參與將有助于推動(dòng)氫能技術(shù)快速發(fā)展。
（3）推進(jìn)氫能生產(chǎn)裝置、基礎(chǔ)設(shè)施和示范工廠的投資建設(shè)。在制氫領(lǐng)域，提升電解槽和碳捕集裝置在制氫過程中的使用率，發(fā)展氫專用基礎(chǔ)設(shè)施、提高氫能技術(shù)（如燃料電池和電解槽）的創(chuàng)新能力。政府需要縮短支撐技術(shù)的審批流程，允許私人企業(yè)和投資者進(jìn)行投資，加快大規(guī)模低碳?xì)涔艿澜ㄔO(shè)。此外，政府通過撥款、貸款和稅收減免等措施為選定的旗艦項(xiàng)目提供量身定制的支撐，并建立今后的支持計(jì)劃將有助于低碳?xì)涞耐茝V。
（4）加速技術(shù)創(chuàng)新，確保關(guān)鍵技術(shù)迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新對(duì)降低用氫成本和提高氫能競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。本世紀(jì)初須實(shí)現(xiàn)的商業(yè)化技術(shù)包括：在鋼鐵冶煉過程中使用氫能、利用波動(dòng)性可再生能源電解水制氫用于生產(chǎn)氨氣和甲醇、在重型交通運(yùn)輸中使用氫能以及在航運(yùn)中使用氫能。在這一領(lǐng)域，國際合作至關(guān)重要，下一步計(jì)劃在“創(chuàng)新使命”計(jì)劃中將氫能研發(fā)經(jīng)費(fèi)翻倍，并利用國際能源署和先進(jìn)燃料電池技術(shù)合作計(jì)劃，召集并促進(jìn)國際研發(fā)和信息交流。
（5）構(gòu)建配套的標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證和監(jiān)管體系。氫氣作為清潔能源有望刺激新市場(chǎng)和價(jià)值鏈的發(fā)展，因此需要加快構(gòu)建配套的監(jiān)管框架、認(rèn)證計(jì)劃和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以減少利益相關(guān)方推進(jìn)氫能部署面臨的障礙，在短期內(nèi)需注重國際貿(mào)易、用氫安全、技術(shù)采用這三個(gè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定。標(biāo)準(zhǔn)制定之后需進(jìn)行技術(shù)認(rèn)證，以確保制造商遵守國際標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)低碳?xì)涫褂没盍?。此外，一個(gè)清晰、透明和支持性的監(jiān)管框架將促進(jìn)全球氫能市場(chǎng)快速發(fā)展。隨著氫能需求和供應(yīng)商數(shù)量的增加，以及全新的價(jià)值鏈和合作伙伴關(guān)系的出現(xiàn)，監(jiān)管體系需變得動(dòng)態(tài)靈活，以適應(yīng)市場(chǎng)演變，并保障生產(chǎn)裝置和基礎(chǔ)設(shè)施投資的可靠性。最后，金融市場(chǎng)監(jiān)管以及國際上對(duì)環(huán)境、社會(huì)和企業(yè)的碳排放監(jiān)控將推動(dòng)投資者將目光轉(zhuǎn)向包括低碳?xì)湓趦?nèi)的清潔能源領(lǐng)域。
