中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：縱觀全球能源發(fā)展史，能源品種演變呈現(xiàn)出從固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)、由高碳向低碳演變的特征。相比傳統(tǒng)化石能源，氫能具備來(lái)源廣、能量密度高、環(huán)保效果好和用途廣的優(yōu)勢(shì)，有望成為保障能源安全、緩解氣候變化的未來(lái)能源，正被世界各國(guó)納入能源戰(zhàn)略版圖。
1、國(guó)際社會(huì)布局氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點(diǎn)
全球?qū)Α拔磥?lái)能源”的探索在上世紀(jì)70年代石油危機(jī)后進(jìn)入了“快車道”，氫能成為國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的“未來(lái)能源”之一，各國(guó)在不同的戰(zhàn)略目標(biāo)指導(dǎo)下形成了差異化的氫能發(fā)展路線。日本以突破本土能源稟賦、實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立為導(dǎo)向，提出建設(shè)氫能社會(huì)，下游應(yīng)用場(chǎng)景豐富，形成了自上而下、以政府為主導(dǎo)的發(fā)展路線。美國(guó)以培育氫能經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向，形成了自下而上、以培育市場(chǎng)為導(dǎo)向的發(fā)展路線。歐盟作為發(fā)展低碳能源的領(lǐng)頭區(qū)域，堅(jiān)持以發(fā)展可再生能源為導(dǎo)向，形成了基于可再生能源制氫的技術(shù)路線。整體而言，能源資源競(jìng)爭(zhēng)和汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)是各國(guó)布局氫能的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)。
1.1從能源資源角度出發(fā)
氫能是各國(guó)爭(zhēng)相搶占的“未來(lái)能源”之一，是實(shí)現(xiàn)各類能源轉(zhuǎn)換的“樞紐”，可以實(shí)現(xiàn)不同能源品種向各類終端的傳輸，是增加未來(lái)低碳能源網(wǎng)絡(luò)靈活性的重要抓手。前端，氫是自然界最普遍存在的元素，氫氣可取自水、天然氣、化工廢氣、丙烷、甲醇等，原料來(lái)源極廣。末端，燃料電池為氫能提供了儲(chǔ)能載體，能夠與熱、電末端網(wǎng)絡(luò)有效銜接，可以解決能源供需配置上的時(shí)空矛盾。由此，以氫能為中介的能源系統(tǒng)具備充足的“安全墊”，有望打破傳統(tǒng)化石能源的剛性供給。
其次，氫是有望實(shí)現(xiàn)“零碳排放”的未來(lái)能源，末端排放僅產(chǎn)生水，環(huán)保性好，是“純綠”能源。再者，氫燃料的熱值高，同等質(zhì)量能量密度下的熱值僅次于核燃料，達(dá)142351kJ/kg，大約是汽油熱值的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，但能量密度優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮仍有賴于應(yīng)用場(chǎng)景的拓展和電堆技術(shù)的突破。四則氫能的安全底線有支撐。由于氫氣較輕，會(huì)以20m/s的速度在空氣中快速逸散，雖然氫氣易燃、爆炸極限寬等，但仍是最不容易形成可爆炸氣霧的燃料。
1.2從汽車產(chǎn)業(yè)角度出發(fā)
隨著燃油車退出趨勢(shì)加速，在氫燃料電池汽車和電動(dòng)車的“路線之爭(zhēng)”尚未明朗的背景下，率先搶占新能源汽車的技術(shù)高地對(duì)各國(guó)未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。相比電動(dòng)車，在現(xiàn)有技術(shù)條件下氫燃料電池汽車具備以下三點(diǎn)相對(duì)優(yōu)勢(shì)。
首先，受制于電池自重，鋰電池快充也需40min才可達(dá)到80%的電量，而氫燃料電池汽車的加氫時(shí)間在3~5min，相比電動(dòng)車充電時(shí)間，氫燃料電池汽車加氫時(shí)間更短。其次，燃料電池能量密度高，在大載重、中長(zhǎng)距離場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)明顯。再者，電動(dòng)車在低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)電阻變大、工作效率變低、低溫老化等問(wèn)題，而用于氫燃料電池汽車的質(zhì)子交換膜電池不僅可以在低溫環(huán)境正常運(yùn)行，而且更容易實(shí)現(xiàn)車內(nèi)取暖。
2、國(guó)際社會(huì)布局氫能的戰(zhàn)略選擇
2.1日本：立足于打破資源稟賦約束，著力構(gòu)建多元化的氫能供給體系
日本能源對(duì)外依存度高、發(fā)展氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點(diǎn)明確、訴求強(qiáng)烈。以突破本土能源稟賦、破除對(duì)化石能源的依賴、提高能源自給率、實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立為導(dǎo)向，日本提出要建設(shè)氫能社會(huì)，形成了自上而下、以政府為主導(dǎo)的發(fā)展路線。日本在2014年提出“氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖”，隨后相繼出臺(tái)了《氫燃料發(fā)電研究報(bào)告》《零碳?xì)淙剂涎芯繄?bào)告》，形成了日本氫能戰(zhàn)略的主要內(nèi)容，將氫能作為保障能源安全和應(yīng)對(duì)全球變暖議題的一張“王牌”。
日本的氫能發(fā)展路線圖包含三個(gè)階段：第一步到2025年，重點(diǎn)是擴(kuò)大燃料電池市場(chǎng)，包括家用燃料電池和交通運(yùn)輸兩大領(lǐng)域；第二步到2030年，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)氫燃料發(fā)電，以及建立大規(guī)模氫能供給體系；第三步是從2040年開始，要全面建成零排放的制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫的氫燃料供給體系。
供給端，上游供給體系構(gòu)建路線明確，目前初步形成了制氫“兩條腿”走路、運(yùn)氫多元化展開的路線。日本氫氣供應(yīng)體系有國(guó)際、國(guó)內(nèi)兩個(gè)層面上的支撐，國(guó)內(nèi)主要依靠可再生能源制氫，目前已建成了全球最大的可再生能源電解制氫項(xiàng)目FH2R。國(guó)際供氫主要有四個(gè)渠道，各個(gè)渠道的制氫工藝、儲(chǔ)運(yùn)方式各異：一是與澳大利亞合作開發(fā)褐煤制氫項(xiàng)目，以液態(tài)船運(yùn)方式運(yùn)輸?shù)饺毡?；二是與文萊合作開發(fā)天然氣重整制氫項(xiàng)目，以有機(jī)液體為載體將氫氣運(yùn)輸?shù)饺毡?；三是與挪威合作開發(fā)水力發(fā)電制氫項(xiàng)目，擬以低溫液化的方式將液態(tài)氫海運(yùn)至日本；四是與新西蘭合作的地?zé)嶂茪漤?xiàng)目。
需求端，下游應(yīng)用場(chǎng)景豐富，氫能在家用燃料電池、燃料電池汽車領(lǐng)域的推廣尤為亮眼，在不同細(xì)分領(lǐng)域上培育出了諸如豐田、松下、本田、愛(ài)信等龍頭企業(yè)。在家用燃料電池領(lǐng)域上，ENE-FARM是日本大力推廣的家用燃料電池系統(tǒng)，從2009年開始由松下、東芝、愛(ài)信等廠商研發(fā)生產(chǎn)，由東京燃?xì)夂痛筅嫒細(xì)獾热細(xì)夤鞠蛴脩翡N售，2009-2019年間，ENE-FARM系統(tǒng)累計(jì)銷售30萬(wàn)套，每套政府補(bǔ)貼由最初的8.9萬(wàn)元逐年下降直至取消。在車用燃料電池領(lǐng)域上，豐田mirai是氫燃料電池乘用車的領(lǐng)頭羊，目前續(xù)航里程達(dá)到了約850km、最大功率達(dá)到了134kW。
2.2美國(guó)：立足于推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)，固定式電池和重卡領(lǐng)域發(fā)展領(lǐng)先
美國(guó)將油氣視作其參與國(guó)際關(guān)系的重要籌碼，短時(shí)間內(nèi)仍會(huì)守住傳統(tǒng)能源的壓艙石，布局氫能則更多是從參與產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)角度出發(fā)、著力從市場(chǎng)開拓角度發(fā)力。
立足于構(gòu)建氫能經(jīng)濟(jì)，美國(guó)較先提出“氫經(jīng)濟(jì)”，早在2002年即頒布“國(guó)家氫能發(fā)展路線圖”，將氫能發(fā)展分為了四個(gè)階段：
第一階段是開發(fā)階段，包括降低燃料電池成本、開發(fā)固體儲(chǔ)氫裝置、天然氣繼續(xù)作為制氫主要原料、開發(fā)氫內(nèi)燃機(jī)、批量生產(chǎn)燃料電池汽車、在建筑物中增加燃料電池供熱供能試驗(yàn)、繼續(xù)開發(fā)便攜式氫燃料電池；
第二階段是市場(chǎng)過(guò)渡階段，政府將在市場(chǎng)過(guò)渡階段發(fā)揮重要作用，比如政府或公共部門將成為氫能的“第一用戶”，公共交通、消防等將采用基于氫燃料電池的分布式儲(chǔ)能，車輛、艦艇、飛機(jī)等軍事設(shè)備也將逐漸運(yùn)用氫能系統(tǒng)；
第三階段是市場(chǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張階段，氫能將從局部向整體推廣，國(guó)家政策將以支撐氫能市場(chǎng)化推廣為出發(fā)點(diǎn)；第四階段是氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代，即氫能全面取代化石能源成為居于主導(dǎo)地位的終端能源，個(gè)人氫能交通市場(chǎng)將自發(fā)形成。
以發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向，美國(guó)率先在經(jīng)濟(jì)可行性較高的領(lǐng)域獲得了突破。
一是依托美國(guó)國(guó)內(nèi)天然氣價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，以天然氣重整氣為原料的固定式燃料電池已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、樓宇供電領(lǐng)域應(yīng)用多年，并培育出了Bloomenergy、UTCPower等固定式領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。
二是在連續(xù)作業(yè)、大載重的物流貨運(yùn)領(lǐng)域，氫燃料電池汽車燃料加注時(shí)間短、可以減少停機(jī)時(shí)間、提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，與日本大力推廣氫燃料電池乘用車不同，美國(guó)在燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其中，PlugPower在全球燃料電池叉車市場(chǎng)的市占率居于首位，以尼古拉為首的重卡企業(yè)也開始布局氫燃料電池領(lǐng)域。
2.3歐盟：立足于實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源制氫
歐盟歷來(lái)是低碳發(fā)展上的領(lǐng)跑者，因而也將氫能視作其低碳發(fā)展的抓手之一。立足于提高可再生能源比例、降低交通領(lǐng)域溫室氣體排放、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，歐盟在2003年發(fā)布了“氫發(fā)展構(gòu)想報(bào)告和行動(dòng)計(jì)劃”，計(jì)劃在4年內(nèi)投資20億美元，規(guī)劃到2030年使氫能源汽車的比例達(dá)到15%。
歐盟的氫能技術(shù)路線圖將氫能發(fā)展分為了三個(gè)階段：
第一階段規(guī)劃到2010年，重點(diǎn)任務(wù)是通過(guò)電解水制氫提高可再生能源發(fā)電的比例，通過(guò)項(xiàng)目示范運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)氫能和燃料電池的初級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用、制氫基礎(chǔ)設(shè)施的早期開發(fā)、解決關(guān)鍵技術(shù)瓶頸；
第二階段規(guī)劃到2020年，重點(diǎn)內(nèi)容包括完善可再生能源制氫系統(tǒng)、具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的氫燃料電池汽車進(jìn)入家庭、建設(shè)分布式燃料電池供電站；
第三階段規(guī)劃到2050年，重點(diǎn)任務(wù)包括實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉春拖冗M(jìn)核能制氫、擴(kuò)大氫能分配網(wǎng)絡(luò)、將30%的加油站改成加氫站、氫能經(jīng)濟(jì)基本取代傳統(tǒng)化石能源經(jīng)濟(jì)。
以實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排為引領(lǐng)，歐盟各國(guó)的氫能利用在以下兩個(gè)場(chǎng)景上取得了亮眼成績(jī)。
一是電轉(zhuǎn)氣項(xiàng)目：為了解決可再生能源消納問(wèn)題，德國(guó)、丹麥、英國(guó)等國(guó)家先行先試了powertogas項(xiàng)目，利用風(fēng)能、光伏發(fā)電的剩余電力制氫，再將氫氣用于與天然氣進(jìn)行摻混、直接發(fā)電和供熱等。
二是燃料電池公交和列車：交通領(lǐng)域是對(duì)歐盟降低溫室氣體排放貢獻(xiàn)較大的領(lǐng)域之一，為了降低交通碳排放，歐盟多個(gè)國(guó)家在公用交通領(lǐng)域氫能利用上實(shí)現(xiàn)了突破，科隆、羅馬、奧斯陸、鹿特丹等城市已投入使用氫燃料電池巴士，德國(guó)率先在列車領(lǐng)域應(yīng)用了氫能。
3、結(jié)論
在全球能源供需格局走向?qū)捤?、氫能發(fā)展技術(shù)路線不確定的背景下，我國(guó)應(yīng)理性看待氫能發(fā)展。一方面，氫能是綠色能源的終極形式之一，是增強(qiáng)未來(lái)能源系統(tǒng)靈活性的重要介質(zhì)，不能放棄推進(jìn)氫能技術(shù)的研發(fā)。另一方面，規(guī)?；茝V氫能仍有賴于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景、商業(yè)模式的突破，不應(yīng)盲目跟風(fēng)，要避免重蹈可再生能源無(wú)序發(fā)展的覆轍。
1）不同的戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)作用大相徑庭，應(yīng)盡早定下戰(zhàn)略基
對(duì)于我國(guó)而言，以消化可再生能源、解決“三棄”問(wèn)題為目標(biāo)，則應(yīng)大力突破電解水制氫的效率和成本問(wèn)題，重點(diǎn)采用分布式形式利用氫能，避免大規(guī)模集中式建設(shè)；以提高能源自給率、保障能源安全為目標(biāo)，則應(yīng)大力發(fā)展大規(guī)模集中式的化石能源制氫，突破儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；以增強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備、趕超能源技術(shù)為目標(biāo)，則應(yīng)突破電堆等關(guān)鍵零部件技術(shù)，提高氫能系統(tǒng)裝備的國(guó)產(chǎn)化率，重點(diǎn)采用示范形式運(yùn)營(yíng)相關(guān)項(xiàng)目。
2）在要素?zé)o法自由流動(dòng)的能源市場(chǎng)，應(yīng)從資源稟賦實(shí)際出發(fā)，不能對(duì)灰氫、藍(lán)氫“一刀切”不同區(qū)域需要結(jié)合自身的資源稟賦和下游需求，統(tǒng)籌布局氫能發(fā)展。
如，西北地區(qū)擁有豐富的風(fēng)光資源，但下游需求有限，可考慮重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫、氫燃料電池儲(chǔ)能的發(fā)展路線，山東、上海擁有豐富的副產(chǎn)氫資源，則可在短期內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展副產(chǎn)氫提純的技術(shù)路線。不同區(qū)域的灰氫、藍(lán)氫清潔程度不一，不應(yīng)過(guò)度追捧電解氫、扼殺工業(yè)副產(chǎn)氫。如，對(duì)于化石能源發(fā)電占比較高的區(qū)域，電解氫的清潔程度不一定比工業(yè)副產(chǎn)氫高，而對(duì)于伴生CO2有具體用途的部分上?；@區(qū)副產(chǎn)氫，其清潔用途反而有望超過(guò)電解氫。
