中國儲能網(wǎng)訊：氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。當(dāng)前，全球主要發(fā)達國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將氫能作為加快能源轉(zhuǎn)型升級、培育經(jīng)濟新增長點的重要戰(zhàn)略選擇。面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮，我國牢牢把握變革機遇與大勢， 加快培育發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，加速推進我國能源清潔低碳轉(zhuǎn)型。但和發(fā)達國家相比，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初級階段，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨較大挑戰(zhàn)。本刊編輯部以“氫能探路”為題，從產(chǎn)業(yè)觀察的視角組織三篇文章，通過分析綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電氫耦合關(guān)系、歐盟氫能發(fā)展的現(xiàn)狀等，探討我國推進氫能產(chǎn)業(yè)健康、有序、可持續(xù)發(fā)展的路徑。
由于氫能可以實現(xiàn)跨月、跨季節(jié)的能量存儲，目前已經(jīng)受到了能源行業(yè)的廣泛關(guān)注。綠氫無污染物排放、無溫室氣體排放，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。但是綠氫是否具備規(guī)模化發(fā)展的條件呢？本文對綠氫發(fā)展現(xiàn)狀、經(jīng)濟性、面臨的挑戰(zhàn)等多個方面進行分析，為行業(yè)發(fā)展提供參考。
綠氫技術(shù)進展情況
按照來源區(qū)分，氫氣分為灰氫、藍氫以及綠氫。其中灰氫是指，化石燃料經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣；藍氫是指，生產(chǎn)灰氫的同時，使用CCUS等先進技術(shù)捕獲溫室氣體。綠氫是指，利用可再生能源發(fā)電進行電解水制氫。從生產(chǎn)過程來看，未來綠氫以及藍氫是發(fā)展方向，綠氫將占據(jù)絕對份額。目前，制備綠氫的主流方向有３個，分別是電解堿水制氫技術(shù)（ALK）、質(zhì)子膜電解水制氫技術(shù)（PEM）和高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)（SOEC）。
目前，ALK技術(shù)已經(jīng)成熟，應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)單槽規(guī)模較大，最大可達1000標(biāo)立方米/小時，系統(tǒng)壽命較長，可達10~20年，設(shè)備價格較為便宜，國產(chǎn)設(shè)備價格約1500~2500元/千瓦，進口設(shè)備價格約6000~8000元/千瓦。但是該技術(shù)能耗較高，直流電耗為4.3~5千瓦時/立方米，制氫效率58%~67%；冷態(tài)啟動時間1~2小時，熱態(tài)啟動時間5~10分鐘；動態(tài)響應(yīng)能力較差；設(shè)備調(diào)節(jié)負荷范圍為30~105%。
PEM技術(shù)處于商業(yè)化前期，僅有少量的示范項目。該技術(shù)單槽規(guī)模相對較小，最大可達500標(biāo)立方米/小時，系統(tǒng)壽命約為5~10年，設(shè)備價格相對較高，約為8000~15000元/千瓦。但是該技術(shù)能耗相對較低，直流電耗為3.8~5千瓦時/立方米，制氫效率58~76%；冷態(tài)啟動時間約5分鐘，熱態(tài)啟動時間小于10秒，遠遠優(yōu)于電解堿水技術(shù)；該技術(shù)動態(tài)響應(yīng)能力較強；設(shè)備調(diào)節(jié)負荷范圍為5~150%。
SOEC技術(shù)尚未成熟，目前仍處于實驗階段。該技術(shù)單槽規(guī)模非常小，一般小于10標(biāo)立方米/小時，系統(tǒng)壽命約為1~2年。但是該技術(shù)電耗最低，直流電耗為3.5~4.3千瓦時/立方米，制氫效率67~83%；冷態(tài)啟動時間數(shù)小時，熱態(tài)啟動時間約15分鐘。該技術(shù)動態(tài)響應(yīng)能力較弱。
陰離子膜電解水制氫（AEM）已經(jīng)成為了行業(yè)重點關(guān)注的技術(shù)。AEM電解水制氫技術(shù)融合了堿性電解水和PEM電解水的優(yōu)勢，作為新興技術(shù)成為歐美國家的研發(fā)熱點。未來突破陰離子交換膜和高活性非貴金屬催化劑等關(guān)鍵材料，有望顯著提升電解槽性能、降低電解槽制造成本，為可再生能源電解水制氫產(chǎn)業(yè)帶來突破性變革。
綠氫經(jīng)濟性分析
平準(zhǔn)化制氫成本（LCOH）是考慮了資金的時間價值，計算全生命周期內(nèi)的制氫成本。LCOH不僅與造價有關(guān)，還與能耗、折現(xiàn)率等有關(guān)。本文對綠氫制氫成本進行分析，假定綠氫通過燃氣輪機進行發(fā)電，對發(fā)電成本進行分析。相關(guān)參數(shù)假定如下：
制氫與發(fā)電相關(guān)參數(shù)。以5000千瓦制氫項目為例，假定項目運營期20年，投資成本分別為3500元/千瓦、2800元/千瓦（假定設(shè)備成本占總投資的70%）。假定氫氣通過燃氣輪機進行發(fā)電，燃氣輪機造價2500元/千瓦（聯(lián)合循環(huán)機組）。
購電成本。電能成本占制氫成本的80%左右。對于電解堿水制氫，一般需要通過從電網(wǎng)購電進行制氫。目前，制氫用電價格為新能源上網(wǎng)電價或優(yōu)惠電價。但是隨著制氫規(guī)模的進一步擴大，未來制氫用電可能納入工商業(yè)用電，或自備電廠用電。目前，工商業(yè)用電成本在0.8元/千瓦時左右，有進一步上漲的趨勢。為此，以下分別假定用電成本為0.8元/千瓦時、0.4元/千瓦時、0.2元/千瓦時以及0.1元/千瓦時。
制氫年利用小時為4000小時
當(dāng)制氫設(shè)施年利用小時為4000小時，假定氫能存儲成本為2元/千克，相關(guān)參數(shù)及計算見表1。
制氫年利用小時為2000小時
當(dāng)制氫設(shè)施年利用小時為2000小時，假定氫能存儲成本為2元/千克，相關(guān)參數(shù)及計算見表2。
綠氫發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
綠氫發(fā)展道路并不是一帆風(fēng)順，目前綠氫成本依然較高，競爭力明顯不足；氫能被列入?；饭芾?，在發(fā)展布局方面面臨政策制約；管道運輸是最為經(jīng)濟的方式，但是仍面臨技術(shù)問題；綠氫制備技術(shù)仍然停留在初期階段，需要加快技術(shù)創(chuàng)新步伐。
制氫成本依然較高
成本是制約綠氫大規(guī)模發(fā)展的主要因素。按照目前的造價（制氫小時按4000小時計算），若將制氫用電納入工商業(yè)用電（或自備電廠用電），當(dāng)電價為0.8元/千瓦時，制氫成本為45.5元/千克，遠高于化石能源制氫成本。電價為0.2元/千瓦時，制氫成本為15.3元/千克，可與化石能源制氫持平，但是這種優(yōu)惠電價在現(xiàn)實中不可持續(xù)。另外，由于新能源距離氫能需求中心較遠，運輸成本可能更高。
綠氫儲能成本遠高于其他類型儲能。氫能屬于儲能類型的一種，但是成本遠高于其他類型儲能。目前抽水蓄能成本為0.21~0.25元/千瓦時；鋰電池成本為0.50~0.70元/千瓦時；相比之下氫儲能成本為0.64~2.40元/千瓦時（按制氫電價為0.1~0.8元/千瓦時計），遠高于其他類型儲能。為此，繼續(xù)提高經(jīng)濟性是氫儲能大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。
氫被列入危化品管理
隨著氫被列入?；饭芾砗?，氫氣制備以及存儲面臨復(fù)雜的審批手續(xù)。氫氣是一種極易燃的氣體。氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4~75%（體積分數(shù)）；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%~59%（體積分數(shù)）。為此，《危險化學(xué)品目錄》將氫氣納入其中。多數(shù)省份規(guī)定，必須進入化工園區(qū)制氫，同時還需取得?；飞a(chǎn)許可證，應(yīng)用領(lǐng)域局限在化學(xué)品，這對氫能的大規(guī)模開發(fā)和利用非常不利。目前，山東、上海等地開始探索、支持非化工園區(qū)可再生能源制氫項目的發(fā)展，這對推動新能源制氫釋放出了一種積極的信號。
管道運輸面臨安全風(fēng)險
通過天然氣管道輸送氫氣，是實現(xiàn)氫氣經(jīng)濟運輸?shù)淖顑?yōu)途徑，對解決氫能供需異地矛盾、推動氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展具有重要意義。但是與天然氣不同，氫由于特殊的性質(zhì)，可能進入到金屬內(nèi)部與金屬基體發(fā)生交互作用，引起管道材料韌性下降進而發(fā)生脆斷或開裂（俗稱“氫脆”現(xiàn)象），成為影響輸氫管道安全運行的最大風(fēng)險之一。在國外，天然氣管道摻氫技術(shù)比較成熟，但是我國目前對于“氫脆”機理的研究仍然不充分，無法從根本上避免“氫脆”現(xiàn)象的發(fā)生，僅能通過降低運行壓力或者減少摻氫比例降低“氫脆”發(fā)生的風(fēng)險。未來對于“氫脆”的研究仍需要進一步深入。
制氫技術(shù)水平有待提升
推動綠氫發(fā)展需要加快關(guān)鍵技術(shù)突破。目前，我國主要以電解堿水制氫為主。電解堿水制氫技術(shù)能耗較高，而且負荷變動速率慢、范圍窄，難以適應(yīng)新能源負荷變化的需要。雖然質(zhì)子交換膜技術(shù)以及固體氧化物技術(shù)在靈活性以及能耗等方面具有一定優(yōu)勢，但是目前還停留在示范或?qū)嶒炿A段。尤其是由于部分核心部件（例如質(zhì)子交換膜）受制于國外，導(dǎo)致價格非常高。突破制氫技術(shù)障礙，將成為影響綠氫技術(shù)發(fā)展的重要因素。
對綠氫發(fā)展的思考
綠氫為什么近階段發(fā)展較快？專門用棄電制氫是否可行？綠氫能否借鑒光伏降低成本路徑？綠氫經(jīng)濟性到底如何？圍繞這幾個熱點問題，筆者的初步思考如下：
目前市場在推動綠氫發(fā)展方面的作用并未顯現(xiàn)
綠氫目前經(jīng)濟性較差，發(fā)展主要依靠政策推動。一是政府補貼。地方政府為了引進產(chǎn)業(yè)，對企業(yè)推出了優(yōu)惠措施。例如內(nèi)蒙古自治區(qū)安排2億元專項債，支持新能源汽車充電站（樁）、氫燃料電池加氫站建設(shè)；上海市則涉及支持整車應(yīng)用、支持關(guān)鍵零部件發(fā)展、對加氫站建設(shè)等方面進行補貼。二是將綠氫作為獲取新能源資源的重要手段。內(nèi)蒙古自治區(qū)對納入示范的風(fēng)光制氫一體化項目，按照制氫量所需電量的1.2倍配置新能源規(guī)模；山東省、湖北省等均將氫能納入新能源資源獲取的重要指標(biāo)。
專門用新能源“棄電”制氫是一個偽命題
當(dāng)調(diào)節(jié)性電源無法調(diào)節(jié)時，或電力系統(tǒng)運行安全性受到影響時，調(diào)度往往通過限電的方式進行棄風(fēng)或棄光。但是完全依靠棄風(fēng)棄光進行制氫，并不現(xiàn)實。一是棄電并不持續(xù)。例如在某一段時段產(chǎn)生了大量的棄電，而在其他時段卻無棄電，導(dǎo)致設(shè)備功率選型偏大偏小均不合適；二是新能源發(fā)電具有波動性。從幾種制氫技術(shù)看，電解堿水制氫價格低廉，但是無法適應(yīng)風(fēng)電與光伏頻繁波動的要求。PEM技術(shù)雖然可以滿足要求，但是成本非常高昂。
綠氫產(chǎn)業(yè)無法復(fù)制光伏大幅降低成本的路徑
近十年來，光伏造價下降了近90%，進而推動了光伏在我國以及世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。但是推動綠氫成本下降無法復(fù)制光伏的路徑，綠氫主要成本在于用電成本，對于電解堿水制氫，電能成本約占據(jù)80%。隨著新能源規(guī)模的持續(xù)擴大，電力系統(tǒng)對調(diào)節(jié)性電源的需求將進一步增加，導(dǎo)致平均電價進一步上升?，F(xiàn)貨市場雖然可能出現(xiàn)低電價或負電價，但是隨著新型儲能、抽水蓄能等大規(guī)模投產(chǎn)，現(xiàn)貨市場中低電價出現(xiàn)的頻率可能進一步減少?？偠灾?，光伏的成本在于設(shè)備，而綠氫的成本在于購電，因此光伏成本下降的路徑在綠氫領(lǐng)域不可復(fù)制。
綠氫產(chǎn)業(yè)競爭力短期內(nèi)難以進一步提升
成本是判斷產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素。但是綠氫成本較高，競爭力遠遠不夠。以目前的優(yōu)惠電價0.2元/千瓦時進行分析，制氫成本為15.3元/千克；若用氫進行發(fā)電，度電成本高達0.94元/千瓦時。但是隨著制氫規(guī)模的擴大，政府優(yōu)惠將逐漸減少，而且綠氫用電很可能被納入工商業(yè)用電（0.8元/千瓦時），屆時制氫成本將達到44.4元/千克，發(fā)電成本將達2.4元/千瓦時。相比化石能源制氫，綠氫產(chǎn)業(yè)的競爭力大幅降低。氫能雖然可以用于儲能，但是經(jīng)濟性依然較差，高于電化學(xué)儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等其他儲能方式，雖然可以實現(xiàn)跨季節(jié)儲能，但是僅僅依靠這種方式也難以滿足成本回收的需要。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年12期，李江華供職于華能八〇三熱電有限公司，司紀朋供職于華能能源研究院
