2019年12月26日至27日，“2019制氫、氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高峰論壇暨燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展交流會”在北京順利召開，國家發(fā)展與改革委員會能源研究所副研究員劉堅(jiān)博士在會上作《可再生能源與氫能協(xié)同發(fā)展前景》主題報(bào)告，他首先介紹了氫能發(fā)展的特點(diǎn)與現(xiàn)狀，然后重點(diǎn)闡述了可再生能源制氫的技術(shù)和其經(jīng)濟(jì)性演變的趨勢，最后基于可再生能源制氫經(jīng)濟(jì)性的判斷，展望了氫能未來的發(fā)展前景?！赌戏侥茉唇ㄔO(shè)》記者根據(jù)論壇現(xiàn)場發(fā)言和報(bào)告整理本文，經(jīng)征得專家同意，在此分享。
國家發(fā)改委能源研究所 劉堅(jiān) 博士作報(bào)告
氫能在未來能源體系優(yōu)化中的作用？
我們認(rèn)為未來20年，電能還是站在一個(gè)主流的位置，但氫能是一個(gè)不可替代的配角，用于實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。通過氫能，我們可以把目前的熱網(wǎng)、電網(wǎng)和油氣管網(wǎng)之間形成一個(gè)協(xié)調(diào)。也就是說，未來我們能源體系的優(yōu)化，不僅僅局限在某一個(gè)能源品種里面，而是可以通過氫能實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化，甚至通過氫能實(shí)現(xiàn)能源其他行業(yè)之間的互動(dòng)。
舉個(gè)例子，傳統(tǒng)的鋼鐵冶煉過程中，高爐線路不僅需要一些化石燃料如焦?fàn)t煤氣，還需要焦炭作為反應(yīng)劑，因此在冶煉過程中產(chǎn)生了大量碳排放。目前歐洲一些鋼鐵冶煉廠采用了HYBRIT路線，如瑞典非化石能源鋼鐵冶煉項(xiàng)目，將氫能來作為反應(yīng)劑來替代焦炭，則通過氫能這樣的一個(gè)媒介，可以通過可再生能源制氫，然后替代化工領(lǐng)域里面的高碳排放的焦炭，從而實(shí)現(xiàn)從非能源領(lǐng)域里面的深度脫碳的作用。
氫能應(yīng)用場景分析
來源：國際能源署
電解制氫技術(shù)的現(xiàn)狀和未來變化趨勢？
目前電解制氫技術(shù)的主要方案還是電解水，可分為三類：堿性電解水、質(zhì)子交換膜和固體氧化物。其中固體氧化物制氫的技術(shù)水平相對來說還是比較初步，產(chǎn)業(yè)化的距離還是還是比較遠(yuǎn)，所以目前主要聚焦的還是堿性電解水和質(zhì)子交換膜，反映這兩類技術(shù)核心的差異點(diǎn)包括轉(zhuǎn)換效率、電解槽成本和波動(dòng)性電源適應(yīng)性。質(zhì)子交換膜在轉(zhuǎn)換效率更高，堿性電解水在電解槽成本更低。但是未來的一個(gè)核心關(guān)鍵點(diǎn)在于如何更多地采用低價(jià)的可再生能源來制氫，因此波動(dòng)性電源適應(yīng)性是非常重要的因素。那從這個(gè)角度來看的話，質(zhì)子交換膜在在爬坡和啟停上的靈活性會高一些 。
未來電解制氫技術(shù)的變化趨勢還是會比較明顯的，有還會有一定的進(jìn)步空間，從節(jié)能與新能源汽車路線圖對2030年電解制氫設(shè)備成本和堆棧壽命的變化來看，堿性電解水的設(shè)備成本降幅有限，大約降幅20%左右，質(zhì)子交換膜的設(shè)備成本降幅可以達(dá)到40%，而且壽命增幅可達(dá)到1倍。但根據(jù)這個(gè)路線圖，堿性電解水仍有投資成本優(yōu)勢，初期經(jīng)濟(jì)性更為明顯，所以未來堿性電解水和質(zhì)子交換膜的比選重點(diǎn)在于如何投資平衡成本、效率和靈活性之間的關(guān)系。
電解制氫技術(shù)的主要方案對比
來源：潘進(jìn)，電解水制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及瓶頸分析
2020年至2030電解制氫技術(shù)發(fā)展趨勢
來源：節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖
電解水制氫成本與應(yīng)用場景經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)？
決定電解水制氫成本經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)核心因素，一個(gè)是電解槽的成本，另一個(gè)是電價(jià)水平。如用不同的疊線代表某一種制氫成本情況，分析可能的電解槽成本和電價(jià)成本的組合情況。隨著電解槽成本的下降，或者電價(jià)成本的下降，這條斜線可以不斷地往左移，代表電解水制氫的成本越來越低，可適用的應(yīng)用場景越來越多。每個(gè)箭頭代表某一種價(jià)格對應(yīng)的應(yīng)用場景的經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)。比如說最右邊實(shí)線代表60元/公斤的氫氣成本，在車用含補(bǔ)貼的應(yīng)用場景中是可行的。但如果成本更低的話，車用無補(bǔ)貼就可以通過氫氣推廣應(yīng)用。那如果我們想進(jìn)一步地把氫氣推到一些非車業(yè)務(wù)部門，包括天然氣摻混（等體積）、合成氨、熱電聯(lián)產(chǎn)、煉鋼、煉油、合成甲醇等，這種情況下氫氣的價(jià)格還要進(jìn)一步下降到30元/公斤。如果未來氫氣成本下降到10元/公斤，我們就可以拿氫氣做一些周期性的、長周期的或季節(jié)性調(diào)峰，天然氣摻混（等熱值）發(fā)電及儲能等更廣泛的應(yīng)用場景?；谖覀兡壳暗碾娊獠鄢杀竞碗妰r(jià)成本來看，電解槽成本差不多在1萬元/千瓦左右，電價(jià)成本為公開電價(jià)6毛到8毛，這是目前電解水制氫可以實(shí)現(xiàn)的價(jià)格區(qū)間。
綜上所述，實(shí)際上目前氫氣能用的經(jīng)濟(jì)性，在不考慮儲運(yùn)和加注的情況下，也仍然僅有在車用領(lǐng)域，要想滲透到其他非交通的應(yīng)用場景，還是需要較大的經(jīng)濟(jì)性提升空間。
可再生能源成本下降對未來制氫的影響？
未來制氫經(jīng)濟(jì)性變化可能還會有比較大的趨勢，比較重要的因素就是可再生能源成本下降的趨勢非常明顯。從全球光伏和太陽能發(fā)電成本的變化來看，光伏從2010年開始到2018年，成本下降幅度接近80%，自發(fā)自用比例大、用電成本高的工商業(yè)分布式光伏發(fā)電已經(jīng)達(dá)到用戶側(cè)平價(jià)。光伏成本下降的一個(gè)結(jié)果，在國內(nèi)已經(jīng)得到非常突出的案例，如青海格爾木、吉林白城領(lǐng)跑者基地中標(biāo)價(jià)格已達(dá)到或接近當(dāng)?shù)厝济簶?biāo)桿電價(jià)， 2019年8月內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗光伏領(lǐng)跑者報(bào)價(jià)最低0.24元/kWh，已經(jīng)低于燃煤標(biāo)桿電價(jià) 0.28元/kWh。這種趨勢可能在十四五期間，不僅僅在甘肅、內(nèi)蒙古和吉林，甚至?xí)竺娣e的在我國的這種氫能發(fā)展資源比較好的地方出現(xiàn)。所以可再生能源成本下降的趨勢是一個(gè)重要的因素。
從現(xiàn)在來講，大家考慮更多的還是棄風(fēng)棄光的事件，特別是2016年平均的棄風(fēng)已經(jīng)達(dá)到17%，最近幾年雖然是有所緩解，但是在部分地區(qū)，如新疆的棄風(fēng)率仍然高達(dá)20%。所以在部分地區(qū)棄風(fēng)比較高的情況下，棄電制氫至今仍然還是有比較大的應(yīng)用空間。未來隨著電網(wǎng)柔性輸電能力的提升，棄風(fēng)棄光可能不再出現(xiàn)，而是通過低價(jià)出售，那同樣也會影響到電力現(xiàn)貨市場價(jià)格的波動(dòng)。目前可再生能源占比20%的情況下，電力現(xiàn)貨市場里面價(jià)格的波動(dòng)的幅度相對來說是比較小，整體的均價(jià)可能相對來說高一些，但是未來如果新能源占比達(dá)40%時(shí)，可以看到整個(gè)電力現(xiàn)貨市場的價(jià)格的下降就非常明顯。而且電力市場里面會出現(xiàn)大量的零電價(jià)這樣一個(gè)時(shí)段，就是非常適合制氫的優(yōu)點(diǎn)。
所以回到我們電解水制氫成本的兩個(gè)決定因素（投資成本和電價(jià)）來看，投資成本就是電解槽利用效率越高越好，則全年平均每小時(shí)或每公斤制氫的成本最低。但是電價(jià)全年是有互動(dòng)的，電價(jià)低的時(shí)段畢竟是少數(shù)，如果要提高全年電解槽利用時(shí)間，就不得不去用電價(jià)高的時(shí)段。所以降低總體制氫成本，需要在兩者之間做一個(gè)平衡。綜上 ，如果只看電力現(xiàn)貨市場的價(jià)格，不考慮付費(fèi)成本，電力輸配成本，終端氫氣運(yùn)營成本的話，那電解制氫成本仍然在22元/公斤以上。 但是未來隨著投資下降和電解槽成本下降，可再生能源占比達(dá)到40%的話，如果超過1000多個(gè)小時(shí)的新能源發(fā)電可以用于制氫，在這種情況下，制氫成本就會明顯地下降，制氫成本可下降到10元/公斤。
目前我們的降本策略，一種方案是共享制氫，即把電解槽安裝在新能源發(fā)電廠的升壓站或者母線上，利用電解槽來實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電、光伏不同時(shí)段、不同地點(diǎn)棄電的資源，這樣可以提高電解槽的綜合利用率；另外一種方案是可以通過電解槽4000小時(shí)應(yīng)用于電力現(xiàn)貨市場低價(jià)電力制氫，其他時(shí)段轉(zhuǎn)移至用戶側(cè)選擇低谷電價(jià)制氫，這樣通過多元應(yīng)用和價(jià)值疊加進(jìn)一步提升電解槽利用率。
終端氫氣價(jià)格及電解水制氫成本臨界點(diǎn)（考慮運(yùn)輸）？
能源制氫儲運(yùn)的問題在于是送電還是送氫？如果運(yùn)輸距離比較長，通過電網(wǎng)來輸電然后在終端來制氫更為合理，比如假設(shè)三北地區(qū)目前的輸配電價(jià)，加上基金和附加是每千瓦時(shí)2毛錢，這樣每公斤氫氣的運(yùn)輸成本就是11元。如果直接在風(fēng)電場廠內(nèi)制氫，然后通過高壓或者液體罐車，或者利用管道進(jìn)行運(yùn)輸，我們相應(yīng)假設(shè)了每公斤每百公里價(jià)格為8塊錢，來對比電網(wǎng)輸電成本的差異。總體來講如果說距離超過1000公里，電網(wǎng)送電更為劃算；如果運(yùn)輸距離比較短，在100公里左右或之內(nèi)，用高壓罐車的方式更為經(jīng)濟(jì)。
我們還認(rèn)為長距離輸電有兩個(gè)因素需要去考慮，首先風(fēng)電制氫的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)要足夠低，如果高于當(dāng)?shù)孛弘姌?biāo)桿電價(jià)，這個(gè)商業(yè)模式就不成立了；另外，在終端制氫會碰到較多用地場所如安全用地方面的限制，這是需要去考慮的現(xiàn)實(shí)因素。
可再生能源制氫運(yùn)輸成本分析示意圖
電解水制氫成本與應(yīng)用場景經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)示意圖
這里得出結(jié)論，如果我們在考慮運(yùn)輸成本后的終端氫氣價(jià)格及電解水制氫成本臨界點(diǎn)，仍然還是車用的經(jīng)濟(jì)性更高一些，它對于清晰的價(jià)格接受度可能更大。那上圖中間的藍(lán)色部分呢， 包括天然氣門站的這樣的一個(gè)等體積的氫氣摻混、熱電聯(lián)產(chǎn)、合成氨醇、氫氣煉鋼和氫氣發(fā)電等都可以通過運(yùn)輸成本下降來實(shí)現(xiàn)最終的經(jīng)濟(jì)性。但是最右邊三類的天然氣門站的按照熱值的摻混氫氣，按照終端熱值來摻混氫氣以及單純的氫氣供熱的經(jīng)濟(jì)性未來就不會太大，即使電解水制氫成本達(dá)到零，加上運(yùn)輸成本之后，它還是沒有辦法實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用。
綜上所述，交通、然后一些工業(yè)部門里面的熱電聯(lián)產(chǎn)和原料替代是未來氫能發(fā)展的一個(gè)非常重要的一個(gè)方向。IRENA 制氫成本預(yù)測：2025年，低成本光伏、風(fēng)電制氫達(dá)到化石能源制氫+CCS成本區(qū)間；2035年前，低成本光伏、風(fēng)電制氫成本普遍低于化石能源+CCS成本；2050年前，一般光伏、風(fēng)電 制氫成本普遍低于化石能源制氫+CCS成本。因此，未來真正降低制氫成本還是要結(jié)合可再生能源才能實(shí)現(xiàn)。
可再生能源制氫規(guī)模潛力？
首先工業(yè)附產(chǎn)氫會有相當(dāng)大的產(chǎn)能，大概600萬噸的氫氣 ，根據(jù)附產(chǎn)氫氣價(jià)值水平的不同會有不同的應(yīng)用。 但是 我們希望未來還是主要利用清潔能源制氫，這里基于2018年全國的棄風(fēng)棄光和棄水電量，并考慮到2025到2035年各種新能源發(fā)電裝機(jī)的提升比例，假定2025年棄電量為10%用于制氫，2035年棄電量為80%用于制氫，計(jì)算得到2025年的可再生能源制氫量為41萬噸，2035年為590萬噸。從交通終端來看，假定2025年氫能車10萬量，2035年100萬輛的規(guī)模，2025年和2035年的車用氫能的消費(fèi)量為30萬噸和400萬噸。非車用氫能則比較難以估算，簡單的按照50%的車用需求來估算。綜合來講2025年總體的氫能需求大約是45萬噸，2035年是600萬噸，對比清潔能源制氫的產(chǎn)量，則2025年和2035年工業(yè)副產(chǎn)氫的產(chǎn)量只需要4萬噸和10萬噸，因此未來清潔能源制氫是完全能夠滿足車用氫能和非車用氫能的需求。
