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(huì)”在北京順利召開(kāi)，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)能源研究所副研究員劉堅(jiān)博士在會(huì)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(shì)，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(lái)的發(fā)展前景?！赌戏侥茉唇ㄔO(shè)》記者根據(jù)論壇現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言和報(bào)告整理本文，經(jīng)征得專家同意，在此分享。
國(guó)家發(fā)改委能源研究所 劉堅(jiān) 博士作報(bào)告
氫能在未來(lái)能源體系優(yōu)化中的作用？
我們認(rèn)為未來(lái)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(guò)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(shuō)，未來(lái)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(guò)氫能實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化，甚至通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)作為反應(yīng)劑來(lái)替代焦炭，則通過(guò)氫能這樣的一個(gè)媒介，可以通過(guò)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(chǎng)景分析
來(lái)源：國(guó)際能源署
電解制氫技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)變化趨勢(shì)？
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(duì)來(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)看的話，質(zhì)子交換膜在在爬坡和啟停上的靈活性會(huì)高一些 。
未來(lái)電解制氫技術(shù)的變化趨勢(shì)還是會(huì)比較明顯的，有還會(huì)有一定的進(jìn)步空間，從節(jié)能與新能源汽車路線圖對(duì)2030年電解制氫設(shè)備成本和堆棧壽命的變化來(lái)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(shì)，初期經(jīng)濟(jì)性更為明顯，所以未來(lái)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(duì)比
來(lái)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(shì)
來(lái)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(chǎng)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(lái)越低，可適用的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多。每個(gè)箭頭代表某一種價(jià)格對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)。比如說(shuō)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(chǎng)景中是可行的。但如果成本更低的話，車用無(wú)補(bǔ)貼就可以通過(guò)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(mén)，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(lái)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(zhǎng)周期的或季節(jié)性調(diào)峰，天然氣摻混（等熱值）發(fā)電及儲(chǔ)能等更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景?；谖覀兡壳暗碾娊獠鄢杀竞碗妰r(jià)成本來(lái)看，電解槽成本差不多在1萬(wàn)元/千瓦左右，電價(jià)成本為公開(kāi)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(chǔ)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(chǎng)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(duì)未來(lái)制氫的影響？
未來(lái)制氫經(jīng)濟(jì)性變化可能還會(huì)有比較大的趨勢(shì)，比較重要的因素就是可再生能源成本下降的趨勢(shì)非常明顯。從全球光伏和太陽(yáng)能發(fā)電成本的變化來(lái)看，光伏從2010年開(kāi)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(guó)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(shì)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(guó)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(shì)是一個(gè)重要的因素。
從現(xiàn)在來(lái)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(lái)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(guò)低價(jià)出售，那同樣也會(huì)影響到電力現(xiàn)貨市場(chǎng)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(chǎng)里面價(jià)格的波動(dòng)的幅度相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較小，整體的均價(jià)可能相對(duì)來(lái)說(shuō)高一些，但是未來(lái)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(chǎng)的價(jià)格的下降就非常明顯。而且電力市場(chǎng)里面會(huì)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(lái)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(chǎng)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(yíng)成本的話，那電解制氫成本仍然在22元/公斤以上。 但是未來(lái)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(guò)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(huì)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(lái)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(guò)電解槽4000小時(shí)應(yīng)用于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)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(guò)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(chǔ)運(yùn)的問(wèn)題在于是送電還是送氫？如果運(yùn)輸距離比較長(zhǎng)，通過(guò)電網(wǎng)來(lái)輸電然后在終端來(lái)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(qián)，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(chǎng)廠內(nèi)制氫，然后通過(guò)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(qián)，來(lái)對(duì)比電網(wǎng)輸電成本的差異?？傮w來(lái)講如果說(shuō)距離超過(guò)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(zhǎng)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(huì)碰到較多用地場(chǎng)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(chǎng)景經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)示意圖
這里得出結(jié)論，如果我們?cè)诳紤]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(duì)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(mén)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(guò)運(yùn)輸成本下降來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的經(jīng)濟(jì)性。但是最右邊三類的天然氣門(mén)站的按照熱值的摻混氫氣，按照終端熱值來(lái)?yè)交鞖錃庖约皢渭兊臍錃夤岬慕?jīng)濟(jì)性未來(lái)就不會(huì)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(méi)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(mén)里面的熱電聯(lián)產(chǎn)和原料替代是未來(lái)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(cè)：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(lái)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(huì)有相當(dāng)大的產(chǎn)能，大概600萬(wàn)噸的氫氣 ，根據(jù)附產(chǎn)氫氣價(jià)值水平的不同會(huì)有不同的應(yīng)用。 但是 我們希望未來(lái)還是主要利用清潔能源制氫，這里基于2018年全國(guó)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(wàn)噸，2035年為590萬(wàn)噸。從交通終端來(lái)看，假定2025年氫能車10萬(wàn)量，2035年100萬(wàn)輛的規(guī)模，2025年和2035年的車用氫能的消費(fèi)量為30萬(wàn)噸和400萬(wàn)噸。非車用氫能則比較難以估算，簡(jiǎn)單的按照50%的車用需求來(lái)估算。綜合來(lái)講2025年總體的氫能需求大約是45萬(wàn)噸，2035年是600萬(wàn)噸，對(duì)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(wàn)噸和10萬(wàn)噸，因此未來(lái)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。
