“氫能時代” 何時來
氫能源本質(zhì)上清潔、低碳、高效，對能源體系的安全具有重要的意義，但實際上，氫能源的發(fā)展在全世界范圍內(nèi)都舉步維艱。氫能源是絕對清潔的嗎?氫能源汽車是備受歡迎的嗎？各地發(fā)展氫能源的規(guī)劃只要全部落地就足夠了嗎？在“氫能社會”成為新能源熱詞之前，關(guān)注者早已指出，氫能源技術(shù)其實是處于一種技術(shù)超前，但市場不成熟，以及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施未完全配套的狀態(tài)。本期三篇文章逐一解讀應(yīng)對策略，分別從“超前”能源技術(shù)在替代傳統(tǒng)能源過程中的遇到的技術(shù)阻力，反思能源技術(shù)路徑的選擇策略；從豐田“MIRAI”汽車的銷售情況，分析中國氫能源汽車市場培育策略；以及從各地基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)布局，思考如何通過國家頂層設(shè)計對氫能源產(chǎn)業(yè)鏈加以統(tǒng)籌規(guī)劃和引導(dǎo)。
中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)融媒體記者 陳雯
從人類升起代表文明的第一堆篝火，到蒸汽機帶動起的工業(yè)車輪，碳元素就一直在人類的能源體系中扮演著不可缺少的角色。但回顧世界能源變革史，我們會發(fā)現(xiàn)能源更替實際上是一個不斷“降碳”和“增氫”的過程。具體地說，從柴薪(C10，H1)到煤炭(C2，H1)，再到石油(C1，H2)以及天然氣(C，H4)的主要元素構(gòu)成比例的變化，可以看出“脫碳加氫”是能源科技進步的趨勢。全國政協(xié)副主席、中國科協(xié)主席萬鋼也提出，百年以來，能源發(fā)展遵循著“脫碳加氫”和“清潔高效”兩條路。
氫能熱值較高，儲量豐富，來源多樣，應(yīng)用廣泛，具有極佳的環(huán)境友好度，代表著人類能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景，是理想的長期替代能源候選對象之一。國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》，多部委及地方政府也先后出臺政策，支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，河北、陜西、山東、上海、遼寧等10省市在“十四五”規(guī)劃中明確提出大力推動新能源與氫能協(xié)同發(fā)展。利用氫氣的橋接作用，既可為燃料電池提供氫源，也可綠色轉(zhuǎn)化為液體燃料，從而有可能實現(xiàn)由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續(xù)循環(huán)，催生可持續(xù)發(fā)展的“氫經(jīng)濟”。
始于“氫煤竹馬”，終于“脫碳入氫”
雖然氫能被稱為21世紀的“終極能源”，但實際上，它的安全性和產(chǎn)業(yè)化成熟程度遠不如其他能源的發(fā)展，而且，制氫還要依賴化石能源。當(dāng)前常用的制氫方法中，或者是以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源重整制氫，或者是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)提純制氫，又或者是以電解水制氫為代表的可再生能源制氫。至于其他技術(shù)路線，如生物質(zhì)直接制氫和光解水制氫等新型制氫技術(shù)產(chǎn)收率較低，仍處于實驗和開發(fā)階段，尚未達到規(guī)模制氫要求。
從全球來看，燃料電池汽車還處于實現(xiàn)商業(yè)化的推進階段，需要解決來自于壽命、成本與氫源的三大挑戰(zhàn)。美國UTC公司車用燃料電池運行7000小時的標志性成果，使人們看到了燃料電池汽車商業(yè)化的曙光，壽命問題有希望在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)優(yōu)化與控制策略的改進得以解決;材料的創(chuàng)新與改進是取得燃料電池長壽命的根本性變革，但需要相對長時間的努力。
“脫碳加氫”和“清潔高效”本來應(yīng)該是相輔相成的結(jié)果，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，二者卻形成了互相制約的窘境。
中國工程院院士彭蘇萍公開表示：“我們專門算了一個賬，化石能源制氫是最便宜的方法，化石能源制氫是中國人最熟悉的，日本氫能的計劃他們有戰(zhàn)略規(guī)劃了，還是煤制氫是主線，因為煤制氫便宜。最近20年基本化石能源制氫還是我們國家要考慮的主要目標?！?
以煤、石油及天然氣等為原料制取氫氣是當(dāng)前制取氫氣最主要的方法。煤制氫在我國具有成熟的工藝，并建有工業(yè)生產(chǎn)裝置。煤制氫優(yōu)點是技術(shù)成熟、成本較低，煤制氫成本每立方米僅0.55-0.83元，遠低于天然氣制氫0.80-1.75元及甲醇制氫1.5-2.5元的成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但煤制氫的缺點也很明顯，那就是排放量高，氣體雜質(zhì)多。中國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了在一定時期內(nèi)以煤炭作為主要的氫能原料的地位不會改變?！爸袊鴮淠艿耐苿樱瑢嶋H上是一大堆煤化工企業(yè)產(chǎn)能相對過剩反過來思考怎么走，”彭蘇萍坦言。
化石燃料制氫法依靠煤等礦物燃料違背初衷，工業(yè)副產(chǎn)品制氫采用工業(yè)排放廢氣，雖然成本低、純度高但產(chǎn)量低，來源不穩(wěn)定。除了制備，儲藏運輸和應(yīng)用諸多環(huán)節(jié)也都存在大量技術(shù)難題需要克服。氫化學(xué)性質(zhì)非常不穩(wěn)定，在高溫高壓下甚至可以穿透厚鋼板發(fā)生泄漏，易燃易爆的性質(zhì)使得運輸儲存難度極大。氫能源的應(yīng)用對產(chǎn)業(yè)協(xié)同要求也很高。氫氣生產(chǎn)在未達到一定規(guī)模之前難以有效降低成本，如何保證相關(guān)企業(yè)獲得商業(yè)利潤，還需要考慮相關(guān)基礎(chǔ)配套設(shè)施的構(gòu)建、推動企業(yè)研發(fā)成本的收回以保護其積極性，保證能源經(jīng)濟性和企業(yè)獲利前景。
氫能源國際合作會議召開地點廣泛分布于歐洲、北美洲、南美洲、大洋洲等地，包含中國在內(nèi)的主要國家都已經(jīng)參與其中并已形成世界氫能源大會和世界氫技術(shù)大會交替召開的慣例。國際范圍內(nèi)每年都有重量級的專業(yè)會議召開，一方面說明氫能源開發(fā)的國際合作持續(xù)進行，另一方面也體現(xiàn)了氫能源技術(shù)開發(fā)難度之大。
工業(yè)和信息化部原部長李毅中在2019中國汽車發(fā)展趨勢與政策實施高峰論壇上，就中國汽車未來發(fā)展方向及趨勢研究指出：“我國研究燃料電池的難點在于高純度氫氣的制備、儲運和加注，多種氫源選擇不夠科學(xué)，需加快落實。電解水制氫，要用清潔電源，減少棄水棄風(fēng)棄光，就近消化；天然氣、輕油、煤制氫成本高、污染重，大量排放二氧化碳，需要做好環(huán)境、經(jīng)濟的評價和廢氫回收提純;石化廢氫回收首先要用于自身，焦爐氣凈化制氫需做好經(jīng)濟核算。氫燃料電池車應(yīng)全面比較，充分論證，先做試點?！?
能源大轉(zhuǎn)型，欲速則不達
從光伏到構(gòu)建特高壓網(wǎng)絡(luò)、再到新能源汽車，能源變革的同時，兩個潛在問題也逐漸暴露：一個是大量的可再生能源棄電，一個是新能源汽車難以突破的續(xù)航難題。在反對陣營中，馬斯克曾對投資者放言“燃料電池沒有未來”，大眾汽車集團CEO赫伯特·迪斯也曾對媒體說：你們將不會看到任何氫能源的乘用車。
一方面，我國石油對外依存度逐年上升，實施能源替代迫在眉睫;另一方面，能源結(jié)構(gòu)中化石能源居于絕對主體地位，環(huán)保壓力巨大，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣刻不容緩。中國社科院研究生院院長、國際能源安全研究中心主任黃曉勇認為，“從目前煤炭占中國一次能源消費近66%的比重看，中國仍處于煤炭消費時代。中國已經(jīng)是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，無論是實現(xiàn)中國的能源供給安全，還是從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的角度統(tǒng)籌能源生產(chǎn)，都必須加快發(fā)展可再生能源及天然氣、核電等清潔能源?！彪m然目前歐洲、美國、日本和中國等能源消費大國的可再生能源發(fā)展都取得了較快發(fā)展，但我們需要意識到，想要過渡到可再生能源為主的能源系統(tǒng)還需要相當(dāng)長的時間。
GHK公司創(chuàng)始人、美國天然氣專家羅伯特·海夫納三世(Robert A.Hefner III)在其著作《能源大轉(zhuǎn)型：氣體能源的崛起與下一波經(jīng)濟大發(fā)展》中提出了一種有關(guān)能源轉(zhuǎn)型的全新觀點。作者認為，所有能源從形態(tài)上看分為固體、液體和氣體，其中液體是固體與氣體的過渡狀態(tài)。能源大轉(zhuǎn)型是從過去的不可持續(xù)的固體能源向未來無限的、清潔的可持續(xù)發(fā)展能源過渡。作者還強調(diào)，在每個過渡階段，都會發(fā)生周期性的能源替代。比如，固體燃料階段，煤炭取代木材；液體燃料階段，石油取代鯨脂油，生物燃料開始替代石油。氣體燃料中，天然氣的市場地位也會逐漸受到氫燃料的威脅。每一次社會形態(tài)的重大變化和國家綜合國力的此消彼長，都與能源形態(tài)的變化分不開。人類社會在文明發(fā)展史上曾長期以木材為主要能量來源，直到工業(yè)革命開始煤炭的占比才迅速上升，并于20世紀前半期達到頂峰。隨后石油大踏步登上歷史舞臺，其消費量于1973年達到歷史高峰。第三次能源革命的核心是大力推動可再生能源發(fā)展，提高可再生能源在一次能源和電能中的比重，最終實現(xiàn)當(dāng)前化石能源系統(tǒng)向綠色、可持續(xù)的可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。
德國是世界第七大能源消費國，同時也是歐洲能源進口大國，降低對化石能源的依賴一直是其能源政策的核心目標。2010年9月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟和技術(shù)部在《能源方案》報告中，闡述了德國中長期能源發(fā)展思路，明確了到2050年實現(xiàn)“能源轉(zhuǎn)型”的發(fā)展目標。然而，從2013年開始，對于德國能源轉(zhuǎn)型的態(tài)勢，出現(xiàn)了一些質(zhì)疑的聲音。消費者電費負擔(dān)日益沉重，煤炭進口增加，碳排放不降反升。大力推行可再生能源補貼和附加費的政策直接導(dǎo)致其電價持續(xù)上漲。據(jù)德國聯(lián)邦能源和水資源協(xié)會(BDEW)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2000-2013年，德國居民電價從13.94歐分/kWh上升到28.84歐分/kWh，上漲幅度高達106.9%；高出歐盟平均水平近50%。德國目前的電價中，各種稅費占比高達49%。
“德國能源轉(zhuǎn)型出現(xiàn)的問題意味著，當(dāng)前能源革命或能源轉(zhuǎn)型的復(fù)雜性和艱巨性遠遠超過預(yù)想。中國作為一個處于工業(yè)化和城市化快速發(fā)展階段能源消費大國，能源革命的艱巨性和復(fù)雜性比德國更甚。”中國社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟研究所能源經(jīng)濟室主任朱彤表示。
能源體系換車道中暗藏玄機
“碳中和”的要求引發(fā)了新一輪能源與材料的變革，成了現(xiàn)階段為數(shù)不多的超車大機遇之一。而要實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標，意味著要進行一場更廣泛而深刻的能源結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性變革，倒逼能源體系的零碳化和產(chǎn)業(yè)體系的去碳化、低碳化。
我們國家一邊通過消納棄電及延伸鋰電池的續(xù)航切入新能源產(chǎn)業(yè)鏈，一邊積極探索著電網(wǎng)之外的氫能源世界。尤其是氫燃料電池以其高效、潔凈、兼容可再生能源技術(shù)等特點，在未來交通、運輸、通訊等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景，作為人們提出的后石油時代解決移動動力源的方案之一，是實現(xiàn)低碳減排目標的重要能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。“脫碳入氫”并非易事，化石燃料制氫法雖然經(jīng)濟但伴隨著著能耗和污染。目前，二氧化碳捕集與封存技術(shù)正不斷完善，另外，如生物制氫法原料成本低且來源廣泛，制取過程不產(chǎn)生污染和有害物質(zhì)，也是替代方案之一。短期來看，化石能源廉價制氫技術(shù)或工業(yè)副產(chǎn)氫利用技術(shù)仍是主流，長期則需培育和發(fā)展可再生能源或核能制氫技術(shù)，使之與可持續(xù)發(fā)展的低碳經(jīng)濟接軌。
制定完善的推動可再生能源發(fā)展法律和政策體系非常重要。全國政協(xié)委員、民建天津市委會主委李文海建議加快氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計，引導(dǎo)氫能源產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展。明確氫能源發(fā)展的中長期目標、路線圖及可操作性的實施細則，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，提升加氫站的運營水平。同時，全面推進結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色發(fā)展，優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)控制化石能源消費，大力發(fā)展包括氫能源在內(nèi)的清潔能源。此外，配合進一步深化能源和價格改革，推動能源革命。
實際上，能源體系的這種轉(zhuǎn)型不是能源品種的簡單替換，而是從思維方式到社會的能源生產(chǎn)和消費方式的整體變革。風(fēng)能、太陽能、氫能等可再生能源具有“間歇性”或“能源密度小”等弱點，與基于規(guī)模經(jīng)濟的大規(guī)模生產(chǎn)、遠距離輸送、大規(guī)模消費的化石能源體系是截然不同的。因此，可以認為，在通向第三次能源革命過程中，能源轉(zhuǎn)型過程必然呈現(xiàn)反復(fù)拉鋸、轉(zhuǎn)型過快或不足、成本高昂等特征。所謂轉(zhuǎn)型過程“反復(fù)拉鋸”，是指可再生能源增長會隨著政策波動而波動，在這樣的情況下，目前可再生能源發(fā)展主要依靠稅收優(yōu)惠和補貼政策推動，隨著可再生能源份額的提高，消費者負擔(dān)的成本越來越高，“成本高昂”就成為另一個必然結(jié)果。朱彤認為，“對于中國來說，除了需要從反復(fù)拉鋸特征角度加深對能源轉(zhuǎn)型過程復(fù)雜性的認識和理解外，要更加注意避免‘能源轉(zhuǎn)型過快’情況的出現(xiàn)。”比如德國，顯然屬于“轉(zhuǎn)型過快”的國家。因此，我國石油天然氣替代煤炭和可再生能源替代化石能源的過程將同步進行，而且需要經(jīng)歷相當(dāng)一段時間，否則可能會導(dǎo)致“能源轉(zhuǎn)型過快”而付出的代價。
