近日,國際能源署(IEA)發(fā)布《全球氫能進展報告》指出,電解制氫等低碳制氫技術正加速擴張,氫能在交通運輸領域的應用也以前所未有的速度發(fā)展,但低碳氫在工業(yè)中的應用進展緩慢,向現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)中注入氫氣是快速提升低碳氫需求以促進其發(fā)展的有效方法。報告認為,當前氫能發(fā)展正面臨前所未有的政治機遇,但仍需做出更多努力以進一步促進其發(fā)展,并提出了相關行動建議。關鍵內(nèi)容如下:
1、低碳制氫產(chǎn)能正加速擴張,尤其是電解制氫
目前,全球大部分氫氣生產(chǎn)主要通過排放密集型天然氣重整制氫和煤氣化制氫兩條路線。發(fā)展低碳制氫技術對清潔能源轉(zhuǎn)型至關重要,當前主要的低碳制氫技術路線包括:將常規(guī)制氫技術與碳捕集、利用與封存(CCUS)集成;通過電解水制氫。由于生產(chǎn)成本低于電解水等其他低碳技術,在短中期內(nèi),將常規(guī)制氫與CCUS相結(jié)合仍然是低碳制氫的主要途徑,這一途徑正日益受到關注。截至2019年底,共有6個集成CCUS的常規(guī)制氫項目投產(chǎn),每年可生產(chǎn)低碳氫35萬噸,還有20多個新項目宣布將在2020年代投產(chǎn),主要集中在歐洲北海周邊國家。
近年來,電解制氫項目數(shù)量和裝機容量大幅增長,從2010年的不足1 MW增至2019年超過25 MW。此外,項目規(guī)模顯著增加,2010年代初期的大多數(shù)項目規(guī)模低于0.5 MW,而2017-2019年規(guī)模最大的項目為6 MW,其他項目在1-5 MW之間。日本2020年3月投運了一個10 MW項目,加拿大的20 MW項目正在建設中。此外,預計有數(shù)百兆瓦的電解制氫項目將在2020年代早期開始運營。堿性電解槽作為最成熟的電解技術在市場上占據(jù)主導地位,特別是對于大型項目。許多新項目選擇質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽。與堿性電解槽相比,PEM電解槽處于早期開發(fā)階段,但其運行更靈活,因此更適合波動性可再生能源發(fā)電。部分已公布項目采用了高效的固體氧化物電解槽(SOEC),幾乎都位于歐洲。然而,與堿性電解槽相比,用戶對于PEM的靈活性和SOEC的高效帶來的運行效益是否值得投入更高成本仍存在分歧。
2、氫能在交通運輸中的應用正以前所未有的速度增長,但氫燃料電池汽車只占新型低碳汽車銷量的0.5%
在亞洲市場的推動下,全球燃料電池汽車市場開始蓬勃發(fā)展。到2019年底,全球燃料電池汽車保有量幾乎翻倍達到25 210輛,銷售量達到12 350輛,比2018年的5800輛增加了一倍多。美國銷量從2018年的超過2300輛略有下降至2100輛,但其仍是全球燃料電池汽車最大保有國,占全球保有量的1/3,其次是中國、日本和韓國。2019年亞洲市場大幅擴張,縮小了與美國的差距,日本、韓國和中國燃料電池汽車銷售量均有所增長。中國2019年燃料電池汽車銷量接近4400輛,主要原因是對燃料電池公交車和輕型卡車的政策支持,兩者保有量分別達到近4300輛和1800多輛,這使得中國燃料電池公交車(97%)和卡車(98%)保有量在全球遙遙領先。
3、2019年全球在運加氫站數(shù)量增長超過20%
截至2019年底,全球在運行加氫站共有470個,同比增長20%以上。日本以113個加氫站繼續(xù)位居榜首,其次是德國(81個)和美國(64個)。韓國(+20)、日本(+13)和德國(+12)新增加氫站數(shù)量大幅增加,而美國僅增加了1個加氫站。2019年,中國在運加氫站數(shù)量從20個增加到61個,位居全球第四,緊隨其后的是韓國和法國。
4、氫能在非道路運輸?shù)膽谜饾u得到認可
2018年底,阿爾斯通公司生產(chǎn)的兩列燃料電池列車在德國投入運營,試運行成功后,又宣布將有14列將于2021年投運。英國和荷蘭也對阿爾斯通的氫動力列車表現(xiàn)出了興趣。2019年,中國在佛山投運一輛燃料電池有軌電車,并在進一步探索氫燃料鐵路的可能性。
5、向天然氣管網(wǎng)中注入氫氣可以顯著提高低碳氫的需求
除交通運輸外,家庭和工業(yè)供熱也可能增加低碳氫的需求,可利用現(xiàn)有的基礎設施(如天然氣網(wǎng)絡)注入氫氣。法國GRHYD項目于2018年開始向天然氣網(wǎng)注入摻入6%氫氣的天然氣,2019年摻混率已達到20%,證明了這種方法的技術可行性。由于高壓下材料的不相容性以及工業(yè)用戶可以接受的混合氫濃度公差較低,向天然氣輸送管道中注入氫氣更具挑戰(zhàn)性,一些試點項目正在測試其可行性,意大利天然氣管網(wǎng)運營公司Snam公司開發(fā)的一個項目已經(jīng)證明了摻混高達10%氫氣的可行性。世界各地的幾個項目已經(jīng)在向天然氣網(wǎng)中注入氫氣,越來越多國家開始對此感興趣,目前世界各地在建裝置每年可向天然氣網(wǎng)輸入2900噸氫氣。
6、低碳氫的工業(yè)應用進展緩慢
在所有部門中,工業(yè)對氫的需求量最大,特別是煉油、化工和鋼鐵制造業(yè)。由于這些行業(yè)使用高碳氫,用低碳氫替代高碳氫將是在短期內(nèi)擴大需求、減少溫室氣體排放的理想機會。在化工和煉油行業(yè),人們對用低碳氫替代高碳氫的興趣日益增加,一些大型項目已經(jīng)將碳捕集應用于這兩個領域的化石燃料制氫中(例如殼牌公司的Quest項目)。電解制氫仍局限于一些試點或小規(guī)模試驗,但2019年已經(jīng)公開了一些大規(guī)模項目(高達100 MW),預計將在2020年代早期投入使用,這些項目大多涉及煉油或甲醇及氨的生產(chǎn)。此外,在歐洲目前正在進行的試點項目基礎上,電解制氫在鋼鐵行業(yè)的擴張正在加快。在不對現(xiàn)有直接還原煉鋼爐進行任何重大改造的情況下,氫氣可替代高達35%的天然氣,一些鋼鐵制造商正嘗試將氫氣與天然氣混合作為過渡策略,以推進部署利用純氫直接還原煉鐵的部署方式。瑞典正在建設一個大型試點工廠,預計2025年將進行第一次示范試驗。
7、全球范圍內(nèi)對氫能的政策支持力度快速加強
越來越多國家在2019年宣布了氫能戰(zhàn)略和路線圖,一些國家制定了氫能技術部署的目標。各國的路線圖和戰(zhàn)略目標仍然主要集中在氫能的交通應用上,但自2018年以來許多國家已經(jīng)開始設定氫能在工業(yè)、建筑和發(fā)電等部門的目標。
表1 主要國家已設定的氫能發(fā)展目標
8、進一步促進氫能發(fā)展的行動建議
(1)確立氫能在國家長期政策和戰(zhàn)略中的作用
各國政府應制定明確的氫能目標和發(fā)展途徑以確定該行業(yè)的發(fā)展預期,增強投資者對氫能的信心。這也將有助于工業(yè)等部門制定氫能長期目標,特別是在煉油、化工、鋼鐵和長途運輸?shù)汝P鍵行業(yè)。
(2)促進國際合作
通過國際合作展開全球規(guī)模的行動,包括:①建立一條國際貿(mào)易通道以啟動國際氫貿(mào)易至關重要,亞太地區(qū)是推出第一條路線的有力候選者,日本和澳大利亞之間開發(fā)的氫能供應鏈為實現(xiàn)這一目標提供了一個良好的先行模式;②發(fā)展沿海氫中心,擴大低碳氫的生產(chǎn)和利用,從而將低碳氫擴大到其他部門,歐洲北海、中國東南部、印度西北部、墨西哥灣或波斯灣等地區(qū)是先期較為理想的選擇。
(3)重點支持短期發(fā)展機遇
現(xiàn)有的基礎設施,如天然氣管網(wǎng),可以提供創(chuàng)造和擴大低碳氫需求的機遇。支持天然氣網(wǎng)中摻混氫的政策和法規(guī)(如可再生燃料義務指令和低碳燃料標準)可以通過將低碳氫與安全的能源需求聯(lián)系起來,加快低碳氫的部署。即使進行低濃度摻混(約5%),也能顯著增加氫供應技術的部署,并降低成本。當這一做法被證明在經(jīng)濟上可持續(xù),就可逐步將摻混率提高至20%,幾乎無需新建基礎設施。短期內(nèi),還可增加燃料電池在交通運輸中的使用,創(chuàng)造低碳氫需求。不同國家的情況可能不同,決策者需要確定重點關注哪種車型,以及鼓勵基礎設施開發(fā)策略以優(yōu)化利用率。
(4)消除氫開發(fā)的關鍵障礙
目前的法規(guī)限制了低碳氫的部署,監(jiān)管者應致力于解決所有障礙,并采用一套協(xié)調(diào)一致的標準,以促進氫能在所有部門和不同基礎設施中的廣泛使用。尤其應關注:①氫氣在天然氣管網(wǎng)中的摻混限制;②示范新應用的安全案例,特別是在家用和工業(yè)部門;③加氫站加氫標準及許可流程。
(5)刺激低碳氫需求,解決先行風險
低碳氫仍然比現(xiàn)有燃料和原料更昂貴。為此,應采取適當政策,促進低碳氫可持續(xù)市場的發(fā)展。這將為供應商、分銷商和用戶提供投資保障,加強和擴大供應鏈,以推動成本降低。氫的新應用、低碳氫供應以及基礎設施的開發(fā)和改造都是高度不確定的,存在著涉及資本和運營成本的風險。平衡這些風險的政策工具,如貸款擔保、稅收減免等工具,可以鼓勵私營部門投資并降低風險。
(6)確保強有力的研發(fā)支持,以降低成本,提高競爭力
盡管規(guī)模經(jīng)濟對大幅削減成本至關重要,但研發(fā)也將對減少支出和提高低碳氫技術的競爭力至關重要。燃料電池和電解槽等較成熟技術(技術成熟度>7級)可通過研發(fā)改善其性能和制造工藝,從而降低材料和系統(tǒng)成本,延長其使用壽命,并解決示范過程中可能發(fā)現(xiàn)的任何其他性能和壽命問題。氫衍生燃料等中等成熟度技術(技術成熟度5-7級),可以通過財政研發(fā)支持獲得成功示范,從而增強投資者的信心,這將降低風險認知和融資成本。低成熟度技術(技術成熟度<5級),如配備CCUS的生物質(zhì)氣化以及海水電解,將需要研發(fā)支持和知識共享,以推進其驗證過程和長期商業(yè)化。政府的行動,包括使用公共資金,對于制定研究議程和風險承擔水平,以及吸引私人資本進行創(chuàng)新至關重要。工業(yè)界在制定長期戰(zhàn)略時,應將研發(fā)作為優(yōu)先事項之一,以縮小與高碳氫技術的差距,增強低碳氫的競爭力。




