中國儲能網(wǎng)訊：文 | 曹勇 程諾 羅大清
中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司
氫能作為二次能源，具有來源廣泛、終端低碳、應用場景豐富等優(yōu)點。近年來應對氣候變化成為全球共識，能源低碳轉(zhuǎn)型任務日益緊迫，主要經(jīng)濟體高度重視氫能產(chǎn)業(yè)布局，已有20多個國家發(fā)布或制定了氫能戰(zhàn)略，謀劃占領科技制高點，搶抓氫能發(fā)展先機。中國提出“雙碳”目標以來，氫能產(chǎn)業(yè)被賦予新的歷史使命，未來將助力實現(xiàn)工業(yè)、交通、建筑和發(fā)電部門等難減排領域的深度脫碳，成為非化石能源有效接替化石能源的關鍵“助手”。
1 能源低碳轉(zhuǎn)型為氫能發(fā)展創(chuàng)造新機遇
近年來，全球極端氣候事件發(fā)生頻率增加、強度增大，氣候問題成為后疫情時代全球共同關注的核心議題。自《巴黎協(xié)定》生效以來，已有數(shù)十個國家或地區(qū)以立法或政策宣示方式明確提出了碳中和目標，所涉及碳排放總量超過全球四分之三。全球能源轉(zhuǎn)型步伐加快，主要國家非常重視氫能發(fā)展，為培育氫能產(chǎn)業(yè)提供新契機。
1.1氫能推動“碳中和”目標下能源轉(zhuǎn)型由量變到質(zhì)變
到本世紀中葉，全球能源行業(yè)發(fā)展態(tài)勢將經(jīng)歷“兩縮減、雙超越”深刻變化。一是煤炭消費正步入平臺期，在能源消費中的比重將持續(xù)下降，2060 年占比或?qū)⒔抵良s5%。二是石油消費在2025-2026年進入平臺期，之后雖仍為主導能源，但增速逐步放緩、占比下降，預計2060年需求規(guī)模較目前減少50%。三是天然氣將在2025年前后超越煤炭成為第二大能源，2040年前后超越石油成為第一大化石能源。四是非化石能源正超越化石能源成為滿足需求增長主力軍，將在2045年前實現(xiàn)消費總量超越，2060年在能源消費總量中占比達70%左右甚至更高。
中國能源消費將呈現(xiàn)“兩達峰、雙趕超”顯著特征?？傮w判斷，中國能源消費總量將在2035年前達峰；碳排放總量將于2030年前達峰，屆時排放強度比目前減少40%左右；2050年碳排放規(guī)模降至目前40%左右。分品種看，煤炭消費已進入平臺期，石油消費將在2026年前后達峰，天然氣消費則在2040年前后達峰。非化石能源消費量和比重快速提升，2025年占比超越石油成為第二大能源品種，2030年達到約25%，2037年左右占比超越煤炭成第一大能源品種，2060年占比超過80%。
無論全球還是中國的新一輪能源革命中，氫能均被認為是全球邁向碳中和時代，推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。綠色氫能多來自低碳足跡的可再生能源，通過代替高碳化石燃料可最大限度減少二氧化碳排放；擴大綠氫利用規(guī)模有利于促進可再生能源的開發(fā)利用；此外，綠氫還可作為新型儲能載體幫助可再生能源實現(xiàn)跨地區(qū)、跨季節(jié)儲運和利用，進一步提高現(xiàn)代能源系統(tǒng)韌性。
1.2 氫能將在構(gòu)建深度脫碳能源新體系中發(fā)揮重要作用
隨著全球能源體系從目前以化石能源為主體的傳統(tǒng)體系向以非化石能源為主體的綠色低碳安全高效新體系轉(zhuǎn)變，氫能可發(fā)揮其與化石能源和其他非化石能源的耦合作用，形成獨特優(yōu)勢。預計2060年全球化石和非化石能源消費結(jié)構(gòu)將從目前84%：16%轉(zhuǎn)變?yōu)?0%：70%。非化石能源將迎來突飛猛進的發(fā)展黃金期，風能和太陽能則成為主力軍。
非化石能源盡管近年來發(fā)展勢頭迅猛，但由于部分能源品種，特別是風能和太陽能利用以波動性、間歇性電力為主的特點，使其無法完全接替化石能源高品位供熱、穩(wěn)定供電和基礎原料的角色。
氫能作為二次能源，特別是基于新能源電力制得的綠氫，可在高品位供熱、基礎原料等方面發(fā)揮自身獨特優(yōu)勢，成為深度替代化石能源的優(yōu)秀代言者，并助力非化石能源解鎖新的應用領域。換言之，氫能將既可助力降低化石能源占比，又可為非化石能源打開消費增長新空間，促進非化石能源占比上升；不僅能承擔高品位供熱、穩(wěn)定供電的角色，還可與化石能源及其碳排深度耦合，擔當綠色原料角色。
1.3 氫能將在中國“雙碳”目標路徑中發(fā)揮重要作用
中國是碳排放大國，碳減排壓力大。煤炭是碳排放主要能源品種，電力、工業(yè)和交通是碳排放主要部門，超過一半的碳排放量來自電力和熱力供應。根據(jù)測算并結(jié)合多家機構(gòu)判斷，我國從碳達峰到實現(xiàn)碳中和，短短三十年CO2年均減排增幅規(guī)模需達3億噸，與英國目前一年的CO2排放量相當。
就碳減排路徑而言，主要包括工業(yè)部門淘汰落后產(chǎn)能和節(jié)能減排、電力部門脫碳、終端部門電氣化、發(fā)展低碳燃料及林業(yè)碳匯等。氫能特別是綠氫，在除林業(yè)碳匯以外的近乎所有重點減碳領域均能發(fā)揮作用；到2060年提供十億噸級碳減排解決方案，屆時將發(fā)揮減碳關鍵作用。
在碳達峰碳中和進程中，綠氫發(fā)揮的主要作用將是“一主力三助力”，一個主力就是綠氫將承擔工業(yè)深度脫碳重任，是這一領域的主力軍；三個助力就是綠氫將在零碳交通、零碳建筑和零碳電力體系建設中起到關鍵助力和支撐作用，與綠色電力等一道提供碳中和解決方案。
2突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)綠氫規(guī)?；l(fā)展
現(xiàn)階段氫能產(chǎn)業(yè)總體上仍處于導入期，部分甚至處于探索階段，尚難以有力支撐能源轉(zhuǎn)型需要。中國“雙碳”目標的提出將能源轉(zhuǎn)型提升到更高層次，賦予氫能產(chǎn)業(yè)新的使命與擔當。
2.1以低碳化補齊產(chǎn)業(yè)發(fā)展短板，供需兩端共同發(fā)力打開綠氫消費新空間
2.1.1工業(yè)用氫目前碳排強度大，尚不足以支撐“雙碳”目標要求
目前，全球氫能主要用于工業(yè)部門。除工業(yè)外，氫能在其他部門的應用尚處于導入期，市場規(guī)模較小。工業(yè)領域制氫用氫的高碳排問題突出，制氫原料仍以化石能源為主。全球?qū)用?，?jù)IEA統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年氫氣產(chǎn)量約1.2億噸。其中化石能源制氫占比60%，年消耗2千多億方天然氣和1.6億噸煤炭，年排放CO2達9億噸，碳排放強度約12 kgCO2/kgH2；而綠氫規(guī)模不足百萬噸，占比不到1%。
中國層面，2020年氫氣產(chǎn)量約3千萬噸。其中化石能源制氫占比近80%，且以煤制氫為主，碳排放強度更高，按原料消耗約15kgCO2/kgH2，如再加上燃動消耗，將超過20kgCO2/kgH2。碳中和目標下，中國氫能產(chǎn)業(yè)需要立足國情“先立后破”，在安全可靠的替代基礎上，推動煤炭和新能源優(yōu)化組合，逐步降低工業(yè)制氫的碳排放強度，同時加大綠氫資源的開發(fā)力度，有效降低低碳足跡氫的利用成本，拓展應用領域，當好低碳轉(zhuǎn)型橋梁。
2.1.2綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于起步階段，尚需突破技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新瓶頸
無論是全球還是中國，綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展均處于起步階段，需要突破資源、效率和規(guī)模等重要瓶頸。
就中國而言，一是綠電資源豐富的地區(qū)多遠離氫氣消費中心，綠氫資源供給不足；二是綠電制氫及儲運環(huán)節(jié)受技術(shù)發(fā)展等因素制約，產(chǎn)業(yè)鏈效率有待提升；三是氫能基礎設施體系尚未完善，綠氫在工業(yè)和交通等領域的應用規(guī)模尚小。綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨不平衡、不充分和不經(jīng)濟的問題，如上游電解水制氫裝置規(guī)模偏小，下游氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量較低，面向工業(yè)部門深度脫碳的氫基碳中和解決方案尚未成熟，連接生產(chǎn)和消費之間的氫儲運環(huán)節(jié)成本較高。為此，需要通過資源耦合和產(chǎn)業(yè)耦合，逐步化解氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的難題。
資源耦合夯實綠氫發(fā)展基礎。根據(jù)我國不同地區(qū)的資源稟賦，如三北地區(qū)的風光資源，西南地區(qū)的水電資源，東部沿海地區(qū)的風電和核能等，開發(fā)部署適合的綠氫制取工藝。目前，部分新工藝路線像質(zhì)子交換膜電解槽制氫、固體氧化物電解槽制氫以及核能制氫等，仍處于規(guī)?；渴鹎暗膭?chuàng)新階段，需要攻克實驗、工程和應用難題。
產(chǎn)業(yè)耦合打開綠氫發(fā)展空間。通過將綠氫發(fā)展與能源消費部門的深度脫碳目標耦合，探索形成以綠氫為基礎的工業(yè)、交通、建筑和電力部門減碳新路徑。包括綠氫作為原料或燃料，用于工業(yè)部門的鋼鐵、煉油、化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，用于交通部門的陸?？者\輸環(huán)節(jié)，用于民用和商用部門的熱電聯(lián)產(chǎn)，以及在發(fā)電部門參與儲能和靈活調(diào)峰服務。領先企業(yè) 正在通過技術(shù)進步，實現(xiàn)綠氫與這些應用場景的深度耦合，打造成功的商業(yè)模式，為綠氫創(chuàng)造良好的發(fā)展前景。
2.1.3供給側(cè)大力發(fā)展綠氫制備，推動能源低碳轉(zhuǎn)型
從供給側(cè)看，“30·60”目標約束下，工業(yè)灰氫必須向藍氫轉(zhuǎn)變或逐步退出市場，綠氫逐步成為核心氫源，實現(xiàn)低碳發(fā)展。從目前到2030年前碳達峰階段，通過現(xiàn)有氫能生產(chǎn)的低碳轉(zhuǎn)型，在增量上減少對高碳化石能源依賴，更多采用天然氣制氫、低碳足跡的工業(yè)副產(chǎn)氫。從目前的少量綠電制氫，到2030年實現(xiàn)綠氫規(guī)模達到百萬噸級，屆時灰氫生產(chǎn)消費達到峰值。
從2030年碳達峰到2060年碳中和時期，預計可分為三個階段。一是從2030年到2040年，氫能供應增量主要依靠藍氫和綠氫，存量煤制氫產(chǎn)能或配備CCS、或改天然氣制氫或直接退出，期末綠氫規(guī)?？蛇_2千萬噸級。二是從2040年到2050年，氫能供應增量大部分依靠綠氫，存量灰氫產(chǎn)能加快去碳步伐，包括煤制氫的完全退出，天然氣制氫基本配置CCS等方式，期末綠氫年供應規(guī)模達6千萬噸級。三是從2050年到2060年，氫能供應增量全部依靠綠氫，存量灰氫全部去碳（配備CCS）或退出，期末綠氫規(guī)模預計達1億噸級，詳見表1。
2.1.4消費側(cè)擴大綠氫應用場景，助力雙碳目標落地
消費側(cè)，氫能產(chǎn)業(yè)將以工業(yè)領域為應用場景基點，向交通、建筑和發(fā)電領域拓展，行業(yè)企業(yè)將加大創(chuàng)新力度，貢獻“零碳”“負碳”解決方案。一是推動擴大工業(yè)用氫及低碳化，在冶金、煤化工、石化等領域形成氫基碳中和解決方案。二是在交通、建筑、發(fā)電等領域降低氫能成本，擴大消費規(guī)模。
從表2可知，從目前到2030年前碳達峰，工業(yè)灰氫消費達峰下行，交通用氫占比突破3%。從2030年碳達峰到2060年碳中和時期，同樣可分為三個階段：
一是從2030年到2040年，工業(yè)用低碳足跡氫超百萬噸，交通用氫占比突破10%?；诰G氫的CO2減排潛力突破2億噸級。
二是從2040年到2050年，工業(yè)用低碳足跡氫超千萬噸，交通用氫突破30%，建筑和發(fā)電用氫超百萬噸級。
三是從2050年到2060年，工業(yè)用氫占比降至50%以下，且全部為低碳足跡氫；交通用氫占比穩(wěn)居30%以上；其他為建筑和發(fā)電用氫。就全國而言，基于綠氫的CO2減排潛力預計可達10億噸。屆時，氫能占能源終端消費的比重有望達到15%。
2.2以技術(shù)進步加快綠氫規(guī)模化發(fā)展步伐
綠氫發(fā)展目前面臨的主要瓶頸有：綠電綠氫成本較高，氫儲運設施很不完善，綠氫項目推廣應用受技術(shù)經(jīng)濟性制約。因此，綠氫規(guī)模化發(fā)展需從供給側(cè)和消費側(cè)雙向發(fā)力。
供給側(cè)，以技術(shù)進步推動綠氫制備規(guī)?；?。“電氫一體”成為發(fā)展綠氫的重要路徑。大型風光發(fā)電與電解水制氫一體建設和協(xié)同開發(fā)，有利于加快技術(shù)突破和提高能效。行業(yè)企業(yè)要聯(lián)合攻克綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵瓶頸。一是可再生能源發(fā)電，以技術(shù)進步推動光伏組件轉(zhuǎn)換效率提升，推動風機大型化降低成本；二是電解水制氫，推動開發(fā)低成本高效制氫技術(shù)，主要是從目前的以堿性水電解槽為主向質(zhì)子交換膜水電解槽等方向發(fā)展。
綠氫相對灰氫的競爭力將不斷提升，2025年前后在部分資源條件優(yōu)越的地區(qū)，綠氫工業(yè)項目將有望與灰氫開展直接競爭。一方面，風光發(fā)電的技術(shù)進步帶來綠電成本降低，例如光伏組件效率提升、風機大型化等，進而推動綠氫成本下降。另一方面，碳價走高增加化石能源制氫成本。據(jù)國際能源署預測，2050年全球綠氫成本將比目前下降80%。其中電解槽成本和用電成本“雙降”貢獻最大，分別提供37%和30%的降幅；其他包括系統(tǒng)效率、制氫裝置運行小時數(shù)、電解槽使用壽命的提高以及資 金成本的降低將貢獻13%降幅。到2050年綠氫平均生產(chǎn)成本將從目前約4.8美元/kgH2降至1美元/kgH2甚至更低。我國的成本降幅預計將更大。
消費側(cè)，氫能在冶金行業(yè)的新應用，如氫氣直接還原鐵、高爐富氫冶煉、氫等離子體熔融還原煉鐵等，以及氫能在化工行業(yè)的新應用，如綠氫與二氧化碳制甲醇或合成氣等，這些新技術(shù)的開發(fā)部 署，將會開拓綠氫在工業(yè)部門新領域的應用；而燃料電池應用成本的下降也將推動氫能加快在交通、建筑和發(fā)電等領域的應用步伐。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)數(shù)據(jù)顯示，未來十年全球燃料電池的系統(tǒng)成本有望下降50%以上，使用壽命有望增長1.5倍，推動氫能在交通領域競爭力不斷提升，與電動汽車一起在交通領域擴大應用，提供低碳解決方案。
3增強跨界協(xié)同，共建綠氫新生態(tài)
面向未來，氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展需要加強“政產(chǎn)學研金”產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，多措并舉構(gòu)建綠氫新生態(tài)。
3.1加強政府規(guī)劃與行業(yè)引導，營造良好發(fā)展環(huán)境
政府層面，建議及時出臺氫能中長期規(guī)劃，明確戰(zhàn)略目標和發(fā)展愿景，出臺系統(tǒng)性引導和支持政策，破解體制機制障礙，引領產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。行業(yè)層面，為更好推動國家“雙碳”目標落地，建議擴大氫能聯(lián)盟協(xié)作圈，由行業(yè)領先企業(yè)共同協(xié)作，攻關氫能“制儲運用”關鍵技術(shù)，培育市場。
3.2推動工業(yè)、交通等關鍵部門的用氫低碳發(fā)展
工業(yè)部門碳減排難度較大，特別在重化工領域。積極推進灰氫配套CCS和非化石能源制綠氫先導示范，打通“灰氫—CCS—藍氫”和“綠電—綠氫”產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)灰氫低碳轉(zhuǎn)型、綠氫規(guī)模發(fā)展，形成工業(yè)級CCS、綠電制氫、氫氣儲存、綠氫碳中和創(chuàng)新解決方案。
交通部門完善氫能交通布局。氫能汽車與電動汽車是零碳交通重要發(fā)展方向。打通交通綠氫的經(jīng)濟制取、經(jīng)濟儲運、經(jīng)濟加注三大環(huán)節(jié)，包括積極建設低碳供氫中心，開發(fā)供氫母站、分布式制氫、低成本儲運等關鍵核心技術(shù)并推進產(chǎn)業(yè)化等。探索在陸路、水路和航空運輸領域開展氫能交通商業(yè)示范。
電力部門打造能源儲備能力。低成本規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)是高比例波動性可再生電力系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行的關鍵。氫儲能技術(shù)在電能儲存的規(guī)模和時長方面，相對電池儲能和抽水蓄能等具有一定優(yōu)勢。在條件適合情況下，利用可再生能源棄電，通過電解水轉(zhuǎn)化為氫能，可實現(xiàn)電力的長周期儲存，在需要時能以電力輔助服務方式，提供靈活調(diào)峰服務。
建筑部門（也稱民用/商用部門）碳排放源相對分散，難以進行集中性碳捕捉。未來，將更多使用源頭治理方式控制碳排?！熬G氫”與天然氣摻氫、“綠氫”與建筑用氫燃料電池等技術(shù)組合，有望提供低碳解決方案。
3.3加大科技投入有效支撐
圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，以科技研發(fā)支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。推動建設氫能國家實驗室，開展關鍵技術(shù)、核心裝備及重要材料攻關。建立完善氫能相關標準體系，特別是安全標準體系。加強領先伙伴協(xié)作創(chuàng)新，引導氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈自主核心技術(shù)體系和標準體系，堅持重點突出、問題導向和分步實施原則，打通關鍵卡點堵點。針對氫能綠色制取和規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全儲存與輸配體系、氫能改質(zhì)與高效動力系統(tǒng)等開展科技攻關。
3.4推動氫能產(chǎn)融互促發(fā)展
“以產(chǎn)促融，以融促產(chǎn)”，依托產(chǎn)業(yè)資本和金融力量助力氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，在電氫一體化、綠氫項目開發(fā)、氫能供銷、氫能科創(chuàng)等領域加大投入力度，分散風險、降低成本，擴大協(xié)同效應。支持國家或產(chǎn)業(yè)基金參與氫能先導示范項目建設，提供綠色融資服務。為工業(yè)級綠氫項目提供綠證交易等便利化服務，有效擴大綠電資源供應。引導金融機構(gòu)加大對領先氫能科創(chuàng)企業(yè)的扶持力度，積極支持氫能科創(chuàng)企業(yè)上市發(fā)展。
展望未來，氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展需要建設兩大基石，一是供給側(cè)的氫能生產(chǎn)減碳降本，低碳化、低成本化和多源化是發(fā)展關鍵；二是消費側(cè)的氫能應用多元高效，工業(yè)原料、工業(yè)燃料、交通燃料、電力燃料、建筑燃料和其他領域?qū)?gòu)成主要應用方向。
未來10~15年將是綠氫產(chǎn)業(yè)從培育期走向商業(yè)化初期的關鍵階段，綠電綠氫一體化生產(chǎn)、氫能基礎設施和氫基碳中和解決方案等將逐步走向成熟；再用15年時間，綠色氫能在主要應用領域都將實現(xiàn)規(guī)?；渴?。只要氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)堅持協(xié)作攻關和持續(xù)創(chuàng)新，推動氫能在我國的能源轉(zhuǎn)型進程中發(fā)揮關鍵“助手”作用，就能打開非化石能源發(fā)展新空間，迎接氫經(jīng)濟的到來。
