核心觀點
-發(fā)展可再生能源電解水制氫，既是從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈落實綠色氫源，也是推動能源結(jié)構(gòu)去碳變遷、新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵舉措。
-世界范圍內(nèi)已有實現(xiàn)“綠氫”供應(yīng)經(jīng)濟效益的相關(guān)經(jīng)驗和研究，有望在進一步擴大應(yīng)用后提高“綠氫”應(yīng)用的社會效益。
-我國發(fā)展“綠氫”具備良好的資源稟賦，相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)已做了充足的可行性驗證工作，有望實現(xiàn)商業(yè)化推廣。
-我國發(fā)展“綠氫”還應(yīng)注意以下四方面問題。第一，要因地制宜進行“綠氫”“藍氫”的合理配置。第二，要盡快攻克可再生能源大規(guī)模電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化。第三，擴大氫能應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和規(guī)模，發(fā)揮氫的經(jīng)濟和社會效益。第四，落實電價優(yōu)惠政策，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題。
1 我國發(fā)展可再生能源電解水制氫，落實綠色氫源，可助能源體系重構(gòu)。
1.1 我國制氫路徑應(yīng)以“綠氫”方向發(fā)展
根據(jù)制氫的來源與過程碳排放水平，可以區(qū)分各種氫源的顏色屬性。世界能源理事會與國際能源署等各大國際研究機構(gòu)在2019年以來發(fā)布的相關(guān)報告中1，均指出可以用顏色代表不同生產(chǎn)來源的氫。使用可再生能源產(chǎn)生的清潔電力或核能、太陽能、生物質(zhì)等非化石能源制得的氫是“綠氫”；依賴煤、天然氣等碳基能源制取的氫為“灰氫”，制氫過程中伴生大量的二氧化碳；結(jié)合碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)能減少甚至避免碳基能源制氫的碳排放，可使“灰氫”轉(zhuǎn)化為“藍氫”。
“灰氫不可取、廢氫可回收、藍氫可以用、綠氫是方向”是我國氫能發(fā)展的先決條件。我國是傳統(tǒng)制氫大國，生產(chǎn)水煤氣、合成氨、尿素、甲醇等化工產(chǎn)品的碳氫平衡工藝成熟，但氫燃料電池的新用途、新需求帶來了新的問題。制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性，才能從根本上保證氫能利用的低碳化與可再生性。
1.2 我國當(dāng)前以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，不宜新建“灰氫”產(chǎn)能
目前國內(nèi)以化石能源制氫和化工過程副產(chǎn)氫等“灰氫”為主。傳統(tǒng)制氫工業(yè)中96％以煤、天然氣等化石能源作原料，屬于“灰氫”，其制氫過程會對環(huán)境造成污染，且仍然維持對常規(guī)化石能源的依賴；焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)提純制氫，可回收“廢氫”合理避免尾氣浪費，但去除含硫等腐蝕性氣體及雜質(zhì)氣體的成本較高。
* 圖表1 主要制氫路徑及其優(yōu)缺點
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
當(dāng)下技術(shù)條件下，不宜新建“灰氫”產(chǎn)能作為氫能供應(yīng)來源。一方面，煤制氫、天然氣制氫等方式伴生5.5~11倍重量的二氧化碳，路徑不可?。涣硪环矫?，石油化工行業(yè)副產(chǎn)氫基本實現(xiàn)能收盡收，企業(yè)大多從煉油尾氣、乙烯尾氣、氯堿尾氣中回收提純氫氣作為提質(zhì)增收自用，是否有足夠副產(chǎn)氫余量作為氫能供應(yīng)還需協(xié)調(diào)與平衡2。
1.3 利用可再生能源棄電的“綠氫”，有助于推動能源結(jié)構(gòu)重構(gòu)
我國利用氫為媒介消納棄電發(fā)展“綠氫”，可為我國推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型創(chuàng)造良好的機遇條件。當(dāng)前我國以可再生能源為核心推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但可再生能源棄電總量近年來持續(xù)增長。2018年棄電總量高達1020億千瓦時，較2013年增長了3.3倍。2017年與2018年隨著風(fēng)電取暖、擴大可再生能源電力跨省跨區(qū)交易等多種新能源消納舉措的實施，棄風(fēng)、棄光有所下降，但我國棄水的形勢依然嚴(yán)峻，2018年棄水電量691億千瓦時，較2017年增長34.2%。
* 圖表2 2013~2018年中國可再生能源棄電量
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
建立電網(wǎng)與氫網(wǎng)結(jié)合的能源分配體系，是實現(xiàn)“綠氫”制取及綜合利用的途徑之一。一方面，利用氫氣可穩(wěn)定儲運的特點，將可再生能源從生產(chǎn)地傳輸?shù)绞褂玫?，能有效解決棄電問題；另一方面，氫能綠色環(huán)保、應(yīng)用場景豐富，可與現(xiàn)有能源體系互補，是推動能源結(jié)構(gòu)去碳變遷、新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵舉措。
* 圖表3 電網(wǎng)+氫網(wǎng)的能源輸配體系
數(shù)據(jù)來源：唐海鋒，長城汽車股份有限公司副總裁、未勢能源董事長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
2 世界范圍內(nèi)已有實現(xiàn)“綠氫”經(jīng)濟效益的相關(guān)經(jīng)驗與研究
2.1 挪威：氫氣終端售價降至40元/kg，探索“綠氫”在傳統(tǒng)煉化領(lǐng)域的應(yīng)用
挪威通過半集中化電解水制氫和高壓氣態(tài)運輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)低于40元/kg的氫氣銷售價格。一是挪威96%的電力來自于水電，電價0.31元/kWh，實現(xiàn)了較低的可再生能源電價。二是具有20MW大型電解水制氫基地，按24h工作制計算，制氫能力達到接近8噸/天的規(guī)模。三是采用50MPa高壓氣態(tài)管束車運輸方式，運氫效率與經(jīng)濟性較好，合理配置用氫需求在半徑200km范圍內(nèi)，使運輸價格在10元/kg左右。
* 圖表4 挪威氫氣終端銷售價格構(gòu)成
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
* 圖表5 挪威某家水電能源企業(yè)的氫氣配送案例
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
挪威已有煉鋼企業(yè)、化肥企業(yè)開始探索“綠氫”在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。如：鈦和鋼鐵企業(yè)TiZir是全挪威排名前十的二氧化碳排放公司之一（每年排放量35萬噸），正利用可再生能源電解水取代煤炭制氫，目前已完成試驗，準(zhǔn)備推廣應(yīng)用，以實現(xiàn)煤炭年使用量減少10萬噸的目標(biāo)；化肥企業(yè)Yara與能源企業(yè)Nel共同開發(fā)下一代堿性電解槽技術(shù)，以“綠氫”取代基于化石能源生產(chǎn)的氫氣，發(fā)展綠色化肥產(chǎn)業(yè)，據(jù)研究該產(chǎn)業(yè)具有1000億美元潛力的巨大市場3。
2.2 美國加州：規(guī)模效應(yīng)與降低用電成本可使氫氣價格降至50元/kg
在美國加州，氫氣售價需要在50元/kg以下才能與汽油形成同等競爭力4。加州當(dāng)?shù)仄褪蹆r折合5.53元/升，傳統(tǒng)燃油乘用車的油耗水平約8.4升/百公里，則燃料使用成本折合約0.46元/公里。對比同一級別的氫燃料電池乘用車，車輛氫耗水平約為0.93kg/百公里，可推出結(jié)論，當(dāng)氫氣終端銷售價格降至50元/kg時，才能使氫燃料電池乘用車的能源使用成本與傳統(tǒng)燃油車型達到同等水平。
* 圖表6 美國加州與汽油同等競爭力的氫氣價格（乘用車使用角度）
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
擴大制氫與用氫全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以及降低可再生能源電價，能使“綠氫”終端售價降至50元/kg以下。第一，利用400MW集中化大規(guī)模電解水制氫，采用質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫的技術(shù)路線，制氫能力達到約200噸/天，可有效分?jǐn)傊茪浼託湓O(shè)備的購置成本。第二，擴大用氫規(guī)模，供給400個加氫站，合理控制氫氣運輸距離在250km以內(nèi)。第三，可再生能源電價降至折合約0.21元/kWh時，結(jié)合制儲運加環(huán)節(jié)的成本分析，可使氫氣價格降至50元/kg以下。
* 圖表7 美國加州關(guān)于如何實現(xiàn)理想“綠氫”價格的研究
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部
2.3 國內(nèi)外對比：我國制氫規(guī)模較小、儲運加環(huán)節(jié)成本較高
綜上分析，結(jié)合我國現(xiàn)有電解水制氫案例及行業(yè)現(xiàn)狀，與國外先進經(jīng)驗與研究對比，我國還存在以下不足：一是我國制氫規(guī)模仍處于兆瓦級，規(guī)模經(jīng)濟效益尚未發(fā)揮，且電價未能達到0.3元/kWh的優(yōu)惠力度；二是我國氣態(tài)儲運壓力較低，單車運氫量遠低于國外先進水平1000~1500kg/車，是導(dǎo)致儲運成本較高的重要因素；三是我國加氫站網(wǎng)絡(luò)仍未形成，加注成本未能得到有效攤銷。
* 圖表8 關(guān)于氫能供應(yīng)成本的國外典型案例與國內(nèi)現(xiàn)狀對比
數(shù)據(jù)來源：挪威及美國加州數(shù)據(jù)整理自“竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表‘2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會’主題峰會1發(fā)言PPT”；國內(nèi)數(shù)據(jù)整理自百人會研究部
3 我國發(fā)展“綠氫”具備良好的資源稟賦，已有技術(shù)和項目儲備
3.1 我國可再生資源稟賦優(yōu)勢明顯，多地區(qū)具備較好的發(fā)展條件
我國具有豐富的可再生能源資源，或可成為全球領(lǐng)先的“綠氫”生產(chǎn)國。據(jù)國際能源署研究，我國西南地區(qū)水電資源稟賦良好，西北、東北等地區(qū)風(fēng)光資源充足，利用可再生能源電解水制氫所需的電力成本將極具競爭力。
* 圖表9 國際能源署關(guān)于利用風(fēng)能和太陽能進行電解制氫水的未來預(yù)期制氫成本分析
數(shù)據(jù)來源：國際能源署；唐海鋒，長城汽車股份有限公司副總裁、未勢能源董事長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
我國多地區(qū)具備較好的氫能供應(yīng)和利用條件。西南地區(qū)面臨棄水情況嚴(yán)重的現(xiàn)象，形成了傳統(tǒng)能源和可再生能源全面發(fā)展的能源供應(yīng)體系，具備多元發(fā)展和開發(fā)“綠氫”的基礎(chǔ)。東北、西北等地區(qū)可再生能源制氫潛力較大，其中寧夏風(fēng)能資源總儲量2253萬千瓦，太陽能光伏電站可開發(fā)規(guī)模約1750萬千瓦；吉林省白城具有約1600萬千瓦風(fēng)能、約1300萬千瓦光伏的開發(fā)潛力7。環(huán)渤海灣地區(qū)，京津冀已運行多個風(fēng)電耦合制氫項目，結(jié)合“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”和2022冬奧會契機，氫能應(yīng)用示范正在推進。
3.2 我國大型能源企業(yè)推進“綠氫”可行性驗證項目，氫氣售價可至40元/kg
已有大型能源國企布局“綠氫”產(chǎn)業(yè)，并在西南地區(qū)開展富余水電制氫項目。國家能源集團下屬最大水電開發(fā)公司的分管流域2018年棄水電量達到125億kWh，制氫規(guī)模潛力超過1.8億噸8。目前，正在與相關(guān)科研院所合作開發(fā)新型固體氧化物電解系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換效率達到80%以上，電解水制氫的電耗低于現(xiàn)有堿性和PEM電解兩條技術(shù)路線，當(dāng)該技術(shù)路線實現(xiàn)商業(yè)化后，制氫設(shè)備投資成本與電力成本還將進一步減少。
* 圖表10 我國大型能源企業(yè)正在開發(fā)高效的電解水制氫裝置
數(shù)據(jù)來源：李林，國家能源集團大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
在電價優(yōu)惠政策支持下，電解水制氫的經(jīng)濟效益能夠?qū)崿F(xiàn)。通過電力交易雙方協(xié)議與相關(guān)電價政策支持，將電解水制氫的電價降低至0.3元/kWh，按目前堿性電解水制氫綜合耗電5.5kWh/Nm3計算，制氫所需電費成本為1.65元/Nm3，即18.5元/kg。若將氫氣運輸距離縮短至30km以內(nèi)，綜合考慮前期投資成本和氫氣運輸成本，可得到40元/kg的氫氣價格。
* 圖表11 我國大型能源企業(yè)關(guān)于電解水制氫的成本分析
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部
3.3 “綠氫”成本與“藍氫”相當(dāng)，未來有望應(yīng)用在耦合可再生能源領(lǐng)域
在電價水平較低的前提下，“綠氫”與“藍氫”的制氫成本相當(dāng)，“綠氫”的零碳排放需要使用100%的可再生能源電力。增加CCUS后的煤制氫成本約為1.42元/Nm3，與電價低于0.3元/kWh時的電解水制氫成本拉平。如果考慮當(dāng)前中國電力的平均碳強度，電解水制氫的綜合碳排放是化石能源制氫單位碳排放的3~4倍；隨著可再生能源平價上網(wǎng)，中國電力平均碳強度將持續(xù)下降。
* 圖表12 “綠氫”“藍氫”“灰氫”的成本與減排效益對比
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
從技術(shù)發(fā)展趨勢判斷，PEM電解水制氫技術(shù)路線在未來耦合可再生能源具有顯著優(yōu)勢。目前PEM電解水制氫的成本為堿性電解技術(shù)的3~5倍，但隨著PEM電解水制氫設(shè)備中催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、電解槽等關(guān)鍵部件核心技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)化，PEM電解水制氫在制氫效率和規(guī)模上具有更大的提升空間，有望大規(guī)模應(yīng)用在耦合可再生能源領(lǐng)域。
* 圖表13 堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展趨勢
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
* 圖表14 PEM電解水制氫技術(shù)發(fā)展趨勢
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
4 我國發(fā)展“綠氫”存在的問題
4.1 因地制宜實現(xiàn)“綠氫”“藍氫”的合理配置
我國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源稟賦存在地域性差異。由于氫氣儲運成本較高，應(yīng)該就近尋求經(jīng)濟的氫源，西南與泛北方地區(qū)可再生資源豐富，可發(fā)展“綠氫”作為供給來源；東部沿海及南部地區(qū)氫燃料電池汽車示范運營領(lǐng)先全國，市場基礎(chǔ)較好，但普遍缺乏多元化可持續(xù)的氫源保障，應(yīng)充分回收利用“廢氫”，盡快實現(xiàn)CCUS技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，綜合選擇不同的制氫來源實現(xiàn)“藍氫”供應(yīng)。
4.2 盡快攻克可再生能源大規(guī)模電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)瓶頸
與可再生能源耦合的大規(guī)模電解水制氫技術(shù)還未完備，關(guān)鍵材料和技術(shù)應(yīng)加強國產(chǎn)化。電解水制氫系統(tǒng)應(yīng)加緊突破寬功率波動環(huán)境下的高適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)，加大力度進行質(zhì)子交換膜、堿性陰離子交換膜、電極材料、新型極框等關(guān)鍵材料和部件的研發(fā)和國產(chǎn)化。隨著可再生能源發(fā)電成本逐步降低，大規(guī)模電解水制氫將能實現(xiàn)技術(shù)上完備、經(jīng)濟上可行，是零碳排放、綠色經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
基于PEM電解制氫系統(tǒng)，重點研究快速啟停及輸入功率波動變化對電解水設(shè)備運行工況參數(shù)的影響，優(yōu)化設(shè)計及工藝制造方案，構(gòu)建高適應(yīng)性電解設(shè)備工作特性。
基于堿性電解制氫系統(tǒng)，重點研究模塊化、組合式制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對運行效果的影響及反饋機理，開發(fā)含設(shè)計、運行環(huán)節(jié)的大容量制氫系統(tǒng)全過程仿真軟件，實現(xiàn)模塊化電解水制氫系統(tǒng)全過程仿真分析。
* 圖表15 可再生能源大規(guī)模水電解制氫關(guān)鍵技術(shù)研究
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
4.3 擴大氫能應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和規(guī)模，發(fā)揮氫的經(jīng)濟和社會效益
拓展氫能應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)揮氫在多產(chǎn)業(yè)中的經(jīng)濟和社會效益。在堿性電解水制氫設(shè)備單價3000元/kW、電價0.25元/kWh的情景下，制得的高純度氫氣在交通領(lǐng)域具有較高的附加值，遠高于在傳統(tǒng)化工產(chǎn)品合成領(lǐng)域的經(jīng)濟效益（圖表16）。此外，氫能與可再生能源的結(jié)合還能減少溫室氣體與NOx、SOx等致霾污染物的排放，促進區(qū)域經(jīng)濟與低碳經(jīng)濟發(fā)展，創(chuàng)造新的就業(yè)機會，維護社會穩(wěn)定。
* 圖表16 電解水制氫在不同產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟附加值
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
擴大用氫規(guī)模，還需打通儲運與加注環(huán)節(jié)。一方面，與國外先進水平相比，我國目前壓縮氣態(tài)儲運的壓力普遍在20MPa，儲運效率較低，導(dǎo)致儲運成本居高不下。另一方面，加氫站關(guān)鍵設(shè)備如壓縮機、儲氫罐、加氫機等尚未完全國產(chǎn)化，前期投資成本較高，投資回報周期較長，加氫站的建設(shè)運營企業(yè)積極性難以提高。要盡快突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸與產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)，創(chuàng)新商業(yè)模式以實現(xiàn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的資金保障。
4.4 落實電價優(yōu)惠政策，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題
政府支持在“綠氫”發(fā)展中具有重要推動作用。第一，完善政策體系，將氫能作為能源管理而非危化品處理，給予加氫站建設(shè)運營合理補貼，給予氫燃料電池汽車配套補貼；第二，出臺氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，制定氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見，進一步明確氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)的審批流程與管理歸口單位，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題；第三，出臺和落實電解水制氫的電價優(yōu)惠政策，鼓勵和支持能源企業(yè)參與制氫-氫能交通項目，發(fā)展源端經(jīng)濟。
