我国发展氢能产业的挑战与建议

2023-02-02深圳市规划国土发展研究中心

上海煤气 2023年5期

深圳市规划国土发展研究中心张涛张旭

当今世界，新一轮科技革命、能源转型和产业变革与我国经济高质量发展共同走到了交汇口。其中，氢能作为一种资源可观、绿色低碳、应用广泛的二次能源，目前正在逐步成为我国乃至全球能源发展的重要载体之一。与此同时，氢能的规模化开发利用技术逐渐取得重大突破，也为理论上的零碳能源利用开辟了一个新的窗口。我国必须牢牢把握全球能源发展的大势和重要机遇，加快培育国产氢能产业，协助我国能源清洁低碳的快速转型。

1 发展氢能面临的挑战

国际上，全球主要发达国家高度重视氢能产业发展，均在积极培育氢能产业的增长点。我国作为世界上最大的制氢国，年制氢产量约3 300 万t，然而相较于国际先进水准，我国在发展氢能的道路上面临着氢能制造运输成本居高不下、缺乏核心技术、产业发展制度滞后、基建设施规模不足和市场空间不断挤压等一系列挑战。

1.1 制造运输成本居高不下

从目前的氢能技术发展情况判断，氢能产业属于高端产业链类型，制氢成本、运输成本比较高昂，限制了氢能产业向下游产业链的延伸，影响了氢能规模化的普及。

(1)制氢成本。从目前的主流的制氢技术分析，普遍存在制氢成本偏高的固有问题。例如：天然气制氢过程中，作为原料的天然气成本占到制氢成本70%以上；煤炭制氢过程中，作为原料的煤炭成本占到煤制氢成本50%以上。无论天然气制氢还是煤制氢，均属于化石能源制氢，在生产过程中都伴随二氧化碳产生，所产氢气在学术上定义为“灰氢”；如通过额外投资使用碳捕集利用封存(CCUS)技术所生产的氢气则在学术上定义为“蓝氢”，因此，生产相对清洁的“蓝氢”，比生产“灰氢”多了一道碳捕捉工艺，为此也提高了成本；通过使用再生能源(太阳能、风能、核能等)发电进行电解水制造的氢气，由于在生产过程中没有碳排放，则在学术上定义为“绿氢”，电费在“绿氢”的制造成本中占到60%以上，致使“绿氢”成本普遍要高于“灰氢”，因此在当下的氢能市场发展期，“灰氢”资源因其成本因素更受市场青睐。

(2)运输成本。目前，氢能有3 种主要运输方式：高压气氢运输、低温液氢运输和管道输氢运输。氢能3 种主要运输方式的基本情况，详见表1。

表1 氢能3 种主要运输方式基本情况

高压气氢运输类似于压缩天然气(CNG)运输，是现下氢能主流的运输方式。其原理简单、技术较为成熟。由于氢气密度小，使得储氢压力容器自重较大，导致拖车运输氢能的质量只能占到总运输质量的1%～2%，另外氢气瓶的卸车时间很长，需要2～6 h，导致高压气氢运输的成本较高，效能低下。

低温液氢运输类似于液化天然气(LNG)运输，在大批量、中远距离的氢能运输中，由于液氢运输车相对可以容纳更多的氢能，使得低温液氢运输比高压气氢运输更有优势。然而低温液氢运输的缺点也较为明显，就是在制取液氢过程中需要消耗大量的能量。据初步统计分析，液化过程消耗能源占液氢总能源的30%～40%，与此同时低温液氢运输在液氢的储存、输送、装卸过程中必然会造成一定程度的蒸发损失，并且终端专用核心接收设备仍需依赖进口，无形中提高了低温液氢运输的总体成本。

管道输氢运输类似于气态天然气的长输管运，是目前氢能实现大规模、(超)长距离、低成本运输的重要方式。但由于管材存在“氢脆”现象，氢气管道及相关的配套设备均需选用特殊处理的低碳钢材，都将导致整个管输氢能系统的设备需要全部重新试验和研发，由此带来的超高附加成本是长期制约管道输氢运输的重要因素。

1.2 核心国产技术欠缺

我国虽然形成了一定规模的氢能市场，打造了相对完整的氢能产业，然而核心技术与国际先进水平对比，仍存在数年甚至十年的代差。与20年前我国发展管道天然气之初较为类似，现有国产氢能设备的经济技术能力还不能完全匹配我国的发展需求，某些核心材料严重依赖进口。例如，固定氧化物与阴离子交换膜的国产产品不够成熟，只有少数发达国家的研发公司和设备制造商掌握其核心技术。未来，我国氢能产业的许多技术发展路线和核心技术难题有待“产学研”的通力解决和艰苦攻关。就目前而言，核心国产技术的现有水平，还无法支撑我国开展大规模的市场化运营。

1.3 政策激励措施不足

我国现有促进氢能产业发展的政策激励方向过于集中，基本围绕氢燃料电池汽车，还未延伸至整个氢能产业链，由此造成对氢能技术全面创新的驱动效能偏低。在顶层战略方面，我国尚未像发展电动汽车一样，出台大规模针对氢能使用的明确扶持补贴政策，对于供给侧的激励政策大多数存在于省、市层面，需求侧的激励政策基本集中于储氢和氢能汽车领域，并未提出实质性的硬性考核指标。

在未来可预计的一定时间段之内，我国在能源方面的政策性激励大概率仍会侧重于新能源和电动汽车板块，由此造成对氢能产业的政策排斥。

1.4 基础设施建设困境

未来氢能发展最先突破口大概率会集中在氢燃料电池领域，然而加氢站的数量偏少、规模不足是导致氢能推广的一个严重的制约性顽疾。虽然我国近年来已在加氢站建设方面加大了投资力度，累计建成的加氢站和在营的加氢站已经超过了日本，稳居世界第一，但是从全国范围内的氢能需求进行评估，现有的加氢站数量和建设速度还远远不能满足我国的氢能市场需求，无法支撑氢能产业的健康成长。虽然有规划、设计、建设等方面的困难，但核心制约因素主要是加氢站投资较大的问题(站内核心部件依赖国外进口)，必将成为氢能源汽车乃至氢能产业发展过程中的一个重要掣肘因素。

1.5 市场发展环境竞争

氢燃料电池汽车市场与电动汽车市场是存在竞争关系的，特别是近年来电池技术的突飞猛进和日新月异，已基本可以达到燃油车的所有关键性指标，可覆盖汽车的所有类型领域。在可预计的未来，电动汽车的电池技术会继续进行深度创新，会更受到市场的青睐，从而进一步挤压氢燃料电池汽车、燃油汽车、燃气汽车等的市场发展空间。

2 发展氢能的建议

针对我国在发展氢能产业方面面临的上述5 大挑战，为推动氢能产业的高质量发展，实现碳达峰、碳中和目标，我国应该着眼抢占未来氢能产业发展先机，在统筹氢能产业布局的前提下，降低氢能成本、提升创新能力，完善政策体系，加大建设力度、拓展国内外市场，以此提高氢能产业在能源消费结构中的比重，为我国构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供强力支撑。

2.1 拓展绿氢，试点掺氢，降低成本

通过对比而知，“绿氢”凭借其清洁性，比“灰氢”和“蓝氢”更具优势，是未来制氢的发展重点和方向。通过趋势分析，在2050年左右，我国将形成以可再生能源制造的“绿氢”为主体，以化石能源+碳捕捉技术制造的“蓝氢”为补充的氢能发展格局；在2050年以后，可再生能源制造的“绿氢”将逐步成为唯一的氢能主体。对于可再生能源制造的“绿氢”不存在过多的技术难题，唯需解决制氢过程中的成本问题。

对现有主流的3 种氢能运输方式而言，天然气管网掺氢的管道输氢运输是行业内普遍认同的发展方向。据研究，如果在天然气管网中掺入15%～20%的氢气，可以直接利用现有天然气管道进行输送，无需开展全面的管网和配套设备更换，目前德国、英国等已有类似示范项目。如果天然气管网掺氢路线通过技术攻关后证明可行，并能解决氢气与天然气管道相容性的问题，那我国的西北部地区凭借其作为西气东输的上游段优势和丰富的光伏、风能发电资源禀赋，可进行大规模的天然气管网掺氢，能大大降低运输氢能的成本，并可将氢能输送至能源消耗较大且经济发达的珠三角和长三角地区，有效地缓解我国能源供需的地域不平衡问题。

2.2 技术创新，加大研发，攻破难关

坚持创新驱动发展，推进质子交换膜燃料电池等技术的国产化创新，研发关键性的相关材料，提高性能指标，最终形成批量化生产的能力。此外，我国的氢能产业还需要持续提升氢燃料电池的可靠性、稳定性、耐久性，加快新一代氢燃料电池等技术的攻关，着力推进核心零部件以及关键设备的开发制造，提高可再生能源制氢转化效率，突破氢能基础设施环节的关键核心技术，并且加大制、储、输、用氢全链条安全技术开发应用，持续推动氢能先进技术、关键设备、重大产品示范应用和国产化发展，构建完成氢能产业的高质量发展技术体系。

2.3 健全政策，完善标准，推动发展

制定完善的氢能管理政策，规范氢能制备、储运和加注等环节的建设管理程序，完善规划、设计、建设和运营的具体政策规定，注重在规划设计、建设要求、审批流程和监管方式等方面强化政策扶持，提升运营水平。研究探索可再生能源制氢的支持性电价政策，完善可再生能源制氢的市场化机制，健全氢能的储能价格机制，探索其直接参与电力市场交易的可行性。

推动完善氢能制、储、输、用标准体系，重点围绕建立健全氢能质量、应用安全等的基础标准，增加标准的有效供给。国家相关职能部门必须鼓励龙头企业积极参与各类标准的研制工作，推进氢能产品检验检测和认证公共服务平台建设，推动氢能产品质量认证体系建设。