氫是清潔、高效、零碳的能源載體，在供熱、交通、工業(yè)以及發(fā)電等多種領(lǐng)域發(fā)揮燃料、原料用途。但氫能的大規(guī)模應(yīng)用一直以來(lái)受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素的掣肘，發(fā)展遠(yuǎn)不及預(yù)期，在全球范圍內(nèi)仍處于研發(fā)和示范階段。
近年，全球應(yīng)對(duì)氣候變化的壓力日益突出，氫能作為一種有望在多領(lǐng)域有效替代化石燃料的清潔能源選項(xiàng)，獲得廣泛關(guān)注。歐洲一直是全球應(yīng)對(duì)氣候變化、減少溫室氣體排放行動(dòng)最為積極的地區(qū)，對(duì)氫能的開發(fā)和應(yīng)用也走在世界前列。
2018年，IHS Markit公司就歐洲氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)大規(guī)模替代化石燃料并降低歐洲碳排放的潛力進(jìn)行了專題研究，以期對(duì)其他國(guó)家地區(qū)選擇氫能重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域、評(píng)估氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿μ峁┙梃b。
低碳排放的氫生產(chǎn)和應(yīng)用
氫是化學(xué)元素周期表中第一個(gè)元素，在地球上含量豐富。氫的化學(xué)性質(zhì)活潑，在自然界幾乎不以游離態(tài)存在，而以化合態(tài)存在于水等多種物質(zhì)中，因此發(fā)展氫能的基礎(chǔ)是利用含氫化合物規(guī)模化制取氫。
按照生產(chǎn)工藝類型劃分，當(dāng)前主要有化石燃料熱化學(xué)制氫和電解水制氫兩種主流技術(shù)(見(jiàn)圖1)，還有處于發(fā)展早期的光解水制氫、生物制氫等新技術(shù)，技術(shù)成熟度最高、生產(chǎn)規(guī)模最大的是化石燃料熱化學(xué)制氫。
目前，西歐地區(qū)94%的氫產(chǎn)量來(lái)自化石燃料，其中，54%是天然氣制氫，31%是石油制氫，9%是煤制氫。中國(guó)富煤的資源稟賦下，煤制氫占比超過(guò)50%。
氫是一種零碳能源，但無(wú)論是化石燃料制氫還是電解水制氫，生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)排放大量二氧化碳(電解水所用電很大部分來(lái)自化石燃料)，因此這些氫仍是“高碳”的氫，一般被稱為“灰氫”或“黑氫”。
要實(shí)現(xiàn)制氫過(guò)程的低碳化，獲得全生命周期意義上低碳的“藍(lán)氫”甚至零碳的“綠氫”，需要在化石燃料制氫系統(tǒng)的后端配合運(yùn)行碳捕集和封存(CCS)裝置，或直接利用非化石燃料生產(chǎn)的電(水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電等)進(jìn)行電解水制氫。
考慮到碳捕集和封存技術(shù)長(zhǎng)期大量封存二氧化碳仍然存在合格地質(zhì)條件有限和公眾接受度不高等問(wèn)題，IHS Markit認(rèn)為，對(duì)歐洲而言，“化石燃料制氫+碳捕集和封存”可以作為未來(lái)中短期低碳制氫的一種過(guò)渡方式，未來(lái)長(zhǎng)期非化石燃料發(fā)電進(jìn)行電解水制氫將逐漸成為主要的低碳制氫方式。
氫的傳統(tǒng)用途主要在工業(yè)領(lǐng)域，例如作為煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)等化工流程的原料，某些工業(yè)過(guò)程的保護(hù)氣，以及航天等特殊領(lǐng)域的燃料。
近10年來(lái)，氫燃料電池汽車(FCEV)在歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家或地區(qū)開始進(jìn)行示范或商業(yè)級(jí)的應(yīng)用。
此外，歐洲在論證將氫用于規(guī)模化供熱的可行性。歐盟提出的2050年“零碳?xì)W洲”目標(biāo)計(jì)劃中，交通和供熱是氫能未來(lái)重要的應(yīng)用場(chǎng)景(見(jiàn)圖2)。
利用可再生能源限電電量生產(chǎn)氫的潛力分析
直接利用電網(wǎng)的電力制氫的全生命周期碳排放量取決于全網(wǎng)發(fā)電的平均碳強(qiáng)度。2017年，歐洲化石燃料發(fā)電約占全部發(fā)電量的43%，電力平均碳強(qiáng)度仍然較高，目前歐洲正在重點(diǎn)研究使用非化石燃料電力進(jìn)行電解水制氫。
2011年日本福島核事故后歐洲多數(shù)國(guó)家調(diào)整了核能發(fā)展政策，并沒(méi)有把核電視為制氫的優(yōu)先電源選項(xiàng)。
IHS Markit認(rèn)為，近年來(lái)迅猛發(fā)展的可再生能源發(fā)電，以及隨之而來(lái)的大量棄風(fēng)棄光電力將為大規(guī)模制氫提供大量的優(yōu)質(zhì)低碳能源。
■ 可再生能源將成為大規(guī)模生產(chǎn)“綠氫”的能源基礎(chǔ)
歐洲是全球最早大規(guī)模發(fā)展可再生能源的地區(qū)，風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電近年來(lái)增長(zhǎng)迅猛。2017年，風(fēng)電和光伏發(fā)電合計(jì)占到歐盟28國(guó)總發(fā)電裝機(jī)容量的27%，但仍低于火電的40%。
根據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，2030和2050年該比例將分別達(dá)到52%和62%，屆時(shí)火電占比將分別降至20%和9%(見(jiàn)圖3)。
可再生能源發(fā)電具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，存在因電網(wǎng)短時(shí)無(wú)法消納風(fēng)、光發(fā)電全部功率輸出的電力而導(dǎo)致的棄電現(xiàn)象，這部分不能被電網(wǎng)輸送的電量被稱為限電電量。
限電電量也會(huì)隨可再生能源發(fā)電裝機(jī)量的快速提高而增長(zhǎng)。即便考慮儲(chǔ)能設(shè)備的削峰填谷作用，棄風(fēng)棄光電量仍將十分可觀。IHS Markit預(yù)測(cè)，2030年歐洲棄風(fēng)棄光電量將達(dá)到1200億千瓦時(shí)，2050年將達(dá)到2000億千瓦時(shí)(見(jiàn)圖4)。
■ 可再生能源制氫成本
從能源成本看，棄風(fēng)棄光的電價(jià)很低，某些時(shí)刻甚至可能出現(xiàn)負(fù)電價(jià)(考慮到可再生能源補(bǔ)貼或綠證等因素)。
但棄風(fēng)棄光時(shí)間段一般比較有限，如果電解水制氫設(shè)備全部依賴棄風(fēng)棄光電力，則制氫設(shè)備利用率較低，將導(dǎo)致設(shè)備折舊成本過(guò)高(見(jiàn)圖5);如果為提高設(shè)備利用率而用電網(wǎng)電力作補(bǔ)充，則又需支付較高的電費(fèi)成本。
因此，大規(guī)模電解水制氫需要在提高設(shè)備利用率和降低電費(fèi)成本兩方面進(jìn)行權(quán)衡。
IHS Markit基于歐洲電力供需和成本模型，以及氫生產(chǎn)成本模型，考慮投資成本、電費(fèi)成本、設(shè)備利用率等各個(gè)參數(shù)假設(shè)，測(cè)算了歐洲未來(lái)利用棄風(fēng)棄光電力電解水方式生產(chǎn)氫的供給曲線(見(jiàn)圖6)。
到2030年，歐洲以50歐元/兆瓦時(shí)以下的氫氣生產(chǎn)成本供給的電解水制氫潛力可達(dá)60億千瓦時(shí)，100歐元/兆瓦時(shí)以下成本的制氫潛力可達(dá)260億千瓦時(shí)。
到2050年，低于50歐元/兆瓦時(shí)和100歐元/兆瓦時(shí)成本的制氫潛力分別可達(dá)1500億千瓦時(shí)和2000億千瓦時(shí)。2000億千瓦時(shí)的氫能可以滿足歐洲當(dāng)前28%重型卡車的燃料需求，每年可以減少燃燒柴油產(chǎn)生的總計(jì)5300萬(wàn)噸碳排放。
基于項(xiàng)目投資成本、電費(fèi)成本、設(shè)備利用率等各個(gè)參數(shù)假設(shè)用成本計(jì)算模型測(cè)算出來(lái)的。
氫在交通和供熱能源領(lǐng)域的替代潛力
過(guò)去十幾年，歐洲的低碳化轉(zhuǎn)型主要在發(fā)電領(lǐng)域，而電力只占?xì)W洲終端能源需求的20%。要實(shí)現(xiàn)2050年“零碳?xì)W洲”的目標(biāo)，還需要在主要耗能領(lǐng)域逐漸進(jìn)行低碳替代。
IHS Markit認(rèn)為，交通和供熱(包括建筑和工業(yè))合計(jì)占?xì)W洲終端能源需求的77%(見(jiàn)圖7)，將是“綠氫”助力歐洲實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期減碳目標(biāo)的重要領(lǐng)域。
■ 供熱領(lǐng)域
化石燃料燃燒仍是當(dāng)前歐洲最主要的供熱能源(見(jiàn)圖8)，其中管道天然氣占?xì)W洲供暖用一次能源的40%，利用氫替代天然氣供暖是實(shí)現(xiàn)歐洲能源消費(fèi)低碳轉(zhuǎn)型最有潛力的發(fā)展方向。
研究表明，在不對(duì)現(xiàn)有天然氣管道做任何改造的前提下，可在天然氣中摻混最高20%體積比例的氫，并不會(huì)降低管道的安全性和天然氣的使用性能，可以作為過(guò)渡階段供熱領(lǐng)域向氫轉(zhuǎn)型的有效途徑。
對(duì)比歐洲各國(guó)的電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)負(fù)荷曲線可以發(fā)現(xiàn)，天然氣管網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)程度顯著高于電網(wǎng)(見(jiàn)圖9)。以英國(guó)為例，英國(guó)居民用氣負(fù)荷的峰谷比約為5～7倍，遠(yuǎn)高于電網(wǎng)的1.7倍。
因此，如果利用可再生能源限電電量制氫作為儲(chǔ)能載體，在管道天然氣中摻混一定比例的氫，有助于電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)協(xié)同調(diào)度，在實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的同時(shí)，有效提高電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的整體調(diào)峰能力。
英國(guó)最大的兩家天然氣管網(wǎng)公司Cadent公司和北方天然氣網(wǎng)絡(luò)公司(Northern Gas Networks)，正在與挪威國(guó)家石油公司合作開展一項(xiàng)名為H21的氫供暖項(xiàng)目的可行性研究。
該項(xiàng)目計(jì)劃在英國(guó)北部海岸利茲市建設(shè)9套1.35吉瓦(用氫熱量衡量)規(guī)模的天然氣自熱重整制氫裝置并配套碳捕集和儲(chǔ)存裝置(二氧化碳將通過(guò)管道注入北海海底的鹽水層)，對(duì)該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模氫替代。
該項(xiàng)目已進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃2023年可完成投資決策開工建設(shè)，利茲市計(jì)劃從2028年開始對(duì)居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行氫配套改造。
經(jīng)測(cè)算，通過(guò)合理規(guī)劃氫輸配管網(wǎng)，項(xiàng)目能夠替代利茲市370萬(wàn)居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求，使該地區(qū)成為一個(gè)真正意義的“氫能社會(huì)”。
■ 交通領(lǐng)域
氫燃料電池汽車(FCEV)與電動(dòng)汽車(包括BEV和PHEV)都是替代傳統(tǒng)燃油汽車的重要技術(shù)選項(xiàng)，近5年來(lái)電動(dòng)汽車(特別是乘用車領(lǐng)域)出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。
2018年，全球電動(dòng)乘用車銷售量已經(jīng)突破100萬(wàn)輛，而燃料電池乘用車銷售量剛剛突破1萬(wàn)輛，電動(dòng)汽車似乎在新能源汽車競(jìng)爭(zhēng)中取得壓倒性勝利。
但是，電動(dòng)汽車固有的電池容量小、充電時(shí)間長(zhǎng)、電池老化快等缺陷在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍將持續(xù)存在，這給燃料電池汽車在一些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破提供了機(jī)會(huì)(見(jiàn)表1)。
目前普遍認(rèn)為，電動(dòng)汽車在乘用車領(lǐng)域已占據(jù)發(fā)展先機(jī)，在充電基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)政策配套等方面也取得了很大突破，未來(lái)短期內(nèi)燃料電池汽車無(wú)法動(dòng)搖電動(dòng)汽車在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位。
但對(duì)于一些載荷重、行駛距離遠(yuǎn)、駕駛時(shí)間長(zhǎng)的交通運(yùn)輸應(yīng)用領(lǐng)域，例如，長(zhǎng)途重型貨運(yùn)卡車、長(zhǎng)途客車、城市出租車等，燃料電池汽車優(yōu)勢(shì)明顯。歐洲正在研究大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池長(zhǎng)途卡車的可行性，并有望在短期內(nèi)取得突破。
目前，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù)與電動(dòng)汽車相比成熟度較低，隨著未來(lái)燃料電池電堆和儲(chǔ)氫等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，燃料電池汽車甚至在乘用車領(lǐng)域也有可能逐漸趕超電動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的發(fā)展。
對(duì)中國(guó)發(fā)展氫能的啟示
一直以來(lái)，中國(guó)十分重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。根據(jù)IHS Markit對(duì)歐洲氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究成果，對(duì)中國(guó)發(fā)展氫能提出如下建議。
探索從單純生產(chǎn)氫產(chǎn)品到實(shí)現(xiàn)向“藍(lán)氫”和“綠氫”過(guò)渡的可行路徑。氫重新受到廣泛關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵原因是氫的零碳特征。如果希望通過(guò)氫實(shí)現(xiàn)中國(guó)2030年碳排放達(dá)峰目標(biāo)，需要認(rèn)真研究對(duì)化石燃料制氫裝置加裝碳捕集和儲(chǔ)存系統(tǒng)的可行性，同時(shí)盡可能多地利用清潔能源電力制氫。
中國(guó)有非常龐大的化石燃料制氫產(chǎn)業(yè)，主要集中在石油化工領(lǐng)域，例如作為煉油、對(duì)二甲苯、乙烯、丙烷脫氫和合成氨等化工產(chǎn)品的加工處理原料。但整個(gè)產(chǎn)業(yè)缺乏互聯(lián)互通，大部分制氫產(chǎn)能僅在本地自產(chǎn)自用。
實(shí)現(xiàn)“綠氫”產(chǎn)業(yè)化還需要一段時(shí)間，如何利用“藍(lán)氫”為未來(lái)氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定應(yīng)用基礎(chǔ)，是值得各方深入思考的問(wèn)題。其中一個(gè)重要方面就是氫輸送管網(wǎng)的建設(shè)，尤其是如何規(guī)模化運(yùn)輸石化行業(yè)的富余氫。
加大氫燃料電池核心技術(shù)研發(fā)支持力度。未來(lái)氫能發(fā)展的最大潛力很可能在交通運(yùn)輸行業(yè)，氫燃料電池汽車也是最受關(guān)注的方向。
中國(guó)是世界最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，也是最大的新能源汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。發(fā)展氫燃料電池汽車對(duì)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及交通行業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型意義重大，中國(guó)應(yīng)該加大對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究支持力度，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
