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，獲得廣泛關(guān)注。歐洲一直是全球應(yīng)對氣候變化、減少溫室氣體排放行動最為積極的地區(qū)，對氫能的開發(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，以期對其他國家地區(qū)選擇氫能重點發(fā)展領(lǐng)域、評估氫能產(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。中國富煤的資源稟賦下，煤制氫占比超過50%。
氫是一種零碳能源，但無論是化石燃料制氫還是電解水制氫，生產(chǎn)過程中都會排放大量二氧化碳(電解水所用電很大部分來自化石燃料)，因此這些氫仍是“高碳”的氫，一般被稱為“灰氫”或“黑氫”。
要實現(xiàn)制氫過程的低碳化，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題，IHS Markit認(rèn)為，對歐洲而言，“化石燃料制氫+碳捕集和封存”可以作為未來中短期低碳制氫的一種過渡方式，未來長期非化石燃料發(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)過程的保護(hù)氣，以及航天等特殊領(lǐng)域的燃料。
近10年來，氫燃料電池汽車(FCEV)在歐洲、美國、日本、韓國、中國等國家或地區(qū)開始進(jìn)行示范或商業(yè)級的應(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)計劃中，交通和供熱是氫能未來重要的應(yīng)用場景(見圖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)國家調(diào)整了核能發(fā)展政策，并沒有把核電視為制氫的優(yōu)先電源選項。
IHS Markit認(rèn)為，近年來迅猛發(fā)展的可再生能源發(fā)電，以及隨之而來的大量棄風(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)電和太陽能光伏發(fā)電近年來增長迅猛。2017年，風(fēng)電和光伏發(fā)電合計占到歐盟28國總發(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，2030和2050年該比例將分別達(dá)到52%和62%，屆時火電占比將分別降至20%和9%(見圖3)。
可再生能源發(fā)電具有很強(qiáng)的波動性，存在因電網(wǎng)短時無法消納風(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。
限電電量也會隨可再生能源發(fā)電裝機(jī)量的快速提高而增長。即便考慮儲能設(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，2030年歐洲棄風(fēng)棄光電量將達(dá)到1200億千瓦時，2050年將達(dá)到2000億千瓦時(見圖4)。
■ 可再生能源制氫成本
從能源成本看，棄風(fēng)棄光的電價很低，某些時刻甚至可能出現(xiàn)負(fù)電價(考慮到可再生能源補(bǔ)貼或綠證等因素)。
但棄風(fēng)棄光時間段一般比較有限，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)備折舊成本過高(見圖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、電費成本、設(shè)備利用率等各個參數(shù)假設(shè)，測算了歐洲未來利用棄風(fēng)棄光電力電解水方式生產(chǎn)氫的供給曲線(見圖6)。
到2030年，歐洲以50歐元/兆瓦時以下的氫氣生產(chǎn)成本供給的電解水制氫潛力可達(dá)60億千瓦時，100歐元/兆瓦時以下成本的制氫潛力可達(dá)260億千瓦時。
到2050年，低于50歐元/兆瓦時和100歐元/兆瓦時成本的制氫潛力分別可達(dá)1500億千瓦時和2000億千瓦時。2000億千瓦時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5300萬噸碳排放。
基于項目投資成本、電費成本、設(shè)備利用率等各個參數(shù)假設(shè)用成本計算模型測算出來的。
氫在交通和供熱能源領(lǐng)域的替代潛力
過去十幾年，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))合計占?xì)W洲終端能源需求的77%(見圖7)，將是“綠氫”助力歐洲實現(xiàn)中長期減碳目標(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現(xiàn)歐洲能源消費低碳轉(zhuǎn)型最有潛力的發(fā)展方向。
研究表明，在不對現(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，并不會降低管道的安全性和天然氣的使用性能，可以作為過渡階段供熱領(lǐng)域向氫轉(zhuǎn)型的有效途徑。
對比歐洲各國的電網(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)荷的波動程度顯著高于電網(wǎng)(見圖9)。以英國為例，英國居民用氣負(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，在實現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的同時，有效提高電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的整體調(diào)峰能力。
英國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)，正在與挪威國家石油公司合作開展一項名為H21的氫供暖項目的可行性研究。
該項目計劃在英國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存裝置(二氧化碳將通過管道注入北海海底的鹽水層)，對該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模氫替代。
該項目已進(jìn)入工程設(shè)計階段，計劃2023年可完成投資決策開工建設(shè)，利茲市計劃從2028年開始對居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行氫配套改造。
經(jīng)測算，通過合理規(guī)劃氫輸配管網(wǎng)，項目能夠替代利茲市370萬居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求，使該地區(qū)成為一個真正意義的“氫能社會”。
■ 交通領(lǐng)域
氫燃料電池汽車(FCEV)與電動汽車(包括BEV和PHEV)都是替代傳統(tǒng)燃油汽車的重要技術(shù)選項，近5年來電動汽車(特別是乘用車領(lǐng)域)出現(xiàn)爆炸式增長。
2018年，全球電動乘用車銷售量已經(jīng)突破100萬輛，而燃料電池乘用車銷售量剛剛突破1萬輛，電動汽車似乎在新能源汽車競爭中取得壓倒性勝利。
但是，電動汽車固有的電池容量小、充電時間長、電池老化快等缺陷在未來一段時間內(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(見表1)。
目前普遍認(rèn)為，電動汽車在乘用車領(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，未來短期內(nèi)燃料電池汽車無法動搖電動汽車在該領(lǐng)域的優(yōu)勢地位。
但對于一些載荷重、行駛距離遠(yuǎn)、駕駛時間長的交通運輸應(yīng)用領(lǐng)域，例如，長途重型貨運卡車、長途客車、城市出租車等，燃料電池汽車優(yōu)勢明顯。歐洲正在研究大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池長途卡車的可行性，并有望在短期內(nèi)取得突破。
目前，氫燃料電池動力系統(tǒng)的核心技術(shù)與電動汽車相比成熟度較低，隨著未來燃料電池電堆和儲氫等相關(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汽車，實現(xiàn)更大規(guī)模的發(fā)展。
對中國發(fā)展氫能的啟示
一直以來，中國十分重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。根據(jù)IHS Markit對歐洲氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究成果，對中國發(fā)展氫能提出如下建議。
探索從單純生產(chǎn)氫產(chǎn)品到實現(xiàn)向“藍(lán)氫”和“綠氫”過渡的可行路徑。氫重新受到廣泛關(guān)注的一個關(guān)鍵原因是氫的零碳特征。如果希望通過氫實現(xiàn)中國2030年碳排放達(dá)峰目標(biāo)，需要認(rèn)真研究對化石燃料制氫裝置加裝碳捕集和儲存系統(tǒng)的可行性，同時盡可能多地利用清潔能源電力制氫。
中國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。
實現(xiàn)“綠氫”產(chǎn)業(yè)化還需要一段時間，如何利用“藍(lán)氫”為未來氫產(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題。其中一個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。未來氫能發(fā)展的最大潛力很可能在交通運輸行業(yè)，氫燃料電池汽車也是最受關(guān)注的方向。
中國是世界最大的汽車生產(chǎn)和消費國，也是最大的新能源汽車生產(chǎn)和消費國。發(fā)展氫燃料電池汽車對中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及交通行業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型意義重大，中國應(yīng)該加大對該領(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。
