被稱(chēng)為“未來(lái)能源”“終極能源”的氫能已經(jīng)成為近兩年的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，在國(guó)際上，美國(guó)、歐盟、日本都出臺(tái)了相應(yīng)的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，日本甚至提出了“氫能社會(huì)”的宏大構(gòu)想；在國(guó)內(nèi)，中石油、中石化、國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投等能源央企紛紛入局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，多個(gè)地方政府出臺(tái)了氫能發(fā)展方案和扶持政策。

隨著“2060年碳中和”任務(wù)的提出，氫能似乎成為實(shí)現(xiàn)終端燃料脫碳的最終解，又增添了其討論的熱度。那么，我國(guó)的氫能發(fā)展到什么程度了？制氫和用氫將分別向什么方向發(fā)展？氫能將在未來(lái)能源體系中擔(dān)任什么角色？本文將嘗試對(duì)這些問(wèn)題作出解答。

01

可再生能源制氫：理想很豐滿(mǎn)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫幾個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)前我國(guó)氫氣總產(chǎn)能達(dá)到2500萬(wàn)噸/年，是全球氫氣產(chǎn)能最大的國(guó)家。

氫是一種清潔高效的二次能源，無(wú)法直接從自然界中獲取，必須通過(guò)制備得到。目前主流制氫路線(xiàn)中，煤炭、天然氣等化石燃料制氫是當(dāng)前國(guó)內(nèi)成本最低的制氫路線(xiàn)，其中煤制氫成本可低至 9-11元/公斤 ，比天然氣制氫成本低約30%；鋼鐵、化工等行業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫也是較為成熟的手段，綜合成本在10-16元/公斤，我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫還有較大利用空間，可以在提供就近氫源的同時(shí)提高資源利用率，但建設(shè)地點(diǎn)受限于原料供應(yīng)；電解水制氫作為新興的熱門(mén)方向，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性直接受電價(jià)影響，市電生產(chǎn)的成本約30-40元/公斤，一般認(rèn)為當(dāng)電價(jià)低于0.3元/千瓦時(shí)時(shí)，電解水制氫的成本才能接近傳統(tǒng)化石能源制氫。

不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，目前電解水占所有制氫方式的比重僅為3%-5%左右，但卻是專(zhuān)家學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士眼中未來(lái)最重要的制氫途徑，特別是可再生能源電力制氫。這是由于不論是化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫還是傳統(tǒng)電解水制氫，都存在生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放問(wèn)題，在碳捕集與封存裝置（CCS）不具備大規(guī)模推廣可能性的前提下，可再生能源電力制氫是唯一能實(shí)現(xiàn)全周期零碳排放的制氫方式。

在中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《氫能源及燃料電池白皮書(shū)》中，預(yù)測(cè)隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)由化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主的格局，氫氣供給結(jié)構(gòu)中可再生能源電解水的比例也將大幅增長(zhǎng)，到2050年占比70%。



當(dāng)前國(guó)家政策層面，雖沒(méi)有出臺(tái)針對(duì)性支持政策，但是在促進(jìn)可再生能源消納相關(guān)文件中提到電制氫途徑。《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》指出“探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實(shí)現(xiàn)可再生能源多途徑就近高效利用”。國(guó)家能源局2020年5月發(fā)布的《關(guān)于建立健全清潔能源消納長(zhǎng)效機(jī)制的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》也提到了“清潔能源富集地區(qū)，鼓勵(lì)推廣電采暖、電動(dòng)汽車(chē)、港口岸電、電制氫等應(yīng)用，采取多種措施提升電力消費(fèi)需求，擴(kuò)大本地消納空間”。

項(xiàng)目實(shí)踐層面，已經(jīng)有數(shù)個(gè)落地案例。國(guó)內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目——河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目于2019年投產(chǎn)，項(xiàng)目包含200MW風(fēng)電場(chǎng)、10MW電解水制氫系統(tǒng)。2019年7月，陽(yáng)光電源與晉中市榆社縣政府簽訂300MW光伏和50MW制氫綜合示范項(xiàng)目，9月與山西省長(zhǎng)治市舉行200MW光伏發(fā)電項(xiàng)目（一期）開(kāi)工暨二期500MW光伏制氫項(xiàng)目簽約儀式。水電大省四川已出臺(tái)多項(xiàng)相關(guān)支持政策，但目前尚未有水電制氫項(xiàng)目落地。整體來(lái)說(shuō)，可再生能源制氫項(xiàng)目主要為科技項(xiàng)目試點(diǎn)示范。

可再生能源制氫的優(yōu)點(diǎn)似乎顯而易見(jiàn)，一方面隨著可再生能源大規(guī)模推廣，電價(jià)將會(huì)明顯降低，可進(jìn)一步降低制氫成本；另一方面可再生能源制氫有利于清潔能源消納，將棄風(fēng)棄光等可再生能源電力以氫能的形式存儲(chǔ)下來(lái)，可解決電力供需的大規(guī)模季節(jié)性不平衡問(wèn)題，助力高比例可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰問(wèn)題。

但是，可再生能源制氫要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展，還有諸多問(wèn)題需要解決：

一是近年來(lái)我國(guó)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象已經(jīng)得到明顯好轉(zhuǎn)，容易出現(xiàn)電解設(shè)備利用率低、無(wú)法收回投資的情況。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了多項(xiàng)措施促進(jìn)清潔能源消納，并明確表態(tài)到2020年基本解決棄風(fēng)棄光棄水問(wèn)題。2019年我國(guó)棄風(fēng)率4%，棄光率2%，連續(xù)幾年實(shí)現(xiàn)雙降。棄風(fēng)棄光制氫理論上既是一種有效的電力調(diào)峰手段，又能降低制氫成本，但由于棄風(fēng)棄光的尖峰特性，將導(dǎo)致制氫設(shè)備利用小時(shí)數(shù)低，分?jǐn)偟矫抗餁涞耐顿Y相關(guān)成本高昂。

二是現(xiàn)階段電解水制氫的成本仍然較高，即使隨著風(fēng)電光伏的技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)降低到發(fā)電端“一毛錢(qián)一度電”，但加上輸配電價(jià)、政府性基金及附加、輔助服務(wù)成本之后，終端電價(jià)相比其他制氫方式仍不具備成本優(yōu)勢(shì)。且在降電價(jià)過(guò)程中，過(guò)低的上網(wǎng)電價(jià)、輸配電價(jià)會(huì)對(duì)發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)收益造成明顯損害，難以實(shí)現(xiàn)多方合作。

三是制氫還需要配套的氫氣儲(chǔ)運(yùn)和下游產(chǎn)業(yè)需求，否則產(chǎn)生的氫氣無(wú)法最終轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。即使制氫成本得到大幅降低，在經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存、運(yùn)輸多個(gè)環(huán)節(jié)層層疊加后終端氫氣價(jià)格仍較高，只有當(dāng)氫氣大規(guī)模儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸得到解決，且下游需求如氫燃料電池得以激發(fā)的情況下，大規(guī)模制氫才可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式上的閉環(huán)。

四是從儲(chǔ)能的角度出發(fā)，儲(chǔ)氫的效率、成本等各方面均無(wú)法與其他常規(guī)儲(chǔ)能方式相競(jìng)爭(zhēng)。“可再生能源制氫-氫氣儲(chǔ)存-燃料電池發(fā)電”聽(tīng)起來(lái)是零碳利用的完美途徑，但電-氫-電兩次能源轉(zhuǎn)化綜合效率只有30%-40%。對(duì)比現(xiàn)在技術(shù)路線(xiàn)較為成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能效率80%-90%，抽水蓄能效率75%，即使儲(chǔ)氫具有存儲(chǔ)規(guī)模大、不受地理環(huán)境制約的優(yōu)點(diǎn)，其成本、效率、響應(yīng)速度和安全性都是制約發(fā)展的硬傷。

02

氫燃料電池汽車(chē)：政策曙光已現(xiàn)

正如前文所述，我國(guó)當(dāng)前已具備較高的制氫能力，但在消費(fèi)端，90%以上的氫氣仍然作為工業(yè)原料，用于合成氨、合成甲醇、煉油、煤炭深加工等，氫的“能源化”利用歷史較短，其中最受關(guān)注的便是氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。

氫燃料電池汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)在于清潔環(huán)保、能量密度高、續(xù)航里程遠(yuǎn)、加氫時(shí)間短（只需3-5分鐘），但成本高昂、加氫站數(shù)量少等因素制約了其進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)較為成熟，進(jìn)入規(guī)模化商業(yè)化發(fā)展階段，而氫燃料電池汽車(chē)仍處于試點(diǎn)示范階段。截至2020年7月，我國(guó)累計(jì)推廣燃料電池汽車(chē)超過(guò)7200輛，建成加氫站約80座。


全球來(lái)看，2019年全球氫燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量創(chuàng)下歷史新高，達(dá)到10409輛，銷(xiāo)量最高的韓國(guó)突破4000輛，其次分別是中國(guó)、美國(guó)和日本。品牌方面，自日本豐田于2014年推出第一代商用燃料電池汽車(chē)Mirai后，本田Clarity、現(xiàn)代Nexo幾款車(chē)型均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，日韓品牌在燃料電池乘用車(chē)市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)燃料電池汽車(chē)以客車(chē)、貨車(chē)為主，應(yīng)用在公交、物流等領(lǐng)域，這也與燃料電池續(xù)航里程長(zhǎng)的特點(diǎn)相適應(yīng)。公交車(chē)一般由政府集中采購(gòu)，廣東佛山、河北張家口燃料電池公交車(chē)數(shù)量均超過(guò)百輛，北京、山西大同、湖北武漢等地也紛紛加大了燃料電池公交車(chē)的投放力度。相比乘用車(chē)，公交車(chē)路線(xiàn)固定，一個(gè)加氫站可滿(mǎn)足一批車(chē)的加氫需求，利用效率更高。

目前階段，氫燃料電池汽車(chē)用車(chē)成本仍居高不下。據(jù)測(cè)算，純電動(dòng)汽車(chē)百公里電費(fèi)約為6元～15元，燃油車(chē)百公里油費(fèi)約為50元，而氫燃料電池車(chē)燃料費(fèi)用高達(dá)100元。成本問(wèn)題是制約燃料電池汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。如何才能降成本？根據(jù)國(guó)際氫能協(xié)會(huì)發(fā)布的《氫能平價(jià)之路》，到2030年大型乘用車(chē)的總體擁有成本可能下降45%，主要來(lái)自于擴(kuò)大產(chǎn)量帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)、增加加氫站降低的運(yùn)輸成本、使用可再生能源降低的制氫成本。


氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展越來(lái)越得到政府重視和政策支持。自2019年政府工作報(bào)告中首次提及“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，近兩年間各地密集出臺(tái)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展規(guī)劃。9月21日，財(cái)政部、工信部、科技部、發(fā)改委、國(guó)家能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》，對(duì) 2020 年開(kāi)始的 4 年示范期的氫燃料電池支持政策進(jìn)行了初步明確。

下一階段，燃料電池汽車(chē)的政策方向是采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式，對(duì)符合條件的城市群開(kāi)展燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎(jiǎng)勵(lì)。根據(jù)中金公司測(cè)算，不同車(chē)型獎(jiǎng)勵(lì)金額上下限差異較大，重卡的獎(jiǎng)勵(lì)總金額與單位功率獎(jiǎng)勵(lì)金額均高于其他品類(lèi)，有一定強(qiáng)化引導(dǎo)作用；關(guān)鍵零部件在示范期內(nèi)補(bǔ)貼金額總體不變，有望強(qiáng)化頭部企業(yè)實(shí)力。

我們認(rèn)為，該政策出臺(tái)后將在氫能發(fā)展基礎(chǔ)好、財(cái)政實(shí)力強(qiáng)、有產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)企業(yè)的地區(qū)形成龍頭聚集效應(yīng)，接下來(lái)10年將是氫燃料電池汽車(chē)突破技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，氫燃料電池將與電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)揮作用，共同推進(jìn)我國(guó)新能源汽車(chē)行業(yè)更上層樓。

03

能源轉(zhuǎn)型中的氫能：受重視但不是最關(guān)鍵要素

縱觀人類(lèi)能源轉(zhuǎn)型歷史，可以發(fā)現(xiàn)從高碳到低碳、從低密度到高密度轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。人類(lèi)學(xué)會(huì)用火標(biāo)志著薪柴時(shí)代的開(kāi)始，第一次工業(yè)革命伴隨著煤炭的大量使用，石油的開(kāi)采極大推進(jìn)了現(xiàn)代文明，而我們現(xiàn)在正處在大規(guī)模可再生能源替代化石能源的轉(zhuǎn)換期，那么下一次能源革命，會(huì)是更加清潔高效的氫能時(shí)代嗎？

在中國(guó)氫能聯(lián)盟公布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》中，預(yù)測(cè)到2050年氫能在中國(guó)能源體系中的占比約為10%。而根據(jù)最近發(fā)布的BP世界能源展望（2020版），在低碳轉(zhuǎn)型的迫切要求下，傳統(tǒng)能源品種將在很大程度上被低碳能源代替，主要指的是大規(guī)模的電能替代和小比例的氫能替代。預(yù)計(jì)到2050年，電能在終端能源消費(fèi)中的占比將達(dá)到50%（快速轉(zhuǎn)型情境下）-60%（凈零排放情境下），而氫能則為7%（快速轉(zhuǎn)型情境下）-16%（凈零排放情境下）。隨著技術(shù)和原料成本的下降、碳價(jià)的上漲，氫能在強(qiáng)調(diào)低碳的情境下會(huì)逐步具有競(jìng)爭(zhēng)力，與之相反，在一切如常（Business as usual）情境下，氫能的發(fā)展空間則非常有限。


同樣作為二次能源，電能的利用范圍要比氫能廣得多，必將成為能源轉(zhuǎn)型的主要載體，而氫能的一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)在于可以用作工業(yè)領(lǐng)域中需要高溫燃燒場(chǎng)景的燃料，部分實(shí)現(xiàn)對(duì)化石燃料的替代，從而實(shí)現(xiàn)減排效益。電能可以將氫氣作為載體，通過(guò)氫冶金、電氫合成氨尿素等工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的重構(gòu)。

綜上所述，在制氫環(huán)節(jié)，可再生能源制氫在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均不具備足夠的可行性和競(jìng)爭(zhēng)力；在用氫環(huán)節(jié)，氫燃料電池汽車(chē)在乘用車(chē)方面難以匹敵電動(dòng)車(chē)，將主要向重卡等長(zhǎng)距離運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展；而在低碳轉(zhuǎn)型的背景下，尤其是總書(shū)記提出“力爭(zhēng)在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的環(huán)境下，氫能將比以往發(fā)揮更大作用，但難以成為轉(zhuǎn)型的主要支撐和中堅(jiān)力量。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的培育，需要政策、市場(chǎng)、技術(shù)多方面力量的有效協(xié)同和共同努力，雖然還有很長(zhǎng)的路要走，但正如哈佛大學(xué)《中國(guó)的氫經(jīng)濟(jì)即將來(lái)臨嗎？》報(bào)告中所說(shuō)：如果中國(guó)政府能夠在氫能價(jià)值鏈上投入全部的制造和政策力量，就將成為一個(gè)真正的游戲規(guī)則改變者，并對(duì)整個(gè)世界產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。

參考資料：

[1] 中國(guó)氫能聯(lián)盟.中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)（2019版）

[2] 國(guó)際氫能委員會(huì).氫能平價(jià)之路

[3] 蔣敏華,肖平,劉入維,黃斌.氫能在我國(guó)未來(lái)能源系統(tǒng)中的角色定位及“再電氣化”路徑初探[J].熱力發(fā)電,2020,49(01):1-9.

[4] Is China’s Hydrogen Economy Coming?A Game-Changing Opportunity.Nicola De Blasio, Fridolin Pflugmann. Harvard Kennedy School.

[5] BP Energy Outlook 2020.