利用氫能攻克“難以減排領域”，助力實現(xiàn)“碳中和”
符冠云、薛進軍
中國已做出2030年前實現(xiàn)碳達峰和2060年實現(xiàn)“碳中和”的莊嚴承諾，為實現(xiàn)這些目標，除了大幅提升能源利用效率、大力發(fā)展可再生能源以外，還需要創(chuàng)新手段來應對碳排放巨大的“難以減排領域”（主要包括工業(yè)原料、高品位熱源、重卡、船舶等領域）。近幾年，氫能對于“難以減排領域”的深度脫碳作用被越來越多的研究和實踐所證明。例如國際能源署發(fā)布的《氫能的未來》中認為，依托于可再生能源電解水制氫成本的快速下降，以及氫能煉鋼、綠氫化工、氫燃料電池汽車等技術進步，氫能有望在“難以減排領域”得到大規(guī)模應用，完成這些領域的深度脫碳。彭博新能源發(fā)布的研究也佐證了這一觀點。因此，需要在實現(xiàn)“碳中和”目標的約束下，逐一探討氫能助推“難以減排領域”深度脫碳的技術路徑及潛力，進而討對氫能發(fā)展定位、作用和意義進行重新思考。
一、氫能如何攻克“難以減排領域”
工業(yè)領域：氫能可應用于鋼鐵、化工等行業(yè)，實現(xiàn)原料用能、高品位熱源等難以減排領域深度脫碳。中國是全球最大的工業(yè)化國家，鋼鐵、石化、化工等行業(yè)需要使用化石能源作為還原劑或原料、提取其中的碳氫組分。在鋼鐵生產(chǎn)過程中需要使用焦炭作為還原劑，在石化和化工行業(yè)需要使用來自化石能源的氫氣作為原料，這些領域造成的二氧化碳排放接近15億噸/年，占全國能源排放二氧化碳的15%左右。化石能源用作工業(yè)原料產(chǎn)生的碳排放，很難用可再生能源電力來替代，屬于“難以減排領域”，而氫能是破解原料碳排放的重要途徑。例如，在可再生能源制取的綠氫基礎上，應用氫能煉鋼技術，可大幅降低鋼鐵生產(chǎn)的碳排放。根據(jù)瑞典HYBRIT項目數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)高爐轉爐煉鋼方式相比，氫能煉鋼可降低90%以上的碳排放。目前寶武集團等多個鋼鐵公司都開展了氫能煉鋼示范項目。綠氫還可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，進而替代制氫所需的化石能源。2020年9月剛剛完成驗收的蘭州“液態(tài)陽光甲醇”項目，采用了光伏發(fā)電+電解水制氫+合成甲醇工藝，成功生產(chǎn)出“零碳甲醇”。在上述工業(yè)領域，氫能是最佳、甚至是截至目前唯一的脫碳方案。
交通領域：氫能可在重卡、航運等難以減排領域，與鋰電池等技術形成互補。中國是物流運輸大國，雖然高鐵、電動汽車發(fā)展迅速，開始替代傳統(tǒng)燃油汽車，但仍有重卡、航運等“難以減排領域”亟待解決。以重卡為例，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會分析，中國重卡燃料以柴油為主，柴油重卡占全國汽車保有量僅7%，產(chǎn)生了60%以上的交通領域大氣污染物。而重卡載重大、對于動力系統(tǒng)功率要求高，如果采用鋰電池技術，電池自重將占整車總量的2/3以上；同時很多重卡都采取了“換人不換車”長時間運行模式，鋰電池充電時間較長、無法滿足這種模式需要；再加上重卡主要分布在中國北方重工業(yè)區(qū)，低氣溫對鋰電池工作影響嚴重。如上所述，重卡也屬于較典型的“難以減排領域”，而氫燃料電池具有能量密度較高、加注時間較短、耐低溫等特點，能夠對柴油重卡進行有效替代，進而實現(xiàn)交通領域清潔低碳發(fā)展。值得一提的是，中國鋰電池汽車已具備較好發(fā)展基礎，實踐證明，鋰電池汽車在小型轎車、客車等領域表現(xiàn)出眾，能效、經(jīng)濟性優(yōu)越，因此氫燃料電池汽車（FCV）應與之形成互補發(fā)展，可以專注于重卡、船舶、無人機等對于續(xù)航能力和能量密度較高的交通領域。
能源領域：氫能是理想的能源載體，可提升能源系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性。中國能源轉型需要解決好供給和需求之間在時間、空間、品種等方面的匹配問題，需要將氫能作為重要能源載體，完成跨時間調節(jié)、跨區(qū)域配置和跨品種耦合的任務。未來氫能在能源領域中的樞紐位置如圖1所示。首先，在可再生能源資源富集地區(qū)，可通過電解水制氫來提升可再生能源的本地消納能力，特別是可以為工業(yè)園區(qū)提供高純氫氣和氧氣；第二，電解水制氫具有響應速度快、適用規(guī)模大、儲存時間長等特點，可應用于調峰、調頻等輔助服務，進而提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。例如青海省海西州已部署了“風光氫儲”多能互補項目，將電解水制氫作為儲能調峰的重要手段。第三，氫能還可摻入到天然氣管網(wǎng)、尤其是城市燃氣管網(wǎng)（具體摻混比例視管網(wǎng)材料而定），在基本不增加改造成本的前提下，滿足生產(chǎn)生活的燃氣、供熱等需求。據(jù)測算，摻氫天然氣燃燒效率更高、污染物排放更少，有較大發(fā)展?jié)摿Α＠鐕娡都瘓F已在張家口開展了可再生能源制氫+天然氣摻氫示范項目，類似模式可在綠氫資源豐富地區(qū)率先應用。此外，內蒙已開展二氧化碳加氫制甲烷試點工作，為CCUS開辟了新的技術路徑。
圖1：氫能在能源系統(tǒng)中的作用示意
信息來源：符冠云.氫能在中國能源轉型中的地位和作用[J].中國煤炭,2019,45(10):15-21.
建筑和其他領域：氫能是高效、經(jīng)濟的分布式能源解決方案。建筑等領域并非“難以減排領域”，但如果從提升能源利用效率、降低能源服務成本等角度考慮，氫能仍有較多發(fā)展空間。例如，氫燃料電池可為家庭、社區(qū)和寫字樓提供分布式供熱發(fā)電服務。例如日本推廣的ENE-FARM項目，通過固體氧化物燃料電池進行熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)效率高達90%以上，且使用過程無污染物排放。因此，家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)裝置未來在中國高檔寫字樓、別墅區(qū)都有推廣潛力。這種分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)還特別適用于解決電力、燃氣基礎設施不可達地區(qū)。中國已有地區(qū)開始探索“光伏+氫燃料電池”模式，為偏遠地區(qū)、特別是牧區(qū)人口提供能源服務。此外，由于中國正在大力推進信息基礎設施建設，5G基站、大數(shù)據(jù)中心用電量激增給所在地電力供應造成較大壓力?！肮夥?氫儲能+燃料電池發(fā)電”可形成一個分布式能源站，為信息基礎設施提供能源解決方案。
綜上所述，未來氫能將扮演高效清潔的二次能源、靈活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料這三重角色，在工業(yè)、交通、能源、建筑等領域發(fā)揮重要作用，2050年可形成超過15億噸二氧化碳的減排能力，并與可再生電力形成協(xié)同，實現(xiàn)中國深度減碳目標。
但是，氫能也存在技術難度高，生產(chǎn)成本高，儲藏和運輸困難大的“兩高一大”問題，在制氫過程中也有“灰氫”（化石能源制氫）、“藍氫”（工業(yè)副產(chǎn)品制氫等）、“綠氫”（可再生能源制氫）之分，特別是目前中國的制氫主要不是利用電解質而是化石原料的煤炭和天然氣，從而使得制氫過程成為高污染、高排放、低成本的局面（薛進軍，孫倩，2020），這些劣勢問題不解決，氫能就難以為碳中和貢獻力量。
二、氫能發(fā)展的瓶頸與問題
亟需顛覆以化石能源為主的氫源結構，由灰氫向綠氫轉變。中國氫氣主要來自化石能源、特別是煤炭，基于當前氫源結構發(fā)展氫能，與能源轉型、節(jié)能減排的初衷“南轅北轍”。根據(jù)中國氫能標準化技術委員會提供數(shù)據(jù)，中國2017年氫氣產(chǎn)量約為2500萬噸，其中來自煤制氫的氫氣占62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%。從氫源結構上看，灰氫一家獨大、藍氫開發(fā)程度較低、綠氫數(shù)量稀缺。使用化石能源制成的灰氫、再去替代終端部門的化石能源消費，這種模式可謂“多此一舉”，消耗無謂投資的同時，在物質轉化過程中會存在大量能量損失和污染物排放。如果不改變當前氫源結構，氫能經(jīng)濟將“越發(fā)展、越耗能、越污染”，而且還會造成“生產(chǎn)地污染、消費地清潔”的結果，進而加劇區(qū)域間的不公平現(xiàn)象。
亟需大幅度降低氫能供應鏈成本，形成替代傳統(tǒng)能源的市場驅動力。當前由于供應鏈成本過高，氫能難與傳統(tǒng)能源形成競爭關系。未來中國氫能發(fā)展必須建立在“綠氫”資源基礎之上，但成本過高是推廣綠氫的最大障礙。如圖2所示，當前中國能源價格體系之下，煤制氫成本最低、電解水制氫成本最高。例如在工業(yè)領域，煤制氫價格在10元/kg左右，要開展綠氫替代灰氫，電力價格就要控制在0.15元/度以內。雖然有“棄電制氫”的提法，但現(xiàn)實中棄電基本處于數(shù)量無保證、電價無優(yōu)惠狀態(tài)，根本無法有效降低綠氫成本。再比如在交通領域，氫氣終端售價須低于40元/kg，氫燃料電池才能比燃油車更具運行成本優(yōu)勢，但在沒有補貼的情況下，氫氣售價高達60元以上?？梢?，只有大幅度降低供應鏈成本，氫能終端應用才能打開。
圖2：不同制氫工藝的氫氣生產(chǎn)成本對比
數(shù)據(jù)來源：國家發(fā)展和改革委員會能源研究所，2019
亟需突破氫能產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術和設備，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展自主化水平。當前中國氫能產(chǎn)業(yè)核心技術創(chuàng)新能力不足、關鍵部件自主程度不高、產(chǎn)品性能指標與國際先進水平差距較大。長期以來，燃料電池核心部件—質子交換膜、催化劑、膜電極等—都嚴重依賴進口，其成本占到燃料電池系統(tǒng)的30%甚至更高。最近雖然涌現(xiàn)出一批企業(yè)做出了國產(chǎn)化產(chǎn)品，但性能指標遠遠落后于國際先進水平，且成本較高、穩(wěn)定性有待檢驗，短期內難以完全實現(xiàn)對進口產(chǎn)品的替代。基于當前技術掌握程度，如果強行通過補貼手段刺激下游需求，相當于把大量補貼資金輸送至國外公司。
三、政策建議
做好氫能發(fā)展的頂層設計，將氫能作為實現(xiàn)“碳中和”、應對難以減排領域的核心解決方案。氫能即將成為能源系統(tǒng)的新成員，其發(fā)展必須服從和服務于能源革命的總體要求。需要認清的是，中國擁有多個與氫能存在替代關系的能源解決方案，因此氫能并非中國的必選項，而是備選項和優(yōu)選項。因此，應從中國能源系統(tǒng)的核心問題出發(fā)，找準切入點，選擇融入能源系統(tǒng)的合適路徑。應重視氫能對實現(xiàn)”碳中和”的意義和作用，圍繞“難以減排領域”，統(tǒng)籌經(jīng)濟效益、節(jié)能減碳和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素，逐步構建綠色低碳的多元化氫能應用場景。
制定清潔制氫路線圖，引導灰氫有序退出、藍氫高值利用和綠氫大規(guī)模發(fā)展。構建“灰氫、藍氫、綠氫”評價體系，引導清潔低碳氫源的優(yōu)先開發(fā)和傳統(tǒng)制氫方式的清潔低碳發(fā)展。研究制定清潔制氫發(fā)展路線圖，明確不同技術條件和時間階段的發(fā)展重點。近中期，應定位在以藍氫、綠氫來保證氫氣增量需求。即在確保資源供應和氫氣需求相銜接條件下，優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵在“棄電”現(xiàn)象嚴重地區(qū)建設現(xiàn)場制氫項目，實現(xiàn)清潔制氫、副產(chǎn)品高值化利用和提升可再生能源消納的“三贏”。中長期，應著力打造綠氫為主體，多種方式并存的低碳氫源結構。此外，還應鼓勵光解制氫、生物制氫、煤制氫+CCS等新技術的研發(fā)，為清潔制氫做好技術儲備。
完善氫能管理體制，建立健全氫能推廣的激勵機制。氫能發(fā)展需要在體制機制上做出重大調整和創(chuàng)新。首先，可參照天然氣兼具能源和?；返哪Ｊ竭M行管理。其次，需要明確氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的監(jiān)管部門和對應的責任義務。例如氫氣壓力容器標準、液氫相關標準、加氫站的歸口管理部門和審批流程、油氫氣氫合建站監(jiān)管模式等。第三，在重點地區(qū)可采用以政策紅利代替補貼紅包的方式，通過加強環(huán)境監(jiān)管、能源和煤炭消費總量控制等方式，以及碳排放交易、碳稅等價格機制，為氫能應用拓展市場空間。
開展技術、模式等綜合示范，因地制宜探索氫能發(fā)展路徑。近幾年，盡管全球很多國家都在積極發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，但尚未形成“放之四海而皆準”的發(fā)展模式。在發(fā)展之初不確定性較多的情況下，尤其是技術不成熟、自給率不足條件下，不宜過早進行大規(guī)模推廣。而是應做好試點示范工作，探索可復制、可推廣的發(fā)展路徑。應結合氫能在中國發(fā)展現(xiàn)狀和未來定位，開展技術、體制機制、標準法規(guī)等全方位綜合示范，并根據(jù)不同地區(qū)氫能資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎，選擇不同示范內容，打通氫能供應鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，為氫能大規(guī)模融入能源生產(chǎn)和消費體系提供經(jīng)驗借鑒。
制定氫能發(fā)展的碳足跡標準，形成清潔、低碳、低成本和長效的氫能生產(chǎn)供應鏈。氫能產(chǎn)業(yè)要評估它從原料采集、生產(chǎn)‘運輸、使用、回收的全生命周期碳足跡，制定氫能發(fā)展的碳足跡標準和測量指標，來引導氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逐步形成由中國特色的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
2021年是十四五規(guī)劃元年，綠色低碳發(fā)展將是十四五的主旋律，我們期待綠色能源特別是氫能能夠助力綠色發(fā)展，促進2030年碳達峰和2060年碳中和目標的實現(xiàn)。
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