中國儲能網(wǎng)訊：氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。當前，全球主要發(fā)達國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將氫能作為加快能源轉(zhuǎn)型升級、培育經(jīng)濟新增長點的重要戰(zhàn)略選擇。面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮，我國牢牢把握變革機遇與大勢， 加快培育發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，加速推進我國能源清潔低碳轉(zhuǎn)型。但和發(fā)達國家相比，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初級階段，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨較大挑戰(zhàn)。本刊編輯部以“氫能探路”為題，從產(chǎn)業(yè)觀察的視角組織三篇文章，通過分析綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電氫耦合關系、歐盟氫能發(fā)展的現(xiàn)狀等，探討我國推進氫能產(chǎn)業(yè)健康、有序、可持續(xù)發(fā)展的路徑。
由于氫能可以實現(xiàn)跨月、跨季節(jié)的能量存儲，目前已經(jīng)受到了能源行業(yè)的廣泛關注。綠氫無污染物排放、無溫室氣體排放，對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。但是綠氫是否具備規(guī)模化發(fā)展的條件呢？本文對綠氫發(fā)展現(xiàn)狀、經(jīng)濟性、面臨的挑戰(zhàn)等多個方面進行分析，為行業(yè)發(fā)展提供參考。
綠氫技術進展情況
按照來源區(qū)分，氫氣分為灰氫、藍氫以及綠氫。其中灰氫是指，化石燃料經(jīng)過化學反應產(chǎn)生的氫氣；藍氫是指，生產(chǎn)灰氫的同時，使用CCUS等先進技術捕獲溫室氣體。綠氫是指，利用可再生能源發(fā)電進行電解水制氫。從生產(chǎn)過程來看，未來綠氫以及藍氫是發(fā)展方向，綠氫將占據(jù)絕對份額。目前，制備綠氫的主流方向有３個，分別是電解堿水制氫技術（ALK）、質(zhì)子膜電解水制氫技術（PEM）和高溫固體氧化物電解水制氫技術（SOEC）。
目前，ALK技術已經(jīng)成熟，應用最為廣泛。該技術單槽規(guī)模較大，最大可達1000標立方米/小時，系統(tǒng)壽命較長，可達10~20年，設備價格較為便宜，國產(chǎn)設備價格約1500~2500元/千瓦，進口設備價格約6000~8000元/千瓦。但是該技術能耗較高，直流電耗為4.3~5千瓦時/立方米，制氫效率58%~67%；冷態(tài)啟動時間1~2小時，熱態(tài)啟動時間5~10分鐘；動態(tài)響應能力較差；設備調(diào)節(jié)負荷范圍為30~105%。
PEM技術處于商業(yè)化前期，僅有少量的示范項目。該技術單槽規(guī)模相對較小，最大可達500標立方米/小時，系統(tǒng)壽命約為5~10年，設備價格相對較高，約為8000~15000元/千瓦。但是該技術能耗相對較低，直流電耗為3.8~5千瓦時/立方米，制氫效率58~76%；冷態(tài)啟動時間約5分鐘，熱態(tài)啟動時間小于10秒，遠遠優(yōu)于電解堿水技術；該技術動態(tài)響應能力較強；設備調(diào)節(jié)負荷范圍為5~150%。
SOEC技術尚未成熟，目前仍處于實驗階段。該技術單槽規(guī)模非常小，一般小于10標立方米/小時，系統(tǒng)壽命約為1~2年。但是該技術電耗最低，直流電耗為3.5~4.3千瓦時/立方米，制氫效率67~83%；冷態(tài)啟動時間數(shù)小時，熱態(tài)啟動時間約15分鐘。該技術動態(tài)響應能力較弱。
陰離子膜電解水制氫（AEM）已經(jīng)成為了行業(yè)重點關注的技術。AEM電解水制氫技術融合了堿性電解水和PEM電解水的優(yōu)勢，作為新興技術成為歐美國家的研發(fā)熱點。未來突破陰離子交換膜和高活性非貴金屬催化劑等關鍵材料，有望顯著提升電解槽性能、降低電解槽制造成本，為可再生能源電解水制氫產(chǎn)業(yè)帶來突破性變革。
綠氫經(jīng)濟性分析
平準化制氫成本（LCOH）是考慮了資金的時間價值，計算全生命周期內(nèi)的制氫成本。LCOH不僅與造價有關，還與能耗、折現(xiàn)率等有關。本文對綠氫制氫成本進行分析，假定綠氫通過燃氣輪機進行發(fā)電，對發(fā)電成本進行分析。相關參數(shù)假定如下：
制氫與發(fā)電相關參數(shù)。以5000千瓦制氫項目為例，假定項目運營期20年，投資成本分別為3500元/千瓦、2800元/千瓦（假定設備成本占總投資的70%）。假定氫氣通過燃氣輪機進行發(fā)電，燃氣輪機造價2500元/千瓦（聯(lián)合循環(huán)機組）。
購電成本。電能成本占制氫成本的80%左右。對于電解堿水制氫，一般需要通過從電網(wǎng)購電進行制氫。目前，制氫用電價格為新能源上網(wǎng)電價或優(yōu)惠電價。但是隨著制氫規(guī)模的進一步擴大，未來制氫用電可能納入工商業(yè)用電，或自備電廠用電。目前，工商業(yè)用電成本在0.8元/千瓦時左右，有進一步上漲的趨勢。為此，以下分別假定用電成本為0.8元/千瓦時、0.4元/千瓦時、0.2元/千瓦時以及0.1元/千瓦時。
制氫年利用小時為4000小時
當制氫設施年利用小時為4000小時，假定氫能存儲成本為2元/千克，相關參數(shù)及計算見表1。
制氫年利用小時為2000小時
當制氫設施年利用小時為2000小時，假定氫能存儲成本為2元/千克，相關參數(shù)及計算見表2。
綠氫發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
綠氫發(fā)展道路并不是一帆風順，目前綠氫成本依然較高，競爭力明顯不足；氫能被列入?；饭芾?，在發(fā)展布局方面面臨政策制約；管道運輸是最為經(jīng)濟的方式，但是仍面臨技術問題；綠氫制備技術仍然停留在初期階段，需要加快技術創(chuàng)新步伐。
制氫成本依然較高
成本是制約綠氫大規(guī)模發(fā)展的主要因素。按照目前的造價（制氫小時按4000小時計算），若將制氫用電納入工商業(yè)用電（或自備電廠用電），當電價為0.8元/千瓦時，制氫成本為45.5元/千克，遠高于化石能源制氫成本。電價為0.2元/千瓦時，制氫成本為15.3元/千克，可與化石能源制氫持平，但是這種優(yōu)惠電價在現(xiàn)實中不可持續(xù)。另外，由于新能源距離氫能需求中心較遠，運輸成本可能更高。
綠氫儲能成本遠高于其他類型儲能。氫能屬于儲能類型的一種，但是成本遠高于其他類型儲能。目前抽水蓄能成本為0.21~0.25元/千瓦時；鋰電池成本為0.50~0.70元/千瓦時；相比之下氫儲能成本為0.64~2.40元/千瓦時（按制氫電價為0.1~0.8元/千瓦時計），遠高于其他類型儲能。為此，繼續(xù)提高經(jīng)濟性是氫儲能大規(guī)模推廣的關鍵。
氫被列入?；饭芾?/strong>
隨著氫被列入?；饭芾砗螅瑲錃庵苽湟约按鎯γ媾R復雜的審批手續(xù)。氫氣是一種極易燃的氣體。氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4~75%（體積分數(shù)）；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%~59%（體積分數(shù)）。為此，《危險化學品目錄》將氫氣納入其中。多數(shù)省份規(guī)定，必須進入化工園區(qū)制氫，同時還需取得?；飞a(chǎn)許可證，應用領域局限在化學品，這對氫能的大規(guī)模開發(fā)和利用非常不利。目前，山東、上海等地開始探索、支持非化工園區(qū)可再生能源制氫項目的發(fā)展，這對推動新能源制氫釋放出了一種積極的信號。
管道運輸面臨安全風險
通過天然氣管道輸送氫氣，是實現(xiàn)氫氣經(jīng)濟運輸?shù)淖顑?yōu)途徑，對解決氫能供需異地矛盾、推動氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展具有重要意義。但是與天然氣不同，氫由于特殊的性質(zhì)，可能進入到金屬內(nèi)部與金屬基體發(fā)生交互作用，引起管道材料韌性下降進而發(fā)生脆斷或開裂（俗稱“氫脆”現(xiàn)象），成為影響輸氫管道安全運行的最大風險之一。在國外，天然氣管道摻氫技術比較成熟，但是我國目前對于“氫脆”機理的研究仍然不充分，無法從根本上避免“氫脆”現(xiàn)象的發(fā)生，僅能通過降低運行壓力或者減少摻氫比例降低“氫脆”發(fā)生的風險。未來對于“氫脆”的研究仍需要進一步深入。
制氫技術水平有待提升
推動綠氫發(fā)展需要加快關鍵技術突破。目前，我國主要以電解堿水制氫為主。電解堿水制氫技術能耗較高，而且負荷變動速率慢、范圍窄，難以適應新能源負荷變化的需要。雖然質(zhì)子交換膜技術以及固體氧化物技術在靈活性以及能耗等方面具有一定優(yōu)勢，但是目前還停留在示范或?qū)嶒炿A段。尤其是由于部分核心部件（例如質(zhì)子交換膜）受制于國外，導致價格非常高。突破制氫技術障礙，將成為影響綠氫技術發(fā)展的重要因素。
對綠氫發(fā)展的思考
綠氫為什么近階段發(fā)展較快？專門用棄電制氫是否可行？綠氫能否借鑒光伏降低成本路徑？綠氫經(jīng)濟性到底如何？圍繞這幾個熱點問題，筆者的初步思考如下：
目前市場在推動綠氫發(fā)展方面的作用并未顯現(xiàn)
綠氫目前經(jīng)濟性較差，發(fā)展主要依靠政策推動。一是政府補貼。地方政府為了引進產(chǎn)業(yè)，對企業(yè)推出了優(yōu)惠措施。例如內(nèi)蒙古自治區(qū)安排2億元專項債，支持新能源汽車充電站（樁）、氫燃料電池加氫站建設；上海市則涉及支持整車應用、支持關鍵零部件發(fā)展、對加氫站建設等方面進行補貼。二是將綠氫作為獲取新能源資源的重要手段。內(nèi)蒙古自治區(qū)對納入示范的風光制氫一體化項目，按照制氫量所需電量的1.2倍配置新能源規(guī)模；山東省、湖北省等均將氫能納入新能源資源獲取的重要指標。
專門用新能源“棄電”制氫是一個偽命題
當調(diào)節(jié)性電源無法調(diào)節(jié)時，或電力系統(tǒng)運行安全性受到影響時，調(diào)度往往通過限電的方式進行棄風或棄光。但是完全依靠棄風棄光進行制氫，并不現(xiàn)實。一是棄電并不持續(xù)。例如在某一段時段產(chǎn)生了大量的棄電，而在其他時段卻無棄電，導致設備功率選型偏大偏小均不合適；二是新能源發(fā)電具有波動性。從幾種制氫技術看，電解堿水制氫價格低廉，但是無法適應風電與光伏頻繁波動的要求。PEM技術雖然可以滿足要求，但是成本非常高昂。
綠氫產(chǎn)業(yè)無法復制光伏大幅降低成本的路徑
近十年來，光伏造價下降了近90%，進而推動了光伏在我國以及世界范圍內(nèi)的廣泛應用。但是推動綠氫成本下降無法復制光伏的路徑，綠氫主要成本在于用電成本，對于電解堿水制氫，電能成本約占據(jù)80%。隨著新能源規(guī)模的持續(xù)擴大，電力系統(tǒng)對調(diào)節(jié)性電源的需求將進一步增加，導致平均電價進一步上升?，F(xiàn)貨市場雖然可能出現(xiàn)低電價或負電價，但是隨著新型儲能、抽水蓄能等大規(guī)模投產(chǎn)，現(xiàn)貨市場中低電價出現(xiàn)的頻率可能進一步減少?？偠灾夥某杀驹谟谠O備，而綠氫的成本在于購電，因此光伏成本下降的路徑在綠氫領域不可復制。
綠氫產(chǎn)業(yè)競爭力短期內(nèi)難以進一步提升
成本是判斷產(chǎn)業(yè)競爭力的關鍵因素。但是綠氫成本較高，競爭力遠遠不夠。以目前的優(yōu)惠電價0.2元/千瓦時進行分析，制氫成本為15.3元/千克；若用氫進行發(fā)電，度電成本高達0.94元/千瓦時。但是隨著制氫規(guī)模的擴大，政府優(yōu)惠將逐漸減少，而且綠氫用電很可能被納入工商業(yè)用電（0.8元/千瓦時），屆時制氫成本將達到44.4元/千克，發(fā)電成本將達2.4元/千瓦時。相比化石能源制氫，綠氫產(chǎn)業(yè)的競爭力大幅降低。氫能雖然可以用于儲能，但是經(jīng)濟性依然較差，高于電化學儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等其他儲能方式，雖然可以實現(xiàn)跨季節(jié)儲能，但是僅僅依靠這種方式也難以滿足成本回收的需要。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年12期，李江華供職于華能八〇三熱電有限公司，司紀朋供職于華能能源研究院
