核心觀點
-發(fā)展可再生能源電解水制氫，既是從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈落實綠色氫源，也是推動能源結(jié)構(gòu)去碳變遷、新舊動能轉(zhuǎn)換的關鍵舉措。
-世界范圍內(nèi)已有實現(xiàn)“綠氫”供應經(jīng)濟效益的相關經(jīng)驗和研究，有望在進一步擴大應用后提高“綠氫”應用的社會效益。
-我國發(fā)展“綠氫”具備良好的資源稟賦，相關企業(yè)和機構(gòu)已做了充足的可行性驗證工作，有望實現(xiàn)商業(yè)化推廣。
-我國發(fā)展“綠氫”還應注意以下四方面問題。第一，要因地制宜進行“綠氫”“藍氫”的合理配置。第二，要盡快攻克可再生能源大規(guī)模電解水制氫關鍵技術瓶頸，實現(xiàn)關鍵設備的國產(chǎn)化。第三，擴大氫能應用網(wǎng)絡和規(guī)模，發(fā)揮氫的經(jīng)濟和社會效益。第四，落實電價優(yōu)惠政策，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題。
1 我國發(fā)展可再生能源電解水制氫，落實綠色氫源，可助能源體系重構(gòu)。
1.1 我國制氫路徑應以“綠氫”方向發(fā)展
根據(jù)制氫的來源與過程碳排放水平，可以區(qū)分各種氫源的顏色屬性。世界能源理事會與國際能源署等各大國際研究機構(gòu)在2019年以來發(fā)布的相關報告中1，均指出可以用顏色代表不同生產(chǎn)來源的氫。使用可再生能源產(chǎn)生的清潔電力或核能、太陽能、生物質(zhì)等非化石能源制得的氫是“綠氫”；依賴煤、天然氣等碳基能源制取的氫為“灰氫”，制氫過程中伴生大量的二氧化碳；結(jié)合碳捕集、利用和封存（CCUS）技術能減少甚至避免碳基能源制氫的碳排放，可使“灰氫”轉(zhuǎn)化為“藍氫”。
“灰氫不可取、廢氫可回收、藍氫可以用、綠氫是方向”是我國氫能發(fā)展的先決條件。我國是傳統(tǒng)制氫大國，生產(chǎn)水煤氣、合成氨、尿素、甲醇等化工產(chǎn)品的碳氫平衡工藝成熟，但氫燃料電池的新用途、新需求帶來了新的問題。制氫路徑的選擇要把握環(huán)保性，才能從根本上保證氫能利用的低碳化與可再生性。
1.2 我國當前以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，不宜新建“灰氫”產(chǎn)能
目前國內(nèi)以化石能源制氫和化工過程副產(chǎn)氫等“灰氫”為主。傳統(tǒng)制氫工業(yè)中96％以煤、天然氣等化石能源作原料，屬于“灰氫”，其制氫過程會對環(huán)境造成污染，且仍然維持對常規(guī)化石能源的依賴；焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)提純制氫，可回收“廢氫”合理避免尾氣浪費，但去除含硫等腐蝕性氣體及雜質(zhì)氣體的成本較高。
* 圖表1 主要制氫路徑及其優(yōu)缺點
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
當下技術條件下，不宜新建“灰氫”產(chǎn)能作為氫能供應來源。一方面，煤制氫、天然氣制氫等方式伴生5.5~11倍重量的二氧化碳，路徑不可?。涣硪环矫?，石油化工行業(yè)副產(chǎn)氫基本實現(xiàn)能收盡收，企業(yè)大多從煉油尾氣、乙烯尾氣、氯堿尾氣中回收提純氫氣作為提質(zhì)增收自用，是否有足夠副產(chǎn)氫余量作為氫能供應還需協(xié)調(diào)與平衡2。
1.3 利用可再生能源棄電的“綠氫”，有助于推動能源結(jié)構(gòu)重構(gòu)
我國利用氫為媒介消納棄電發(fā)展“綠氫”，可為我國推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型創(chuàng)造良好的機遇條件。當前我國以可再生能源為核心推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但可再生能源棄電總量近年來持續(xù)增長。2018年棄電總量高達1020億千瓦時，較2013年增長了3.3倍。2017年與2018年隨著風電取暖、擴大可再生能源電力跨省跨區(qū)交易等多種新能源消納舉措的實施，棄風、棄光有所下降，但我國棄水的形勢依然嚴峻，2018年棄水電量691億千瓦時，較2017年增長34.2%。
* 圖表2 2013~2018年中國可再生能源棄電量
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
建立電網(wǎng)與氫網(wǎng)結(jié)合的能源分配體系，是實現(xiàn)“綠氫”制取及綜合利用的途徑之一。一方面，利用氫氣可穩(wěn)定儲運的特點，將可再生能源從生產(chǎn)地傳輸?shù)绞褂玫?，能有效解決棄電問題；另一方面，氫能綠色環(huán)保、應用場景豐富，可與現(xiàn)有能源體系互補，是推動能源結(jié)構(gòu)去碳變遷、新舊動能轉(zhuǎn)換的關鍵舉措。
* 圖表3 電網(wǎng)+氫網(wǎng)的能源輸配體系
數(shù)據(jù)來源：唐海鋒，長城汽車股份有限公司副總裁、未勢能源董事長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
2 世界范圍內(nèi)已有實現(xiàn)“綠氫”經(jīng)濟效益的相關經(jīng)驗與研究
2.1 挪威：氫氣終端售價降至40元/kg，探索“綠氫”在傳統(tǒng)煉化領域的應用
挪威通過半集中化電解水制氫和高壓氣態(tài)運輸?shù)姆绞剑瑢崿F(xiàn)低于40元/kg的氫氣銷售價格。一是挪威96%的電力來自于水電，電價0.31元/kWh，實現(xiàn)了較低的可再生能源電價。二是具有20MW大型電解水制氫基地，按24h工作制計算，制氫能力達到接近8噸/天的規(guī)模。三是采用50MPa高壓氣態(tài)管束車運輸方式，運氫效率與經(jīng)濟性較好，合理配置用氫需求在半徑200km范圍內(nèi)，使運輸價格在10元/kg左右。
* 圖表4 挪威氫氣終端銷售價格構(gòu)成
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
* 圖表5 挪威某家水電能源企業(yè)的氫氣配送案例
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
挪威已有煉鋼企業(yè)、化肥企業(yè)開始探索“綠氫”在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。如：鈦和鋼鐵企業(yè)TiZir是全挪威排名前十的二氧化碳排放公司之一（每年排放量35萬噸），正利用可再生能源電解水取代煤炭制氫，目前已完成試驗，準備推廣應用，以實現(xiàn)煤炭年使用量減少10萬噸的目標；化肥企業(yè)Yara與能源企業(yè)Nel共同開發(fā)下一代堿性電解槽技術，以“綠氫”取代基于化石能源生產(chǎn)的氫氣，發(fā)展綠色化肥產(chǎn)業(yè)，據(jù)研究該產(chǎn)業(yè)具有1000億美元潛力的巨大市場3。
2.2 美國加州：規(guī)模效應與降低用電成本可使氫氣價格降至50元/kg
在美國加州，氫氣售價需要在50元/kg以下才能與汽油形成同等競爭力4。加州當?shù)仄褪蹆r折合5.53元/升，傳統(tǒng)燃油乘用車的油耗水平約8.4升/百公里，則燃料使用成本折合約0.46元/公里。對比同一級別的氫燃料電池乘用車，車輛氫耗水平約為0.93kg/百公里，可推出結(jié)論，當氫氣終端銷售價格降至50元/kg時，才能使氫燃料電池乘用車的能源使用成本與傳統(tǒng)燃油車型達到同等水平。
* 圖表6 美國加州與汽油同等競爭力的氫氣價格（乘用車使用角度）
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
擴大制氫與用氫全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以及降低可再生能源電價，能使“綠氫”終端售價降至50元/kg以下。第一，利用400MW集中化大規(guī)模電解水制氫，采用質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫的技術路線，制氫能力達到約200噸/天，可有效分攤制氫加氫設備的購置成本。第二，擴大用氫規(guī)模，供給400個加氫站，合理控制氫氣運輸距離在250km以內(nèi)。第三，可再生能源電價降至折合約0.21元/kWh時，結(jié)合制儲運加環(huán)節(jié)的成本分析，可使氫氣價格降至50元/kg以下。
* 圖表7 美國加州關于如何實現(xiàn)理想“綠氫”價格的研究
數(shù)據(jù)來源：竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部
2.3 國內(nèi)外對比：我國制氫規(guī)模較小、儲運加環(huán)節(jié)成本較高
綜上分析，結(jié)合我國現(xiàn)有電解水制氫案例及行業(yè)現(xiàn)狀，與國外先進經(jīng)驗與研究對比，我國還存在以下不足：一是我國制氫規(guī)模仍處于兆瓦級，規(guī)模經(jīng)濟效益尚未發(fā)揮，且電價未能達到0.3元/kWh的優(yōu)惠力度；二是我國氣態(tài)儲運壓力較低，單車運氫量遠低于國外先進水平1000~1500kg/車，是導致儲運成本較高的重要因素；三是我國加氫站網(wǎng)絡仍未形成，加注成本未能得到有效攤銷。
* 圖表8 關于氫能供應成本的國外典型案例與國內(nèi)現(xiàn)狀對比
數(shù)據(jù)來源：挪威及美國加州數(shù)據(jù)整理自“竺炯操，NelHydrogen中國區(qū)首席代表‘2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會’主題峰會1發(fā)言PPT”；國內(nèi)數(shù)據(jù)整理自百人會研究部
3 我國發(fā)展“綠氫”具備良好的資源稟賦，已有技術和項目儲備
3.1 我國可再生資源稟賦優(yōu)勢明顯，多地區(qū)具備較好的發(fā)展條件
我國具有豐富的可再生能源資源，或可成為全球領先的“綠氫”生產(chǎn)國。據(jù)國際能源署研究，我國西南地區(qū)水電資源稟賦良好，西北、東北等地區(qū)風光資源充足，利用可再生能源電解水制氫所需的電力成本將極具競爭力。
* 圖表9 國際能源署關于利用風能和太陽能進行電解制氫水的未來預期制氫成本分析
數(shù)據(jù)來源：國際能源署；唐海鋒，長城汽車股份有限公司副總裁、未勢能源董事長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
我國多地區(qū)具備較好的氫能供應和利用條件。西南地區(qū)面臨棄水情況嚴重的現(xiàn)象，形成了傳統(tǒng)能源和可再生能源全面發(fā)展的能源供應體系，具備多元發(fā)展和開發(fā)“綠氫”的基礎。東北、西北等地區(qū)可再生能源制氫潛力較大，其中寧夏風能資源總儲量2253萬千瓦，太陽能光伏電站可開發(fā)規(guī)模約1750萬千瓦；吉林省白城具有約1600萬千瓦風能、約1300萬千瓦光伏的開發(fā)潛力7。環(huán)渤海灣地區(qū)，京津冀已運行多個風電耦合制氫項目，結(jié)合“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”和2022冬奧會契機，氫能應用示范正在推進。
3.2 我國大型能源企業(yè)推進“綠氫”可行性驗證項目，氫氣售價可至40元/kg
已有大型能源國企布局“綠氫”產(chǎn)業(yè)，并在西南地區(qū)開展富余水電制氫項目。國家能源集團下屬最大水電開發(fā)公司的分管流域2018年棄水電量達到125億kWh，制氫規(guī)模潛力超過1.8億噸8。目前，正在與相關科研院所合作開發(fā)新型固體氧化物電解系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換效率達到80%以上，電解水制氫的電耗低于現(xiàn)有堿性和PEM電解兩條技術路線，當該技術路線實現(xiàn)商業(yè)化后，制氫設備投資成本與電力成本還將進一步減少。
* 圖表10 我國大型能源企業(yè)正在開發(fā)高效的電解水制氫裝置
數(shù)據(jù)來源：李林，國家能源集團大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
在電價優(yōu)惠政策支持下，電解水制氫的經(jīng)濟效益能夠?qū)崿F(xiàn)。通過電力交易雙方協(xié)議與相關電價政策支持，將電解水制氫的電價降低至0.3元/kWh，按目前堿性電解水制氫綜合耗電5.5kWh/Nm3計算，制氫所需電費成本為1.65元/Nm3，即18.5元/kg。若將氫氣運輸距離縮短至30km以內(nèi)，綜合考慮前期投資成本和氫氣運輸成本，可得到40元/kg的氫氣價格。
* 圖表11 我國大型能源企業(yè)關于電解水制氫的成本分析
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部
3.3 “綠氫”成本與“藍氫”相當，未來有望應用在耦合可再生能源領域
在電價水平較低的前提下，“綠氫”與“藍氫”的制氫成本相當，“綠氫”的零碳排放需要使用100%的可再生能源電力。增加CCUS后的煤制氫成本約為1.42元/Nm3，與電價低于0.3元/kWh時的電解水制氫成本拉平。如果考慮當前中國電力的平均碳強度，電解水制氫的綜合碳排放是化石能源制氫單位碳排放的3~4倍；隨著可再生能源平價上網(wǎng)，中國電力平均碳強度將持續(xù)下降。
* 圖表12 “綠氫”“藍氫”“灰氫”的成本與減排效益對比
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
從技術發(fā)展趨勢判斷，PEM電解水制氫技術路線在未來耦合可再生能源具有顯著優(yōu)勢。目前PEM電解水制氫的成本為堿性電解技術的3~5倍，但隨著PEM電解水制氫設備中催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、電解槽等關鍵部件核心技術的突破與產(chǎn)業(yè)化，PEM電解水制氫在制氫效率和規(guī)模上具有更大的提升空間，有望大規(guī)模應用在耦合可再生能源領域。
* 圖表13 堿性電解水制氫技術發(fā)展趨勢
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
* 圖表14 PEM電解水制氫技術發(fā)展趨勢
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
4 我國發(fā)展“綠氫”存在的問題
4.1 因地制宜實現(xiàn)“綠氫”“藍氫”的合理配置
我國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源稟賦存在地域性差異。由于氫氣儲運成本較高，應該就近尋求經(jīng)濟的氫源，西南與泛北方地區(qū)可再生資源豐富，可發(fā)展“綠氫”作為供給來源；東部沿海及南部地區(qū)氫燃料電池汽車示范運營領先全國，市場基礎較好，但普遍缺乏多元化可持續(xù)的氫源保障，應充分回收利用“廢氫”，盡快實現(xiàn)CCUS技術的產(chǎn)業(yè)化，綜合選擇不同的制氫來源實現(xiàn)“藍氫”供應。
4.2 盡快攻克可再生能源大規(guī)模電解水制氫關鍵技術瓶頸
與可再生能源耦合的大規(guī)模電解水制氫技術還未完備，關鍵材料和技術應加強國產(chǎn)化。電解水制氫系統(tǒng)應加緊突破寬功率波動環(huán)境下的高適應性關鍵技術，加大力度進行質(zhì)子交換膜、堿性陰離子交換膜、電極材料、新型極框等關鍵材料和部件的研發(fā)和國產(chǎn)化。隨著可再生能源發(fā)電成本逐步降低，大規(guī)模電解水制氫將能實現(xiàn)技術上完備、經(jīng)濟上可行，是零碳排放、綠色經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
基于PEM電解制氫系統(tǒng)，重點研究快速啟停及輸入功率波動變化對電解水設備運行工況參數(shù)的影響，優(yōu)化設計及工藝制造方案，構(gòu)建高適應性電解設備工作特性。
基于堿性電解制氫系統(tǒng)，重點研究模塊化、組合式制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對運行效果的影響及反饋機理，開發(fā)含設計、運行環(huán)節(jié)的大容量制氫系統(tǒng)全過程仿真軟件，實現(xiàn)模塊化電解水制氫系統(tǒng)全過程仿真分析。
* 圖表15 可再生能源大規(guī)模水電解制氫關鍵技術研究
數(shù)據(jù)來源：李俊華,中國船舶重工集團第七一八研究所所長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
4.3 擴大氫能應用網(wǎng)絡和規(guī)模，發(fā)揮氫的經(jīng)濟和社會效益
拓展氫能應用領域，發(fā)揮氫在多產(chǎn)業(yè)中的經(jīng)濟和社會效益。在堿性電解水制氫設備單價3000元/kW、電價0.25元/kWh的情景下，制得的高純度氫氣在交通領域具有較高的附加值，遠高于在傳統(tǒng)化工產(chǎn)品合成領域的經(jīng)濟效益（圖表16）。此外，氫能與可再生能源的結(jié)合還能減少溫室氣體與NOx、SOx等致霾污染物的排放，促進區(qū)域經(jīng)濟與低碳經(jīng)濟發(fā)展，創(chuàng)造新的就業(yè)機會，維護社會穩(wěn)定。
* 圖表16 電解水制氫在不同產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟附加值
數(shù)據(jù)來源：李林，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司科技信息部部長，“2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會”主題峰會1發(fā)言PPT；百人會研究部整理
擴大用氫規(guī)模，還需打通儲運與加注環(huán)節(jié)。一方面，與國外先進水平相比，我國目前壓縮氣態(tài)儲運的壓力普遍在20MPa，儲運效率較低，導致儲運成本居高不下。另一方面，加氫站關鍵設備如壓縮機、儲氫罐、加氫機等尚未完全國產(chǎn)化，前期投資成本較高，投資回報周期較長，加氫站的建設運營企業(yè)積極性難以提高。要盡快突破關鍵技術瓶頸與產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)，創(chuàng)新商業(yè)模式以實現(xiàn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的資金保障。
4.4 落實電價優(yōu)惠政策，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題
政府支持在“綠氫”發(fā)展中具有重要推動作用。第一，完善政策體系，將氫能作為能源管理而非?；诽幚?，給予加氫站建設運營合理補貼，給予氫燃料電池汽車配套補貼；第二，出臺氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，制定氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導意見，進一步明確氫能產(chǎn)業(yè)相關的審批流程與管理歸口單位，解決制氫用氫土地性質(zhì)的協(xié)調(diào)問題；第三，出臺和落實電解水制氫的電價優(yōu)惠政策，鼓勵和支持能源企業(yè)參與制氫-氫能交通項目，發(fā)展源端經(jīng)濟。
