氢能是最具发展前景的新能源之一。近年来,世界主要国家相继制定氢能发展战略和政策,国际能源企业积极探索氢气制取、储运及加氢站建设,成为世界氢能产业发展的积极推动者。
近年来,氢能在世界能源转型中的角色价值日益凸显。氢能的利用被视作与化石燃料清洁低碳利用、可再生能源规模化利用互相并行的一种可持续能源利用路径。目前,氢能技术在美国、日本、韩国与欧盟等国家和地区初步进入商业化应用阶段。发展氢能既是我国应对全球气候变化,构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要组成部分,也是建设美丽中国的重要途径,对我国加快产业结构调整,实现高质量发展具有重要意义。2019年氢能首次被写入政府工作报告,多地随之抢跑布局,地方发展氢能的速度远超预期。实现从政府到地方再到企业及科研院所多方布局氢能产业发展的热潮。
多地抢跑布局 发展速度超预期
随着世界范围内氢能产业蓬勃发展,我国氢能也进入了产业化发展的快车道。自2017年以来,我国氢能在关键技术、产业规模等方面取得了一些成绩。许多地区率先出台了相关支持政策,实现了小规模的产业链应用示范。截至目前,国内已经有30多个城市发布了相关措施,多家上市公司表态将继续加大氢能布局。
2019年,中央发布了10条与氢能有关的政策,但和国际明确的氢能产业规划相比,我国国家层面发布的氢能产业相关政策只是作为新能源汽车产业发展的一部分而非专项政策,也尚未给予氢能明确定位,国内氢能产业发展缺乏顶层设计与战略规划。
与国家层面氢能产业发展顶层设计缺失相比,各地政府纷纷出台各项氢能专项政策。仅2019年1—9月,各地陆续发布了42项与氢能有关的政策,其中,广东出台政策最多,江苏其次。从政策类型看,氢能专项政策约占政策总数的1/3,其他则是以新能源汽车政策与环保政策的形式发布。
尽管各地氢能的规划布局侧重点有所不同,但整体上缺乏协调。由于国内氢能产业发展处于初期,且涉及投资额度大、范围广,如果同质化竞争激烈,最终会限制各地氢能的发展。氢能产业发展也应该充分吸取之前光伏的教训,避免“一拥而上”的现象。因此目前迫切需要国家强化顶层设计和战略规划,从国家层面制定我国的氢能战略发展路线图,明确阶段性目标和分步实施的重点。
产业发展面临瓶颈 需以市场为导向
当前,我国氢能产业发展初具条件,但仍存在诸多瓶颈。
一是关键材料和核心技术尚未自主。近年来,我国发布一系列政策引导、鼓励氢能产业发展,在关键零部件和技术开发方面已有突破。比如,液氢储罐已经可以完全国产化,最大容积可达300立方米;关于氦制冷循环设备方面,我国已掌握核心技术。但与发达国家相比,关键零部件主要依靠进口,燃料电池的关键材料包括催化剂、质子交换膜以及炭纸等大都采用进口材料;关键组件制备工艺急需提升,膜电极、双极板、空压机、氢循环泵等和国外存在较大差距;关于氢品质、储运、加氢站和安全标准较少,氢气品质检测和氢气泄露等重要测试装备欠缺,权威检测认证机构尚未形成。
二是加氢基础设施建设不足。“加氢焦虑”成为氢燃料电池汽车发展的重要制约因素。我国氢燃料电池汽车尚处起步阶段,运营车辆较少,营利较困难,加氢站的建设运营无法通过规模经济效应平衡收支,导致建设运营模式不够成熟,加氢设备产业化能力不足、成本偏高。基础设施不足又反过来影响氢燃料电池汽车推广应用。据长城汽车测算,2030年我国至少需要1400座加氢站才能满足主要城市需要。截至2019年3月底,我国实际运营加氢站仅24座,在建20座,主要分布于广东、上海、江苏等省市,多为示范型或为示范型汽车提供加注服务,暂未实现商业化运营。
三是商业化推广模式尚未建立。全产业链成本高是制约商业化运行的重要原因。从制氢环节看,现有制氢技术大多依赖煤炭、天然气等一次性能源,经济性和环保风险依然存在,利用可再生能源则存在效率低、综合成本高等问题;从储氢环节看,虽然加压压缩储氢、液化储氢、有机化合物储氢等技术均取得较大进步,但储氢密度、安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决,离大规模商业化应用还有距离;从燃料电池看,我国膜电极组件成本约为4000元/千瓦,与国际700元/千瓦差距较大;我国电堆成本为6000元/千瓦,而国际指标为1000元/千瓦;从用氢环节看,燃料电池汽车发展缓慢,技术尚不成熟;建设加氢站所需关键零部件没有量产的成熟产品,导致建设成本过高。
四是专项规划和政策体系尚未形成。虽然我国从战略层面肯定氢能及燃料电池产业发展,但专项规划以及政策体系缺位,产业发展方向、目标和重点尚待明确。氢气仍纳入危化品管理,有关主管部门不够明确,加氢站审批难度较大,对产业发展形成较大制约。
目前氢能产业发展还处于导入阶段,技术发展水平较低,企业以研发和示范为主,资金投入较大,生产成本高,市场需求少,尚不具备经济性。因此,现阶段还是应以政府补贴政策以及企业战略选择为导向。政府补贴可以提高企业进行氢能产业发展积极性,减轻企业负担,有利于整个产业发展。
待氢能产业进入成长期后,企业生产技术水平大幅度提高,企业逐渐形成核心技术壁垒,生产成本有所下降,市场需求量慢慢增大,待企业有能力盈利时,政府再逐步放开,退坡相关补贴政策,逐渐形成企业以市场需求为中心、以满足市场需求为导向、以市场供需关系为基础的市场导向型发展模式。
以商用车为突破,因地制宜发展氢能
氢能产业最广泛的应用领域是氢能交通,其中最热门的是乘用车及商用车两大市场。日本、欧美等发达国家都在积极主推和重点发展乘用车领域,但对于我国来说,目前燃料电池关键零部件依赖进口,生产成本高,因此更适合以政府采购为主、成本相对不敏感的公交等商用车。且作为关键的配套设施,加氢站布局也是氢能源车的制约因素之一。国内现在加氢站数量较少,相对于私人乘用车来说,商用车特别是公交车行驶路线较为固定,对加氢站数量和分布要求不高。此外,当前国内氢燃料汽车研发、生产、销售、运营、基建等环节基本上都是政府买单,普通消费者对氢能源汽车的了解和关注程度不高。乘用车的普及、推广还有很长的路要走。
因此,结合我国国情、技术、成本、配套设施等综合因素,发展氢能应以商用车为突破口。通过城市公交、班车,物流车等商用车的试运营,不断积累技术、提升产品性能、降低成本,然后逐渐普及到乘用车上。由于乘用车使用人数众多、市场潜力大,待乘用车应用全面铺开时,氢能产业发展也将迎来大爆发时期。
氢能的发展要“走自己的路”,不能完全照搬国外氢能发展经验。对于我国来说,相较于日韩,资源能源禀赋多样,对能源的选择及经济调控的回旋空间较大;相较于德国,我国内燃机实力还有一定的差距。因此,中国氢能产业发展应切实从我国国情出发,根据能源战略和产业发展需要,结合我国发展基础,因地制宜谋发展,科学理性明确氢能定位、发展规划以及技术路线。
对于国内各省市来说,发展氢能也要因地制宜,视各地资源禀赋而制订具体的发展策略。在弃风、弃光、弃水问题突出的西北、华北地区,适合发展电解水制氢,既消纳了多余的能源,又为当地提供了充足的氢气,以满足石化产业、氢燃料电池产业用地需求;在石化产业基础雄厚的地方,目前还有大量工业副产氢无法利用,仅作为燃料燃烧,经济效益很低,现阶段氢能产业发展可以考虑先将这部分工业副产氢充分利用起来,而不是一味追求可再生能源制氢,待未来工业副产氢无法满足氢能发展需求时,再考虑可再生能源制氢;在汽车制造实力强劲地区,氢能产业规划可重点发展产业链中下游电堆及整车制造领域,利用本地整车制造基础,打造一流的氢燃料电池汽车环节。
《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》(简称“白皮书”)做出了我国氢能近中远期的技术路线展望。
(1)在制氢方面,氢能产业发展初期,将以工业副产氢就近供给为主,积极推动可再生能源制氢规模化、生物制氢等多种技术研发示范;中期,将以可再生能源制氢、煤制氢等大规模集中稳定供氢为主,工业副产氢为补充手段;远期,将以可再生能源发电制氢为主,煤制氢配合CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术成为有效补充。白皮书预计,到2050年平均制氢成本将不高于10元/公斤。
(2)在储运氢方面,氢能储运将按照“低压到高压”“气态到多相态”的技术发展方向,逐步提升氢气的储存和运输能力,预计2050年储氢密度达到6.5wt%。
(3)在燃料电池方面,燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向:持续开发高功率系统产品、通过系统结构设计优化以提高产品性能、通过策略优化提高产品寿命、通过零部件优化以及规模化效应持续降低成本。白皮书预计,到2050年系统的体积功率密度将达到6.5kw/L,乘用车系统寿命将超过10000小时,商用车将达到30000小时。