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目前,中國已經(jīng)制定了“雙碳”目標,經(jīng)濟轉型和能源轉型勢在必行,其中氫能發(fā)展成為熱點(diǎn),備受各級政府、眾多企業(yè)和廣大公眾的關(guān)注。
中國氫能產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展形勢如何呢?發(fā)展路徑中面臨的困境有哪些?對外經(jīng)濟貿易大學(xué)國際經(jīng)貿學(xué)院董秀成教授和前瞻經(jīng)濟研究院徐文強院長(cháng)對此做出了回答。董秀成指出,2021年我國氫氣產(chǎn)能產(chǎn)量超過(guò)3300萬(wàn)噸,電解水制氫技術(shù)已經(jīng)相對成熟,每年可以達到9億立方米的制氫能力,氫能全產(chǎn)業(yè)鏈規模以上工業(yè)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)了300家。已是妥妥的氫能大國。
徐文強認為,目前我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著(zhù)能源效率轉化、基建、應用場(chǎng)景三大問(wèn)題。氫能總體能量使用效率只有約40%,遠遠落后于純電路線(xiàn),導致競爭力不強。就另外,應用的場(chǎng)景很多,“沒(méi)有氫就不行的”卻很少。徐文強認為,對氫能產(chǎn)業(yè)應該加大政策扶持力度。
現狀:名副其實(shí)的全球氫能大國
總體來(lái)看,我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規模。目前,氫能除了在中國傳統化工、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域應用外,已經(jīng)開(kāi)始能源、交通、建筑等其他領(lǐng)域穩步推進(jìn),并且不斷進(jìn)行擴大應用試點(diǎn)應用。
中國是世界上最大的制氫國,年制氫產(chǎn)量約為3300萬(wàn)噸,其中達到工業(yè)氫氣質(zhì)量標準的約1200萬(wàn)噸。董秀成教授認為,中國已經(jīng)成為名副其實(shí)的全球氫能大國。
制氫能力與氫氣產(chǎn)能
根據中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì )數據,2012年,中國氫氣產(chǎn)量1600萬(wàn)噸,整體呈現穩步增長(cháng)趨勢。從 2018 年開(kāi)始,中國氫氣年產(chǎn)量超過(guò)兩千萬(wàn)噸,2020 年達到2500萬(wàn)噸。2021年產(chǎn)量超過(guò)了3300萬(wàn)噸。
目前,中國電解水制氫技術(shù)已經(jīng)相對成熟,每年可以達到9億立方米的制氫能力,而且隨著(zhù)成本逐漸區域下降,預計制氫能力還會(huì )繼續上升。
目前,在全球范圍內,制氫的主要途徑還是依靠傳統化石能源的化學(xué)重整,其中天然氣重整制氫的占比約為48%,而真正通過(guò)綠色途徑的電解水制氫的占比僅占4%。不過(guò),個(gè)別國家制氫途徑與大多數國家存在差異,比如日本在電解水制氫方面發(fā)展較快,其鹽水電解水制氫的產(chǎn)能已經(jīng)占其總產(chǎn)能的63%,因此受到全球矚目。
中國制氫則主要依賴(lài)煤氣化制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫的方式,電解水制氫能力很有限,產(chǎn)量占比很小,僅僅占制氫總產(chǎn)量的1%,這與日本相比,差距甚大。
中國能源結構與整個(gè)世界相比,具有極其特殊的特點(diǎn),那就是能源界一直公認的說(shuō)法,也就是所謂的“富煤少氣”。對于化石能源產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),目前傳統化石能源公司已經(jīng)擁有比較成熟的制氫、用氫、氣液儲運經(jīng)驗和?;穬\管理資質(zhì)及完善的銷(xiāo)售系統,同時(shí)也具備一定的氫能消納能力,發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)具有比較好的基礎。
在氫能制備方面,可再生能源制氫項目在華北和西北等地積極推進(jìn),而電解水制氫的成本也出現穩中有降的態(tài)勢。在氫能市場(chǎng)上,中國在應用方面具有全球最大的潛在市場(chǎng),如果綠氫技術(shù)一旦成熟以后,那么便可以在市場(chǎng)上進(jìn)行大規模布局和利用,通過(guò)規模效應來(lái)盡快降低成本。
氫能汽車(chē)與加氫站
當前,氫燃料汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然處于起步階段,客觀(guān)上需要政府政策支持,比如政府財政補貼和政府采購政策等。根據某機構預算,推廣1000輛氫燃料汽車(chē)需要高達30-40億元的資金投入,這需要政府有較為富裕的財力。
在交通領(lǐng)域,中國現階段氫能利用以商務(wù)客車(chē)和重型卡車(chē)為主,正在運營(yíng)的以氫燃料電池為動(dòng)力的車(chē)輛數量超過(guò)了6000輛,約占全球運營(yíng)總量的12%,已成為全球最大的氫燃料電池商用車(chē)生產(chǎn)和應用市場(chǎng)。
當前,中國氫能車(chē)輛構成主要以非乘用車(chē)為主,比如氫能巴士和輕型/中型氫能卡車(chē)等,氫能乘用車(chē)基本上處于起步階段。
在氫能加注方面,據今年5月的數據,中國目前已經(jīng)累計建成加氫站超過(guò)了250座,約占全球加氫站總數的40%,加氫站數量已經(jīng)居于世界第一,其中廣東和上海占據數量?jì)?yōu)勢,走在全國氫能加注領(lǐng)域的前面。
在加氫技術(shù)領(lǐng)域,中國也不甘落后,目前35兆帕智能快速加氫機和70兆帕一體式移動(dòng)加氫站技術(shù)已經(jīng)獲得重大突破。
在氫能儲存和運輸領(lǐng)域,目前為了提高儲存運輸效率,使用較多的儲氫技術(shù)是高壓氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫等,而氫能運輸方式主要包括陸上運輸、海上運輸以及管道運輸等。
從加氫站數量來(lái)看,目前中國加氫站保有數量與國外相比沒(méi)有落后,但是國內加氫站基本上采用高壓氣態(tài)氫氣,由于受制于相關(guān)政策和技術(shù)問(wèn)題的約束,中國尚未采用在技術(shù)上比較具有優(yōu)勢的液氫加氫站,不過(guò)也已經(jīng)開(kāi)始起步。
市場(chǎng)預期
根據《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)2020》估算,2030年中國氫氣年需求量3715萬(wàn)噸,在終端能源消費中占比約5%,其中可再生氫產(chǎn)量約500萬(wàn)噸,部署電解槽裝機約80GW。預計到2050年,氫能在中國終端能源體系中的占比將達到10%,氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到1萬(wàn)億元,進(jìn)而是氫能成為終端能源體系的消費主體。到2060年,中國氫氣年需求量將增加到約1.3億噸,在終端能源消費中占比達到約20%左右。
在氫能市場(chǎng)主體方面,中國發(fā)展也十分迅速,目前氫能全產(chǎn)業(yè)鏈規模以上工業(yè)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)了300家,這些企業(yè)主要集中分布在長(cháng)三角、粵港澳大灣區和京津冀等經(jīng)濟發(fā)達區域,而且企業(yè)數字還在繼續快速增加。
在氫能產(chǎn)業(yè)區域布局來(lái)看,發(fā)達地區與欠發(fā)達地區相比,發(fā)展勢頭更加迅速,目前長(cháng)三角、粵港澳大灣區、環(huán)渤海三大區域氫能產(chǎn)業(yè)呈現了“集群化”的發(fā)展態(tài)勢,氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于同步協(xié)調發(fā)展階段。
唯有政策強力推進(jìn) 擺脫卡脖子困境
目前遇到哪些困境?前瞻產(chǎn)業(yè)研究院院長(cháng)徐文強對此做出了回答。他認為,氫能存在幾個(gè)難以回避的問(wèn)題,這三個(gè)問(wèn)題嚴重卡氫能產(chǎn)業(yè)的脖子,如果不能解決,中國氫能源發(fā)展將道阻且長(cháng)。
效率問(wèn)題
氫能的轉化形式多樣,較為成熟,可通過(guò)氫燃機直接轉化為機械能,氫燃燒轉化為熱能,氫燃料電池轉化為電能,是相對比較方便應用的一種能源。但是能做到這幾點(diǎn)的,并不止氫能。于是,氫能利用在發(fā)展中就面臨其他路線(xiàn)的競爭。尤其在和純電路線(xiàn)的競爭中,氫能幾乎是全方位落于下風(fēng)。
首先是效率問(wèn)題,氫的使用需要多層轉化,綜合效率低。以當前氫電競爭最直接、最熱門(mén)的領(lǐng)域——新能源汽車(chē)為例。純電動(dòng)汽車(chē)的能源是從電到電,雖然在儲能過(guò)程中會(huì )經(jīng)歷電能和化學(xué)能之間的轉化,但轉換形式簡(jiǎn)單,能量損失小。綜合下來(lái),鋰離子電池的能量效率可以達到80%以上,即便考慮電能從發(fā)電廠(chǎng)轉化為電池組輸出過(guò)程中的消耗,總體效率也能達到70%以上。
而氫能的使用,要經(jīng)歷電到氫,氫再到電的復雜轉化,能量損失較大。燃料電池的使用,理論上發(fā)電效率可以達到85%-90%,但受制于現有的技術(shù)水平,目前的發(fā)電效率一般在40%-60%,通常按照50%效率計算,比起鋰離子電池已經(jīng)落了下風(fēng)。再算上制氫過(guò)程中消耗:如果采用傳統的蒸汽重組或者電解法制氫,能量損失超過(guò)30%,雖然最新的離子膜電解法可將能效提升至80%,但總體能量使用效率只有約40%,遠遠落后于純電路線(xiàn)。
如果再考慮到為了方便運輸而需對氫氣進(jìn)行加壓或降溫液化處理,能量效率還要大幅下降。加壓是用790倍大氣壓把氫氣壓縮到高壓罐中,過(guò)程中的能量損耗約為13%;液化的話(huà),將降溫至-253℃,氫氣會(huì )凝結,過(guò)程中的能量損耗極大,約為40%。
基建問(wèn)題
目前國內氫能產(chǎn)業(yè)的基礎設施還相當落后。在中游運輸環(huán)節,想要大規模且廣泛地使用氫能,使用管道網(wǎng)絡(luò )是最合適的運輸方案。我國現有所有氫氣管道,加起來(lái)只有約400公里。
假使氫能成為主流能源,燃料電池汽車(chē)全面取代燃油車(chē)和電動(dòng)車(chē),中國一共需要多少加氫站?根據前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數據,截至2020年,中國境內加油站總量達11.9萬(wàn)座??紤]到氫能源汽車(chē)在續航上和充能時(shí)間(續航1000公里,加氫需5-8分鐘)上,相較燃油車(chē)都沒(méi)有數量級上的質(zhì)變,加氫站的需求也不會(huì )差很多,至少也是數以萬(wàn)計。而目前我國加氫站已建和在建在一起還沒(méi)有達到四位數,離五位數還遠。
應用問(wèn)題
氫能可以應用的場(chǎng)景很多,“沒(méi)有氫就不行的”卻很少。
在交通領(lǐng)域,乘用車(chē)已經(jīng)被純電路線(xiàn)搶占了先機,唯獨在叉車(chē)、卡車(chē)等商用車(chē)領(lǐng)域應用比較受看好。但以商用車(chē)市場(chǎng)的體量,顯然難以說(shuō)服各方為其單獨建設一套社會(huì )性的能源工程。
而在工業(yè)領(lǐng)域,除了傳統煉化環(huán)節的應用外,最被看好的是提供中低檔工業(yè)熱能的能力。然而,隨著(zhù)工業(yè)熱泵技術(shù)的發(fā)展,這一前景也遭到挑戰。
由于不具備獨特的優(yōu)勢和應用場(chǎng)景,前期高昂的投資缺少明確的回報前景,社會(huì )各方不免望而卻步,先觀(guān)望為妙。這樣一來(lái),產(chǎn)業(yè)發(fā)展又會(huì )愈加遲緩。
政策必須出手
徐文強和前瞻網(wǎng)的建議是:在當前情況下,唯有靠外力,強行撕開(kāi)突破口。在當前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段,政府的力量不可或缺。政府應該充分發(fā)揮引導作用,推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新應用,并在行業(yè)多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節發(fā)力。
這也是為什么此前業(yè)內一直翹首期盼,希望能有重磅扶持政策出臺。
好的地方是,氫能終于有了國家級定位和目標,向行業(yè)釋放了積極信號。不足之處在于,相關(guān)描述依然略顯寬泛,發(fā)展重點(diǎn)還不明確,同時(shí)在目標制定上具體量化指標較少且稍顯保守。
徐文強建議,政府應為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更大力度的支持。在資金方面,部分發(fā)達國家提出數十億甚至百億美元規模的資金支持,而中國的氫能規劃中僅表示要發(fā)揮好中央預算內投資引導作用,希望未來(lái)提出明確的資金支持計劃。
此外,參考過(guò)去政策引導純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗,各地政府可以效仿當時(shí)強制在公共交通領(lǐng)域推廣電動(dòng)汽車(chē)的舉措,在氫能源的優(yōu)勢領(lǐng)域加大推廣力度,建立健康、良性的商業(yè)模式。
除了政策助力以外,技術(shù)方面的突破,也有助于氫能產(chǎn)業(yè)獲得競爭優(yōu)勢。
電解水技術(shù)的低效率和設備的高成本,也是制約氫能發(fā)展的主要原因之一。在主流的電解技術(shù)中,傳統堿性(ALK)電解技術(shù)存在效率低、產(chǎn)氫純度低、強堿腐蝕性、沉淀堵塞降低性能以及動(dòng)態(tài)響應速率慢等諸多致命問(wèn)題,質(zhì)子交換膜(PEM)電解、陰離子交換膜(AEM)電解等技術(shù)是未來(lái)的主要方向。
PEM電解技術(shù)的主要障礙在于,由于要用到昂貴稀缺的鉑族金屬作為氧化物,成本居高不下。不過(guò),對于減少相關(guān)金屬使用量或者尋找替代物的研究,業(yè)內已經(jīng)在持續推進(jìn),未來(lái)可期。
在氫能儲運方面,除了潛液式液氫泵等在液氫運輸方面相當有前景的技術(shù)以外,徐文強院長(cháng)認為,新興的固態(tài)儲氫技術(shù)以其的體積儲氫密度高、安全性更好的特性,也值得研究和關(guān)注。
其中,依托于我國豐富的鎂資源,國內團隊對于鎂基固態(tài)儲氫的研究取得了相當程度的突破,產(chǎn)業(yè)化也實(shí)現落地。
除此以外,其他各個(gè)環(huán)節的關(guān)鍵技術(shù)研究,也都在穩步推進(jìn)當中。但這仍然需要國家政策的大力扶持。