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伴隨新一輪工業革命,能源開發利用技術出現深刻變革,綠色低碳成為全球能源發展大勢.氫能作為２１世紀人類可持續發展的清潔可再生能源,目前已受到全球范圍的高度重視,在我國也受到廣泛關注.面對能源安全、環境保護等壓力,氫能有望在能源轉型過程中扮演重要角色,氫能作為目前最具潛力的二次清潔能源在我國能源轉型中將占據重要地位。
１ 我國能源體系正在向 “清潔、低碳、智慧”轉型
１１我國能源發展的主要矛盾已從供應總量不足轉變為能源結構落后
當前,我國能源消費總量已由“高增量、高增速” 轉變為 “低增量、低增速”, 能源供需矛盾得到極大緩和。
注:紅色部分為與上一年相比一次能源消費增量
圖１ 我國一次能源消費總量增長情況
由圖１ 可以看出,2001-2007年能源消費總量增速呈臺階式下降,2001-2005年的年均增速為12.3%，2006-2010年的年均增速為7%，2011-2017年的年均增速為3.2%。能源消費增速和增量的 “雙回落” 也使得國內煤炭、煤電、煉油生產能力出現較為嚴重的過剩,產能利用率已跌落至70％甚至更低.
由富煤缺油少氣能源稟賦條件所致 目前我國能源結構呈 “一煤獨大” 的現狀。
圖２ 我國同其他國家一次能源消費結構對比
由圖２可以看出,通過分品種能源結構的國際對比,全球已普遍處于油氣時代,石油和天然氣消費占一次能源消費比重超過50％,而部分發達國家已開始向可再生能源時代邁進,例如德國的可再生能源占比就已超過了15％. 相比之下, 我國仍處于煤炭時代,煤炭消費占比高達60％以上.
１２ 能源轉型肩負保障能源安全、減少環境污染和應對氣候變化的使命
我國能源發展正面臨著嚴重的能源安全、環境污染和溫室氣體排放問題.能源安全方面,目前我國70％以上的石油和40％以上的天然氣依賴進口,國際地緣政治的 “風吹草動” 以及油氣價格波動, 都會對經濟穩定運行造成沖擊;環境污染方面,我國各種主要污染物排放總量過高,二氧化硫、氮氧化物、煙 (粉)塵以及可吸入顆粒物長期高居世界第一位,已經遠遠超過環境容量,環境質量總體處于歷史上最差的時期, 目前全國25個省份都存在不同程度霧霾污染問題,部分城市每年出現霧霾污染達200d;應對氣候變化方面, 我國作為世界第一溫室氣體排放大國,排放總量接近美國及歐盟排放總和,人均排放量將明顯超過部分歐盟國家水平,國際社會對我國的指責也越來越多。
綜上所述,為了保障能源安全、減少環境污染和應對氣候變化,以多元化、清潔化和低碳化為特點的能源轉型已迫在眉睫.
１３ 經濟合理、穩定安全和綠色低碳的 “不可能三角” 亟待破解
建立多元化、清潔化和低碳化的能源供應體系是我國能源轉型的總體戰略目標,但轉型的道路是曲折的.近幾年發生在能源轉型過程中的許多問題,例如可再生能源發展遭遇了 “上網難” 的問題,雖然經過燃煤機組深度調峰改造及體制機制創新,棄電現象得到了一定的緩解,但未來可再生能源高比例發展仍然要面對消納難、接入難的問題. 天然氣方面,北方供暖 “煤改氣” 過程中的供需脫節,導致部分地區在采暖季 “斷氣”、用戶燒不起氣等現象,嚴重影響了經濟正常運行,也造成了諸多負面質疑.基于此,有學者提出了 “經濟合理、穩定安全和綠色低碳” 的 “不可能三角”. 為持續推進能源轉型進程, 需要重新審視整個能源系統, 將供應和需求統籌考慮,以新技術、新業態和新模式來破解 “不可能三角”.
２ 氫能將在能源轉型過程中扮演重要角色
２１ 主要國家和研究機構都已對氫能發展表示出強烈關注
在積極應對氣候變化背景下,到21世紀末確保實現２℃ 甚至1.5℃ 溫升控制目標,正推動全球能源供需體系向低碳化、無碳化加快轉型.主要發達國家把綠色低碳作為保障能源安全、引領技術創新的重要方面,積極謀求新的國際競爭優勢。隨著氫能應用技術發展逐漸成熟,以及全球應對氣候變化壓力的持續增大,氫能產業的發展在世界各國備受關注,氫能及燃料電池技術作為促進經濟社會實現低碳環保發展的重要創新技術,已經在全球范圍內達成了共識。
截至目前,多國政府都已出臺氫能及燃料電池發展戰略路線圖,日本、德國等國家更是將氫能規劃上升到國家能源戰略高度.日本政府提出了建設“氫能 社會” 的宏偉戰略, 于2017年12月份出臺?氫能源基本戰略?,旨在全球率先實現 “氫社會”,以實現社會低碳發展目標和尋求日本經濟新的增長點；韓國政府將氫能作為三大戰略投資重點之一, 于2019年１月發布了 “氫能經濟發展路線圖”,明確了面向2040年的氫能發展目標、戰略及重點任務;美國、德國等發達國家都已認識到氫能在未來能源系統乃至社會系統中的地位和作用,競相開始搶占產業鏈各個環節的技術制高點,力爭使本國在此輪氫能變革中占得先機.國際氫能委員會、國際能源署、麥肯錫等研究機構,對于氫能發展的前景都普遍看好. 其中, 據國際氫能委員會預計, 到2050年氫能可以滿足全球一次能源總需求的12％,氫能及氫能技術相關市場規模將超過2.5萬億美元.
２２ 當前氫能在我國的主要應用
氫氣的利用由來已久,但并非是當前備受關注的交通和電力領域,而主要作為生產原料應用于工業領域.
圖３ 2017年我國氫氣終端消費結構
由圖３可以看出,據莫尼塔研究分析[３],2017年我國氫氣消費量超過2500萬t,基本全部用于工業.其中, 生產合成氨用氫占比為37％、甲醇用氫占比為19％、煉油用氫占比為10％、直接燃燒占比為15％. 在合成氨和甲醇生產過程中, 需要使用氫氣與氮氣或一氧化碳發生反應,而氫氣則由煤炭、天然氣等化石能源制成.在煉油過程中,需要使用氫氣對油品進行加氫裂化、加氫精制等處理,以獲得更多高附加值產品.此外在發電行業、食品加工行業、電子器械制造業等行業,也會使用氫氣作為生產原料或保護氣.總之,工業領域主要將氫氣作為原料來使用,而并非能源,氫氣扮演的依舊是工業原料的角色.
２３ 氫能未來將扮演的新角色
為了實現我國能源系統的多元化、清潔化和低碳化轉型,氫能的發展可以從 “二次能源、能源載體、低碳原料” 這３個角度切入, 助推能源轉型進程.
(１)氫氣可作為高效低碳的二次能源.氫氣本身是一種高能源密度的二次能源 (單位質量), 同時也具有較強的電化學活性、可通過燃料電池進行發電.因此氫氣可應用于燃料電池汽車從而替代傳統燃油汽車,節約石油消費;也可以用于家用熱電聯產,減少電力和熱力需求;還可以直接將氫氣摻入到天然氣管網直接燃燒.此外,氫燃料電池還可被用作備用應急電源,在維護公共安全領域發揮影響力,未來隨著５G 基站和大數據中心的建設,氫能備用應急電源的應用場景將進一步擴展.
(２) 氫氣可作為靈活智慧的能源載體.通過電解水制氫技術及氫氣與其他能源品種之間的轉化, 可提高可再生能源的消納、提供長時間儲能、優化 區域物質流和能量流,進而建立多能互補的能源發展新模式.
圖４ 圍繞氫能的多能互補模式示意
由圖４可以看出,在區域電力冗余時,可通過電解水制氫將多余電力轉化為氫氣并儲存起來；在電力和熱力供應不足時,氫氣可以通過電化學反應發電、熱電聯供、直接燃燒等方式來實現電網和熱網供需平衡.氫氣可以以５％ ~２０％ 的比例摻入天然氣管網,成為天然氣的替代能源,還可與二氧化碳發生烷基化反應制成甲烷.除此之外,電解水制氫可以協同生產氫氣和氧氣,后者是很好的化工原料和燃燒介質。
(３)氫氣可作為綠色清潔的工業原料.國際能源署、麥肯錫等機構都認為氫能將實現工業部門的深度脫碳,主要方式為應用氫能革新型工藝,可以大規模使用 “綠氫” 替代 “灰氫”(即由焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業副產氣制取的氫). 氫氣直接還原
鐵是氫能革新型工藝的典型代表,該工藝使用氫氣作為還原劑,將鐵礦石直接還原為海綿鐵,之后進入電爐煉鋼,從而節省了焦炭的使用、減少了因原料帶來的二氧化碳排放. “綠氫” 替代 “灰氫” 是使用來自可再生能源的氫氣,來替代合成氨、甲醇生產過程中的化石能源制氫,進而實現深度脫碳.
２４ 未來氫能將有望在工業、交通、建筑等領域“多點開花”
在加速推進能源轉型過程中,氫能將有望全面融入能源需求側的各個領域.在工業領域,氫能將從原料和能源 “雙管齊下”. 原料方面, 氫能將廣泛應用于鋼鐵、化工、石化等行業,替代煤炭、石油等化石能源;能源方面,氫能將通過燃料電池技術進行熱電聯產, 滿足分布式工業電力和熱力需求,預計2050年工業領域氫能需求將超過3500萬t；在交通領域,氫燃料電池汽車將與鋰電池汽車 “各司其職、各盡所長”, 共同推動新能源汽車對傳統燃油汽車的替代作用,在交通領域掀起新能源變革浪潮;由于氫燃料電池汽車具有行駛里程長、燃料加注時間短、能量密度高、耐低溫等優勢,在寒冷地區的載重貨運、長距離運輸、公共交通甚至航空航天等領域更具有推廣潛力; 預計2050年交通領域氫氣需求將接近4000萬t; 在建筑和其他領域,家用氫燃料電池、燃料電池應急電源等技術設備也有望實現規模化應用, 預計2050年氫氣需求將接近2000萬t.
綜上所述,2050年全社會氫氣需求或將接近１億t (折合約3.8億t標準煤). 若實現 “２℃” 的碳減排情景,氫能需求還將進一步增加至1.5億t水平甚至更高,增幅接近60％.
為了實現氫能的大規模應用, 近期 (2050年)應聚焦于工業領域,圍繞石化、化工等行業的原料氫氣需求, 在供需匹配、價格合理的前提下開展“綠氫” 替代 “灰氫”,同時探索氫燃料電池推廣模式和管理體制,推進加氫站等基礎設施建設;中期(2035年)應采用工業與交通并重策略,在工業領域推廣氫能冶煉、氫能化工等先進技術,交通領域可大規模普及氫燃料電池重型卡車、物流車等;遠期 (2050年) 氫能將以全方位實現氫能社會為目標,在工業領域實現原料、燃料 “雙替代”, 交通領域氫燃料電池汽車高比例應用,建筑領域推廣家用氫燃料電池和分布式電源.
３ 氫能生產格局需面向綠色低碳變革
３１ 我國氫氣主要來自化石能源,氫源需要優化
我國目前所使用的氫氣主要來自化石能源、尤其是煤炭,氫源結構遠遠落后于發達國家、甚至低于全球平均水平.
圖５ 全球、日本和中國氫源結構對比
由圖５可以看出 從全球平均水平看 氫氣48％來自天然氣、30％來自醇類重整、18％來自焦爐煤氣.在氫能強國日本,本國氫氣產能中電解水制氫占63％、天 然氣重整占8％、 焦爐煤氣占6％,值得一提的是,日本在本國大力發展氫能應用技術的同時, 也在積極尋求海外氫能供應合作商,目前已與澳大利亞、文萊等國簽署了氫能供應的合作協議.而我國2016年全國氫氣產量約2100萬t,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％.可見,我國的氫源結構目前仍是以煤為主,清潔度不夠.
３２ 能源轉型視角下,氫源選擇的 “四要素”
為了滿足未來全社會對于氫能的需求,需要從能源轉型的視角出發,從 “資源供應、成本效益、能源效率、環境效益” 這４個要素入手, 綜合評價、統籌考慮后,對氫源進行合理選擇.
具體而言,資源供應可理解為適用性,包括制氫原料的可獲得性, 以及氫氣供應與需求在數量、質量上的匹配程度,發展氫能不應以犧牲能源安全為代價,同時在選擇氫源時也要考慮氫氣的供應量和純度等因素,因此適用性是氫源選擇的第一考慮因素;經濟性是指氫氣的生產成本,成本低廉是需求側使用氫能替代傳統能源時最現實考慮因素,一般情況下成本高的氫源將被排除在市場之外;能源效率是指能源投入和產出效率,這里需要使用全生命周期評價方法,如果氫氣生產環節使用了二次能源,則需要將二次能源生產過程的能源效率考慮在內,例如焦爐煤氣副產氫的能效評估,就需要考慮由煤炭到煉焦和焦爐煤氣環節的能源損失;環境效益是指氫氣生產所造成的環境污染物和二氧化碳排放,同樣需要使用全生命周期評價方法,例如電解
氫能在我國能源轉型中的地位和作用
水制氫雖然可以實現無污染無排放,但如果電力來自于煤電,則需要將燃煤發電環節的污染和排放算在內.
３３ 不同制氫工藝綜合評估結果
注:綠色為較好,黃色為一般,紅色為較差.評價結果因能源、原料價格和樣本選取等原因存在差異
圖６ 基于四要素對不同氫源綜合評價結果
由圖６可以看出,從當前情況來看,煤制氫在 資源供應方面比較有保障 (我國煤炭資源相對豐富)、具有明顯的成本優勢 (10~15 元/kg 氫氣)、能源效率一般 (58~66％)、碳排放問題比較大 (20~25kg二氧化碳/kg 氫氣);天然氣制氫在資源供應上存在明顯短板 (天然氣對外依存度高、采暖季天然氣供應短缺等)、成本效益一般 (20~30元/kg氫氣)、能源效率一般 (70~75％)、存在碳排放問題 (７~10kg 二氧化碳/kg 氫氣); 可再生能源制氫的資源供應一般 (可再生能源生產主要集中在東北、西北、西南等地區,與氫氣需求端存在空間分離)、 成本效益較差(電價為0.5元/kWh時,制氫成本高達40元/kg 氫氣以上)、能源效率較高 (可達７５％ ~８０％)、無碳排放 (采用先進技術工藝). 值得一提的是, 使用煤電來電解水制氫,除了在資源供應方面具有一定優勢 (煤電機組閑置情況嚴重),制氫成本超過40元/kg氫氣、全生命周期能源效率低于30%、碳排放量超過70kg二氧化碳/kg氫氣, 是最不宜發展的制氫工藝.
３４ 近期、中期和中長期各制氫路線的發展重點
(１)煤制氫.考慮到巨大的煤制氫產能存量和煤制氫低成本特點,近期、中期煤制氫仍然將是我國氫氣的最主要來源,應立足存量,滿足工業領域中化工、石化等行業規模化氫氣需求,同時應注重碳捕捉、封存和利用技術 (CCUS) 與煤制氫的整合應用,降低項目總體成本、提高煤炭利用效率. 中長期可將 “煤制氫＋CCUS” 作為我國氫源的重要組成部分之一.
(２)天然氣制氫.考慮到資源供應約束和成本問題,近期和中期不宜大規模發展天然氣制氫,已有產能應注重發揮設備的靈活性和清潔性,在環境污染嚴重地區提供氫氣供應.中長期則可通過固體氧化物燃料電池 (SOFC) 等技術, 在終端需求側通過天然氣重整 “制氫＋SOFC” 模式, 構建分布式熱電聯產系統.
(３)甲醇制氫.甲醇價格近幾年波動明顯,給甲醇制氫造成了嚴重影響.近中期應謹慎發展,并注重甲醇重整制氫＋燃料電池一體化應用技術的研
發和示范.甲醇還有望成為氫氣儲存的介質,可探
索 “氫氣生產－合成甲醇－甲醇運輸－重整制氫” 的模式,為氫能大規模儲運提供可能.
(４)工業副產氫.我國氯堿、煉焦以及鋼鐵等行業有大量工業副產氫資源,足以滿足近期和中期氫氣的增量需求. 但因渠道、價格、信息等原因, 這些副產氫很大一部分被用來直接燃燒甚至排空.因此,未來應探索將工業副產氫高值化利用的商業模式,將副產氫提純并運輸至氫氣需求側,更好的發揮氫能價值.
(５)可再生能源制氫.作為 “綠氫” 的典型代表 成本高是可再生能源制氫發展的最大障礙.近期和中期應在 “降成本” 上做足文章,在可再生能源資源豐富地區,探索現場制氫、電力直接交易、 提供電力輔助服務、移峰填谷等模式,爭取獲得相對較低的電價.同時還應加大氫能儲運基礎設施建設,提高氫能的空間調配能力.隨著可再生能源的高比例發展,可再生能源制氫將有望成為綠色氫氣規模化供應的最重要來源.
４ 主要結論和建議
(１)在我國能源轉型中,氫能將扮演 “高效低碳的二次能源,靈活智慧的能源載體,綠色清潔的工業原料” 的角色,在我國交通、工業、建筑、電力等部門得到廣泛應用.預計2050 年全國氫能需求將接近1億 t, 在積極應對氣候變 化、 實 現“２℃” 目標情景下,需求有望超過1.5億t. 面對如此規模的氫氣需求,氫源結構也需在現有 “以煤為主” 的格局基礎上進行綠色低碳變革.
(２)可再生能源制氫、 “煤制氫＋CCUS” 等技術將共同構成未來氫能供應體系.在多元化的供應格局中,哪種技術發展到什么程度,取決于各自的適用性、經濟性、能源效率和環境效益.對于煤制氫而言, 重點是研發 CCUS 技術來控排放; 對于可再生能源制氫而言,重點是創新商業模式來降成本; 天然氣制氫和甲醇制氫的發展將取決于SOFC、甲醇燃料電池等技術的進展; 工業副產氫應該得到優先、高值化的利用.
(３)煤炭企業應以審慎而樂觀的態度參與到氫能產業的發展浪潮之中.首先,做好氫能供應和需求的研判和對接.煤制氫項目投資強度高、產能規模大,在儲運環節的技術和基礎設施約束沒有打破以及下游市場規模有限的情況下, 不應 “一窩蜂” 上馬煤制氫項目; 其次, 做好 CCUS 等低碳技術的儲備,降低應用 CCUS 技術的成本和能效損失. 此外,還需探索污染物聯合處理和利用商業模式, 處理好煤制氫過程產生的高鹽、酸性廢水和廢渣.
(４)政府層面首先應明確氫能發展定位,形成清晰的戰略導向,避免產業低水平、無序發展.其 次應理清氫能管理體制,明確監管部門和管理流程.再次,可以以 “政策紅包”替代 “現金紅包”,通過加強能源、環境領域的監管,倒逼能源轉型,為氫能打開終端應用市場,而非傳統的財政補貼模式.
參考文獻：
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本篇內容來源于中國煤炭第45卷第10期2019年10月，本站想讓更多人了解氫能，如有侵權，請聯系我方刪除。
