氢气作为一种能源,自1839年英国物理学家威廉·葛洛夫(William Grove)利用氢气和氧气制作了首个燃料电池开始,距今也已有将近200年的历史了。20 世纪60年代开始,氢能在航空航天领域的应用逐渐广泛,为探测器、人造卫星和太空舱提供了可靠电力,而后逐渐在工业、建筑、交通等领域开始商业化应用。时至今日,在全球致力于应对气候平均状态随时间的变化的大背景下,氢能作为一种新能源,由于其清洁低碳、灵活高效、应用广泛等优点,正在成为各国争相发展的未来能源新星。不过,能够真正的完成氢能清洁低碳价值、也是各国发展重点的是绿氢。
由于氢的化学性质非常活泼,自然界就没有纯氢存在,必须利用其他能源才能制取,因此氢能是一种二次能源。按照生产来源,氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢三类。
灰氢是指由天然气、煤等化石燃料生产的氢气,制取成本最低,但碳排放量高,在化工行业应用普遍;
蓝氢同样应用灰氢生产技术,但是增添了碳捕捉和封存技术,能够减少90%左右的碳排放,成本也相应更高;
绿氢则是利用风能、太阳能等可再次生产的能源发电,通过电解反应以水制成的氢气,从源头上杜绝了碳排放,然而成本也最高。
图片资料来源:德勤,“能源的未来”系列刊物 为碳中和,创造可行的氢经济,2021
2020年,全球氢气年产量约为7,200万吨,其中灰氢占比95%以上[i]。绿氢的低比例源自其经济性方面一直面临诸多挑战。据国际能源署报告,绿氢价格目前为每千克3.5至5欧元,远高于灰氢的每千克1.5欧元[ii]。不过,在多方面发展因素的驱动下,绿氢经济即将迎来发展热潮,也将为私营部门带来万亿级的投资机会。
1) 政策力度加强:当前,全球各工业国对减缓气候平均状态随时间的变化和完善气候法规的承诺比历史上任何时期都要强烈,并且在积极寻找并支持能够很好的满足其一直增长的能源需求的、可靠的低排放技术。随着慢慢的变多的国家推出明确的绿氢战略和支持政策,同时加大对能源供应商采用低碳和零碳解决方案的压力,来自企业、政府和金融投资方的大量资金将涌入该行业,加大马力冲破绿氢技术面临的种种障碍,加速行业的降本增效。
2) 生产成本下降:用来制造绿氢的可再次生产的能源近年来度电成本一下子就下降,显著缩小了电解制氢与化石燃料制氢之间的价格差距。随着可再次生产的能源平价时代的来临,全球对可再次生产的能源资源的需求也大幅度的增加。然而,以太阳能和风能为代表的可再次生产的能源具有不稳定性,仅靠自身没办法提供持续可靠的能源解决方案,而绿氢将会成为一种可广泛部署的配套能源存储解决方案。二者相辅相成,形成良性耦合,将最大限度地提高国家能源系统的绿色转型。
3) 技术明显提升:氢能和燃料电池技术在效率、耐用性、可靠性和减少相关成本方面经历了重大的技术进步,生产企业也已开始将重点从专注于研发转向成熟制造和提高产能,从而进一步缩小绿氢燃料电池产生的电力与传统能源(如柴油发电机)提供的电力之间的价格差距。
4) 产业应用日趋完善:这方面最明显的例子是燃料电池在移动交通领域的应用。全球向电动交通解决方案的过渡,见证着电动传动系统的广泛使用和高效价廉,也为绿氢燃料电池汽车在未来的广泛应用奠定了必要的技术基础设施。
全球许多国家都宣布了颇具雄心的氢能发展计划,以实现脱碳经济并提高能源独立性。据彭博新能源财经报道,截至2021年7月,已有43个国家发布或即将发布氢能路线图[iv],能预见大量的资金将投资于开发氢能的生产、应用和需求。尽管灰氢和蓝氢更具经济性,但绿氢仍为大多数国家的战略重点。以下将对欧盟、日本、美国和英国最新的氢能发展战略做简要介绍,并着重关注其中对绿氢的布局和政策支持。
2020 年 7 月,欧盟发布了《欧洲气候中和下的氢能战略》,设立的目标为将氢能在能源结构中的份额从 2020 年的不到 2% 提升到 2050 年的 13-14%。最乐观的情景预测到 2050 年氢能的份额将高达 24%。另外,该战略还就绿氢规划了3个阶段的发展路线图:
欧盟预计在未来 30 年内,按照以上描述的目标提升绿氢产量规模将需要 4700 亿欧元的总投资,不过确切的预算数字尚未揭晓。
日本是近年来最热衷于发展氢能的国家之一,亦是氢能技术的领导者,其在氢能和燃料电池技术领域拥有的专利数稳居全球第一[v]。2020 年 3 月,当时世界最大的10MW级的绿氢制造装置在福岛完成建设并开始试运营。
早在2014年,日本就已发布了《氢和燃料电池战略发展路线图》。最新版本修订于 2019 年,主要着眼于三大技术领域:燃料电池技术、氢供应链和电解技术,确定了包括车载用燃料电池、定置用燃料电池、大规模制氢、水制氢等10个项目作为优先领域,并计划在2030 年左右实现氢能的全面应用。
最新版的路线图不仅规定了具体的技术发展项目,还为每个领域设定了具体目标,例如:
2020年11月,美国能源部(DOE)发布了《氢能计划发展规划》,提出未来十年以及更长时期氢能及有关技术的研究、开发和部署的总体战略框架。该方案更新了DOE早在2002年发布的《国家氢能技术路线年启动的《氢能立场计划》提出的氢能战略规划,明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战以及研发重点,并提出了氢能计划的主要技术经济目标[vi]。在氢能生产方面,该计划提出了探索并开发三种氢能生产的技术路线,包括利用化石燃料并配备碳捕捉、利用和储存技术;从生物质和废物流资源中提取;以及水电解。
今年11月,美国总统拜登正式将1.2万亿美元的《基础设施投资和就业法案》签署成为法律。其中80亿将用于建设至少四个区域性清洁氢能枢纽,分别使用可再次生产的能源、天然气、化石燃料和核能生产[vii]。另外,在此前公布的《氢能地球计划》中,DOE提出了在10年内实现清洁氢能成本降低80%的目标,即由目前每千克5美元降至每千克1美元[viii]。
今年8月,英国商务能源与产业战略部(BEIS)发布了《国家氢能战略》,这是英国政府发布的首个氢能战略。该战略描绘了英国发展低碳氢能经济的愿景目标及路线年将低碳制氢产能提升至5GW,同时为氢能生产、输配网络及存储、氢能利用等领域制定了4个阶段的目标和关键行动。据英国政府预测,在该战略的指引下,到2050年英国20%-30%的能源消耗将来源于氢能,而这将对英国到2035 年减排 78%和在2050年实现净零排放的目标至关重要。另外到2030年,氢能经济将释放40亿英镑的投资机会,并带来9,000个工作机会。
在具体的激励政策方面,英国政府近期发起了公众咨询以征集有效的氢能商业模式。鉴于此前在利用差价合同(CfD)商业模式发展海上风电的成功经验,英国政府希望借用新模式来克服低碳氢能和化石燃料之间的成本差距。与此同时,英国政府正在积极设计 2.4 亿英镑的净零氢基金,旨在支持全国范围内低碳氢能新生产设施的商业部署。[viiii]
[vi] 中国科学院科技战略咨询研究院,《美国能源部发布氢能计划发展规划》,