中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊中國(guó)制氫工業(yè)基礎(chǔ)良好：從化石能源到新能源制氫的過渡路徑清晰
01
中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量充足
中國(guó)當(dāng)前化工工業(yè)基礎(chǔ)具有強(qiáng)大和廣泛的制氫基礎(chǔ)，2015年國(guó)內(nèi)副產(chǎn)氫（by-product production）的商用剩余量約為38萬(wàn)噸/年（圖1），是190萬(wàn)輛燃料電池車一年的燃料使用量（按每輛車年行駛兩萬(wàn)公里計(jì)算）。
中國(guó)另有198萬(wàn)噸/年的潛在專業(yè)制氫 (captive production) 產(chǎn)能可做后續(xù)氫源供應(yīng)。不考慮物流運(yùn)輸問題，上述約240萬(wàn)噸氫源供應(yīng)都無(wú)需新增資本投入。
所以，在中國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的初期階段，中國(guó)工業(yè)制氫基礎(chǔ)有能力提供充足且廉價(jià)氫氣資源。
中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能示意圖
02
煤制氫加碳捕捉技術(shù)將成為主流制氫路線
中國(guó)煤炭資源豐富且相對(duì)廉價(jià)，故將來(lái)煤制氫很有可能成為中國(guó)規(guī)?；茪涞闹饕緩健５褐茪涔に囘^程二氧化碳排放水平高，所以需要引入二氧化碳捕捉技術(shù)(Carbon Capture and Storage, CCS)，以降低碳排放。
目前二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）主要應(yīng)用于火電和化工生產(chǎn)中，其工藝過程涉及三個(gè)步驟：二氧化碳的捕捉和分離，二氧化碳的輸送，以及二氧化碳的封存（圖2）。
據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）的應(yīng)用可以減少火電廠80%-90%的二氧化碳排放量。
二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）在國(guó)際上早已被深入研究和實(shí)踐。2014年加拿大建成了世界上首個(gè)商業(yè)化的二氧化碳捕捉項(xiàng)目—邊界大壩火電廠。該項(xiàng)目在火電廠的基礎(chǔ)上整合了二氧化碳捕捉裝置，降低了發(fā)電過程中的碳排放量。
而國(guó)內(nèi)的神華集團(tuán)也早在2009年就在鄂爾多斯建設(shè)二氧化碳捕集和封存項(xiàng)目，近期神華集團(tuán)已經(jīng)在鄂爾多斯成功示范30萬(wàn)噸二氧化碳封存技術(shù)。
隨著二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）的逐步成熟，煤制氫加二氧化碳捕捉技術(shù)的制氫工藝路線也會(huì)日益清晰，將為中國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)中長(zhǎng)期發(fā)展提供充足的氫氣資源。
二氧化碳捕捉技術(shù)（CCS）示意圖
03
可再生能源制氫將實(shí)現(xiàn)能源的清潔生產(chǎn)與利用
國(guó)家能源局發(fā)布的《2015年度全國(guó)可再生能源電力發(fā)展監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)報(bào)告》顯示，2015年我國(guó)棄風(fēng)電量339億千瓦時(shí)（圖3），同比增加213億千瓦時(shí)，甘肅、新疆和吉林的棄風(fēng)率均超過30%；西北地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄光現(xiàn)象（圖4），甘肅棄光電量26億千瓦時(shí)、棄光率31%，新疆棄光電量18億千瓦時(shí)、棄光率26%。
西南地區(qū)棄水現(xiàn)象也同樣嚴(yán)重，四川棄水電量達(dá)到102億千瓦時(shí)，云南棄水電量152.6億千瓦時(shí)。
據(jù)此推算，2015年我國(guó)至少有642億千萬(wàn)時(shí)的可再生能源沒有利用。如這些可再生能源用來(lái)電解制氫，則可以制備160.5億立方米的氫氣（按照制備每立方米氫氣耗費(fèi)4度電來(lái)計(jì)算）。
2015年全國(guó)風(fēng)電限制出力（停機(jī)）情況
2015年全國(guó)光伏發(fā)電限制出力（停機(jī)）情況
目前棄光、棄風(fēng)和棄水發(fā)電的成本價(jià)格為0.15元/度，據(jù)此計(jì)算出的電解水制氫成本為1.5元/立方米，這已經(jīng)遠(yuǎn)低于利用上網(wǎng)電電解水制氫的成本，且與化石燃料（煤、焦炭和天然氣）制氫的成本上限接近（表1）。
所以，未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)一旦取得突破，新能源支持的大規(guī)模電解水制氫的市場(chǎng)份額將出現(xiàn)增長(zhǎng)，氫能成本也會(huì)進(jìn)一步降低。
制氫成本對(duì)比
氫能在能源市場(chǎng)的多種應(yīng)用場(chǎng)景將降低氫能的整體使用成本
目前市場(chǎng)對(duì)氫能使用存在一個(gè)明顯的誤區(qū)，即將氫能的應(yīng)用范圍局限于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域這一單一應(yīng)用場(chǎng)景，由此而擔(dān)憂氫能基礎(chǔ)設(shè)施投入開銷巨大，且使用成本高昂。
事實(shí)上，氫能作為儲(chǔ)能介質(zhì)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個(gè)領(lǐng)域，促使能源供應(yīng)端融合，提升能源使用效率，其應(yīng)用模式可以抽象為以下三個(gè)方面：
01
電能到電能的轉(zhuǎn)換
電解制氫實(shí)現(xiàn)電能向氫能的轉(zhuǎn)化，必要時(shí)氫能可通過燃料電池再次轉(zhuǎn)化為電能。
02
電能到燃?xì)獾霓D(zhuǎn)換
電解制氫后，將氫氣直接混入天然氣管道，或者合成甲烷后混入天然氣管道；混合天然氣在終端作為燃料提供熱能。
03
電能到燃料的轉(zhuǎn)換
電解制氫后，氫氣作為燃料電池車的燃料，為汽車提供動(dòng)力。
而氫能作為能源載體的具體應(yīng)用模式涉及新能源制氫補(bǔ)充發(fā)電、燃料電池汽車、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。
所以氫能的應(yīng)用場(chǎng)景具有很強(qiáng)的多樣性，如未來(lái)能夠形成電力、供熱和燃料相互交叉的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，將大幅降低其使用成本。
氫能作為儲(chǔ)能介質(zhì)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個(gè)領(lǐng)域
應(yīng)用一：傳統(tǒng)石油化工生產(chǎn)的原材料
中國(guó)目前年產(chǎn)氫氣2000萬(wàn)噸，其中50%用于石油和煤化工領(lǐng)域，45%用于合成氨。所以中國(guó)對(duì)于氫氣的應(yīng)用主要集中在石化生產(chǎn)領(lǐng)域，即氫氣的傳統(tǒng)使用領(lǐng)域（表2）。
在這些生產(chǎn)過程中，氫氣是直接參與反應(yīng)的原材料。相對(duì)于傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，氫能在新能源方面的應(yīng)用份額很低，說(shuō)明中國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展還處于萌芽階段。
氫氣的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
應(yīng)用二：氫能可實(shí)現(xiàn)再生能源補(bǔ)充發(fā)電
近幾年，以德國(guó)為首的西歐國(guó)家正嘗試探索風(fēng)電、太陽(yáng)能電解制氫，并用天然氣管道輸送氫氣或氫氣制甲烷的氫能發(fā)展模式，即電轉(zhuǎn)氣（power to gas, P2G）模式（圖6）。
電轉(zhuǎn)氣（P2G）模式的第一步是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源產(chǎn)生的電能電解水制取氫氣。
第二步是氫氣與二氧化碳反應(yīng)制備甲烷，再通過天然氣管道與天然氣混合儲(chǔ)存運(yùn)輸；或者直接將制得的氫氣與天然氣按一定比例混合后，再通過天然氣管道進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸。
截至2016年1月，歐洲地區(qū)已經(jīng)建成了50個(gè)電轉(zhuǎn)氣（P2G）示范項(xiàng)目。
電轉(zhuǎn)氣（Powerto Gas）概念圖解
歐洲電轉(zhuǎn)氣（Powerto Gas）示范項(xiàng)目建設(shè)情況
目前中國(guó)主要城市的天然氣管道建設(shè)已經(jīng)較為完備，具有發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）的初步基礎(chǔ)。中國(guó)發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）具有多重重大意義。
一是通過發(fā)展電轉(zhuǎn)氣（P2G）可實(shí)現(xiàn)可再生能源補(bǔ)充發(fā)電。目前風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電的難點(diǎn)在于發(fā)電的波動(dòng)性。波動(dòng)的可再生能源使發(fā)電高峰和用電高峰產(chǎn)生錯(cuò)配，造成并網(wǎng)困難。
但如果波動(dòng)的可再生能源先轉(zhuǎn)化成氫能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰時(shí)，再轉(zhuǎn)化為電能，就可實(shí)現(xiàn)可再生能源補(bǔ)充發(fā)電。
二是降低氫能的儲(chǔ)運(yùn)成本。目前氫氣主要通過高壓壓縮和液化等方式儲(chǔ)存和運(yùn)輸，儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用占?xì)錃馐蹆r(jià)的40%至70%。儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用過高成為阻礙氫能推廣的一個(gè)重要原因。
如果通過現(xiàn)有天然氣管道輸送氫氣，則輸送壓力較低，且能夠連續(xù)供氣，所以氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本可以大幅降低。
三是電轉(zhuǎn)氣（P2G）的應(yīng)用能夠提高可再生能源在中國(guó)能源消費(fèi)中的占比，減少化石燃料的使用，有助于減少污染和碳排放。
應(yīng)用三：以氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)可提高能源利用率
氫能不但能夠?qū)崿F(xiàn)前文所述的并網(wǎng)發(fā)電，還因其儲(chǔ)運(yùn)的機(jī)動(dòng)性，可以依托氫燃料電池技術(shù)，建立分布式能源網(wǎng)絡(luò)，做到區(qū)域或城市電力、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng)。
燃料電池自身的能源轉(zhuǎn)化效率高，且分布式能源系統(tǒng)的能源輸送距離短，以氫燃料電池為核心的能源網(wǎng)絡(luò)的能源利用率明顯高于傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)。
分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)示意圖
日本東京天然氣公司和松下公司聯(lián)合研發(fā)的家庭分布式能源系統(tǒng)Ene-Farm已經(jīng)在日本成功推廣。
該系統(tǒng)的燃料電池以天然氣管道輸送的氫氣為燃料，發(fā)電和用電地點(diǎn)相同，且發(fā)電產(chǎn)生的熱量也被用來(lái)供熱。整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率高達(dá)95%，而傳統(tǒng)天然氣發(fā)電加鍋爐供熱的能源效率僅有68.7%（圖10）。
根據(jù)東京天然氣公司和松下公司公布的數(shù)據(jù)，Ene-Farm可以減少37%的一次能源使用量和49%的二氧化碳排放量。
氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電效率約為60% 僅低于水利發(fā)電效率
分布式的燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)，將使得整體能源轉(zhuǎn)化效率大幅提高
應(yīng)用四：燃料電池客車或成為中國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展的突破口
國(guó)外汽車生產(chǎn)廠商經(jīng)過多年技術(shù)積累，已經(jīng)為燃料電池車的商業(yè)化打下了良好基礎(chǔ)。配合靈活的銷售方案，包括美國(guó)、德國(guó)、丹麥、英國(guó)在內(nèi)的國(guó)家的燃料電池汽車，正在從概念車逐步向商業(yè)化生產(chǎn)過渡。
目前豐田Mirai、現(xiàn)代iX35以及本田Clarity燃料電池汽車已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。
傳統(tǒng)車企的燃料電池發(fā)展路徑
而燃料電池的研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步速度也在加快，預(yù)計(jì)未來(lái)2-3年內(nèi)，會(huì)有多輛概念車型步入商業(yè)化。
燃料電池汽車性能在逐步提高
而燃料電池客車因技術(shù)門檻相對(duì)較低、具有良好的宣傳推廣效應(yīng)、以及加氫站布局存在優(yōu)勢(shì)的原因，有可能成為中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展的突破口。
2015年中國(guó)燃料電池客車的訂單數(shù)量出現(xiàn)了明顯增長(zhǎng)。
2015年4月，宇通與北京億華通公司簽訂了100輛燃料電池客車合作意向書；5月福田汽車接到了有車（北京）新能源汽車租賃有限公司購(gòu)買100輛歐輝氫燃料電池電動(dòng)客車的訂單，采用北京億華通第三代氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)；6月佛山飛馳宣布簽署了28輛燃料電池客車訂單，北京億華通提供氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成。
國(guó)內(nèi)外燃料電池客車性能對(duì)比
氫能在中國(guó)能源市場(chǎng)的突破點(diǎn)在于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，政府的扶持和明晰規(guī)劃是關(guān)鍵
基礎(chǔ)建設(shè)是發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)的突破口，而政府補(bǔ)貼和明晰的發(fā)展規(guī)劃是關(guān)鍵不同于其他新能源，氫能經(jīng)濟(jì)的中間環(huán)節(jié)至關(guān)重要。
以加氫站為例，其前期投資巨大，單個(gè)產(chǎn)業(yè)和個(gè)體企業(yè)無(wú)法獨(dú)立承擔(dān)。據(jù)IEA的估計(jì)，加氫站的累計(jì)現(xiàn)金流在加氫站運(yùn)營(yíng)后的10-15年都處于負(fù)值。
為了確保氫能經(jīng)濟(jì)在發(fā)展初期能夠順利開展，德國(guó)和日本的政府部門都為氫能經(jīng)濟(jì)制定了清晰、周密的發(fā)展方針，并提供全面的政策及資金支持。
而目前中國(guó)政府對(duì)氫能經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)貼主要集中在加氫站建設(shè)和燃料電池車的銷售環(huán)節(jié)：
a. 每建設(shè)一個(gè)加氫站的國(guó)家補(bǔ)貼為400萬(wàn)元；
b. 每銷售一輛燃料電池商用車最高可獲得50萬(wàn)元的地方補(bǔ)貼和50萬(wàn)元的國(guó)家補(bǔ)貼。
如沒有政府支持，加氫站累計(jì)現(xiàn)金流長(zhǎng)期處于負(fù)區(qū)間
德國(guó)模式：自上而下
德國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)走的是一條由上至下的發(fā)展道路。首先重點(diǎn)發(fā)展P2G模式，以期盡快為下游氫能應(yīng)用提供便捷的基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)而激活下游應(yīng)用場(chǎng)景。在氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局方面，德國(guó)政府采取以核心城市為中心，并依托完備的天然氣管道系統(tǒng)逐步向外延擴(kuò)展。
與此同時(shí)，德國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)資本也積極推動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和建設(shè)。德國(guó)政府牽頭成立了國(guó)家全資公司（National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology, NOW GmbH），以支持氫能經(jīng)濟(jì)的初期發(fā)展。該公司的管理層由德國(guó)聯(lián)通署、建筑與城市發(fā)展部等5個(gè)部門組成。
為推動(dòng)氫能發(fā)展項(xiàng)目的實(shí)施，NOW啟動(dòng)了NIP計(jì)劃（National Hydrogen and Fuel CellTechnology Innovation Program）。通過NIP計(jì)劃，共募集14億歐元的專項(xiàng)資金用于2007年至2016年的氫能項(xiàng)目開發(fā)。
募集資金中的7億歐元由德國(guó)政府出資，剩余資金則按項(xiàng)目合作制度由產(chǎn)業(yè)提供。除此而外，由AirLiquide，Daimler，Linde，OMV，Shell 和 Total六家氫能產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)結(jié)成了H2 Mobility 聯(lián)盟，以社會(huì)產(chǎn)業(yè)資本的身份通NOW一同支持德國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
德國(guó)其他氫能產(chǎn)業(yè)資本也全力支持氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前有約300家上下游公司（包括汽車廠商和各類配件供應(yīng)商）準(zhǔn)備投入超過20億歐元，用于推動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
德國(guó)有遍及全國(guó)的天然氣管道發(fā)展P2G有天然的優(yōu)勢(shì)
德國(guó)首先在人口密度高的地區(qū)建設(shè)氫能的基礎(chǔ)設(shè)施并逐步向外延拓展
NOW領(lǐng)頭的德國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃
日本模式：自下而上
因能源匱乏，日本很早就將氫能經(jīng)濟(jì)視為未來(lái)國(guó)家能源的發(fā)展方向，并已持續(xù)推廣氫能經(jīng)濟(jì)多年。2014年6月日本通過了新的氫能發(fā)展政策，從更廣的維度加速推進(jìn)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該政策主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：
a. 明確了當(dāng)前到2050年之間的氫能長(zhǎng)期發(fā)展路線圖；
b. 推廣氫能發(fā)電，以及氫能在叉車和船舶方面的應(yīng)用；
c. 建立廉價(jià)的氫氣系統(tǒng)，促使氫能應(yīng)用多樣化，并于2020年初步構(gòu)建國(guó)際氫能供應(yīng)鏈；
d. 在日本奧運(yùn)會(huì)上展示氫能經(jīng)濟(jì)成果。
從日本氫能經(jīng)濟(jì)三階段任務(wù)可以看出，其選擇的是自下而上的發(fā)展路徑。日本希望在前期著重普及氫能及燃料電池的下游應(yīng)用，并不斷拓展下游市場(chǎng)規(guī)模。
日本氫能經(jīng)濟(jì)路線圖
為了推進(jìn)氫能經(jīng)濟(jì)的初期發(fā)展，2014年日本提供約46億日元的財(cái)政補(bǔ)貼資金，2015年則為89億日元。這些資金將用于補(bǔ)貼50%的加氫站建設(shè)成本。
在基礎(chǔ)設(shè)施布局方面，日本與德國(guó)一樣，首先在人口密集的區(qū)域建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。日本將前期的基礎(chǔ)設(shè)施建在車輛集中且可能首先商業(yè)化的城市，并將加氫站布局在四個(gè)核心地區(qū)之間的高速公路上。
日本對(duì)加氫站的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)
日本的人口集中在，關(guān)東、名古屋、關(guān)西以及福岡地區(qū)
日本將加氫站重點(diǎn)建設(shè)在人口和車輛集中的地區(qū)
中國(guó)急需需要發(fā)展氫能
全國(guó)40%的汽車集中于東部地區(qū)，高水平的汽車保有量造成城市擁堵，加劇空氣污染。據(jù)OECD組織估算，中國(guó)大氣污染造成的死亡人數(shù)將長(zhǎng)期高于全球平均水平，中國(guó)環(huán)境壓力已接近極限。
2015年中國(guó)汽車 保有量超過200萬(wàn)輛的城市共有11個(gè)，其中東部沿海城市占7個(gè)
2016年2季度全國(guó)交通擁堵排名顯示，東部汽車保有量高的地區(qū)擁堵嚴(yán)重
在二氧化碳排放方面，中國(guó)作為《巴黎氣候變化協(xié)定》的締約國(guó)，承諾在2030年使二氧化碳排放達(dá)到峰值，并且將非化石能源在一次能源中的比重提升到20%。中國(guó)作為全球碳排放第一大國(guó)，加上以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，未來(lái)二氧化碳減排壓力巨大。
綜合上述因素，在條件成熟的情況下，中國(guó)東部發(fā)達(dá)地區(qū)將會(huì)率先開展氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展建設(shè)。
中國(guó)東部地區(qū)整體PM2.5水平遠(yuǎn)超國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（25微克/立方米）
中國(guó)大氣污染造成的死亡人數(shù)將長(zhǎng)期高于全球其他地區(qū)，中國(guó)環(huán)境已接近極限
雖然中國(guó)氫能是否成為電力一樣廣泛適用的能源載體尚有很大的不確定性，但作為融合分布式能源供應(yīng)轉(zhuǎn)換、無(wú)污染和高效靈活的能源媒介，其市場(chǎng)潛力和未來(lái)貢獻(xiàn)卻是毋庸置疑的。
中國(guó)的環(huán)境壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他國(guó)家，同時(shí)中國(guó)現(xiàn)行體制又適合高效的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和政府推動(dòng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)增速放緩，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投資發(fā)力的市場(chǎng)環(huán)境下，氫能經(jīng)濟(jì)在中國(guó)無(wú)疑具有天時(shí)地利與人和的優(yōu)勢(shì)，不可錯(cuò)失良機(jī)。
