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能源转型备受“氢”睐

时间:2021-7-18 12:07:16   作者:臧梦璐     
内容摘要:虽然氢能产业受到追捧,但是在技术、成本、安全性等多重制约下,市场空间尚不明朗

  在碳达峰、碳中和大背景下,我国氢能产业迎来全新机遇,“脱碳”成为本轮氢能产业发展第一驱动力。


能源转型备受“氢”睐


  “脱碳”为氢能产业发展提供新动力


  虽然近年来清洁能源在能源结构中占比快速上升,但煤炭和石油等化石能源占比仍高达77%左右,传统工业、能源行业面临巨大的减碳压力。氢能作为一种零碳燃料,具有来源广泛、高热值、零排放等诸多优点,被誉为“21世纪的终极能源”,是目前国际公认的最理想的能量载体和清洁能源提供者。发展氢能产业符合我国碳减排大战略,也有利于解决能源安全问题,是我国能源革命的重要媒介。


  2 0 2 1 年, 发展氢能被列入“十四五”规划和2035年远景目标纲要,23个省市自治区发布了氢能规划和指导意见。虽然新冠肺炎疫情使不少领域投资趋冷,但氢能产业的投资仍呈增长势头。2018年,我国氢燃料电池及相关领域投资为850亿元,2020年达到1600亿元。

  根据国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%的能源终端需求,创造超过2.5万亿美元的市场价值,燃料电池汽车将占据全球车辆的20%-25%,届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。根据中国氢能联盟预计,2050年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到10%,氢气需求量接近6000万吨,其中交通运输领域用氢2458万吨,约占该领域用能比例19%,燃料电池车产量达到520万辆/年。

  氢能产业链初步形成


  氢能源主产业链包括上游氢气制取、储存、运输、加注(加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注),中游燃料电池系统及零部件生产制造,下游氢燃料电池应用等众多环节。在氢能及燃料电池领域,我国已经初步形成从基础研究、应用研究到示范演示的全方位格局,布局了完整的氢能产业链。在各大央企的助推作用下,不少民营企业也纷纷入局。


  在上游产业链,氢能与传统油气、化工产业链联系密切。其中能源央企中国石化是国内最大的氢气生产企业,拥有相当数量的制氢装置,原料涉及天然气、炼厂干气等,具有氢气提纯技术基础,自主知识产权的首套高纯氢气生产示范装置首次将炼厂副产氢气提纯至99.999%,远高于99.97%的燃料电池车用氢气国家标准。

  同时,中国石化也是用氢大户,其生产的氢气用作炼厂加氢装置的配氢、聚烯烃装置的辅助原料等。目前,中国石化氢气年生产能力超350万吨,占全国氢气产量的14%左右。

  产业发展,基础设施先行,作为氢气生产和应用的中间环节,加氢站的建设数量和普及程度在很大程度上决定了氢能应用的产业化进程。中国石化副总经理凌逸群说,中国石化有3万座加油站,这些都是布局加氢站的优势,中国石化规划到2025年,利用原有3万座加油站、870座加气站,建设1000座加氢站或油氢合建站,目标是建成全国最大的加氢站网络。

  在中游,被誉为“氢能第一股”

  的上市公司北京亿华通科技股份有限公司是国内领先的氢燃料电池发动机系统研发及产业化公司,率先实现了发动机系统及燃料电池电堆的批量国产化,目前主要应用于客车、物流车等商用车型。此前,80辆搭载亿华通生产的氢燃料电池发动机系统的客车完成测试,这些客车将为2022年北京冬奥会服务。

  在下游,从氢能实际应用来看,氢燃料电池汽车是氢能高效利用的最有效途径。相较于锂电池,氢能燃料电池有两大优势:一是补能,目前绝大多数锂电池在快充条件下从低电量充至80%电量,至少需要30分钟左右,而氢燃料电池加注氢气只需要三到五分钟,基本和燃油车加油的时间相当;二是燃料电池发电效率高、能量密度大,在相同整备质量下,氢燃料电池组可以获得更高的续航里程。

  当下,我国燃料电池汽车已进入商业化初期,发展初具规模,主要应用于公交客车及商用运输领域,从长远看将逐渐向长途、重型商用车领域倾斜。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》指出,在商用车领域,2030年燃料电池商用车销量将达到36万辆,占商用车总销量的7%(乐观情景将达到72万辆,占商用车总销量13%);2050年销量有望达到160万辆,占比37%(乐观情景下销量300万辆,占比70%以上)。

  同时,上汽、广汽和长城这些乘用车企业在研发端也开始发力,打造氢燃料电池乘用车。3月29日,民营企业长城汽车率先发布了氢能战略,并正式公布了车规级氢动力解决方案——氢柠技术。按照规划,基于氢柠技术打造的首款C级燃料电池SUV将于今年正式亮相。这是继丰田、现代集团之后,我国自主品牌研发、生产、制造的氢燃料电动车。

  燃料电车的研发和应用也得到了国家的大力支持。2020年9月,财政部、工业和信息化部、科技部等5部门联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,明确燃料电池汽车示范期间,将采取“以奖代补”方式,对入围示范的城市群按照其目标完成情况给予奖励。在4年补贴扶持期间,补贴后燃料电池汽车基本实现对标燃油车平价,刺激市场化整车采购需求,推动产业迈出规模化第一步,进入降本放量的良性循环,加速平价阶段的到来。

  氢能产业能走多远?

  尽管氢能产业在我国风生水起,但应认识到,目前,国内氢能产业发展仍处于起步阶段,面临技术、成本、安全性等多方面难题。


能源转型备受“氢”睐

氢燃料电池客车


  2020年12月,中国氢能联盟发布《低碳氢、清洁氢与可再生能源氢的标准与评价》,对氢的标准进行了量化。结果显示,我国不管在氢的生产还是使用上,主力仍在工业领域,相较于全球范围内天然气制氢的主要方式,我国氢来源仍是高碳的化石能源。这就意味着,其生产过程中不可避免会产生一定量的二氧化碳,如果不能对二氧化碳进行有效封存,碳减排效果将会大打折扣。同时,作为二次能源的氢能,在化石能源等一次能源转化为氢能的过程中,能量损耗同样不可避免。未来,“可再生能源+水电解制氢”有望成为大规模制氢发展趋势,但目前国内还不具备相应成熟的技术手段。此外,在成本无法大幅度降低的前提下,未来,风电、光伏等可再生能源电解水制氢的竞争性仍不明朗。中国氢能联盟专家委员会主任余卓平分析,如果到2025年我国风电、光伏的新增装机发电成本降低到0.3元/千瓦时,可再生能源电解水制氢成本将降到约25元/千克,能够与天然气制氢进行竞争。等2030年可再生能源发电成本降低到0.2元/千瓦时后,电解水制氢成本将低至15元/千克,可以与现在化石能源加上碳捕集技术制氢的价格进行竞争。

  加氢站的建设数量和普及程度,在很大程度上决定了氢燃料电池汽车的产业化进程。从加氢站的营运模式来看,能否盈利主要取决于运营成本(氢气的价格)、投资额(设备)、加氢站运行负荷(燃料电池汽车保有量)。中国加氢站氢源绝大部分来自于外供高压氢气。典型的外供氢的高压气氢加氢站投资组成中,除去土建及设备费用占据最大比例,主要是压缩机、储氢瓶、加氢和冷却系统,由于国内缺乏成熟量产的加氢站设备厂商,进口设备推高了加氢站建设成本。由于燃料电池汽车还没有实现大规模运营,目前加氢站建设成本和运营成本远远高于传统加油站、加气站。据测算,每个加氢站的建设费用高达1200万到1500万元。从全球范围内来看,政府和整车企业是加氢站建设的主体,政府补贴的幅度均超过50%.一旦失去政府补贴,加氢站能否正常运营成为未知。此外,相较于目前已经较为完备的电网体系,高成本、高投入的加氢站网要想在全国特别是中小城市、偏远地区铺开面临极大挑战。


能源转型备受“氢”睐

中国石化加氢站建设提速


  虽然氢能燃料电池的产品优势和发展前景毋庸置疑,但并没有大规模推广,目前世界上真正量产在售车型只有三款:丰田Mirai、本田Clarity以及现代Nexo.技术难度大是一方面,更重要的是没能形成上下游的产业链效应。和电动车相比,氢能源车从诞生那一天开始,就面临着巨大的困境。一是国内加氢站数量太少,使用不便。二是目前氢气市场需求量小,加氢费用居高不下。目前加氢站的加氢费用高达每千克60元到80元。而这一价格只有降到40元以下,燃料电池车才能与燃油车竞争。三是燃料电池发动机昂贵,导致燃料汽车售价是锂电池汽车的1.5倍到2倍,更是燃油车的3倍左右。

  而作为氢能源汽车研发应用的先行者,6月15日,本田宣布将在年内停产氢燃料电池车,同时,将更加关注电动汽车。这一消息无疑在氢能源燃料电池车领域掀起波澜。据了解,氢能源汽车销量并不理想是一方面原因,此外,氢气供应、储存的问题仍旧没有得到有效解决。

  虽然很多企业都在宣传氢能源技术的突破,但实际上2020年氢能源产业不断萎缩。之前被高期待的“氢能第一股”亿华通并没有因为上了科创板而提高技术变现能力。2017 年、2018 年和 2019 年,中国氢燃料电池汽车销量分别为1.272辆、1.527辆和2.737 辆。而同期新能源汽车销量分别达到77.7万辆、125.6万辆和 120.6万辆。由于氢能源车的市场空间小,亿华通实际的营收规模也非常小,即便是在史上最佳业绩的2019年,公司营收也只有5.5亿元,在上市公司中,这样的营收规模属于非常弱小的存在。2020年前三季度,由于疫情的影响,公司的营收只有1.2亿元左右,距离退市规则规定的小于1个亿的核心指标,已经不远了。

  对此,中国工程院院士衣宝廉指出,在碳中和愿景下要实现无补贴的燃料电池车商业化,就需要大幅度降低燃料电池发动机的成本、氢气成本和加氢站的建设成本。一方面,实现燃料电池关键材料和部件国产化以及批量生产,同时提高电堆的比功率,大幅度降低燃料电池发动机成本,进而降低燃料电池车成本;另一方面,大力发展可再生能源电解水制备绿氢,采用管网输送氧气使加氢成本降至每公斤30元以下,便具备与燃油车同等价格优势;最后,实现氢气压缩机、高压储氢瓶等国产化和批量生产,建立油、氢、电合建站,就可大幅度降低加氢站的建设费用。通过这些成本降低手段,率先开展对加氢站依赖度低的商用车商业化应用,同步加大加氧站建设密度后,进行乘用车示范商业化。

  此外,氢气易燃易爆、燃烧范围宽(4%—74%)、点火能量低、易对材料力学性能产生劣化,在制备、储存、运输、加注和使用过程中具有潜在的泄漏和爆炸危险,因此,氢安全是氢能应用和大规模商业化推广的重要前提之一。国外很早就开始了对氢安全的研究,许多国家成立了专门的研究机构开展氢安全研究,以期在氢能产业化过程中占据主动权和制高点。相比之下,当前我国对氢能领域的安全研究还相对滞后。

  在氢能供氢安全性方面,有研科技集团首席科学家蒋利军提出,针对当下高压供氢存在的相关风险,可通过创新氢能储运方式来解决氢能供给过程中的高风险问题,目前有研科技正在尝试研究并发展低压供氢链,利用4兆帕的低压氢气管道直接为加氢站供氢,从而消除高压供氢带来的安全隐患。但是业内人士指出,供氢的安全性提高之后,势必会减低氢能源密度,如何平衡效能与安全性的关系,是今后需要继续探讨的课题。

标签:2021年第7期 
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