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导读: 总体看,目前我国具备一定的氢工业基础,但是仍然还是以工业原料为主。氢作为能源消费的这个市场规模还是比较小的。

在日前举办的相关峰会上,发改委能源研究所刘坚博士在发言时表示,虽然目前氢能主要应用在钢铁、化工这些工业领域,但未来它的能源化利用有非常大的前景,特别是在重型交通、季节性储能等领域。这些领域里,氢能都有其不可替代的价值。

发改委能源研究所刘坚博士演讲实录如下:

首先非常感谢主办方的邀请,来年会上跟大家一起来交流氢能方面的一些观点。首先,先给大家做一个宏观、整体的介绍,我介绍的题目是“我国氢能发展现状及前景展望”,包括氢能整个产业链现状,以及国内和国外进展的情况。最后,我也会做一些对未来氢能的展望。

我今天介绍的内容是氢能的特点,它的生产和消费的现状,主要针对国内。核心介绍的部分是氢能的技术经济性水平,特别是氢能与电能的对比,以及氢能未来发展的前景,主要集中在交通、工业、电力这几个部门。最后列举一下目前氢能发展过程中面临的主要问题和初步的政策建议。

首先向大家介绍一下目前梳理出的氢能几大特点。

氢能跟电力一样是未来支撑能源清洁化转型非常重要的能源之一。它具有清洁和低碳的作用,在使用过程中零排放,只生成水,污染物排放为零。与电能具有相似的特点,却又不同于电能,氢能有电能没有的优点。比如说,氢能的应用面更广,像一些重型的用能场景,如重型的货运车辆;氢能便于存储,特别是在长周期、大容量的储能应用场景,氢能的竞争力是高于电化学技术。此外还有一些互联媒介的作用,氢能可以通过燃烧电池实现电、热、汽之间不同状态的转换,这也是目前电力很难达到的效果。

虽然氢能具有这样的一些特点,但是也存在一些问题。目前氢能不论是技术,还是产业基础,在中国来讲的话,虽然有一定的战略规模,但是与国际最先进的水平来比,还是有一定的差距,此外,氢能的成本是比较高的,无论是初期的投资燃料电池的成本,还是在氢能的使用环节,特别是储运和加注环节,成本都还是比较高的。还有一个氢能的安全性问题,这是有较大争议性的问题。一方面认为氢能是高能量密度,易燃易爆的,另一方面认为氢能易扩散、逃逸快,安全性比较好控制。所以,未来氢能安全性的保障,是不容回避的问题。

介绍一下目前氢能的国内发展的大体结构,包括生产和消费。

生产来讲的话,目前主要的制氢方式有煤制氢、天然气制氢和工业副产氢,其中工业副产氢追溯其上游一次能源主要还是煤和天然气。因此,目前国内氢能生产还是依靠化石能源,像电解水这种制氢方式,占比是非常有限的。

消费来讲的话,氢能的消费目前主要集中在化工领域,比如说合成氨,合成甲醇、石油炼化等这些领域都会有一定的氢能消费。我们讨论比较多的,是在燃料电池汽车领域氢能的应用。目前看,该领域氢能能源化利用规模非常小。

总体看,目前我国具备一定的氢工业基础,但是仍然还是以工业原料为主。氢作为能源消费的这个市场规模还是比较小的。

但是,国内外的研究机构对未来氢能的能源化利用,特别是氢能在交通领域的应用是有非常高的预期的。氢能燃料汽车最大的优势是在于其提供了与传统燃油汽车性能相似的同时,它又能够实现与纯电动汽车相近的环境效应,所以是未来比较理想的车用能源的技术选择。因此,国际能源署对FC的市场占比有比较高的预期,还认为这三种类型的车在2050年会形成三分天下的局面。

我们为什么发展燃料电池汽车或者说氢能这样的技术,最根本的原因还是它的环境效益。

我们对比了一下新能源汽车和传统燃油汽车在不同结构下,全生命周期的排放的情况。左边这张图是基于2017年的国内的电源结构所做的结构对比。我们主要分两种情况来看燃料汽车,一种是直接利用目前电网平均的电源结构来电解水制氢,另一种是天然气车在装配来制氢。观察两种方式的全生命周期排放的结果,可以看出,国内到2017年煤电的占比到了69%的比重,对电解水制氢这种方式的全生命周期的开发还是比较高的。但是目前的纯电动汽车已经低于汽油车的排放水平了。相比各类技术,直接通过天然气重整制氢的排放水平是各类路线里面最低的。

右边这张图是煤电占比相对较低的情况下,我们认为未来风能、太阳能等这种可再生资源技术的规模会越来越大,整个上游的电源结构会越来越清洁。在这种结构下,新能源汽车特别是纯电动汽车、基于电解水制氢的燃料电池汽车,排放强度会明显的下降。未来到煤电占比20%的情况下,燃料电池电解水制氢的基础路线排放就会比汽油车的排放更低。但是还是会比纯电动汽车的综合排放更高一些,主要还是由于效率转化的问题。

燃料电池汽车不同于纯电动汽车的是,它实现了上游发电和终端用电的时间上的“分离”。因此呢,氢能比上游波动性的风能和太阳能(纯电动车技术路线)的互补能力更强。

再来看一下目前我国燃料电池汽车产业发展的现状。

还是想说一下目前主要的两类新能源汽车(纯电动和插电式)的进展速度。2018年度全国的电动汽车销量已经达到125万辆,增速是非常迅速的,占到全球新能源汽车产销量的一半以上。这是一个引领全球的发展速度。但相反,燃料电池汽车目前的发展还是处在一个比较早期的阶段,去年全国的产销量是不到两千辆,差不多是新能源汽车的千分之一或者稍微多一点的水平,还是有很大的差距。我对比了一下,这个量是2010年的电动汽车的市场规模水平。所以,相比于纯电动和插电式的电动汽车,燃料汽车的发展还是相对比较滞后,且时间比较长的。

为什么会说我们目前看到燃料电池汽车或者整个氢能产业发展速度没有那么快呢?主要是两方面原因导致的,一方面是技术适应性的问题,另一个是经济性问题。

首先来看一下技术问题,大家也看到最近几年锂电池技术的进展速度是非常快的,特别是能量密度、成本方面,进步是比较显著的。使得它在一些清洁领域里面,比如说乘用车的一些应用场景里面,竞争力快速提升。但是在一些重型的场景,比如说货车或者大型客车,纯电动车的优势会逐渐降低。燃料电池技术是把功率和能量单元进行了分离,所以在一些重型场景里面增大了它的能量装载能力,对它的成本提升相对来说比较有限的,包括他的车重的提升是比较有限的。

纯电动汽车如果要是需要更长的续航,需要装载更多的电池,使车越来越重,导致车辆效率更多的下降。但对于燃料电池来讲,增多储能的规模实际上只是增加了氢能和储罐的重量使车重不会有明显的提升,效率损失非常小。

总体来讲,目前锂电池在一些轻型移动场景里面发展速度非常快,但是未来在一些重型货运、高载重的应用领域,氢气能源具有先天的竞争优势,这是一方面。国外对未来的交通技术路线变化有一个类似的判断,比如说德国工业联合会做的预测,未来新能源汽车整体的发展速度比较快的情况下,到2050年,乘用车基本上都是纯电动汽车,氢能会占到比较小的一部分。在货运领域,技术路线组合就很丰富了。不仅仅包括电动技术,燃料电池技术也会相对占据比较高的份额。

另一方面是经济性问题,主要分为两个层面,包括投资成本和运行成本。

投资的成本主要由其关键部件的成本所决定的。这方面直接引用了能源部对锂电池和燃料电池的成本预测。两者实际上是通过不同的尺度衡量的,对锂离子电池来讲,是从能量去衡量单位价格,每千瓦时多少钱去衡量;对于燃料电池来讲,更多的是功率单元的成本比较高,往往是按千瓦去计算成本。

两者之间很难直接进行比较,所以我们采用一个动力单元,比如说是五十千瓦一小时这样的动力系统,去看两者之间的成本对比。

目前来看,燃料电池汽车的成本或说动力单元的成本,显然还是要更贵的。实际上,五十千瓦一小时这样的动力系统,锂电池差不多要六万块钱,燃料电池就要二十五万,这还是比较乐观的估计。参考美国能源部的成本下降极限预测,锂离子电池未来的成本会降到2.5万元,燃料电池的成本会下降1万块钱。锂电池和燃料电池的成本下降极限取决于材料的成本。相比之下,锂电池的上游材料约束会比较多,包括锂、钴、镍等等上游金属资源。燃料电池则没有太多的约束,除了一些少数的催化剂,且催化剂的占比在逐渐下降。所以,未来燃料电池的成本其实还是有比较大的优势的。

还有一个比较关键的问题就是氢能的运营成本,也就是整个过程中制氢、储运和使用的成本。

目前氢能的价格是取决于不同的制氢方式和不同的上游一次能源价格的。相对来说比较低的三种方式包括可再生能源制氢,煤电制氢和工业副产氢,制氢成本在10块钱左右。这三种方式都是大型集中的制氢方式,很难直接实现氢能的就地生产和就地利用,基本上都是需要储运环节的。现在看,国内氢能产业规模比较小,所以储运的成本非常贵。

参考当前师范项目来看,储运环节氢能的成本每公斤是20-25元,假设加注是10-15元,最终氢能的售价在40-50元/公斤。这个价格与汽、柴油相比,已经比较接近,但对于电力最终的全生命周期的使用成本明显更高。

未来氢能的使用环节降成本的压力相比于投资降成本来讲,其实挑战一点都不小,而且可能会成为最终的比较难啃的一个环节。为什么氢能储运成本在中间占很大的份额?一方面是因为氢能的规模比较小,另一方面是因为目前的储运技术,连技术路线都不是那么清晰。比如说,目前主要存在这几类的氢能储运的方式,包括高压储氢,液态储氢、固态储氢、有机液体储氢等等。

高压储氢是目前技术比较成熟、应用比较多的储氢路线,它有比较多的优点:它的转化效率相对比较高,充放电速度是比较快,未来结合大规模的管网,储运成本会降低。但是它一直存在一个比较大的问题——安全性的问题。

液氢能进一步提升氢能储运的能量密度,储运的效率会更高。但它涉及到制冷的环节,使得它的成本会有明显的提升。同样它也和高压储氢一样,存在安全性的隐患。

固态储氢能够很好的解决氢能储运安全性的问题,但是它的能量密度比较低,限制了现阶段在很多应用场景的。

有机液体储氢最大优势是可以利用目前的管网进行氢能的运输。安全性相对来说比较高,但是它也存在(与固态储氢类似)加氢、脱氢速度比较慢、(与液态储氢)转换效率比较低等问题。

从技术路线来看,未来可能会呈现一个不确定性的阶段,即各种技术都会占据一定应用领域。

还有一个比较大的问题,就是氢能整体的转换效率的问题。当然,这也取决于一次能源的采用。比如说化石能源,以天然气为例,氢能综合转换效率相对于电力虽然更低一些,但是差距并不大。由于氢能存在能源介质或者能源形势转换的不同,所以它的终端转换效率仍然会比较低。但是从发电到传输到最终的使用全都是电能,这样的过程电能综合的损失就会明显更小。从这个角度看,氢能的效率问题将是一个比较大的问题。

我们需要看见,实际上未来的能源系统能量只是其中的一部分。不同能源品种之间的对比,能量只是其中的一部分。另一部分的灵活性也是非常重要的。

这里简单的介绍一下未来能源转型大致的判断。左图是以目前的电力市场为例,电力市场定价的一个逻辑,基本上是相当于供求曲线。

供给曲线是不同的发电品种的运行成本排序,风、光、水、电的能量成本是非常低的,接近于零,所以它会被优先的被出清。排列下去分别是热电、纯凝、气电,成本逐渐提高形成这样的供给曲线。另外一条红色的线是需求曲线,焦点是最终的电价定价的结果。新能源占比越来越多会使得供给曲线向右移,使得焦点向下走。未来的能源市场,电力市场的电价,电能的价格是往下走的。

未来新能源的占比越来越多之后,会使得灵活性调峰这种资源的价值越来越高。右边这张图也是一个供求曲线,但是看的是灵活性资源的供求关系。这条往上走的线是不同的排序,从火电调峰成本较低的资源到最后储能这种成本比较高的资源排列,需求曲线取决于新能源占比,新能源占比越高,需求曲线就会向右移,使得定价点会比较高。

在高可再生能源渗透率的情况下,灵活性能源就会远远高于现在的水平。所以,未来电力市场里面,是能源和灵活性同时在定价,使得氢能就有除了能源之外额外的价值。国际能源署做的预测,将不同能源市场里面的应用场景以及对应的相适应的储能技术进行了对比。这张图就是长周期的季节间/季节内的储能应用场景,右边对应的就是相应的技术。通过对比,可以看到氢能利用的可行性实际上要比传统抽水蓄能和压缩空气储能来的适应性更广。

从这个角度我们做了一个初步的测算:假设2030年全国的风能和太阳能装机量达到13亿千瓦,这样的新能源发展的情景下,需要的季节性调峰的量大约是5000亿千瓦时/年,这样的量大约可制取900万吨的氢能——相对成本比较低的氢能。简单测算一下,大概可以提供4500万辆燃料电池乘用车的加氢需求。

所以,未来新能源发电所能产生季节性调峰的空间,是能足够满足交通能源清洁化或者说燃料电池汽车的需求。

最后来简单的说一下互联媒介的作用。

目前的能源系统是按照电、热、油、气这样的管网进行连接的,但是目前这几个能源网络之间彼此没有太多的联系。其实氢能是很好的中间媒介,它可以通过燃料电池技术来实现发电或者与化石燃料进行联系,包括供热。

未来氢能若能实现电、热、气管网之间的联系,我们所做的优化不仅仅是体现在各自的领域,比如说电能的优化、热网的优化,而是能源整体系统集成化的优化。所以,氢能对未来能源的转型会起到非常好的促进作用。

刚才说了很多能源化的利用,我简单来说一下对于工业部门,氢能还是一些特殊“角色”,比说氢能在很多工业里面的原料应用。在一些其他的领域,像钢铁部门,氢能源还是有很大的发展前景。虽然我们认为像电炉钢这样的方式未来占比会越来越高,但是目前主流的高炉/转炉钢在2050年之前仍会占比较多,预计到2050年仍会占到40%的左右。在这样的市场里面,氢能源还有很大的应用价值,比如说很大程度上替代高炉/转炉钢中焦炭的应用,也就是煤炭的消费。氢能可作为还原剂,来做钢铁的上游原料的应用。这样来讲,氢能可以帮助我们实现其他工业部门的一些低碳化的转型。

除此之外还有化工部门,实际上氢能可以在合成氨、乙烯、苯、烧碱等这些行业都会有很大的应用前景。特别像在合成氨应用领域里,氢能技术的渗透率未来会达到50%以上,会形成非常大的市场需求。

最后做一下总结,首先我们认为虽然目前氢能是主要应用在钢铁、化工这些工业领域,但是未来它的能源化利用还是有非常大的前景,特别是在重型交通、季节性储能。这些领域里,氢能都有其不可替代的价值。

氢能在国内的发展现状,还是存在比较多问题,相信后面的专家都会提到,我这边就点几个方面:包括氢能核心技术与国外还是有一定的差距,特别是终端燃料电池的技术方面。像一些工艺密度、寿命和成本方面,需要去进一步做一些工作。

就目前国内的示范项目来看,氢能直接面对的、需要解决的问题是储运和加注的问题,建议也是明确氢能加注站的审批流程。对氢能本身到底是作为化工燃料,还是能源的燃料,要有一个明确的定。同时也要逐步开展一些其他技术路线的示范,包括氢气管网,液氢、固态储氢、有机液体储氢的这些技术路线,同时也要做好技术方面的研发工作。

总体来看,氢能的涉及的部门比较多,包括工业、交通、电力等等不同的部门,还是建议把氢能纳入到顶层的战略规划,来协调不同部门之间的关系,来制定生产、储运、加注这些不同环节的安全和技术标准,这些需要产业方面不断去完善。

这就是我今天给大家介绍的内容,谢谢大家!

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