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    常見問題

    全球氫能發展的四種典型模式

    文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/2/24     瀏覽次數:    

     

    當前,世界各國都在加快推進氫能產業發展,初步形成了四種典型模式,即以德國為代表的“深度減碳重要工具”模式,以日本為代表的“新興產業制高點”模式,以美國為代表的“中長期戰略技術儲備”模式和以澳大利亞為代表的“資源出口創匯新增長點”模式。

     

    氫能作為二次能源, 具有來源廣泛、適應大范圍儲能、用途廣泛、能量密度大等多種優勢。隨著氫能產業的興起, 全球迎來氫能社會發展熱潮,歐盟、日本、美國、澳大利亞、韓國等經濟體和國家均出臺相關政策,將發展氫能產業提升到國家(地區)戰略高度,一批重大項目陸續啟動,全球氫能產業市場格局進一步擴大。具體來看, 發展氫能產業是優化能源結構、推動能源轉型、保障國家能源安全的戰略選擇,是促進節能減排、應對全球氣候變化、實現綠色發展的重要途徑,是超前布局先導產業、帶動傳統產業轉型升級、培育經濟發展新動能、推動經濟高質量發展的關鍵舉措。

     

    2019年是中國氫能發展的創新之年,先進理念、技術、模式層出不窮。超過30個地方政府發布了氫能產業發展規劃/ 實施方案/ 行動計劃,相關的氫能產業園”“氫能小鎮”“氫谷項目涉及總投資額多達數千億元,氫燃料電池汽車規劃推廣數量超過10萬輛,加氫站建設規劃超過500座。中國在加快發展氫能產業的過程中,需要廣泛參考借鑒國際經驗,國際經驗的研究不應只停留在政策、措施和行動的簡單總結及歸納層面,而應該深入分析各國發展氫能背后的初衷、動機、利益格局等內容。在充分了解各國資源稟賦、產業基礎、現實需要等各方面因素的基礎上,找到發展的方向、目標、路徑、模式與政策措施之間的邏輯關系。換言之,不止要看做了什么,更要研究為什么做”“做了有什么好處等深層次問題。

     

    從不同國家發展氫能產業的出發點、側重點、著力點等方面看, 全球各國實踐大致可總結為四大類型,本文稱之為四種典型模式,即把氫能作為深度脫碳的重要工具的德國模式(法國、英國、荷蘭等國做法類似);把氫能作為新興產業制高點的日本模式(韓國做法類似);把氫能作為中長期戰略技術儲備的美國模式( 加拿大做法類似) 以及把氫能作為資源出口創匯新增長點的澳大利亞模式( 新西蘭、俄羅斯等國做法類似)。

     

    德國模式:推動深度脫碳,促進能源轉型

     

    德國能源轉型近年來暴露出越來越多的問題。首先,隨著可再生能源裝機容量和發電量的穩步提升,維護電力系統穩定性成為其頭等挑戰。2019年德國部分地區出現了電力供應中斷事故,暴露出其儲能和調度能力不足的短板。其次,為提升電力系統供應能力,德國增加了天然氣發電,但由此需要從俄羅斯等國家進口更多天然氣,導致能源對外依存度提升。最后, 能源轉型使帶來能源價格走高,能源轉型面臨越來越多的爭議。與能源轉型陷入困境一脈相承的問題是碳減排進展不如預期。德國政府已經提出了2030年比1990年減排55%的中期目標和2050年實現碳中和的長期目標,然而自2015年以來碳排放量不降反升,2018年在暖冬的幫助下才實現了轉跌。傳統減排路徑邊際效益遞減,急需開辟新途徑,挖掘更多減碳潛力。

     

    發展氫能可助力大規模消納可再生能源,并實現難以減排領域的深度脫碳。電解水制氫技術發展迅速,規模提高、響應能力增強、成本下降,使其有望成為大規模消納可再生能源的重要手段。在區域電力冗余時,通過電解水制氫將多余電力轉化為氫氣并儲存起來,從而減少棄風能”“棄光能”“棄水能等現象,降低可再生能源波動性對于電力系統的沖擊。與此同時,氫能具有高能量密度(質量密度)、電化學活性和還原劑屬性, 能夠在各種應用領域扮演萬金油角色,對難以減排領域的化石能源進行規?;娲?,實現深度脫碳目標。

     

    圍繞深度脫碳和促進能源轉型,德國創新提出了電力多元化轉換(Power-to-X)理念,致力于探索氫能的綜合應用。具體而言,在氫氣生產端,利用可再生電力能源電解水制取低碳氫燃料,從而構建規?;G色氫氣供應體系。在氫氣應用端,將綠色氫氣用于天然氣摻氫、分布式燃料電池發電或供熱、氫能煉鋼、化工、氫燃料電池汽車等多個領域?,F階段,德國政府與荷蘭等國正在開展深度合作,重點推廣天然氣管道摻氫,構建氫氣天然氣混合燃氣(HCNG) 供應網絡。其中,依托西門子等公司在燃氣輪機方面的技術優勢, 已開展了若干天然氣摻氫發電、供熱等示范項目。截至2019年年底,德國已有在建和運行的“P to G”(可再生能源制氫+天然氣管道摻氫)示范項目50個,總裝機容量超過55MW。此外,蒂森克虜伯集團已開展氫能煉鋼示范項目,預計到2022年進入大規模應用階段。

     

    日本模式:保障能源安全,鞏固產業基礎

     

    日本能源安全形勢嚴峻,急需優化能源進口格局和渠道。日本的能源結構高度倚重石油和天然氣,二者占能源消費比重高達2/3,因為國內能源資源比較匱乏,95%以上的石油和天然氣都需要進口。能源地緣政治局勢日趨復雜,斷供風險猶如達摩克利斯之劍,再加上國際能源市場價格的大起大落,都會給日本能源安全甚至經濟安全帶來沖擊。2011年福島核事故之后,日本核電發展遇到越來越多的阻力,如果實現本土棄核,意味著能源對外依賴程度還要提升。因此,日本迫切需要在當前能源消費格局中開辟新的陣地,尋找能源安全的緩沖區和減壓閥,擺脫其對于石油和天然氣的依賴。

     

    發展氫能可提升能源安全水平、分化能源供應中斷及價格波動風險。日本未來消費的氫能雖然仍需要從海外進口, 但主要來自澳大利亞、新西蘭、東南亞等國家和地區, 與中東、北非等傳統油氣來源地區形成了空間分離,進而分化了地緣政治風險。同時,石油和天然氣在價格上有較高的關聯度,兩者仍然屬于一個籃子里的雞蛋。而氫能來源廣泛,價格與油氣的關聯度不高,增加氫能進口和消費,能夠在一定程度上分化油氣價格同向波動對本國經濟的影響。此外,氫能還能夠提升本國的能源安全水平。日本是地震、海嘯、臺風等自然災害多發的地區,能源供應中斷情況經常發生。氫燃料電池汽車、家用氫燃料電池熱電聯產組件等設備在充滿氫氣或其他燃料的情況下,可維持一個家庭12天的正常能源供應。氫能終端設備的普及,還可以為日本減災工作作出貢獻。

     

    日本氫能基本戰略聚焦于車用和家用領域的應用,是產業和技術發展的必然延伸。日本在技術、材料、設備等方面擁有非常明顯的優勢, 尤其是已基本打通氫燃料電池產業鏈。經過多年耕耘,日本已在氫能領域打造出一批隱形冠軍,如東麗公司的碳纖維、川崎重工的液氫儲運技術和裝備等。據統計,日本在氫能和燃料電池領域擁有的優先權專利占全球的50%以上,并在多個關鍵技術方面處于絕對領先地位。專利技術既是日本的保護網,也是其他國家的天花板。推廣氫燃料電池汽車和家用燃料電池設備,一方面,可將過往的投入在市場上變現、獲取現金流,另一方面,還能及時獲取信息反饋,完善技術和設備,由此形成了技術促產業、產業促市場、市場促技術的良性循環和正向反饋。

     

    美國模式:儲備戰略技術,緩推實際應用

     

    美國氫能發展經歷兩起兩落,但將氫能視為重要戰略技術儲備的工作思路一直沒有改變。早在20世紀70年代,美國政府就將氫能視為實現能源獨立的重要技術路線,密集開展了若干行動和項目, 但熱度隨著石油危機影響的消退而降溫。2000年前后氫能迎來了第二個發展浪潮。2002年美國能源部(DOE)發布了《國家氫能路線圖》,構建了氫能中長期愿景,啟動了一批大型科研和示范項目,但后因頁巖氣革命和金融危機的沖擊,路線圖被擱置,不過聯邦政府對氫能相關的研發支持延續至今。

     

    在過去的10年中,美國能源部每年為氫能和燃料電池提供的支持資金從約1億美元到2.8億美元不等,根據2019年年底參議院、眾議院通過的財政撥款法案,2020年支持資金為1.5 億美元??傮w來看,在近50年的時間里,盡管有起伏,但聯邦政府將氫能視為重要戰略技術儲備的工作思路一直沒有改變,持續鼓勵科技研發使得美國能夠保持在全球氫能技術的第一梯隊。

     

    頁巖氣革命是美國氫能發展戰略被擱置的最主要原因。憑借具有經濟、清潔、低碳優勢的頁巖氣,美國已逐步實現能源獨立和轉型,而頁巖氣和氫能在應用端存在較多重合,對氫能形成了巨大的擠出效應。加州燃料電池合作伙伴組織(CaFCP)的數據顯示,美國的氫燃料電池汽車市場已陷入停滯狀態,在2019年甚至出現了12%的下滑,發展勢頭已被日韓、中國趕超。

     

    澳大利亞模式:拓寬出口渠道,推動氫氣貿易

     

    澳大利亞一直是全球最主要的資源出口國,同時資源出口也是其最重要的經濟增長引擎。根據澳大利亞聯邦礦產資源部發布的數據,2019年資源出口直接貢獻了該國GDP增長的1/3 以上。但傳統的三大件(煤炭、液化天然氣、鐵礦石)出口已現頹勢。在煤炭方面,長期以來澳大利亞在全球煤炭貿易中占比超過1/3, 主要目標市場集中在東北亞地區,然而近幾年中、日、韓相繼開展減煤控煤行動,煤炭出口前景暗淡。在鐵礦石方面,中國買走了60%以上的澳大利亞出口鐵礦石,而中國鋼鐵產量進入峰值平臺、電爐鋼比重提升,這都將拉低其對鐵礦石的需求;在液化天然氣(LNG)方面,盡管市場需求增長潛力仍然可觀,但由于國際油價暴跌,LNG出口創匯能力也被大幅削弱。據世界天然氣網站分析, 未來五年內澳大利亞LNG出口收入將持續收縮。

     

    出于經濟可持續發展考慮,澳大利亞政府急需找準新興市場需求,拓寬出口渠道。201911月,澳大利亞政府發布了《國家氫能戰略》,確定了15大發展目標、57項聯合行動,力爭到2030年成為全球氫能產業的主要參與者。打造全球氫氣供應基地是澳大利亞發展氫能的重要戰略目標。澳大利亞正積極推動與日、韓等國的氫氣貿易,簽訂氫氣供應協議,同時與相關企業開展聯合技術創新,完善氫能供應鏈,擴大供應能力、降低成本。如澳大利亞政府與氫能供應鏈技術研究協會(HySTRA,由川崎、巖谷、電力開發有限公司和殼牌石油日本分公司組成)合作組成聯合技術研究組,開展褐煤制氫、氫氣長距離輸送、液氫儲運等一系列試點項目。2019年年底川崎重工首艘液氫運輸船下水,補齊了澳大利亞和日本氫氣供應鏈最后一塊拼圖。這種貿易+ 技術創新一體化模式調動了各參與方的積極性,澳方可實現本國氫氣資源的規?;_發,川崎等企業能夠獲得成本更低的氫氣,技術研發團隊獲得了寶貴的試驗田。

     

    值得一提的是, 澳大利亞提出的低碳氫能,既包括可再生能源電解水制氫,也包括化石能源(尤其是煤炭) 制氫( 碳捕捉) 與儲運技術。雖然化石能源制氫備受爭議,但正是在煤炭出口增長乏力背景下的現實選擇。

    四個國家的氫能發展模式


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