构建氢能产业发展的良好环境

  [中国石化报 2024-07-12]

  核心阅读
  将氢能战略价值转化为商业价值，需在规划未来发展路径、提升成本竞争力、强化基础设施建设和打造氢能科技生态体系等方面下功夫，以提高氢能产业的经济性和投资吸引力，构建良好的发展环境。
  ●冯保国
  国际能源署（IEA）近期发布的《世界能源投资报告》预测，2024年全球能源投资将首次超过3万亿美元，其中清洁能源技术和基础设施投资高达2万亿美元。尽管用于电解水制氢的投资有望增长140%，达到50亿美元，但其在清洁能源投资中的占比仅为0.25%。与此同时，根据国际能源署《全球氢能回顾2023》的数据，仅有4%的氢能项目进入最终投资决策阶段。显然，氢能虽然在构建未来清洁能源体系中备受瞩目，但在投资层面并未得到充分体现，资本对氢能未来发展的态度相对谨慎。
  氢能已成为我国战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。2024年政府工作报告明确提出加快前沿新兴氢能产业发展。全球范围内，包括中国在内的40多个国家已制定氢能战略。然而，要将氢能战略价值转化为商业价值，还需在规划未来发展路径、提升成本竞争力、强化基础设施建设和打造氢能科技生态体系等方面下功夫，以提高氢能产业的经济性和投资吸引力，构建良好的发展环境。
  规划氢能产业发展路径
  当前，氢能按制取方式可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。灰氢主要以煤炭、石油、天然气等化石燃料为原料，通过化学热解或气化生产氢气，具有经济性高、碳排放强度大的特点。目前灰氢产量约占全球氢气产量的90%以上，主要有甲烷制氢、煤制氢、甲醇制氢等方式。蓝氢是利用CCUS（碳捕集、利用与封存）技术，对灰氢制取过程中产生的二氧化碳进行处理，以有效降低制氢过程中的碳排放。但是这将增加制氢成本，而且没有从根本上改变对化石能源的依赖。
  绿氢是利用风能或太阳能等可再生清洁能源发电，以电解水的方式制取氢气，在制取过程中基本不产生温室气体，同时能够较好契合风能、太阳能发电所具有的分布式能源特性，解决了弃风、弃光问题。在绿色低碳发展背景下，绿氢被认为是氢能产业最主要的发展方式。
  紫氢与绿氢均采用电解水制氢方式，但紫氢的电力来源为核能发电。目前关于核能是否属于绿色能源，以及核电转化为氢能的经济性和能源利用效率尚存争议。金氢则是通过类似石油天然气勘探开发技术，将储藏在地下岩层中的氢气提升到地面进行净化后使用，这是地质学家近年来的新发现，尚未进入商业化开发阶段。
  氢能是清洁能源体系的重要组成部分，需加快替代化石能源制氢，并建立具有成本优势的低碳制氢商业化模式。虽然电解水制氢是未来公认的方向，但化石能源制氢在目前和未来一段时间内仍将是主流制氢方式，利用CCUS技术降低化石能源制氢的碳排放，将在行业发展中起到重要的过渡作用。在绿氢普及前，灰氢向蓝氢大规模过渡、加速CCUS技术产业化是可行且重要的过渡措施，从短期到中期来看，也是最大的产业机会之一。同时，要全面评估现有电解水制氢工艺和相关产业发展现状，以提升效率为目标，推进电解槽技术迭代，探索更具经济性的绿氢发展路径。此外，加强金氢探索，提高自然界氢的利用能力也至关重要。
  破解绿氢成本制约难题
  无论在工业领域还是能源领域，制氢成本的高低直接影响氢能发展路径的选择和未来前景。国际能源署《全球氢能回顾2023》报告显示，不同制氢方式的平准化成本存在显著差异。灰氢生产成本为每千克1～3美元，蓝氢为1.5～3.6美元，绿氢为3.4～12美元。
  即使考虑到化石能源和碳价上涨等因素，绿氢在成本上获得竞争优势仍然需要一个长期的过程。报告数据显示，在光伏发电大规模部署的情况下，到2030年，在非洲、澳大利亚、智利、中国和中东等太阳辐照好的地区，使用太阳能光伏发电制氢的生产成本有望降至每千克1.6美元。到本世纪末，在西北欧和美国等风力资源较为丰富的地区，风电制氢平准化成本有望降至每千克2.1美元以下。
  影响电解水制氢成本的主要因素包括电力成本、电解槽成本和项目建设的资本成本。其中，太阳能光伏发电成本占25%～45%，按70%的效率计算，其发电成本达到每兆瓦时20美元以下，制氢成本才有望降至每千克1美元。项目建设投资包括风电场或太阳能发电场投资、电解槽投资两部分。按照国际能源署的数据，太阳能光伏制氢路径下，加权平均资本成本每增加1个百分点，将使制氢成本每千克增加约0.2美元。在全球化背景下，如何保持绿氢行业对低成本资本的吸引力至关重要。
  此外，电解槽制氢对水资源有较强的依赖性。当前，陆上风电、光电的规模化建设主要分布在沙漠、戈壁等自然条件较为恶劣的地区，水资源相对比较缺乏，用水成本可能较高。而海上风电、光电制氢虽然水资源丰富，但海水净化成本高。水成本成为潜在的突出问题。
  因此，即使在只考虑制氢环节的情况下，氢气也难以具备低成本优势。《全球氢能回顾2023》报告指出，2022年全球氢产量9500万吨，其中炼厂工艺用氢4100万吨，工业用氢5300万吨，交通运输用氢100万吨。在工业用氢中，60%用于氨的生产，30%用于甲醇生产，10%用于钢铁冶炼。如果全部采用电解水制氢满足炼厂工艺和工业用氢的需要，意味着用氢成本将提高3倍以上。而绿氢成本居高不下，也使其在交通运输领域难以在与现有其他燃料竞争中取得优势。
  总体上看，需要系统考虑制氢成本问题，特别是要在硬件成本下降的情况下，关注融资成本、土地成本、环境保护的制度成本等软性因素的综合影响，为降低绿氢成本提供系统性保障。
  推进氢能基础设施建设
  在炼化领域，无论是自产氢气还是商购，相关的制氢装置都是作为配套项目进行系统性考虑和建设的，相应的氢气输送等基础设施均同步纳入系统建设。比如，炼油厂使用的氢气中约有80%是在现场生产的，其中约55%产自专门的制氢装置，剩余的45%则来自石脑油裂解等装置的副产品。基础设施问题主要是着眼于氢能在交通运输领域的使用，以及未来氢能区域性或国际贸易的发展。
  在交通运输领域，氢能的运输、储存和加注等基础设施需要适应氢能汽车等交通运输工具发展的需要，进行广泛的布局和系统性建设。目前，氢能汽车的发展路径仍存在诸多不确定性因素，如采用直接氢气加注、甲醇等氢能载体转化，还是其他氢能利用方式。因此，氢能基础设施的建设需要根据未来技术发展进一步确认。
  从区域或国际贸易的角度看，氢能利用基础设施要适应氢的使用方式和氢能利用的发展方向。如果考虑天然气掺氢路线，则持续优化掺氢比例，在确保安全运行的前提下，最大程度利用现有天然气管道基础设施，减少对现有设施的改造，这将有利于加快氢能利用。如果考虑氢能作为化石燃料替代使用在发电厂等领域，需依据所采取的甲醇燃烧等方式，以及运输距离、运输方式等因素，建设运输船、港口码头、存储设施、装卸设施等。若考虑纯氢用于国际贸易，需像LNG国际贸易一样考虑相应的基础设施建设。
  无论采用何种氢能利用方式，都需加强相应基础设施的系统性设计和建设。这将需要投入更大资本，建立相应的商业模式，在氢能不断扩大的应用场景和规模中，分摊和降低基础设施使用的成本，建立氢能产业发展的生态体系。
  打造技术创新生态体系
  氢能产业当前面临的发展路径、成本、基础设施体系建设等问题，都离不开技术创新的支撑。
  首先，技术创新发展的方向决定了未来氢能产业的发展路径。如果CCUS技术发展更快，能以更低的成本消除或利用化石能源制氢产生的二氧化碳，则可能大幅压缩绿氢发展的空间。反之，如果电解槽技术效率更高、投资成本更低，或风力发电和太阳能发电技术发展更快，绿氢将迎来更好的发展前景。同样，如果对自然界中氢的生成机理、运动方式和储存方式的理论认识或相应的勘探开发技术取得突破性进展，将对金氢的开发利用形成助力。
  其次，技术创新发展需要规模经济作为支撑。推进新技术的规模化应用是建立产业规模经济和技术创新良性循环的重要途径。技术创新具有高投入、高风险的特点，始终面临研发经费的充足性和来源问题。技术只有找到市场并得以运用，才能保持进步、迭代和发展。这就需要在技术创新中着眼前瞻性和实用性，积极寻找和挖掘新技术的应用场景，在技术推广应用中发展规模经济、形成盈利模式，为更多的研发投入创造条件。
  最后，技术创新发展需要建立创新生态体系。氢能作为新兴产业，所面临的技术问题是系统性，需要从建立技术创新生态体系的角度去思考创新的方向，挖掘技术链、建设研发链、优化投入链、培育人才链，形成技术创新的合力。
  总之，氢能产业发展尚处于起步阶段，应着眼于发挥氢能在未来清洁能源体系中的突出作用，从现实出发，以国家政策和国际合作为指引，坚持市场化机制，打造氢能科技创新生态体系，突出技术推动作用，建立起效率更高、成本更低的绿氢工艺路线。要加快新技术推广应用和技术迭代发展，按照规模经济的发展路径，推进氢能生产成本不断降低，提升氢能在能源体系中的竞争能力和对投资者的吸引力，并着力推进氢能利用基础设施的系统性规划和建设，在提升氢能利用便利性的同时，持续降低用氢综合成本，构建形成氢能产业发展的良性循环。