氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

　　一、 氫能發(fā)展現(xiàn)狀

　　1. 氫氣制造現(xiàn)狀

　　我國制氫產(chǎn)能巨大，利用棄水、棄風、棄光制氫潛力巨大，但制氫成本太高。氫氣的主要來源包括化石燃料(煤炭、天然氣等)制氫和電解水制氫。全球氫氣生產(chǎn)48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，電解水制氫占4%。美國、歐洲和日本利用天然氣制氫的成本分別為每公斤0.9美元、2.2美元和3.2美元。我國主要利用煤制氫，2015年純度為99%以上的氫氣產(chǎn)能為700億m3，可供3000萬輛燃料電池汽車一年的使用量(每輛氫燃料電動汽車年使用氫氣2300 m3)。我國煤制氫的成本為0.55~0.83元/m3(煤價160~560元/噸)，遠低于天然氣制氫成本為0.80~1.75元/m3(天然氣價格1.5~3.5元/ m3)。

　　目前，全球安裝的電解水制氫容量為8GW。電解水制氫的成本主要取決所使用的電力成本。我國電解水制氫技術已相對成熟，年制氫能力為9億m3。利用風電、光伏等波動電及富余水電制氫能將不能存儲的電能轉化為氫能存儲起來并應用，既有利用提高風、光、水等發(fā)電設備的利用率，又可為氫能應用提供零碳氫源。我國利用棄水、棄風和棄光電量制氫潛力巨大，但制氫成本太高(見表1)。

　　表1 利用棄水、棄風和棄光制氫潛力及成本

　　*僅計算四川和云南兩省2015年的棄水電量

　　2. 氫能利用現(xiàn)狀

　　氫能的應用場景具有很強的多樣性，主要包括傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領域、氫燃料電動汽車和分布式發(fā)電等領域。我國氫氣主要用于化工領域中合成氨和制甲醇。燃料電池技術氫能經(jīng)濟中的核心技術。近年來，燃料電池技術的不斷完善帶動了以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、以及應急電源的應用已接近產(chǎn)業(yè)化。

　　氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化成熟度最高，但成本仍然較高。目前，交通用燃料電池的批量生產(chǎn)成本已由2002 年的$275/kW 降低到 2012 年的$47/kW，大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013 年 3 月，現(xiàn)代汽車 ix35 燃料電池車批產(chǎn)型號在韓國蔚山工廠下線，現(xiàn)代成為全球首個批量生產(chǎn)氫燃料電池車的汽車企業(yè)。同年，三大車企分別與其它巨頭結盟(豐田和寶馬、本田和通用、日產(chǎn)和戴姆勒及福特日本)，推進燃料電池汽車的商業(yè)化。豐田的世界首款商業(yè)化燃料電池汽車 Mirai于 2014 年12 月 15 日正式上市銷售。該燃料電池汽車可在3分鐘內(nèi)完成加氫，一次加氫續(xù)駛里程700km，2016年產(chǎn)量達到了2000輛。目前，由于燃料電池系統(tǒng)的成本仍然高達3萬美元，占整車成本的一半以上，導致現(xiàn)有的氫燃料電動汽車的成本居高不下。

　　以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達國家和地區(qū)開始初步商業(yè)化，但仍然存在成本過高的問題。其中，日本的家用燃料電池發(fā)展領先于世界，截至 2015 年底，家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)“ENE-FARM”的安裝量已超過15萬套，單套成本從 2009 年的4.5萬美元降至2015年的1.2萬美元。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)電功率為1kW，發(fā)電和用電地點相同，且發(fā)電產(chǎn)生的熱量也被用來供熱。整個系統(tǒng)的能源利用效率高達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%。目前家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)存在成本過高的問題，燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)成本為18000$/kW，是天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)成本的8倍。

　　氫燃料電池備用電源已獲得商業(yè)化應用。以其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質量輕、運行穩(wěn)定可靠、壽命長(鉛酸蓄電池的 2～10 倍)等特點受到應急電源市場越來越多的青睞。將氫燃料電池應用于應急電源的企業(yè)眾多，包括蘋果公司、微軟公司、威瑞森公司和AT&T 公司等。尤其是通信用燃料電池備用電源，已成熟商業(yè)化應用 5 年以上，應用規(guī)模達到了近萬套級，我國三大電信運營商已有百余套燃料電池備用電源投入使用。燃料電池應急電源的可靠性也在實際應用中得到了驗證，2012 年 10 月 25 號 ElectraGen-ME 燃料電池系統(tǒng)為在受颶風桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機服務領域挽回了大約50%的損失。2012 年攀業(yè)公司在中國移動開設的首個燃料電池試驗局PBP-3000 運營至今，期間經(jīng)歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運行依然穩(wěn)定。

　　二、 氫能利用發(fā)展前景分析

　　氫燃料電池價格是氫燃料電池汽車和家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)等氫能終端使用設備發(fā)展的主要制約因素。2004~2014年的10年間，燃料電池成本從124 $/kW下降到了55 $/kW。隨著技術的不斷進步，氫燃料電池成本有望進一步下降，預計2020年達到40$/kW，2030年達到30$/kW。

　　氫燃料電池汽車實現(xiàn)盈利還需5年左右。目前國外主流車企如豐田、本田、奔馳、通用、福特和寶馬等不斷推出新車型，但氫燃料電池汽車仍處于市場導入期的臨界點，尚未進入S型曲線的上升期，實現(xiàn)盈利還需要5年左右，上升時點要到2020年~2025年，大幅提高要在2025~2030年。根據(jù)IEA的預測，2020年和2030年全球氫燃料電池汽車的累計銷售量將分別達到3萬輛和800萬輛。到2050年，氫燃料電池汽車的市場占有率將達到30%。隨著氫燃料電池汽車銷量的快速增長，車輛成本迅速下降。2030年與插電式混合動力車的成本相當，到2040年，達到了常規(guī)混合動力車的成本。豐田汽車公司則計劃2020年使氫燃料電池汽車成本與混合動力汽車成本相當，2025年與傳統(tǒng)汽油車成本相當。燃料電池客車因技術門檻相對較低、具有良好的宣傳推廣效應、以及加氫站布局存在優(yōu)勢的原因，有可能成為中國燃料電池汽車發(fā)展的突破口。

　　加氫站建設成本高是氫燃料電池汽車推廣應用的主要制約因素。搭載鋰離子電池的純電動汽車的主要問題是續(xù)航里程不足。鋰離子電池的能量密度從每千克160瓦時提升到300甚至500時，是基礎材料的系統(tǒng)工程，短時間突破非常困難。而氫燃料電池汽車面臨的問題是加氫站不普及、成本需繼續(xù)下降，是規(guī)模問題。日加氫量為200kg的加氫站的投資成本約為150萬~200萬美元之間，初始投資回收期為10~15年。近年來，全球范圍內(nèi)加氫站建設取得快速發(fā)展，當前全球處于運營狀態(tài)的加氫站數(shù)量為214座。德國計劃到2023年建成400座加氫站，屆時德國高速路上每隔90km就有一座加氫站。到2025年，全球將建成超過1000座加氫站，氫燃料電池汽車的使用成本較顯著下降。

　　將氫氣加入天然氣管道進行存儲，是實現(xiàn)氫儲能的有效途徑。大多數(shù)發(fā)達國家擁有廣泛的天然氣網(wǎng)絡，這些天然氣管道為氫儲能提供了巨大的空間。例如，歐盟天然氣管道超過220萬公里，可以存儲約10億立方米天然氣。若在天然氣中混入5%氫氣，可以在現(xiàn)有天然氣管道中儲存大約15 TWh的氫氣(相當于9TWh的電力)。如果歐洲一年中使用的所有天然氣均以相同的份額混合，整個歐洲的能源系統(tǒng)中可以接納超過60 TWh的氫氣(相當于36 TWh的電力)。

　　三、 氫能與電能發(fā)展關系分析

　　氫能的大規(guī)模利用可以實現(xiàn)從電到氣、從氣到電兩種能源形式的靈活轉換，推動電網(wǎng)與氣網(wǎng)的融合，充分利用電網(wǎng)的響應速度快、能源效率高的優(yōu)勢和氣網(wǎng)利于能量存儲的優(yōu)勢，可有效增加能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)配置能力。

　　利用電解水制氫有利于可再生能源的消納和減少化石能源的使用。可再生能源的開發(fā)和利用是未來能源利用的發(fā)展趨勢，但可再生能源的消納是制約可再生能源大規(guī)模利用的主要制約因素。利用電解水制氫可以有效解決可再生能源的消納問題。當可再生能源發(fā)電的波動性導致系統(tǒng)消納困難時，將棄風、棄光電量通過制氫的方式實現(xiàn)過剩清潔能源的轉化，可以保證清潔能源的全利用。基于可再生能源發(fā)電的電解水制氫，一方面可以促進清潔能源的消納和利用，另一方面以電制氫替代傳統(tǒng)以化石能源制氫，減少使用化石能源制氫產(chǎn)生的碳排放問題，促進能源生產(chǎn)領域的清潔替代和電能替代。

　　利用氫儲能可實現(xiàn)大范圍的電網(wǎng)調(diào)峰，提高電網(wǎng)配置資源的能力。相比于電化學儲能容量僅為10MWh，氫儲能容量可以達到10GWh，可實現(xiàn)電力的大規(guī)模儲存。當峰谷電價差足夠大時，利用電解水制氫將電能以氫能的形式進行大規(guī)模和長時間存儲，可實現(xiàn)大范圍電網(wǎng)調(diào)峰功能，提高電網(wǎng)配置資源的能力。此外，啟停響應速度較快的電制氣廠站可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)頻、旋轉備用、非旋轉備用等輔助服務，提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。

　　氫能與電能可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，共同推動能源利用的清潔化。氫氣的輸送方式主要包括長管拖車、液氫罐車和管道輸送三種。上述三種氫氣運輸方式運輸成本相對較高，不適合大規(guī)模、遠距離輸送。當氫氣的運輸距離超過100km時，氫氣的運輸成本為50$/MWh，而當輸送距離小于50km時，氫氣的運輸成本將低于25$/MWh。利用現(xiàn)有大電網(wǎng)和特高壓技術，可以實現(xiàn)將資源富集地區(qū)的清潔電力低成本、大規(guī)模、遠距離輸送至能源負荷中心。在能源負荷中心，利用電解水制氫，通過氫氣罐或輸氫管道輸送至工業(yè)領域、交通領域和建筑領域的能源消費端，實現(xiàn)氫能的高效、清潔利用。綜合利用電力輸送的便捷高效，以及氫能利用的清潔、高效和高能量密度的特點，實現(xiàn)氫能和電能的優(yōu)勢互補，共同推動能源利用的清潔化。

　　與燃油汽車相比，氫燃料電動汽車具有較強的競爭優(yōu)勢，可實現(xiàn)與純電動車的優(yōu)勢互補。氫燃料電動汽車加氫速度快，續(xù)航里程長以及駕乘舒適性強、操控習慣和燃油車完全一樣，在未來新能源汽車產(chǎn)業(yè)競爭中具有很強的競爭優(yōu)勢。但氫燃料電動汽車配套加氫站建設成本高，適合遠距離使用，可與配套充電設施靈活的純電動汽車相互補充，滿足城市間和城市內(nèi)交通的差異化需求，共同推動新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，實現(xiàn)交通領域的清潔替代。