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近日，國際能源署(IEA)發(fā)布《全球氫能評估報告2021》指出，氫能將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關鍵作用。
報告強調(diào)，氫能尤其在難減排的行業(yè)(如化工、鋼鐵、長途卡車運輸、海運和航運等行業(yè))具有重要應用潛力;全球到2030年需投資1.2萬億美元，以構(gòu)建全球氫能市場，實現(xiàn)全球凈零排放。
針對氫能未來發(fā)展，報告提出了五大戰(zhàn)略性建議——各國需要制定氫能戰(zhàn)略/路線圖;發(fā)展低碳制氫技術;推進氫能項目投資;加速技術創(chuàng)新和商業(yè)化;構(gòu)建配套的認證、標準和監(jiān)管體系。
報告要點
一、當前全球多國政府積極采取行動，推動氫能快速發(fā)展
迄今公布的氫能戰(zhàn)略顯示，幾乎所有國家對氫能在其能源系統(tǒng)中所扮演角色的認識大致相同，都強調(diào)了其對交通運輸和工業(yè)部門脫碳的重要性。具體國家氫能戰(zhàn)略布局如下表所示：
二、當前全球制氫技術正在清潔轉(zhuǎn)型，但進度較為緩慢
2020年，全球氫氣需求量達到9000萬噸，幾乎全部用于工業(yè)煉油和其他應用，且?guī)缀跬耆ㄟ^化石燃料生產(chǎn)，給全球帶來了近9億噸CO2排放量。
有跡象表明，過去5年，全球電解槽產(chǎn)能翻了一番，到2021年中旬達到300多兆瓦。目前全球正在開發(fā)的350個電解水制氫項目，到2030年將實現(xiàn)氫供應量超過800萬噸。
盡管發(fā)展顯著，但這一數(shù)字仍遠低于IEA《全球能源部門凈零排放路線圖》中設定到2050年實現(xiàn)凈零排放發(fā)展的需求，即氫氣供應量需要達到8000萬噸。
歐洲在電解槽產(chǎn)能部署方面處于全球領先地位，占全球裝機容量的40%，在歐盟和英國政府氫能戰(zhàn)略的支持下，短期內(nèi)歐洲仍將是全球最大的氫能市場。
●澳大利亞宣布將在幾年之內(nèi)趕上歐洲;
●拉丁美洲和中東地區(qū)也將部署大量電解槽;
●中國雖然起步較晚，但氫能項目建設數(shù)量正在迅速增加;
●美國近日也宣布了“氫能攻關計劃”。
目前，全球16個利用碳捕集、利用和封存(CCUS)技術制氫項目已投運，每年可生產(chǎn)70萬噸氫氣。
另外50個制氫項目正在開發(fā)中，預計到2030年，每年氫能產(chǎn)量將增加到900萬噸以上。加拿大和美國利用CCUS技術在化石燃料制氫領域處于全球領先地位，占全球產(chǎn)能的80%以上。
三、氫能應用領域正逐漸擴大
近年來，氫能在交通運輸部門應用取得較為顯著的進展。自2008年以來，由于技術進步和燃料電池汽車(FCEVs)銷量的增加，燃料電池汽車制造成本下降了70%。
在韓國、美國、中國和日本的努力下，投運的燃料電池汽車數(shù)量從2017年的7000輛增加到2021年中旬的超過4.3萬輛，增長幅度達到6倍以上。
2017年，幾乎所有的燃料電池汽車均為乘用車;而目前，五分之一為公共汽車和卡車，這表明氫燃料電池汽車可以更好地與電動汽車相競爭。
然而，燃料電池汽車部署數(shù)量仍遠低于電動汽車，后者的部署規(guī)模為1100萬輛。
鐵路、航運和海運方面使用氫基燃料的幾個示范項目正在開發(fā)，預計將為創(chuàng)造氫需求開辟新的機會。此外，在工業(yè)部門，氫是工業(yè)脫碳的一個重要支柱，盡管大多數(shù)突破性技術仍處在萌芽階段。
今年，世界上第一個利用低碳氫生產(chǎn)無碳鋼的示范項目在瑞典啟動;一個使用波動性可再生氫生產(chǎn)氨的試點項目將于2021年底在西班牙啟動;數(shù)個數(shù)萬噸氫氣產(chǎn)能規(guī)模的項目預計將在未來2-3年內(nèi)投入使用。
水泥、陶瓷和玻璃制造等工業(yè)應用中使用氫能的示范項目也在開發(fā)中。
四、具有潛在應用前景的新興制氫技術現(xiàn)狀
1、固體氧化物電解槽(SOEC)制氫技術
固體氧化物電解槽(SOEC)利用蒸汽替代水來制氫，這是與堿性水電解和質(zhì)子交換膜電解槽一個關鍵區(qū)別。由于SOEC采用陶瓷作為電解質(zhì)，因此材料成本較低。
在高溫環(huán)境下，其工作效率高達79%-84%，核能、太陽能熱、地熱以及工業(yè)余熱都可作為SOEC的熱源。
此外，SOEC可以作為燃料電池在逆反應模式下將氫能轉(zhuǎn)換成電能，這是區(qū)別于堿性質(zhì)子交換膜電解槽的另一個特點。將SOEC與儲氫設施相結(jié)合，可以為電網(wǎng)提供支撐服務，提高設備整體利用率。SOEC還可以促使水
目前，SOEC仍處于大規(guī)模應用示范階段(技術成熟度為6-7級)，通常應用于合成碳氫燃料。荷蘭Rotterdam正在開發(fā)2.6兆瓦的SOEC制氫系統(tǒng);丹麥計劃在2023年前啟動500兆瓦的SOEC制氫工廠。
2、甲烷熱解制氫技術
甲烷熱解(也稱為甲烷裂解)制氫技術是將甲烷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫和固態(tài)碳(如炭黑、石墨)的過程，此過程不會直接排放CO2。
反應需要相對較高的溫度(>800℃)，可通過傳統(tǒng)方式(如電加熱裝置)或使用等離子體來實現(xiàn)。
甲烷熱解每單位氫氣耗電量比電解制氫減少3-5倍，但該方法與甲烷蒸汽重整制氫技術相比，需要消耗更多的天然氣。
甲烷熱解制氫的轉(zhuǎn)換效率為40%-45%，但其副產(chǎn)物炭黑可用于制造橡膠、輪胎、打印油墨和塑料制品，2020年全球炭黑需求量為1600萬噸。此外，熱解生成的碳還可用于建筑材料，或替代煉鋼過程中所需的焦炭。
目前，正在開發(fā)的甲烷熱解制氫技術TRL為3-6級。
2020年美國Monolith材料公司啟動了利用等離子體高溫加熱甲烷熱解制氫工廠，并計劃建立一個商業(yè)化規(guī)模的氨生產(chǎn)工廠;
澳大利亞Hazer集團正在建造催化輔助流化床反應器示范工廠，用于將沼氣轉(zhuǎn)化為氫氣和石墨;
俄羅斯天然氣公司正開發(fā)一種基于等離子體的甲烷熱解制氫工藝;美國C-Zero公司正開發(fā)一種用于甲烷熱解的電加熱金屬熔融反應器。
3、陰離子交換膜(AEM)電解制氫技術
陰離子交換膜(AEM)電解槽結(jié)合了堿性水電解和質(zhì)子交換膜電解槽的優(yōu)點，僅使用過渡金屬催化劑(CeO2-La2O)，并不需要鉑金屬。
AEM電解槽一個關鍵的優(yōu)點是AEM為固態(tài)電解質(zhì)，避免了在堿性水電解中使用的腐蝕性電解質(zhì)。
目前，AEM技術仍處于早期研發(fā)階段(TRL為4-5級)，德國Enapter公司正在開發(fā)千瓦級AEM電解槽系統(tǒng)。
4、電氣化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氫技術
電氣化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氫是一種利用電加熱反應器代替燃氣蒸汽重整反應器的工藝。
目前，ESMR技術僅在實驗室規(guī)模進行了測試(TRL為4級)，一個正在部署的示范項目計劃將沼氣作為ESMR原料生產(chǎn)氫氣和一氧化碳，然后轉(zhuǎn)化為甲醇用于工業(yè)生產(chǎn)。
五、制氫、儲氫、運氫及氫能應用全價值鏈技術成熟度情況
氫是一種用途廣泛的燃料，可以使用各種能源(如煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)、可再生能源和核能)通過多種技術(重整、氣化、電解、熱解、水分解等)來生產(chǎn)。
制氫、儲氫、運氫及氫能應用全價值鏈技術成熟度情況如圖1和圖2所示。
圖1：制氫、儲氫、運氫過程技術成熟度
圖2：氫能終端應用各項技術成熟度
六、各國政府需加大投資，促進低碳氫生產(chǎn)以及氫能創(chuàng)新需求
目前，采取氫能戰(zhàn)略的國家已承諾資助370億美元，并聯(lián)合私營部門投資3000億美元用于氫能工業(yè)生產(chǎn)(如圖3所示)。
但要使氫能行業(yè)在2050年前實現(xiàn)凈零排放，到2030年前需投資1.2萬億美元用于低碳氫的生產(chǎn)和應用。
當前，大多數(shù)政府關注重點是生產(chǎn)低碳氫，對氫能創(chuàng)新需求關注較少。要提高低碳氫在清潔能源轉(zhuǎn)型中的作用，需要在創(chuàng)新需求方面做出努力，多國政府已宣布包括制定碳價、配額、公共采購等各種政策激勵手段，但這些措施尚未生效。
未來需加速推廣氫能創(chuàng)新需求激勵手段，大規(guī)模推進氫能項目示范部署，擴大氫能需求。
圖3：承諾目標情景和凈零排放情景中各領域氫能相關技術投資額需求(單位：十億美元)
七、未來十年低碳氫的市場競爭力將日益增強
目前，發(fā)展低碳氫的一個主要障礙是其成本遠高于化石燃料制氫成本。化石燃料制氫是世界上多數(shù)地區(qū)最具經(jīng)濟效益的方式之一。
根據(jù)各地區(qū)天然氣價格的不同，通過天然氣生產(chǎn)氫氣的平均成本為0.5-1.7美元/千克。使用CCUS技術來減少氫生產(chǎn)過程中的碳排放，將使氫生產(chǎn)成本提高到1-2美元/千克。
而當前使用可再生能源制氫成本最高，為3-8美元/千克。通過技術創(chuàng)新和增加規(guī)模，將有效降低氫氣生產(chǎn)成本。
長遠來看，根據(jù)IEA的2050凈零排放情景，可再生能源電力制氫成本可降至1美元/千克(范圍為1.0-3.0美元/千克)，在一些地區(qū)，即使沒有采用CCUS技術，太陽能光伏制氫的成本也將可以媲美天然氣制氫成本。
八、實現(xiàn)氣候承諾需采取更果斷的行動，并加強國際合作
雖然氫燃料需求量和使用范圍正不斷增加，但以目前的發(fā)展進程仍無法達到2050年實現(xiàn)凈零排放的要求。
如果目前所有宣布的氫能計劃都能實施，到2030年將實現(xiàn)如下進展——
與2050凈零排放情景中超過2億噸的氫能需求相比，目前總氫能需求將增加到1.05億噸;
低碳氫產(chǎn)量將達到1700萬噸，但這只是2050凈零排放情景中所要求的八分之一;
電解槽裝機容量將達到90吉瓦，但遠低于2050凈零排放情景中所要求的近850吉瓦;
最多可部署600萬輛燃料電池汽車，但僅為2050凈零排放情景中所要求部署規(guī)模的40%(1500萬輛燃料電池汽車)。
國際合作對加速氫能市場構(gòu)建至關重要，自2018年以來，日本一直通過氫能部長級會議引領該領域全球發(fā)展。
此后，多個國家和組織宣布了若干雙邊和多邊合作協(xié)議和倡議，包括清潔能源部長級氫能倡議、氫能創(chuàng)新使命和聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的全球氫能伙伴關系。加強倡議間的協(xié)調(diào)對避免重復工作和確保有效進展具有重要意義。
九、國際能源署對構(gòu)建全球氫能市場五大戰(zhàn)略性建議
(1)各國需要制定氫能戰(zhàn)略/路線圖。特別是氫能需求較大的國家需要制定國家氫能戰(zhàn)略/路線圖，重點設定低碳氫產(chǎn)量的具體指標;
通過刺激措施撬動更多的投資以擴大氫能市場價值，加速氫能項目部署速度，這將對利益相關方構(gòu)建低碳氫潛在市場的信心至關重要。
(2)建立激勵機制，發(fā)展低碳制氫技術以取代化石燃料。充分挖掘氫能作為清潔能源載體的潛力，一些國家/地區(qū)已經(jīng)在利用碳價來縮小可再生能源制氫與化石燃料制氫之間的成本差距，但這還遠遠不夠。
為幫助行業(yè)降低風險和提高項目生產(chǎn)效益，政府應設計透明和可預測的政策框架和金融支持計劃，如實施碳價、授權(quán)/配額、公共采購等措施。國際社會的積極參與將有助于推動氫能技術快速發(fā)展。
(3)推進氫能生產(chǎn)裝置、基礎設施和示范工廠的投資建設。在制氫領域，提升電解槽和碳捕集裝置在制氫過程中的使用率，發(fā)展氫專用基礎設施、提高氫能技術(如燃料電池和電解槽)的創(chuàng)新能力。
政府需要縮短支撐技術的審批流程，允許私人企業(yè)和投資者進行投資，加快大規(guī)模低碳氫管道建設。此外，政府通過撥款、貸款和稅收減免等措施為選定的旗艦項目提供量身定制的支撐，并建立今后的支持計劃將有助于低碳氫的推廣。
(4)加速技術創(chuàng)新，確保關鍵技術迅速實現(xiàn)商業(yè)化。持續(xù)的技術創(chuàng)新對降低用氫成本和提高氫能競爭力至關重要。
本世紀初須實現(xiàn)的商業(yè)化技術包括——在鋼鐵冶煉過程中使用氫能、利用波動性可再生能源電解水制氫用于生產(chǎn)氨氣和甲醇;在重型交通運輸中使用氫能以及在航運中使用氫能。
在這一領域，國際合作至關重要，下一步計劃在“創(chuàng)新使命”計劃中將氫能研發(fā)經(jīng)費翻倍，并利用國際能源署和先進燃料電池技術合作計劃，召集并促進國際研發(fā)和信息交流。
(5)構(gòu)建配套的標準、認證和監(jiān)管體系。氫氣作為清潔能源有望刺激新市場和價值鏈的發(fā)展，因此需要加快構(gòu)建配套的監(jiān)管框架、認證計劃和標準規(guī)范，以減少利益相關方推進氫能部署面臨的障礙，在短期內(nèi)需注重國際貿(mào)易、用氫安全、技術采用這三個領域標準的制定。
標準制定之后需進行技術認證，以確保制造商遵守國際標準，激發(fā)低碳氫使用活力。此外，一個清晰、透明和支持性的監(jiān)管框架將促進全球氫能市場快速發(fā)展。
隨著氫能需求和供應商數(shù)量的增加，以及全新的價值鏈和合作伙伴關系的出現(xiàn)，監(jiān)管體系需變得動態(tài)靈活，以適應市場演變，并保障生產(chǎn)裝置和基礎設施投資的可靠性。
最后，金融市場監(jiān)管以及國際上對環(huán)境、社會和企業(yè)的碳排放監(jiān)控將推動投資者將目光轉(zhuǎn)向包括低碳氫在內(nèi)的清潔能源領域。
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