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(fēng)、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(yuǎn)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(shù)已相對成熟，年制氫能力為9億m3。利用風(fēng)電、光伏等波動電及富余水電制氫能將不能存儲的電能轉(zhuǎn)化為氫能存儲起來并應(yīng)用，既有利用提高風(fēng)、光、水等發(fā)電設(shè)備的利用率，又可為氫能應(yīng)用提供零碳?xì)湓?。我國利用棄水、棄風(fēng)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(fēng)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(yīng)用場景具有很強(qiáng)的多樣性，主要包括傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域、氫燃料電動汽車和分布式發(fā)電等領(lǐng)域。我國氫氣主要用于化工領(lǐng)域中合成氨和制甲醇。燃料電池技術(shù)氫能經(jīng)濟(jì)中的核心技術(shù)。近年來，燃料電池技術(shù)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(yīng)急電源的應(yīng)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$47/kW，大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013 年 3 月，現(xiàn)代汽車 ix35 燃料電池車批產(chǎn)型號在韓國蔚山工廠下線，現(xiàn)代成為全球首個批量生產(chǎn)氫燃料電池車的汽車企業(yè)。同年，三大車企分別與其它巨頭結(jié)盟(豐田和寶馬、本田和通用、日產(chǎn)和戴姆勒及福特日本)，推進(jìn)燃料電池汽車的商業(yè)化。豐田的世界首款商業(yè)化燃料電池汽車 Mirai于 2014 年12 月 15 日正式上市銷售。該燃料電池汽車可在3分鐘內(nèi)完成加氫，一次加氫續(xù)駛里程700km，2016年產(chǎn)量達(dá)到了2000輛。目前，由于燃料電池系統(tǒng)的成本仍然高達(dá)3萬美元，占整車成本的一半以上，導(dǎo)致現(xiàn)有的氫燃料電動汽車的成本居高不下。
以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)開始初步商業(yè)化，但仍然存在成本過高的問題。其中，日本的家用燃料電池發(fā)展領(lǐng)先于世界，截至 2015 年底，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)“ENE-FARM”的安裝量已超過15萬套，單套成本從 2009 年的4.5萬美元降至2015年的1.2萬美元。該系統(tǒng)的燃料電池以天然氣管道輸送的氫氣為燃料，發(fā)電功率為1kW，發(fā)電和用電地點(diǎn)相同，且發(fā)電產(chǎn)生的熱量也被用來供熱。整個系統(tǒng)的能源利用效率高達(dá)95%，而傳統(tǒng)天然氣發(fā)電加鍋爐供熱的能源效率僅有68.7%。目前家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)存在成本過高的問題，燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)成本為18000$/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(yīng)用。以其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長(鉛酸蓄電池的 2～10 倍)等特點(diǎn)受到應(yīng)急電源市場越來越多的青睞。將氫燃料電池應(yīng)用于應(yīng)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(yīng)用 5 年以上，應(yīng)用規(guī)模達(dá)到了近萬套級，我國三大電信運(yùn)營商已有百余套燃料電池備用電源投入使用。燃料電池應(yīng)急電源的可靠性也在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，2012 年 10 月 25 號 ElectraGen-ME 燃料電池系統(tǒng)為在受颶風(fēng)桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機(jī)服務(wù)領(lǐng)域挽回了大約50%的損失。2012 年攀業(yè)公司在中國移動開設(shè)的首個燃料電池試驗(yàn)局PBP-3000 運(yùn)營至今，期間經(jīng)歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運(yùn)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?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)等氫能終端使用設(shè)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 $/kW。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池成本有望進(jìn)一步下降，預(yù)計2020年達(dá)到40$/kW，2030年達(dá)到30$/kW。
氫燃料電池汽車實(shí)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(dǎo)入期的臨界點(diǎn)，尚未進(jìn)入S型曲線的上升期，實(shí)現(xiàn)盈利還需要5年左右，上升時點(diǎn)要到2020年~2025年，大幅提高要在2025~2030年。根據(jù)IEA的預(yù)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(dá)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(dá)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(dāng)，到2040年，達(dá)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(dāng)，2025年與傳統(tǒng)汽油車成本相當(dāng)。燃料電池客車因技術(shù)門檻相對較低、具有良好的宣傳推廣效應(yīng)、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(shè)成本高是氫燃料電池汽車推廣應(yīng)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(chǔ)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(shè)取得快速發(fā)展，當(dāng)前全球處于運(yùn)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?qū)⒔ǔ沙^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(jìn)行存儲，是實(shí)現(xiàn)氫儲能的有效途徑。大多數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有廣泛的天然氣網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)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(dāng)于36 TWh的電力)。
三、 氫能與電能發(fā)展關(guān)系分析
氫能的大規(guī)模利用可以實(shí)現(xiàn)從電到氣、從氣到電兩種能源形式的靈活轉(zhuǎn)換，推動電網(wǎng)與氣網(wǎng)的融合，充分利用電網(wǎng)的響應(yīng)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(dāng)可再生能源發(fā)電的波動性導(dǎo)致系統(tǒng)消納困難時，將棄風(fēng)、棄光電量通過制氫的方式實(shí)現(xiàn)過剩清潔能源的轉(zhuǎn)化，可以保證清潔能源的全利用?；诳稍偕茉窗l(fā)電的電解水制氫，一方面可以促進(jìn)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(jìn)能源生產(chǎn)領(lǐng)域的清潔替代和電能替代。
利用氫儲能可實(shí)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(xué)儲能容量僅為10MWh，氫儲能容量可以達(dá)到10GWh，可實(shí)現(xiàn)電力的大規(guī)模儲存。當(dāng)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(jìn)行大規(guī)模和長時間存儲，可實(shí)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(yīng)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(zhuǎn)備用、非旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)，提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。
氫能與電能可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，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(yùn)輸方式運(yùn)輸成本相對較高，不適合大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送。當(dāng)氫氣的運(yùn)輸距離超過100km時，氫氣的運(yùn)輸成本為50$/MWh，而當(dāng)輸送距離小于50km時，氫氣的運(yùn)輸成本將低于25$/MWh。利用現(xiàn)有大電網(wǎng)和特高壓技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將資源富集地區(qū)的清潔電力低成本、大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送至能源負(fù)荷中心。在能源負(fù)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(lǐng)域、交通領(lǐng)域和建筑領(lǐng)域的能源消費(fèi)端，實(shí)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)氫能和電能的優(yōu)勢互補(bǔ)，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(qiáng)的競爭優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)與純電動車的優(yōu)勢互補(bǔ)。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(qiáng)、操控習(xí)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(qiáng)的競爭優(yōu)勢。但氫燃料電動汽車配套加氫站建設(shè)成本高，適合遠(yuǎn)距離使用，可與配套充電設(shè)施靈活的純電動汽車相互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域的清潔替代。
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