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阻礙綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的四大瓶頸

能源新媒發(fā)布時(shí)間:2024-10-15 14:58:41  作者:孫露

  氫能作為綠色、高效的二次能源,是全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一,發(fā)展氫能已成為加快能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的重要戰(zhàn)略選擇。綠氫是氫能利用的理想形態(tài),生產(chǎn)過(guò)程無(wú)碳排放,未來(lái)有望成為供氫主體。

  近年來(lái),在政策支持下,我國(guó)綠氫產(chǎn)能迅速增加,電解水制氫產(chǎn)能已經(jīng)占據(jù)全球已建成產(chǎn)能的60%。但是,整體來(lái)看綠氫占?xì)淠艿谋壤员容^低,綠氫產(chǎn)能擴(kuò)張仍受到成本高、效率低、關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口等因素制約。加快提升綠氫制備技術(shù)創(chuàng)新能力,降低綠氫制備成本成為當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)。

  四大瓶頸

  我國(guó)是世界第一氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),2023年中國(guó)氫氣產(chǎn)能約為3533萬(wàn)噸,占全球氫氣總產(chǎn)量的1/3以上,中國(guó)氫氣需求量占到全球約30%的市場(chǎng)份額。綠氫是氫能利用的理想形態(tài),加快擴(kuò)大綠氫產(chǎn)能,對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、加快能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。但綠氫占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的比例還比較低,2022年綠氫占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的比例僅為1%,遠(yuǎn)低于灰氫和藍(lán)氫。制約綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的主要為成本高、技術(shù)卡脖子、基礎(chǔ)設(shè)施不健全、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等方面。

  一、可再生能源發(fā)電直接制氫技術(shù)尚不成熟,降本之路道阻且長(zhǎng)

  制氫成本高、經(jīng)濟(jì)性差是制約綠氫發(fā)展的根本原因。電解水制氫是現(xiàn)階段我國(guó)制取綠氫最成熟的方式,其中堿性和PEM電解水制氫成本約為21.9和25.3元/kg,是化石能源制氫成本的2-3倍。雖然可再生能源發(fā)電成本有所下降,但是綠氫成本依舊高于灰氫、藍(lán)氫。內(nèi)蒙古作為全國(guó)可再生能源裝機(jī)量最大的省份,2023年綠氫成本也要高達(dá)21.06元/kg,在全國(guó)范圍內(nèi)最低,但仍高于灰氫和藍(lán)氫成本。高耗能和高成本導(dǎo)致電解水制氫成本高的主要原因。

  電解水制氫需要耗費(fèi)大量電能,據(jù)測(cè)算電解水制氫1千克耗電約35-55度左右,所以電解水制氫成本取決于電價(jià)的高低。堿性電解水制氫是綠氫制取最成熟和成本最低的方式,電費(fèi)成本約占?jí)A性電解水制氫總成本的80%左右,據(jù)測(cè)算,當(dāng)電費(fèi)降低至0.2元/度時(shí),電解水制氫才具有較大的經(jīng)濟(jì)推廣性。

  綠氫制取采購(gòu)的電力多以電網(wǎng)配電為主,可再生能源發(fā)電直接制氫,可以有效降低綠氫用電成本,但是由于可再生能源波動(dòng)性與制氫設(shè)備穩(wěn)定性不匹配,直接制氫技術(shù)尚不成熟。

  近年來(lái),可再生能源發(fā)電成本持續(xù)下降,2024年中國(guó)東部地區(qū)光伏發(fā)電成本低于0.25元/度,若使用可再生能源直接發(fā)電制氫,綠氫成本與天然氣制氫成本接近,經(jīng)濟(jì)性明顯提升。但是,可再生能源發(fā)電具有較強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性,電力輸出系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,很難為制氫設(shè)備提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。以風(fēng)力發(fā)電為例,日內(nèi)的功率輸出波動(dòng)范圍極大,極端情況下可在0-100%范圍內(nèi)變化,這就要求制氫系統(tǒng)與風(fēng)光等可再生能源耦合需具備較寬的功率運(yùn)行范圍和較快的啟停響應(yīng)速率。

  而當(dāng)前成本較低的堿性電解水制氫中,堿性電解槽負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為20%-100%,難以快速啟動(dòng)停止和變載。堿性電解槽使用的是物理隔膜,在使用過(guò)程中需要電流穩(wěn)定,以保證電解槽兩側(cè)壓力平衡,防止氫氣和氧氣在電解槽內(nèi)部混合導(dǎo)致爆炸。同時(shí),電解槽電流密度低,升溫慢,冷啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),若堿性隔膜在尚未達(dá)到適宜工作溫度的情況下,氫氧混合比例易失衡,存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

  可再生能源發(fā)電輸出系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,很難為制氫設(shè)備提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng),因此使用可再生能源發(fā)電直接制氫仍需解決發(fā)電功率穩(wěn)定性的問(wèn)題。PEM電解槽采用的化學(xué)隔膜,其負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到0%-120%,可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)停止和快速響應(yīng),能夠有效匹配可再生能源的間歇性、周期性特點(diǎn),但是PEM電解槽成本是堿性電解槽的4-6倍,且質(zhì)子交換膜依賴進(jìn)口,綜合性價(jià)比不高。因此,目前我國(guó)綠氫制取電力來(lái)源仍以電網(wǎng)配電為主,電費(fèi)為統(tǒng)一定價(jià),短期內(nèi)下降較為困難。

  二、綠氫制備核心技術(shù)瓶頸有待突破

  當(dāng)前,綠氫制取技術(shù)主要有電解水制氫、光解水制氫、生物質(zhì)制氫等,其中電解水制氫為現(xiàn)階段綠氫制取的主要路線,其他新型制氫技術(shù)尚處于研究發(fā)展階段,不具備大規(guī)模應(yīng)用的能力。我國(guó)以堿性電解水制氫技術(shù)為主,生產(chǎn)設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的初期階段,核心材料質(zhì)子交換膜以進(jìn)口為主,設(shè)備成本較高。AEM和SOEC目前仍在實(shí)驗(yàn)室階段,商業(yè)化程度較低。堿性電解水制氫雖然成本低、技術(shù)成熟,但是能耗高,制氫效率在60%-75%,與其他技術(shù)相比效率較低,啟停慢與可再生能源匹配度差,長(zhǎng)期來(lái)看并不是綠氫制備的最優(yōu)路徑。

  質(zhì)子交換膜制氫設(shè)備響應(yīng)快、制氫效率高,已經(jīng)成為國(guó)外主流制氫路線,我國(guó)質(zhì)子交換膜技術(shù)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家5-10年。國(guó)外綠氫以質(zhì)子交換膜電解水制氫路線為主,該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。歐洲國(guó)家在能源政策上會(huì)更加傾向于PEM路線,PEM設(shè)備響應(yīng)快,可以更好的與風(fēng)光儲(chǔ)能相匹配。由于政策的支持加上多年P(guān)EM的研發(fā),國(guó)外PEM產(chǎn)品成本與堿性電解槽的成本相差不大,堿性電解槽的投資成本平均為1200歐元/kW,PEM電解槽的平均投資成本為1400歐元/kW,但PEM電解槽性能和耐久性比堿性電解槽更具競(jìng)爭(zhēng)力。

  我國(guó)PEM電解槽在制氫功率電流密度和壽命等核心指標(biāo)與國(guó)外相比存在一定差距。目前國(guó)內(nèi)廠商電流密度為1-1.2A/cm2,海外成熟廠商電流密度為2A/cm2;根據(jù)美國(guó)DOE目標(biāo),到2030年電流密度可提升至2.5-3A/cm2。目前國(guó)內(nèi)貴金屬催化劑銥載量為2-4mg/cm2,海外成熟廠商貴金屬催化劑銥載量為1.2mg/cm2;根據(jù)美國(guó)DOE目標(biāo),到2030年銥載量0.3mg/cm2。

  國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜電解槽單槽最大制氫規(guī)模大約在260標(biāo)方/小時(shí),而國(guó)外生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜電解槽單槽最大制氫規(guī)??梢赃_(dá)到500標(biāo)方/小時(shí)。

  在基礎(chǔ)材料方面,國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性能與美國(guó)、日本等國(guó)制備的質(zhì)子交換膜存在較大差距,目前主要以進(jìn)口美國(guó)杜邦質(zhì)子交換膜為主。整體來(lái)看,國(guó)內(nèi)相比于歐洲,PEM技術(shù)路線還有5-10年左右的技術(shù)差距。

  三、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及輸氫基礎(chǔ)設(shè)施有待加強(qiáng)

  綠氫能產(chǎn)-用空間分布存在錯(cuò)配,儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及輸氫基礎(chǔ)設(shè)施有待增強(qiáng)。降低電力成本可以有效提升綠氫制備的經(jīng)濟(jì)性。從綠氫項(xiàng)目分布來(lái)看,西北地區(qū)風(fēng)光資源豐富,電費(fèi)較便宜,綠氫制取成本低,我國(guó)大部分綠氫項(xiàng)目位于西北地區(qū),2024年上半年,我國(guó)99綠氫項(xiàng)目中27個(gè)位于內(nèi)蒙古,13個(gè)位于新疆。內(nèi)蒙古是我國(guó)綠氫示范項(xiàng)目最大的省份,但是由于氫能缺乏應(yīng)用場(chǎng)景,綠氫被用于制成合成氨,用于化肥生產(chǎn)。未來(lái),伴隨著綠氫產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張,合成氨產(chǎn)量超過(guò)當(dāng)?shù)氐十a(chǎn)業(yè)的消納空間,綠氫產(chǎn)能增加會(huì)超出當(dāng)?shù)鼗ぎa(chǎn)業(yè)的原材料需求,氫氣的外輸和進(jìn)入其它產(chǎn)業(yè)將會(huì)是必然趨勢(shì)。

  我國(guó)由于缺乏輸氫管道和成熟的液氫輸送技術(shù),西北地區(qū)制氫后無(wú)法有效的輸送到西南地區(qū)。西南地區(qū)用氫場(chǎng)景多,氫源供應(yīng)緊張,若通過(guò)長(zhǎng)距離輸氫管道或成熟的液氫運(yùn)輸技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)西北可再生能源制氫,輸送至西南地區(qū)使用。當(dāng)前,我國(guó)輸氫以高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車輸送為主,長(zhǎng)管拖車輸送僅適用于運(yùn)輸距離在300km以內(nèi)、輸送量較低的場(chǎng)景,若運(yùn)輸距離從50公里提升至500公里,長(zhǎng)管拖車成本由4.3元/kg提升至17.9元/kg,氫氣成本會(huì)極大增加,因此從西北地區(qū)將氫氣輸送到西南地區(qū)無(wú)法采用長(zhǎng)管拖車輸送。長(zhǎng)距離大量輸氫采用專用管道或液體輸氫是比較經(jīng)濟(jì)的方式。

  中國(guó)大規(guī)模的純氫管道正處于示范項(xiàng)目建設(shè)初期,目前中國(guó)開(kāi)展前期設(shè)計(jì)工作的氫氣管道里程共計(jì)1850km,各企業(yè)規(guī)劃的氫管網(wǎng)總里程約1.7萬(wàn)km,但實(shí)際使用的氫氣管道只有百公里左右。此外,由于氫氣特殊性質(zhì),通過(guò)管道輸送可能會(huì)與金屬管道發(fā)生交互作用,引發(fā)“氫脆”現(xiàn)象,當(dāng)前我國(guó)對(duì)“氫脆”機(jī)理研究仍處于探索和發(fā)展當(dāng)中,無(wú)法避免和防止此現(xiàn)象的發(fā)生,管道輸氫技術(shù)仍需進(jìn)一步深入研究。

  四、政策標(biāo)準(zhǔn)模糊,綠氫產(chǎn)能擴(kuò)張受到制約

  我國(guó)氫氣仍被劃歸危險(xiǎn)品管理,配套體系和安全管理辦法難以適應(yīng)氫能的能源屬性。根據(jù)我國(guó)《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》,氫氣因其易燃易爆的特性,納入?;愤M(jìn)行管理,氫氣的制備與存儲(chǔ)審批手續(xù)繁雜。多省份規(guī)定,氫氣制備必須進(jìn)入化工園區(qū),必須取得?;飞a(chǎn)許可證的同時(shí)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境、土地規(guī)模、投資標(biāo)準(zhǔn)提出較高要求,有的甚至要求就地消納,政策限制導(dǎo)致綠氫大規(guī)模生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)受到限制。目前,山東、上海等地已經(jīng)開(kāi)始探索、支持非化工園區(qū)可再生能源制氫項(xiàng)目的發(fā)展,但是全國(guó)范圍內(nèi)此類探索還比較少。綠氫相關(guān)項(xiàng)目立項(xiàng)、審批、運(yùn)營(yíng)等方面存在體制障礙,難以適應(yīng)我國(guó)發(fā)展速度較快的氫能產(chǎn)業(yè)和企業(yè)需要。

  標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)展還不能滿足氫行業(yè)快速發(fā)展的需求。盡管中國(guó)公布了涵蓋整個(gè)供應(yīng)鏈的標(biāo)準(zhǔn),但差距仍然存在,特別是在儲(chǔ)氫、輸運(yùn)氫和加氫的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面,落后于美國(guó)和日本等國(guó)家。我國(guó)依托SAC/TC342和SAC/TC309標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員分別確立并構(gòu)建的氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系,結(jié)合相關(guān)的氫能技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在推動(dòng)我國(guó)氫能技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用,但隨著材料和工藝的不斷創(chuàng)新,一些發(fā)展較快的氫能技術(shù)領(lǐng)域還存在標(biāo)準(zhǔn)滯后、薄弱,甚至是空白等問(wèn)題,制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。另外,由于氫價(jià)值鏈的復(fù)雜性,負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的行政機(jī)構(gòu)涉及到許多不同的部委,因此不能滿足綠氫等新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行快速認(rèn)證的需要。

  國(guó)家級(jí)補(bǔ)貼政策缺乏,地方補(bǔ)貼實(shí)力有限。綠氫制取以可再生能源發(fā)電為基礎(chǔ),在電解水制氫環(huán)節(jié),以內(nèi)蒙古、新疆等位代表的省市出臺(tái)了政策的電價(jià)優(yōu)惠政策,但是全國(guó)范圍的電氫耦合的激勵(lì)政策缺乏,地方補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)參差不齊且補(bǔ)貼難以落實(shí),在成本較高、商業(yè)模式不明顯、補(bǔ)貼政策缺位的情景下,綠氫生產(chǎn)與傳統(tǒng)氫能成產(chǎn)方式相比不具備競(jìng)爭(zhēng)性。我國(guó)電、碳、氫交易市場(chǎng)都只處于起步階段,電-碳-氫耦合交易市場(chǎng)的研究更是剛剛開(kāi)始,耦合市場(chǎng)缺乏系統(tǒng)性和可操作性,限制了含氫綜合能源系統(tǒng)的市場(chǎng)化運(yùn)作。

  破解路徑

  鑒于以上氫能發(fā)展的重重困境,我國(guó)應(yīng)當(dāng)在以下幾個(gè)方面做出努力。

  一是加速構(gòu)建可再生能源與氫能融合發(fā)展體系,提升綠氫供給能力。培育“風(fēng)光發(fā)電+氫儲(chǔ)能”一體化應(yīng)用模式,充分發(fā)揮氫能對(duì)可再生能源的消納和儲(chǔ)能功能,提高綠氫產(chǎn)能。國(guó)家應(yīng)加大對(duì)電氫耦合項(xiàng)目政策扶持力度,制定綠氫補(bǔ)貼價(jià)格政策,降低綠氫生產(chǎn)成本;探索制定綠氫項(xiàng)目專項(xiàng)電價(jià)政策,降低用電價(jià)格。充分利用碳交易工具,加快鋼鐵、化工等高耗能行業(yè)碳市場(chǎng)建設(shè),將綠氫與碳市場(chǎng)建設(shè)相結(jié)合,推動(dòng)綠氫在工業(yè)部門對(duì)傳統(tǒng)化石能源消費(fèi)的替代。加大對(duì)綠氫價(jià)格給予補(bǔ)貼或可再生能源消納指標(biāo)支持,制定相關(guān)政策支持綠氫副產(chǎn)品(綠氧)消納,提升綠氫項(xiàng)目附加價(jià)值。

  目前,美國(guó)、歐盟、日韓等國(guó)家和地區(qū)通過(guò)補(bǔ)貼、免稅等形式支持本國(guó)綠氫項(xiàng)目建設(shè)。歐盟推出“氫能銀行”為歐洲的可再生氫生產(chǎn)商提供10年最高4.5歐元/kg的固定溢價(jià)補(bǔ)貼;美國(guó)2022年通過(guò)的《通貨膨脹削減法案》對(duì)氫能提供長(zhǎng)達(dá)十年的生產(chǎn)稅(PTC)和投資稅(ITC)減免,其中綠氫最高能獲得3美元/kg的生產(chǎn)稅收抵免和30%的投資稅收抵免。

  二是加快氫能核心技術(shù)和關(guān)鍵材料的突破,實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控。開(kāi)展綠氫制取核心材料基礎(chǔ)研究,提升電解槽、質(zhì)子交換膜等核心設(shè)備的系統(tǒng)集成能力,盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)和關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化。加快管道、液氫、氨存儲(chǔ)等大容量、長(zhǎng)距離氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研發(fā),打造具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綠氫技術(shù)鏈條。圍繞氫能全產(chǎn)業(yè)鏈,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān),鼓勵(lì)高校與企業(yè)聯(lián)合申請(qǐng)?jiān)O(shè)立氫能源與燃料電池國(guó)家科技重大專項(xiàng),協(xié)同攻關(guān)氫能關(guān)鍵核心技術(shù)。

  三是合理配套、適度超前推動(dòng)氫能管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。充分發(fā)揮國(guó)有資本引領(lǐng)帶動(dòng)作用,通過(guò)產(chǎn)業(yè)基金、聯(lián)合投資、重點(diǎn)項(xiàng)目等模式,加大國(guó)有資本在可再生能源制氫、液氫輸送、氫能管道等重資本領(lǐng)域的前瞻性布局,破解基礎(chǔ)設(shè)施薄弱困境。堅(jiān)持需求導(dǎo)向,優(yōu)先在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好、應(yīng)用場(chǎng)景較為成熟的區(qū)域重點(diǎn)布局氫能基礎(chǔ)設(shè)施,發(fā)揮珠三角、長(zhǎng)三角、京津冀等氫能利用重點(diǎn)城市群對(duì)周邊地區(qū)的帶動(dòng)作用。

  四是加大產(chǎn)業(yè)扶持力度,做好產(chǎn)業(yè)發(fā)展保障工作。加快完善綠氫管理與標(biāo)準(zhǔn)體系。根據(jù)氫氣制取方式不同進(jìn)行分類管理,將綠氫從危險(xiǎn)化學(xué)品管理改為能源管理,出臺(tái)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,明確綠氫生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、運(yùn)用等環(huán)節(jié)的管理部門,完善綠氫管理章程和法規(guī),為綠氫大規(guī)模生產(chǎn)奠定政策基礎(chǔ)。鼓勵(lì)地方試點(diǎn),放寬對(duì)非化工業(yè)園區(qū)制氫加氫的管制。

  加快建立和完善綠氫制取技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)開(kāi)展聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究,加快構(gòu)建國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制。建立科學(xué)長(zhǎng)效的綠氫發(fā)展扶持和激勵(lì)機(jī)制,采用稅收返還、以獎(jiǎng)代補(bǔ)、融資貼息、風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償?shù)榷嘣问?,加大?duì)產(chǎn)業(yè)扶持力度,探索建立與綠氫制備匹配的長(zhǎng)期補(bǔ)貼機(jī)制,體現(xiàn)綠氫的減碳價(jià)值和清潔價(jià)值,激發(fā)綠氫發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力。

  來(lái)源:能源新媒 文/孫露 作者供職于天津國(guó)資研究院



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