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汽车产研|整合产业链资源,氢能发展需技术与商业创新并重

杨雷
2021-05-10 14:45
来源:澎湃新闻
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研究氢能的发展形势,需要从整个能源系统的变化趋势着眼。未来能源系统会怎么变化?氢能在这个系统中可以发挥哪些作用?哪些是不可替代的,哪些是可以替代的,经济竞争性如何?回答好了这些问题,才能更加清晰氢能发展的场景。这个过程中,不仅需要技术创新,也非常需要商业模式的创新。

全球大部分主要经济体都做出了本世纪中叶实现碳中和的愿景,这些国家中,英国提出到2030年碳排放降低68%,2050年达到碳中和;美国拜登政府提出将重返《巴黎协定》,2050年实现碳中和;欧盟提出到2030年碳排放减少40%,到2050年减少80-95%,并达到碳中和;德国提出到2030年碳排放减少55%,2050年减少80-95%并达到碳中和;日韩提出到2050年达到碳中和;中国提出了碳达峰和碳中和两个时间点,首先是2030年前碳排放达峰,并降低单位GDP碳排量65%(相较2005年水平),然后力争在2060年实现碳中和。总体来看,全球占GDP大概75%的经济体都做出了类似的承诺,碳中和已经成为全球发展的主要潮流。

碳中和意味着什么?按照联合国气候委员会的方法测算,中国大概2027年前后二氧化碳排放量达到峰值(约106亿吨),2035年下降到102亿吨,2035-2050年快速下降,至2060年降为约6亿吨,这样就可以通过碳汇等抵消后实现碳中和。

2020年,中国能源结构中包括可再生能源和核能在内的非化石能源占比不到16%,也就是说,现在84%以上是化石能源,到2060年,非化石能源将占到80%以上,正好是一个翻转,能源结构将发生翻天覆地的变化。

以光伏和风电为代表的清洁能源正在成为全球低碳发展的引领者,背后的推动力是什么?其根本原因在于技术进步,是低成本的高技术。例如,在阿布扎比去年最新一轮的光伏招标,最低的中标电价(LCOE)为1.35美分/kWh,相当于每度电一毛钱上网电价。中国青海的光伏招标上网电价也达到了0.24元每度,而且仍在快速下降。可以说,光伏以及陆上风电在未来几年内将会在全球大部分地区实现平价上网,在技术进步的推动下,构建以可再生能源为主体的能源体系,已经成为非常现实的愿景。

新能源为主体的新型电力系统是什么样的?

中央财经委员会第九次会议明确提出了中国要建设以新能源为主体的新型电力系统。2020年,中国可再生能源的发电量占比不到10%,而德国现代可再生能源占比已经超过50%,形成了以风、光为主的能源结构。

新型电力系统是什么样子的?可以借鉴德国的经验看一下,下面第一张图,是去年夏季,6月份德国所有不同类型发电量的出力占比,黄色部分是光伏出力,占比有时超过一半还多。深蓝色是风电,出力比变化也是很大的,因为有时候风大,有时候风小。

德国不同类型发电量出力占比(6月份)

下面这张图是冬季,今年1月份的出力情况,可以看到光伏发电量非常少,与夏天相比几乎差了一个数量级。这样的对比可以使我们清晰地看到,无论从单日还是跨季节来看,以可再生能源为主体的能源系统波动性很大,如何克服这样的波动性带来的问题将是非常大的挑战。

德国不同类型发电量出力占比(1月份)

在国际能源署做的变动性可再生能源占比的情景研究中,风电、光伏发电量占比在5%以内,通过电网调度基本就可以解决可再生能源并网问题。如果超过5%但不超过10%,称为第二阶段,需要充分挖掘发电侧现有资源的灵活性潜力,或者说是提高备用的容量,比如没有风,傍晚高峰需要电的时候,把煤电、气电或抽水蓄能启动起来弥补风光的缺口。近年来我们建设了不少新增机组,并进行了大量的火电灵活性改造,有效支撑了更高比例的风光发电量,并减少了弃风、弃光的比例。

但这基本上还是计划经济的思路,好像是水多加面,面多加水,到了一定的程度就难以为继,因为过高的系统备用容量需要巨大的投资成本,这些成本会大大抵消光伏和风电的成本优势。根据国际能源署的研究,当风光等变动性可再生能源发电量超过10%时,就需要对电力系统进行整体的升级改造,提高系统整体灵活性,其中最重要的是要把需求侧动员起来,让消费侧也能够积极响应,电网也要更加柔性。这不仅需要更加先进的技术支撑,也需要更加完善的市场机制。在这个过程中,氢能作为一种便于储存和运输的能源介质,将发挥其它能源品类难以替代的作用,尤其是在进行跨季节调峰的时候,更是具有其它方式所不具备的优势。

国际能源署关于风电、光伏等发展阶段的划分

氢能发展形势

基于以上的认识,全球主要国家纷纷出台氢能发展的政策,促进相关产业发展。据不完全统计,经济占全球GDP70%以上的18个国家政府已经制定并部署氢能发展的战略。比如去年7月份,欧盟发布能源一体化战略的时候,就同步发布了氢能战略,把氢作为未来能源转型中的重要组成部分。目前看大型的氢能项目在全球方兴未艾,遍地开花。据国际能源署的统计,全球的氢气产量超过7000万吨,主要用在化工、合成氨、工业过程中,它作为能源的使用还是刚刚开始,用量微乎其微。

在能源领域,氢气除了作为燃料电池汽车上的应用,也在工业、供热、分布式发电、居民和建筑等多个场景应用,具有非常丰富和多元的前景。下图是国际氢能委员会做的氢能应用场景分析,大的领域也至少有五类,除了作为原料,其它领域都会有很快的增长,将是增量的主体。

氢能应用场景分析

但氢能产业链很长,从制氢、运输、储存、加注到使用,缺少一个环节就无法运行。比如说有了重卡,但氢供不上,或者太贵,就无法规模化发展,但也许在另外的地方,有了便宜的氢,但没有用户,却运不过来。氢的储运问题是非常关键的瓶颈,目前主要用压缩气瓶的方式,五吨的卡车只能拉几百公斤的氢,这样运输超过200公里运费比氢几乎还贵,这些问题将是氢能产业规模化发展面临的现实问题。

未来,随着可再生电力成本的下降以及大容量电解槽技术的突破,可再生能源制氢的成本将显著下降,预计未来几年使用可再生电力生产的绿氢占比将快速增长,并将具有越来越高的经济竞争性。氢和可再生能源之间的协同效应将发挥出来,可以大大增加可再生电力市场的增长潜力和覆盖范围(如工业领域),也可实现季节性储能,为可再生能源调峰。未来,在终端能源消费结构中,氢电(可再生电力)耦合协同的发展趋势将越来越明显,氢电耦合协同将进一步提升可再生能源在能源消费结构中的占比。对于难以脱碳的领域,比如工业过程,氢能也会有非常大的空间,这方面甚至是不可替代的作用。

氢能发展的一个核心装备是燃料电池,无论是为系统进行调峰,还是为交通提供动力,都需要使用燃料电池。燃料电池因为不受热机的卡诺循环效应的限制,转化效率最高可达80%,因此很多地方都把燃料电池作为最重要的产业支持方向。今天会议的主办方重塑科技就是这方面的领头企业之一。

目前中国的氢能主要还是通过燃料电池用在汽车上。国际上的应用场景要比我们更广泛一些,除了交通,还包括分布式能源、便捷式电源等,甚至在欧洲的一些地方也已经把氢作为燃料直接使用。西门子、贝克休斯等都宣布已经研发成功了可以直接燃烧氢气发电的燃气轮机,可以更加规模化的与现有的基础设施进行对接。

从长远看,氢气最好的长距离运输方式仍然是通过管道,其性价比要远超压缩和液化的方式。下面这张图是欧盟做的氢气管网规划,到2030年将建立起第一阶段长度约6,800公里的管道网络,连接各地“氢谷”。到2040年,预计氢能网络将达到23,000公里,其中75%由转换后的天然气管道组成,并通过新的管道延伸段(约占25%)进行连接。这样氢气就会像天然气一样可以运达千家万户,比如意大利国家管网公司SNAM就已经实现了输氢的示范项目,将推动氢能发展作为其能源转型的主要抓手,其CEO Marco还专门写了本氢能时代的科普书。

欧盟氢气管网规划 

我们通常认为氢能很昂贵、很珍稀,就像当初我们看天然气一样,比喻成“香水”。实际上,氢和天然气一样,当规模化发展的时候,成本就会大幅下降,今天美国的天然气比煤炭还要便宜,未来随着可再生能源规模化制氢的发展,氢能的成本也会非常低,否则很难发展起来。因此从事氢能产业,一定要有长远的眼光。

中国在促进氢能产业的发展上走在全球前列,也出台了一些推进氢能发展的政策,尤其是在地方政府层面,很多地方政府把氢能作为未来产业的重点。目前中国已经形成了氢能发展的七个产业集群,分别是西北部产业集群、京津冀产业集群、胶东半岛集群、长三角产业集群、珠三角产业集群、中部产业集群、川渝产业集群。虽然不同地区也在发挥不同的区域优势,但目前看到这些产业集群的氢能应用仍然是比较集中于交通领域,这可能主要是因为交通行业的价格承受力比较高。

氢能实现产业规模发展的前提是一定要把整个产业链打通,这样才会在发展早期阶段就有可持续发展的动力。氢能产业链非常复杂和广泛,如何能够发挥技术突破的引领作用,能够为未来奠定比较好的基础,对产业健康发展至关重要。

如果对目前如火如荼的氢能产业发展提些看法,一是要关注全产业链关键核心技术的进展,通畅的产业链才能确保氢能的可持续发展;二是技术创新与商业模式创新并重,积极探索氢能商业化发展路径,其核心也是要整合产业链的资源,并逐步丰富氢能的应用场景,目前,氢能作为工业原料和能源的协同也会有效降低风险,比如宝丰能源就在做这方面的积极尝试;三是要有更加广阔的能源视角,为促进可再生能源规模化及早布局,积极探索交通领域以外的可行模式,并寻求尽可能大的协同效应;四是在空间布局上遵循市场规律,避免“画地为牢”重复建设;五是加强与金融投资机构等利益相关方合作,同时加强国际上的交流,推进和完善标准体系建设,无论是行业标准和绿色金融的规范,都应该与国际接轨,这样才能在国际竞争中处于主动地位。

最后,我想强调的是,一定要从更高的站位和更长远的眼光来看待氢能产业的发展,并寻找切实可行的出发点和模式,才有可能抓住这一时代的机遇。在能源快速转型的时代,一定要有突破旧有框限的意识,能源革命首先是一场思想革命。

(作者杨雷系北京大学能源研究院研究员、副院长。文章据作者在4月17日北大国发院长三角论坛上的演讲速记整理而成)

    责任编辑:王琳杰
    校对:张艳
    澎湃新闻报料:021-962866
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