氫能產業化發展現狀及前景分析

　　一、 氫能發展現狀

　　1. 氫氣制造現狀

　　我國制氫產能巨大，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. 氫能利用現狀

　　氫能的應用場景具有很強的多樣性，主要包括傳統化工生產領域、氫燃料電動汽車和分布式發電等領域。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業的快速發展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發電、以及應急電源的應用已接近產業化。

　　氫燃料電池汽車產業化成熟度最高，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，現代汽車 ix35 燃料電池車批產型號在韓國蔚山工廠下線，現代成為全球首個批量生產氫燃料電池車的汽車企業。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、日產和戴姆勒及福特日本)，推進燃料電池汽車的商業化。豐田的世界首款商業化燃料電池汽車 Mirai于 2014 年12 月 15 日正式上市銷售。該燃料電池汽車可在3分鐘內完成加氫，一次加氫續駛里程700km，2016年產量達到了2000輛。目前，由于燃料電池系統的成本仍然高達3萬美元，占整車成本的一半以上，導致現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電已在歐美日韓等發達國家和地區開始初步商業化，但仍然存在成本過高的問題。其中，日本的家用燃料電池發展領先于世界，截至 2015 年底，家用燃料電池熱電聯供系統“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。該系統的燃料電池以天然氣管道輸送的氫氣為燃料，發電功率為1kW，發電和用電地點相同，且發電產生的熱量也被用來供熱。整個系統的能源利用效率高達95%，而傳統天然氣發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供系統存在成本過高的問題，燃料電池熱電聯供系統成本為18000$/kW，是天然氣熱電聯供系統成本的8倍。

　　氫燃料電池備用電源已獲得商業化應用。以其具有的能源效率高、環境友好、占地面積小、質量輕、運行穩定可靠、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，已成熟商業化應用 5 年以上，應用規模達到了近萬套級，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，期間經歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運行依然穩定。

　　二、 氫能利用發展前景分析

　　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供系統等氫能終端使用設備發展的主要制約因素。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勢的原因，有可能成為中國燃料電池汽車發展的突破口。

　　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、成本需繼續下降，是規模問題。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，全球范圍內加氫站建設取得快速發展，當前全球處于運營狀態的加氫站數量為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，是實現氫儲能的有效途徑。大多數發達國家擁有廣泛的天然氣網絡，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、 氫能與電能發展關系分析

　　氫能的大規模利用可以實現從電到氣、從氣到電兩種能源形式的靈活轉換，推動電網與氣網的融合，充分利用電網的響應速度快、能源效率高的優勢和氣網利于能量存儲的優勢，可有效增加能源互聯網的協調配置能力。

　　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。可再生能源的開發和利用是未來能源利用的發展趨勢，但可再生能源的消納是制約可再生能源大規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。當可再生能源發電的波動性導致系統消納困難時，將棄風、棄光電量通過制氫的方式實現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以化石能源制氫，減少使用化石能源制氫產生的碳排放問題，促進能源生產領域的清潔替代和電能替代。

　　利用氫儲能可實現大范圍的電網調峰，提高電網配置資源的能力。相比于電化學儲能容量僅為10MWh，氫儲能容量可以達到10GWh，可實現電力的大規模儲存。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模和長時間存儲，可實現大范圍電網調峰功能，提高電網配置資源的能力。此外，啟停響應速度較快的電制氣廠站可以為電力系統提供調頻、旋轉備用、非旋轉備用等輔助服務，提高電網的安全性和穩定性。

　　氫能與電能可實現優勢互補，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。利用現有大電網和特高壓技術，可以實現將資源富集地區的清潔電力低成本、大規模、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領域、交通領域和建筑領域的能源消費端，實現氫能的高效、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，實現氫能和電能的優勢互補，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勢，可實現與純電動車的優勢互補。氫燃料電動汽車加氫速度快，續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業競爭中具有很強的競爭優勢。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交通的差異化需求，共同推動新能源汽車替代傳統燃油汽車，實現交通領域的清潔替代。