氫能在我國能源轉型中的地位和作用

氫能，能源轉型，綠氫。

      伴随新一輪工業革命，能源開發利用技術出現深刻變(biàn)革，綠色低碳成爲全球能源發展大勢。氫能作爲21世紀人類可持續發展的清潔可再生能源，目前已受到全球範圍的高度重視，在我國也受到廣泛關注。面對(duì)能源安全、環境保護等壓力，氫能有望在能源轉型過程中扮演重要角色，氫能作爲目前最具潛力的二次清潔能源在我國能源轉型中将占據重要地位。

1.我國能源體系正在向“清潔、低碳、智慧”轉型

1.1我國能源發展的主要矛盾已從供應總量不足轉變爲能源結構落後

      當前，我國能源消費總量已由“高增量、高增速”轉變(biàn)爲“低增量、低增速”，能源供需矛盾得到極大緩和。我國一次能源消費總量增長(zhǎng)情況如圖1所示：

       由圖1可以看出，2001－2017年能源消費總量增速呈台階式下降，2001－2005年的年均增速爲12.3%，2006－2010年的年均增速爲6.7%，2011－2017年的年均增速爲3.2%。能源消費增速和增量的“雙回落”也使得國内煤炭、煤電(diàn)、煉油生産(chǎn)能力出現較爲嚴重的過剩，産(chǎn)能利用率已跌落至70%甚至更低。

      由富煤缺油少氣能源禀賦條件所緻，目前我國能源結構呈“一煤獨(dú)大”的現狀。我國同其他國家一次能源消費結構對(duì)比如圖2所示。

      圖2我國同其他國家一次能源消費結構對比由圖2可以看出，通過分品種能源結構的國際對比，全球已普遍處於(yú)油氣時代，石油和天然氣消費占一次能源消費比重超過50%，而部分發達國家已開始向可再生能源時代邁進，例如德國的可再生能源占比就已超過瞭(le)15%。相比之下，我國仍處於(yú)煤炭時代，煤炭消費占比高達60%以上。

1.2能源轉型肩負保障能源安全、減少環境污染和應對氣候變化的使命

     我國能源發展正面臨著(zhe)嚴重的能源安全、環境污染和溫室氣體排放問題。能源安全方面，目前我國70%以上的石油和40%以上的天然氣依賴進口，國際地緣政治的“風吹草動”以及油氣價格波動，都會對經濟穩定運行造成沖擊；環境污染方面，我國各種主要污染物排放總量過高，二氧化硫、氮氧化物、煙（粉）塵以及可吸入顆粒物長期高居世界第一位，已經遠遠超過環境容量，環境質量總體處於(yú)曆史上最差的時期，目前全國25個省份都存在不同程度霧霾污染問題，部分城市每年出現霧霾污染達200ｄ；應對氣候變化方面，我國作爲世界第一溫室氣體排放大國，排放總量接近美國及歐盟排放總和，人均排放量将明顯超過部分歐盟國家水平，國際社會對我國的指責也越來越多。

     綜上所述，爲瞭(le)保障能源安全、減少環境污染和應對氣候變(biàn)化，以多元化、清潔化和低碳化爲特點的能源轉型已迫在眉睫。

1.3經濟合理、穩定安全和綠色低碳的“不可能三角”亟待破解

     建立多元化、清潔化和低碳化的能源供應體系是我國能源轉型的總體戰略目标，但轉型的道路是曲折的。近幾年發生在能源轉型過程中的許多問題，例如可再生能源發展遭遇瞭(le)“上網難”的問題，雖然經過燃煤機組深度調峰改造及體制機制創新，棄電現象得到瞭(le)一定的緩解，但未來可再生能源高比例發展仍然要面對消納難、接入難的問題。天然氣方面，北方供暖“煤改氣”過程中的供需脫節，導緻部分地區在採暖季“斷氣”、用戶燒不起氣等現象，嚴重影響瞭(le)經濟正常運行，也造成瞭(le)諸多負面質疑。基於(yú)此，有學者提出瞭(le)“經濟合理、穩定安全和綠色低碳”的“不可能三角”。

     爲持續推進能源轉型進程，需要重新審視整個(gè)能源系統，将供應和需求統籌(chóu)考慮，以新技術、新業态和新模式來破解“不可能三角”。

2.氫能将在能源轉型過程中扮演重要角色

2.1主要國家和研究機構都已對氫能發展表示出強烈關注

      在積極應對氣候變化背景下，到21世紀末確保實現2℃甚至1.5℃溫升控制目标，正推動全球能源供需體系向低碳化、無碳化加快轉型。主要發達國家把綠色低碳作爲保障能源安全、引領技術創新的重要方面，積極謀求新的國際競争優勢。随著(zhe)氫能應用技術發展逐漸成熟，以及全球應對氣候變化壓力的持續增大，氫能産業的發展在世界各國備受關注，氫能及燃料電池技術作爲促進經濟社會實現低碳環保發展的重要創新技術，已經在全球範圍内達成瞭(le)共識。

      截至目前，多國政府都已出台氫能及燃料電池發展戰略路線圖，日本、德國等國家更是将氫能規劃上升到國家能源戰略高度。日本政府提出瞭(le)建設“氫能社會”的宏偉戰略，於(yú)2017年12月出台《氫能源基本戰略》，旨在全球率先實現“氫社會”，以實現社會低碳發展目标和尋求日本經濟新的增長點；韓國政府将氫能作爲三大戰略投資重點之一，於(yú)2019年1月發布瞭(le)“氫能經濟發展路線圖”，明確瞭(le)面向2040年的氫能發展目标、戰略及重點任務；美國、德國等發達國家都已認識到氫能在未來能源系統乃至社會系統中的地位和作用，競相開始搶占産業鏈各個環節的技術制高點，力争使本國在此輪氫能變革中占得先機。國際氫能委員會、國際能源署、麥肯錫等研究機構，對於(yú)氫能發展的前景都普遍看好。其中，據國際氫能委員會預計，到2050年氫能可以滿足全球一次能源總需求的12%，氫能及氫能技術相關市場規模将超過2.5萬億美元。

2.2當前氫能在我國的主要應用

    氫氣的利用由來已久，但並(bìng)非是當前備受關注的交通和電力領域，而主要作爲生産原料應用於(yú)工業領域。2017年我國氫氣終端消費結構如圖3所示。

     由圖3可以看出，據莫尼塔研究分析，2017年我國氫氣消費量超過2500萬t，基本全部用於(yú)工業。其中，生産合成氨用氫占比爲37%、甲醇用氫占比爲19%、煉油用氫占比爲10%、直接燃燒占比爲15%。在合成氨和甲醇生産過程中，需要使用氫氣與氮氣或一氧化碳發生反應，而氫氣則由煤炭、天然氣等化石能源制成。在煉油過程中，需要使用氫氣對油品進行加氫裂化、加氫精制等處理，以獲得更多高附加值産品。此外在發電行業、食品加工行業、電子器械制造業等行業，也會使用氫氣作爲生産原料或保護氣。總之，工業領域主要将氫氣作爲原料來使用，而並(bìng)非能源，氫氣扮演的依舊是工業原料的角色。

2.3氫能未來将扮演的新角色

    爲瞭(le)實現我國能源系統的多元化、清潔化和低碳化轉型，氫能的發展可以從(cóng)“二次能源、能源載體、低碳原料”這3個角度切入，助推能源轉型進程。

    （1）氫氣可作爲高效低碳的二次能源。氫氣本身是一種高能源密度的二次能源（單位質量），同時也具有較強的電化學活性、可通過燃料電池進行發電。因此氫氣可應用於(yú)燃料電池汽車從而替代傳統燃油汽車，節約石油消費；也可以用於(yú)家用熱電聯産，減少電力和熱力需求；還可以直接将氫氣摻入到天然氣管網直接燃燒。此外，氫燃料電池還可被用作備用應急電源，在維護公共安全領域發揮影響力，未來随著(zhe)5G基站和大數據中心的建設，氫能備用應急電源的應用場景将進一步擴展。

    （2）氫氣可作爲靈活智慧的能源載體。通過電解水制氫技術及氫氣與其他能源品種之間的轉化，可提高可再生能源的消納、提供長(zhǎng)時間儲能、優化區域物質流和能量流，進而建立多能互補(bǔ)的能源發展新模式。圍繞氫能的多能互補(bǔ)模式示意如圖４所示。

    由圖4可以看出，在區域電力冗餘時，可通過電解水制氫将多餘電力轉化爲氫氣並(bìng)儲存起來；在電力和熱力供應不足時，氫氣可以通過電化學反應發電、熱電聯供、直接燃燒等方式來實現電網和熱網供需平衡。氫氣可以以5%～20%的比例摻(càn)入天然氣管網，成爲天然氣的替代能源，還可與二氧化碳發生烷基化反應制成甲烷。除此之外，電解水制氫可以協同生産氫氣和氧氣，後者是很好的化工原料和燃燒介質。

    （3）氫氣可作爲綠色清潔的工業原料。國際能源署、麥肯錫等機構都認爲氫能将實現工業部門的深度脫碳，主要方式爲應用氫能革新型工藝，可以大規模使用“綠氫”替代“灰氫”（即由焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業副産(chǎn)氣制取的氫）。氫氣直接還原鐵是氫能革新型工藝的典型代表，該工藝使用氫氣作爲還原劑，将鐵礦石直接還原爲海綿鐵，之後進入電爐煉鋼，從而節省瞭(le)焦炭的使用、減少瞭(le)因原料帶來的二氧化碳排放。“綠氫”替代“灰氫”是使用來自可再生能源的氫氣，來替代合成氨、甲醇生産(chǎn)過程中的化石能源制氫，進而實現深度脫碳。

2.4未來氫能将有望在工業、交通、建築等領域“多點開花”

     在加速推進能源轉型過程中，氫能将有望全面融入能源需求側的各個領域。在工業領域，氫能将從原料和能源“雙管齊下”。原料方面，氫能将廣泛應用於(yú)鋼鐵、化工、石化等行業，替代煤炭、石油等化石能源；能源方面，氫能将通過燃料電池技術進行熱電聯産，滿足分布式工業電力和熱力需求，預計2050年工業領域氫能需求将超過3500萬t；在交通領域，氫燃料電池汽車将與锂電池汽車“各司其職、各盡所長”，共同推動新能源汽車對傳統燃油汽車的替代作用，在交通領域掀起新能源變革浪潮；由於(yú)氫燃料電池汽車具有行駛裏程長、燃料加注時間短、能量密度高、耐低溫等優勢，在寒冷地區的載重貨運、長距離運輸、公共交通甚至航空航天等領域更具有推廣潛力；預計2050年交通領域氫氣需求将接近4000萬t；在建築和其他領域，家用氫燃料電池、燃料電池應急電源等技術設備(bèi)也有望實現規模化應用，預計2050年氫氣需求将接近2000萬t。

     綜上所述，2050年全社會(huì)氫氣需求或将接近1億t（折合約3.8億t标準煤）。若實現“2℃”的碳減排情景，氫能需求還(hái)将進一步增加至1.5億t水平甚至更高，增幅接近60%。

      爲瞭(le)實現氫能的大規模應用，近期（2025年）應聚焦於工業領域，圍繞石化、化工等行業的原料氫氣需求，在供需匹配、價格合理的前提下開展“綠氫”替代“灰氫”，同時探索氫燃料電池推廣模式和管理體制，推進加氫站等基礎設施建設；中期（2035年）應採用工業與交通並(bìng)重策略，在工業領域推廣氫能冶煉、氫能化工等先進技術，交通領域可大規模普及氫燃料電池重型卡車、物流車等；遠期（2050年）氫能将以全方位實現氫能社會爲目标，在工業領域實現原料、燃料“雙替代”，交通領域氫燃料電池汽車高比例應用，建築領域推廣家用氫燃料電池和分布式電源。

3氫能生産格局需面向綠色低碳變革

3.1我國氫氣主要來自化石能源，氫源需要優化

      我國目前所使用的氫氣主要來自化石能源、尤其是煤炭，氫源結構遠遠落後於(yú)發達(dá)國家、甚至低於(yú)全球平均水平。根據中國氫能标準化技術委員會提供數據，全球、日本和中國氫源結構對比如圖5所示。

      由圖5可以看出，從全球平均水平看，氫氣48%來自天然氣、30%來自醇類重整、18%來自焦爐煤氣。在氫能強國日本，本國氫氣産能中電解水制氫占63%、天然氣重整占8%、焦爐煤氣占6%，值得一提的是，日本在本國大力發展氫能應用技術的同時，也在積極尋求海外氫能供應合作商，目前已與澳大利亞、文萊等國簽署瞭氫能供應的合作協議。而我國2016年全國氫氣産量約2100萬t，其中來自煤制氫的氫氣占62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%。可見，我國的氫源結構目前仍是以煤爲主，清潔度不夠。

3.2能源轉型視角下，氫源選擇的“四要素”

      爲瞭(le)滿足未來全社會對於(yú)氫能的需求，需要從能源轉型的視角出發，從“資源供應、成本效益、能源效率、環境效益”這4個要素入手，綜合評價、統籌考慮後，對氫源進行合理選擇。

      具體而言，資源供應可理解爲适用性，包括制氫原料的可獲得性，以及氫氣供應與需求在數量、質量上的匹配程度，發展氫能不應以犧牲能源安全爲代價，同時在選擇氫源時也要考慮氫氣的供應量和純度等因素，因此适用性是氫源選擇的第一考慮因素；經濟性是指氫氣的生産成本，成本低廉是需求側使用氫能替代傳統能源時最現實考慮因素，一般情況下成本高的氫源将被排除在市場之外；能源效率是指能源投入和産出效率，這裏需要使用全生命周期評價方法，如果氫氣生産環節使用瞭(le)二次能源，則需要将二次能源生産過程的能源效率考慮在内，例如焦爐煤氣副産氫的能效評估，就需要考慮由煤炭到煉焦和焦爐煤氣環節的能源損失；環境效益是指氫氣生産所造成的環境污染物和二氧化碳排放，同樣需要使用全生命周期評價方法，例如電解水制氫雖然可以實現無污染無排放，但如果電力來自於(yú)煤電，則需要将燃煤發電環節的污染和排放算在内。

3.3不同制氫工藝綜合評估結果

      基於(yú)四要素對(duì)不同氫源綜合評價結果如圖6所示。

      由圖6可以看出，從當前情況來看，煤制氫在資源供應方面比較有保障（我國煤炭資源相對豐富）、具有明顯的成本優勢（10～15元/kg氫氣）、能源效率一般（58%～66%）、碳排放問題比較大（20～25kg二氧化碳/kg氫氣）；天然氣制氫在資源供應上存在明顯短闆（天然氣對外依存度高、採暖季天然氣供應短缺等）、成本效益一般（20～30元/kg氫氣）、能源效率一般（70%～75%）、存在碳排放問題（7～10kg二氧化碳/kg氫氣）；可再生能源制氫的資源供應一般（可再生能源生産主要集中在東北、西北、西南等地區，與氫氣需求端存在空間分離）、成本效益較差（電價爲0.5元/kw·h時，制氫成本高達40元/kg氫氣以上）、能源效率較高（可達75%～80%）、無碳排放（採用先進技術工藝）。值得一提的是，使用煤電來電解水制氫，除瞭(le)在資源供應方面具有一定優勢（煤電機組閑置情況嚴重），制氫成本超過40元/kg氫氣、全生命周期能源效率低於(yú)30%、碳排放量超過70kg二氧化碳/kg氫氣，是最不宜發展的制氫工藝。

3.4近期、中期和中長期各制氫路線的發展重點

      （1）煤制氫。考慮到巨大的煤制氫産(chǎn)能存量和煤制氫低成本特點，近期、中期煤制氫仍然将是我國氫氣的最主要來源，應立足存量，滿足工業領域中化工、石化等行業規模化氫氣需求，同時應注重碳捕捉、封存和利用技術（CCUS）與煤制氫的整合應用，降低項目總體成本、提高煤炭利用效率。中長(zhǎng)期可将“煤制氫＋CCUS”作爲我國氫源的重要組成部分之一。

    （2）天然氣制氫。考慮到資源供應約束和成本問題，近期和中期不宜大規模發展天然氣制氫，已有産能應注重發揮設備(bèi)的靈活性和清潔性，在環境污染嚴重地區提供氫氣供應。中長期則可通過固體氧化物燃料電池（SOFC）等技術，在終端需求側(cè)通過天然氣重整“制氫＋SOFC”模式，構建分布式熱電聯産系統。

    （3）甲醇制氫。甲醇價格近幾年波動明顯，給甲醇制氫造成瞭(le)嚴重影響。近中期應謹慎發展，並(bìng)注重甲醇重整制氫＋燃料電池一體化應用技術的研發和示範。甲醇還有望成爲氫氣儲存的介質，可探索“氫氣生産－合成甲醇－甲醇運輸－重整制氫”的模式，爲氫能大規模儲運提供可能。

    （4）工業副産氫。我國氯堿、煉焦以及鋼鐵等行業有大量工業副産氫資源，足以滿足近期和中期氫氣的增量需求。但因渠道、價格、信息等原因，這些副産氫很大一部分被用來直接燃燒甚至排空。因此，未來應探索将工業副産氫高值化利用的商業模式，将副産氫提純並(bìng)運輸至氫氣需求側(cè)，更好的發揮氫能價值。

    （5）可再生能源制氫。作爲“綠氫”的典型代表，成本高是可再生能源制氫發展的最大障礙(ài)。近期和中期應在“降成本”上做足文章，在可再生能源資源豐富地區，探索現場制氫、電力直接交易、提供電力輔助服務、移峰填谷等模式，争取獲得相對較低的電價。同時還應加大氫能儲運基礎設施建設，提高氫能的空間調配能力。随著(zhe)可再生能源的高比例發展，可再生能源制氫将有望成爲綠色氫氣規模化供應的最重要來源。

4主要結論和建議

    （1）在我國能源轉型中，氫能将扮演“高效低碳的二次能源，靈活智慧的能源載體，綠色清潔的工業原料”的角色，在我國交通、工業、建築、電力等部門得到廣泛應用。預計2050年全國氫能需求将接近1億t，在積極應對氣候變(biàn)化、實現“2℃”目标情景下，需求有望超過1.5億t。面對如此規模的氫氣需求，氫源結構也需在現有“以煤爲主”的格局基礎(chǔ)上進行綠色低碳變(biàn)革。

    （2）可再生能源制氫、“煤制氫＋CCUS”等技術将共同構成未來氫能供應體系。在多元化的供應格局中，哪種技術發展到什麽程度，取決於(yú)各自的适用性、經濟性、能源效率和環境效益。對於(yú)煤制氫而言，重點是研發CCUS技術來控排放；對於(yú)可再生能源制氫而言，重點是創新商業模式來降成本；天然氣制氫和甲醇制氫的發展将取決於(yú)SOFC、甲醇燃料電池等技術的進展；工業副産(chǎn)氫應該得到優先、高值化的利用。

    （3）煤炭企業應以審慎而樂觀的态度參(cān)與到氫能産業的發展浪潮之中。首先，做好氫能供應和需求的研判和對接。煤制氫項目投資強度高、産能規模大，在儲運環節的技術和基礎設施約束沒有打破以及下遊市場規模有限的情況下，不應“一窩蜂”上馬煤制氫項目；其次，做好CCUS等低碳技術的儲備(bèi)，降低應用CCUS技術的成本和能效損失。此外，還需探索污染物聯合處理和利用商業模式，處理好煤制氫過程産生的高鹽、酸性廢水和廢渣。

    （4）政府層面首先應明確(què)氫能發展定位，形成清晰的戰略導向，避免産業低水平、無序發展。其次應理清氫能管理體制，明確(què)監管部門和管理流程。再次，可以以“政策紅包”替代“現金紅包”，通過加強能源、環境領域的監管，倒逼能源轉型，爲氫能打開終端應用市場，而非傳統的财政補(bǔ)貼模式。

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