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世界的“氢速度”是不是太慢了
2021-08-26 14:08
  “氢能时代” 何时来
  氢能源本质上清洁、低碳、高效,对能源体系的安全具有重要的意义,但实际上,氢能源的发展在全世界范围内都举步维艰。氢能源是绝对清洁的吗?氢能源汽车是备受欢迎的吗?各地发展氢能源的规划只要全部落地就足够了吗?在“氢能社会”成为新能源热词之前,关注者早已指出,氢能源技术其实是处于一种技术超前,但市场不成熟,以及相关的基础设施未完全配套的状态。本期三篇文章逐一解读应对策略,分别从“超前”能源技术在替代传统能源过程中的遇到的技术阻力,反思能源技术路径的选择策略;从丰田“MIRAI”汽车的销售情况,分析中国氢能源汽车市场培育策略;以及从各地基础设施和产业布局,思考如何通过国家顶层设计对氢能源产业链加以统筹规划和引导。
 
  中国战略新兴产业融媒体记者    陈雯
 
  从人类升起代表文明的第一堆篝火,到蒸汽机带动起的工业车轮,碳元素就一直在人类的能源体系中扮演着不可缺少的角色。但回顾世界能源变革史,我们会发现能源更替实际上是一个不断“降碳”和“增氢”的过程。具体地说,从柴薪(C10,H1)到煤炭(C2,H1),再到石油(C1,H2)以及天然气(C,H4)的主要元素构成比例的变化,可以看出“脱碳加氢”是能源科技进步的趋势。全国政协副主席、中国科协主席万钢也提出,百年以来,能源发展遵循着“脱碳加氢”和“清洁高效”两条路。
  氢能热值较高,储量丰富,来源多样,应用广泛,具有极佳的环境友好度,代表着人类能源“脱碳入氢”、彻底避免碳排放的可能前景,是理想的长期替代能源候选对象之一。国务院印发了《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》,多部委及地方政府也先后出台政策,支持氢能产业发展,河北、陕西、山东、上海、辽宁等10省市在“十四五”规划中明确提出大力推动新能源与氢能协同发展。利用氢气的桥接作用,既可为燃料电池提供氢源,也可绿色转化为液体燃料,从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可持续循环,催生可持续发展的“氢经济”。
  
  始于“氢煤竹马”,终于“脱碳入氢”
  虽然氢能被称为21世纪的“终极能源”,但实际上,它的安全性和产业化成熟程度远不如其他能源的发展,而且,制氢还要依赖化石能源。当前常用的制氢方法中,或者是以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源重整制氢,或者是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产提纯制氢,又或者是以电解水制氢为代表的可再生能源制氢。至于其他技术路线,如生物质直接制氢和光解水制氢等新型制氢技术产收率较低,仍处于实验和开发阶段,尚未达到规模制氢要求。
  从全球来看,燃料电池汽车还处于实现商业化的推进阶段,需要解决来自于寿命、成本与氢源的三大挑战。美国UTC公司车用燃料电池运行7000小时的标志性成果,使人们看到了燃料电池汽车商业化的曙光,寿命问题有希望在现有材料的基础上通过系统优化与控制策略的改进得以解决;材料的创新与改进是取得燃料电池长寿命的根本性变革,但需要相对长时间的努力。
  “脱碳加氢”和“清洁高效”本来应该是相辅相成的结果,在现有的技术条件下,二者却形成了互相制约的窘境。
  中国工程院院士彭苏萍公开表示:“我们专门算了一个账,化石能源制氢是最便宜的方法,化石能源制氢是中国人最熟悉的,日本氢能的计划他们有战略规划了,还是煤制氢是主线,因为煤制氢便宜。最近20年基本化石能源制氢还是我们国家要考虑的主要目标。”
  以煤、石油及天然气等为原料制取氢气是当前制取氢气最主要的方法。煤制氢在我国具有成熟的工艺,并建有工业生产装置。煤制氢优点是技术成熟、成本较低,煤制氢成本每立方米仅0.55-0.83元,远低于天然气制氢0.80-1.75元及甲醇制氢1.5-2.5元的成本,适合大规模生产。但煤制氢的缺点也很明显,那就是排放量高,气体杂质多。中国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了在一定时期内以煤炭作为主要的氢能原料的地位不会改变。“中国对氢能的推动,实际上是一大堆煤化工企业产能相对过剩反过来思考怎么走,”彭苏萍坦言。
  化石燃料制氢法依靠煤等矿物燃料违背初衷,工业副产品制氢采用工业排放废气,虽然成本低、纯度高但产量低,来源不稳定。除了制备,储藏运输和应用诸多环节也都存在大量技术难题需要克服。氢化学性质非常不稳定,在高温高压下甚至可以穿透厚钢板发生泄漏,易燃易爆的性质使得运输储存难度极大。氢能源的应用对产业协同要求也很高。氢气生产在未达到一定规模之前难以有效降低成本,如何保证相关企业获得商业利润,还需要考虑相关基础配套设施的构建、推动企业研发成本的收回以保护其积极性,保证能源经济性和企业获利前景。
  氢能源国际合作会议召开地点广泛分布于欧洲、北美洲、南美洲、大洋洲等地,包含中国在内的主要国家都已经参与其中并已形成世界氢能源大会和世界氢技术大会交替召开的惯例。国际范围内每年都有重量级的专业会议召开,一方面说明氢能源开发的国际合作持续进行,另一方面也体现了氢能源技术开发难度之大。
  工业和信息化部原部长李毅中在2019中国汽车发展趋势与政策实施高峰论坛上,就中国汽车未来发展方向及趋势研究指出:“我国研究燃料电池的难点在于高纯度氢气的制备、储运和加注,多种氢源选择不够科学,需加快落实。电解水制氢,要用清洁电源,减少弃水弃风弃光,就近消化;天然气、轻油、煤制氢成本高、污染重,大量排放二氧化碳,需要做好环境、经济的评价和废氢回收提纯;石化废氢回收首先要用于自身,焦炉气净化制氢需做好经济核算。氢燃料电池车应全面比较,充分论证,先做试点。”
  
  能源大转型,欲速则不达
  从光伏到构建特高压网络、再到新能源汽车,能源变革的同时,两个潜在问题也逐渐暴露:一个是大量的可再生能源弃电,一个是新能源汽车难以突破的续航难题。在反对阵营中,马斯克曾对投资者放言“燃料电池没有未来”,大众汽车集团CEO赫伯特·迪斯也曾对媒体说:你们将不会看到任何氢能源的乘用车。
  一方面,我国石油对外依存度逐年上升,实施能源替代迫在眉睫;另一方面,能源结构中化石能源居于绝对主体地位,环保压力巨大,优化能源结构同样刻不容缓。中国社科院研究生院院长、国际能源安全研究中心主任黄晓勇认为,“从目前煤炭占中国一次能源消费近66%的比重看,中国仍处于煤炭消费时代。中国已经是世界上最大的能源生产国和消费国,无论是实现中国的能源供给安全,还是从优化能源结构的角度统筹能源生产,都必须加快发展可再生能源及天然气、核电等清洁能源。”虽然目前欧洲、美国、日本和中国等能源消费大国的可再生能源发展都取得了较快发展,但我们需要意识到,想要过渡到可再生能源为主的能源系统还需要相当长的时间。
  GHK公司创始人、美国天然气专家罗伯特·海夫纳三世(Robert A.Hefner III)在其著作《能源大转型:气体能源的崛起与下一波经济大发展》中提出了一种有关能源转型的全新观点。作者认为,所有能源从形态上看分为固体、液体和气体,其中液体是固体与气体的过渡状态。能源大转型是从过去的不可持续的固体能源向未来无限的、清洁的可持续发展能源过渡。作者还强调,在每个过渡阶段,都会发生周期性的能源替代。比如,固体燃料阶段,煤炭取代木材;液体燃料阶段,石油取代鲸脂油,生物燃料开始替代石油。气体燃料中,天然气的市场地位也会逐渐受到氢燃料的威胁。每一次社会形态的重大变化和国家综合国力的此消彼长,都与能源形态的变化分不开。人类社会在文明发展史上曾长期以木材为主要能量来源,直到工业革命开始煤炭的占比才迅速上升,并于20世纪前半期达到顶峰。随后石油大踏步登上历史舞台,其消费量于1973年达到历史高峰。第三次能源革命的核心是大力推动可再生能源发展,提高可再生能源在一次能源和电能中的比重,最终实现当前化石能源系统向绿色、可持续的可再生能源系统转变。
  德国是世界第七大能源消费国,同时也是欧洲能源进口大国,降低对化石能源的依赖一直是其能源政策的核心目标。2010年9月,德国联邦经济和技术部在《能源方案》报告中,阐述了德国中长期能源发展思路,明确了到2050年实现“能源转型”的发展目标。然而,从2013年开始,对于德国能源转型的态势,出现了一些质疑的声音。消费者电费负担日益沉重,煤炭进口增加,碳排放不降反升。大力推行可再生能源补贴和附加费的政策直接导致其电价持续上涨。据德国联邦能源和水资源协会(BDEW)的统计数据,2000-2013年,德国居民电价从13.94欧分/kWh上升到28.84欧分/kWh,上涨幅度高达106.9%;高出欧盟平均水平近50%。德国目前的电价中,各种税费占比高达49%。
  “德国能源转型出现的问题意味着,当前能源革命或能源转型的复杂性和艰巨性远远超过预想。中国作为一个处于工业化和城市化快速发展阶段能源消费大国,能源革命的艰巨性和复杂性比德国更甚。”中国社会科学院工业经济研究所能源经济室主任朱彤表示。
  位于北京市大兴区国际氢能源示范区的海珀尔加氢站。
  
  能源体系换车道中暗藏玄机
  “碳中和”的要求引发了新一轮能源与材料的变革,成了现阶段为数不多的超车大机遇之一。而要实现这一战略目标,意味着要进行一场更广泛而深刻的能源结构系统性变革,倒逼能源体系的零碳化和产业体系的去碳化、低碳化。
  我们国家一边通过消纳弃电及延伸锂电池的续航切入新能源产业链,一边积极探索着电网之外的氢能源世界。尤其是氢燃料电池以其高效、洁净、兼容可再生能源技术等特点,在未来交通、运输、通讯等领域展示了广阔的应用前景,作为人们提出的后石油时代解决移动动力源的方案之一,是实现低碳减排目标的重要能源转换技术。“脱碳入氢”并非易事,化石燃料制氢法虽然经济但伴随着着能耗和污染。目前,二氧化碳捕集与封存技术正不断完善,另外,如生物制氢法原料成本低且来源广泛,制取过程不产生污染和有害物质,也是替代方案之一。短期来看,化石能源廉价制氢技术或工业副产氢利用技术仍是主流,长期则需培育和发展可再生能源或核能制氢技术,使之与可持续发展的低碳经济接轨。
  制定完善的推动可再生能源发展法律和政策体系非常重要。全国政协委员、民建天津市委会主委李文海建议加快氢能源产业发展的顶层设计,引导氢能源产业科学发展。明确氢能源发展的中长期目标、路线图及可操作性的实施细则,加大基础设施建设力度,提升加氢站的运营水平。同时,全面推进结构调整和绿色发展,优化经济结构和产业结构,继续控制化石能源消费,大力发展包括氢能源在内的清洁能源。此外,配合进一步深化能源和价格改革,推动能源革命。
  实际上,能源体系的这种转型不是能源品种的简单替换,而是从思维方式到社会的能源生产和消费方式的整体变革。风能、太阳能、氢能等可再生能源具有“间歇性”或“能源密度小”等弱点,与基于规模经济的大规模生产、远距离输送、大规模消费的化石能源体系是截然不同的。因此,可以认为,在通向第三次能源革命过程中,能源转型过程必然呈现反复拉锯、转型过快或不足、成本高昂等特征。所谓转型过程“反复拉锯”,是指可再生能源增长会随着政策波动而波动,在这样的情况下,目前可再生能源发展主要依靠税收优惠和补贴政策推动,随着可再生能源份额的提高,消费者负担的成本越来越高,“成本高昂”就成为另一个必然结果。朱彤认为,“对于中国来说,除了需要从反复拉锯特征角度加深对能源转型过程复杂性的认识和理解外,要更加注意避免‘能源转型过快’情况的出现。”比如德国,显然属于“转型过快”的国家。因此,我国石油天然气替代煤炭和可再生能源替代化石能源的过程将同步进行,而且需要经历相当一段时间,否则可能会导致“能源转型过快”而付出的代价。
 
  END
  来源:本刊原创文章
  编辑:赵涵
  审核:艾丽
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