氫是清潔、高效、零碳的能源載體，在供熱、交通、工業(yè)以及發(fā)電等多種領域發(fā)揮燃料、原料用途。但氫能的大規(guī)模應用一直以來受到技術、經濟性、安全性等因素的掣肘，發(fā)展遠不及預期，在全球范圍內仍處于研發(fā)和示范階段。

近年，全球應對氣候變化的壓力日益突出，氫能作為一種有望在多領域有效替代化石燃料的清潔能源選項，獲得廣泛關注。歐洲一直是全球應對氣候變化、減少溫室氣體排放行動最為積極的地區(qū)，對氫能的開發(fā)和應用也走在世界前列。

2018年，IHS Markit公司就歐洲氫能產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、未來大規(guī)模替代化石燃料并降低歐洲碳排放的潛力進行了專題研究，以期對其他國家地區(qū)選擇氫能重點發(fā)展領域、評估氫能產業(yè)發(fā)展?jié)摿μ峁┙梃b。

低碳排放的氫生產和應用

氫是化學元素周期表中第一個元素，在地球上含量豐富。氫的化學性質活潑，在自然界幾乎不以游離態(tài)存在，而以化合態(tài)存在于水等多種物質中，因此發(fā)展氫能的基礎是利用含氫化合物規(guī)?；迫?。

按照生產工藝類型劃分，當前主要有化石燃料熱化學制氫和電解水制氫兩種主流技術(見圖1)，還有處于發(fā)展早期的光解水制氫、生物制氫等新技術，技術成熟度最高、生產規(guī)模最大的是化石燃料熱化學制氫。

目前，西歐地區(qū)94%的氫產量來自化石燃料，其中，54%是天然氣制氫，31%是石油制氫，9%是煤制氫。中國富煤的資源稟賦下，煤制氫占比超過50%。

氫是一種零碳能源，但無論是化石燃料制氫還是電解水制氫，生產過程中都會排放大量二氧化碳(電解水所用電很大部分來自化石燃料)，因此這些氫仍是“高碳”的氫，一般被稱為“灰氫”或“黑氫”。

要實現(xiàn)制氫過程的低碳化，獲得全生命周期意義上低碳的“藍氫”甚至零碳的“綠氫”，需要在化石燃料制氫系統(tǒng)的后端配合運行碳捕集和封存(CCS)裝置，或直接利用非化石燃料生產的電(水電、風電、太陽能發(fā)電、核電等)進行電解水制氫。

考慮到碳捕集和封存技術長期大量封存二氧化碳仍然存在合格地質條件有限和公眾接受度不高等問題，IHS Markit認為，對歐洲而言，“化石燃料制氫+碳捕集和封存”可以作為未來中短期低碳制氫的一種過渡方式，未來長期非化石燃料發(fā)電進行電解水制氫將逐漸成為主要的低碳制氫方式。

氫的傳統(tǒng)用途主要在工業(yè)領域，例如作為煉油、合成氨、甲醇生產等化工流程的原料，某些工業(yè)過程的保護氣，以及航天等特殊領域的燃料。

近10年來，氫燃料電池汽車(FCEV)在歐洲、美國、日本、韓國、中國等國家或地區(qū)開始進行示范或商業(yè)級的應用。

此外，歐洲在論證將氫用于規(guī)模化供熱的可行性。歐盟提出的2050年“零碳歐洲”目標計劃中，交通和供熱是氫能未來重要的應用場景(見圖2)。

利用可再生能源限電電量生產氫的潛力分析

直接利用電網的電力制氫的全生命周期碳排放量取決于全網發(fā)電的平均碳強度。2017年，歐洲化石燃料發(fā)電約占全部發(fā)電量的43%，電力平均碳強度仍然較高，目前歐洲正在重點研究使用非化石燃料電力進行電解水制氫。

2011年日本福島核事故后歐洲多數(shù)國家調整了核能發(fā)展政策，并沒有把核電視為制氫的優(yōu)先電源選項。

IHS Markit認為，近年來迅猛發(fā)展的可再生能源發(fā)電，以及隨之而來的大量棄風棄光電力將為大規(guī)模制氫提供大量的優(yōu)質低碳能源。

■ 可再生能源將成為大規(guī)模生產“綠氫”的能源基礎

歐洲是全球最早大規(guī)模發(fā)展可再生能源的地區(qū)，風電和太陽能光伏發(fā)電近年來增長迅猛。2017年，風電和光伏發(fā)電合計占到歐盟28國總發(fā)電裝機容量的27%，但仍低于火電的40%。

根據IHS Markit預測，2030和2050年該比例將分別達到52%和62%，屆時火電占比將分別降至20%和9%(見圖3)。

可再生能源發(fā)電具有很強的波動性，存在因電網短時無法消納風、光發(fā)電全部功率輸出的電力而導致的棄電現(xiàn)象，這部分不能被電網輸送的電量被稱為限電電量。

限電電量也會隨可再生能源發(fā)電裝機量的快速提高而增長。即便考慮儲能設備的削峰填谷作用，棄風棄光電量仍將十分可觀。IHS Markit預測，2030年歐洲棄風棄光電量將達到1200億千瓦時，2050年將達到2000億千瓦時(見圖4)。

■ 可再生能源制氫成本

從能源成本看，棄風棄光的電價很低，某些時刻甚至可能出現(xiàn)負電價(考慮到可再生能源補貼或綠證等因素)。

但棄風棄光時間段一般比較有限，如果電解水制氫設備全部依賴棄風棄光電力，則制氫設備利用率較低，將導致設備折舊成本過高(見圖5);如果為提高設備利用率而用電網電力作補充，則又需支付較高的電費成本。

因此，大規(guī)模電解水制氫需要在提高設備利用率和降低電費成本兩方面進行權衡。

IHS Markit基于歐洲電力供需和成本模型，以及氫生產成本模型，考慮投資成本、電費成本、設備利用率等各個參數(shù)假設，測算了歐洲未來利用棄風棄光電力電解水方式生產氫的供給曲線(見圖6)。

到2030年，歐洲以50歐元/兆瓦時以下的氫氣生產成本供給的電解水制氫潛力可達60億千瓦時，100歐元/兆瓦時以下成本的制氫潛力可達260億千瓦時。

到2050年，低于50歐元/兆瓦時和100歐元/兆瓦時成本的制氫潛力分別可達1500億千瓦時和2000億千瓦時。2000億千瓦時的氫能可以滿足歐洲當前28%重型卡車的燃料需求，每年可以減少燃燒柴油產生的總計5300萬噸碳排放。

基于項目投資成本、電費成本、設備利用率等各個參數(shù)假設用成本計算模型測算出來的。

氫在交通和供熱能源領域的替代潛力

過去十幾年，歐洲的低碳化轉型主要在發(fā)電領域，而電力只占歐洲終端能源需求的20%。要實現(xiàn)2050年“零碳歐洲”的目標，還需要在主要耗能領域逐漸進行低碳替代。

IHS Markit認為，交通和供熱(包括建筑和工業(yè))合計占歐洲終端能源需求的77%(見圖7)，將是“綠氫”助力歐洲實現(xiàn)中長期減碳目標的重要領域。

■ 供熱領域

化石燃料燃燒仍是當前歐洲最主要的供熱能源(見圖8)，其中管道天然氣占歐洲供暖用一次能源的40%，利用氫替代天然氣供暖是實現(xiàn)歐洲能源消費低碳轉型最有潛力的發(fā)展方向。

研究表明，在不對現(xiàn)有天然氣管道做任何改造的前提下，可在天然氣中摻混最高20%體積比例的氫，并不會降低管道的安全性和天然氣的使用性能，可以作為過渡階段供熱領域向氫轉型的有效途徑。

對比歐洲各國的電網和天然氣管網負荷曲線可以發(fā)現(xiàn)，天然氣管網負荷的波動程度顯著高于電網(見圖9)。以英國為例，英國居民用氣負荷的峰谷比約為5～7倍，遠高于電網的1.7倍。

因此，如果利用可再生能源限電電量制氫作為儲能載體，在管道天然氣中摻混一定比例的氫，有助于電網和天然氣管網協(xié)同調度，在實現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉型的同時，有效提高電網和天然氣管網的整體調峰能力。

英國最大的兩家天然氣管網公司Cadent公司和北方天然氣網絡公司(Northern Gas Networks)，正在與挪威國家石油公司合作開展一項名為H21的氫供暖項目的可行性研究。

該項目計劃在英國北部海岸利茲市建設9套1.35吉瓦(用氫熱量衡量)規(guī)模的天然氣自熱重整制氫裝置并配套碳捕集和儲存裝置(二氧化碳將通過管道注入北海海底的鹽水層)，對該地區(qū)的能源結構進行大規(guī)模氫替代。

該項目已進入工程設計階段，計劃2023年可完成投資決策開工建設，利茲市計劃從2028年開始對居民供暖管網基礎設施進行氫配套改造。

經測算，通過合理規(guī)劃氫輸配管網，項目能夠替代利茲市370萬居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求，使該地區(qū)成為一個真正意義的“氫能社會”。

■ 交通領域

氫燃料電池汽車(FCEV)與電動汽車(包括BEV和PHEV)都是替代傳統(tǒng)燃油汽車的重要技術選項，近5年來電動汽車(特別是乘用車領域)出現(xiàn)爆炸式增長。

2018年，全球電動乘用車銷售量已經突破100萬輛，而燃料電池乘用車銷售量剛剛突破1萬輛，電動汽車似乎在新能源汽車競爭中取得壓倒性勝利。

但是，電動汽車固有的電池容量小、充電時間長、電池老化快等缺陷在未來一段時間內仍將持續(xù)存在，這給燃料電池汽車在一些應用領域實現(xiàn)突破提供了機會(見表1)。

目前普遍認為，電動汽車在乘用車領域已占據發(fā)展先機，在充電基礎設施和產業(yè)政策配套等方面也取得了很大突破，未來短期內燃料電池汽車無法動搖電動汽車在該領域的優(yōu)勢地位。

但對于一些載荷重、行駛距離遠、駕駛時間長的交通運輸應用領域，例如，長途重型貨運卡車、長途客車、城市出租車等，燃料電池汽車優(yōu)勢明顯。歐洲正在研究大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池長途卡車的可行性，并有望在短期內取得突破。

目前，氫燃料電池動力系統(tǒng)的核心技術與電動汽車相比成熟度較低，隨著未來燃料電池電堆和儲氫等相關技術的不斷進步，燃料電池汽車甚至在乘用車領域也有可能逐漸趕超電動汽車，實現(xiàn)更大規(guī)模的發(fā)展。

對中國發(fā)展氫能的啟示

一直以來，中國十分重視發(fā)展氫能產業(yè)。根據IHS Markit對歐洲氫能產業(yè)發(fā)展的研究成果，對中國發(fā)展氫能提出如下建議。

探索從單純生產氫產品到實現(xiàn)向“藍氫”和“綠氫”過渡的可行路徑。氫重新受到廣泛關注的一個關鍵原因是氫的零碳特征。如果希望通過氫實現(xiàn)中國2030年碳排放達峰目標，需要認真研究對化石燃料制氫裝置加裝碳捕集和儲存系統(tǒng)的可行性，同時盡可能多地利用清潔能源電力制氫。

中國有非常龐大的化石燃料制氫產業(yè)，主要集中在石油化工領域，例如作為煉油、對二甲苯、乙烯、丙烷脫氫和合成氨等化工產品的加工處理原料。但整個產業(yè)缺乏互聯(lián)互通，大部分制氫產能僅在本地自產自用。

實現(xiàn)“綠氫”產業(yè)化還需要一段時間，如何利用“藍氫”為未來氫產業(yè)的發(fā)展奠定應用基礎，是值得各方深入思考的問題。其中一個重要方面就是氫輸送管網的建設，尤其是如何規(guī)模化運輸石化行業(yè)的富余氫。

加大氫燃料電池核心技術研發(fā)支持力度。未來氫能發(fā)展的最大潛力很可能在交通運輸行業(yè)，氫燃料電池汽車也是最受關注的方向。

中國是世界最大的汽車生產和消費國，也是最大的新能源汽車生產和消費國。發(fā)展氫燃料電池汽車對中國氫能產業(yè)發(fā)展以及交通行業(yè)的低碳化轉型意義重大，中國應該加大對該領域相關技術的研究支持力度，加快產業(yè)化進程。