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氢能：下一个风口
○ 文／杨国丰
2017 年12 月,由中国绿色设计与制造产业创新联盟倡议发起的“中国氢能产业联盟”正式成立,中国节能协会、中国能源研究会、神华、国家电投等18 家机构、高校和企业成为首批响应的成员；同时还以该联盟的名义发布了旨在规范燃料电池汽车用氢气品质、测试方法与性能的《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》标准,也是我国首个氢燃料电池相关的团体标准；另外,在中国石化和中国石油的积极推动下,国内加氢加油站合建取得重大进展,广东成为试点地区.这些举措表明,我国的氢能行业迈上了一个新台阶,正从原来的散兵游勇向标准化和产业化方向发展.
产业联盟对氢能发展意义重大
联盟的组织形式早已被全球企业界认可并广泛采用,相关实例也表明其对于促进产业的发展、促进完整产业链的形成和提高行业竞争力有积极作用,此次的中国氢能产业联盟将从三个方面促进我国氢能产业的发展.
一是通过统筹政府、高校和企业在氢能产业链中的作用,加快我国氢能技术的创新与研发.与其他行业一样,政府、企业和高校在整个产业发展过程中扮演着不同的角色：政府扮演着引导者的角色,通过一系列的政策和规范来影响产业发展的重点和方向；以高校为代表的科研机构则是理论与技术研发的主力,借助不断的理论与技术创新推动产业向更新的高度和广度发展；其他企业则是技术推广和价值创造者,通过将具体技术与市场结合来将产业形式具体化,并通过培育消费群体来实现产业价值.在一个产业发展过程中,理顺以上三者间的关系使其能够各司其职,才能有利于整个产业的健康、可持续发展,而产业联盟恰好可以扮演这样的角色,能有效的将国家战略、创新动力和市场需求结合起来.
二是通过制定与国际接轨的行业标准,引导我国氢能行业健康发展,促进我国氢能产业走出去.中国氢能产业联盟在成立伊始便发布了《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》标准,而且在该标准的制定过程中始终与国际相关标准保持同步,对提高我国燃料电池用氢气品质具有重要的指导和规范意义.这从一个侧面反映出,虽然我国在氢能相关技术在起步上晚于日韩等国,但我国的氢能行业从一开始就是以国际标准为参照,以国际市场为目标的,省去了不必要的试错和竞争,有利于整个产业的健康发展,同时也对未来我国氢能技术和产品的走出去意义重大.
三是以“抱团取暖”的方式培育我国氢能产业的竞争力和拳头产品.相对于日本、韩国和德国等在氢能领域拥有技术和产业优势的国家而言,我国的氢能行业还处于起步阶段,在行业竞争力与核心产品方面尚无法参与国际竞争,通过这种产业联盟的形式可以将一些拥有特色技术的中小企业结合在一起,既能避免市场竞争中可能出现的门槛尴尬,又能聚少成多,形成合力,提升我国企业在国内外市场中的竞争力,有助于更快的形成具有我国行业特色的氢能产品.
2.5万亿美元市场
2017 年11 月,国际氢能委员会发布一份题为《氢能发展蓝图：全球能源转型的可持续发展之路》的报告,这是全球首份关于氢能发展趋势的研究报告.该报告认为,氢能在未来全球能源革命中的作用主要体现在七大方面,即促进大范围可再生能源的一体化利用和发电、跨领域和跨地区的分布式能源利用、提高能源系统的可靠性、促进交通运输领域去碳化、提高工业能源使用效率、减少生活供暖和电力消费的碳排放、作为化工行业的原料等；同时作为未来能源结构转型的重要方式和终极目标,氢能行业在2050 年之前有望在制氢和燃料电池领域创造出一个价值2.5 万亿美元的市场,按照目前该领域每100 万美元创造12 个就业岗位的水平估算,届时将创造约3000 万个直接和间接就业岗位.
根据国际氢能委员会的预计, 到2050 年全球的氢能消费需求量将由目前的约8 万亿英热单位（大约相当于13.6 亿桶石油）增至78 万亿英热单位（约合132.6亿桶石油）,交通运输、工业原料和工业用能源是未来氢能需求最大的三个领域,约占2050 年全球氢能需求总量的3/4.在交通运输领域,氢能主要是以燃料电池的形式用在汽车上.根据国际氢能委员会的预测,德国、日本、韩国和美国的加利福尼亚州将是未来氢燃料电池汽车发展的核心地区,到2030 年,这些地区平均12 辆汽车中就有1 辆是氢燃料电池汽车,全球氢燃料电池汽车保有量将达到1000 万~1500 万辆,其中有50 万辆为卡车,同时氢燃料电池火车和轮船将开始出现；到2050 年,全球以氢燃料电池作为动力的乘用车将达到4 亿辆,卡车将达到500 万辆,公交车将超过1500 万辆,氢燃料电池汽车在汽车保有总量中的占比将达到20% 以上,同时氢燃料电池火车将替代约20%的内燃机动力火车,届时有约2000 万桶/日的石油消费被氢能替代.在工业用能源领域,欧洲、北美和日本将是氢能的主要发展地区,到2030 年,这些地区1/10 的钢铁和化工厂将完全使用氢能,到2050年,氢能在全球工业用能源中的占比将达到12%.在工业原料领域,冶金还原剂和化工原料是氢消费的主力,预计到2030年炼钢用氢气消费量将达到约10 万吨,将有约1000 万~1500 万吨的甲醇及其衍生品,如烯烃和芳烃是用更清洁的氢和碳生产的,同时其他化工和精炼领域也将开始尝试以氢作为原料；到2050 年,全球将有约10% 的粗钢是利用氢还原生产的,约30% 的甲醇和乙醇衍生品是利用氢和碳生产的.另外,作为二次能源,氢比电具有更高的转化效率,因此氢制备和利用技术的进步有助于解决风能和太阳能发电的间歇性问题,对可再生能源的发展有积极意义.据国际氢能委员会估算,氢能领域要到达以上的发展目标,在2030 年之前需累计投入超过2800 亿美元,年均需投入200 亿~250 亿美元,同时需要各国政府给予长期、稳定的政策激励,相当于目前全球能源领域投资的1.5% 左右,对于投资者而言意味着不小的商机.
阻碍氢能发展的是成本
与天然气和汽油相比,氢气具有易扩散、易着火、易受热辐射影响、会使金属变脆以及需要更高的保存压力等特点,因此一直以来氢能的安全性一直受到较多质疑,但日本和德国的应用于推广实践表明,只要按照相关的规范去做,氢能的安全性并不逊色于天然气和汽油.
日本在2005 年制定了全球首个燃料电池汽车的安全标准：《以压缩氢气作为燃料的燃料电池汽车相关标准》,涵盖了发生冲撞时的氢安全对策、发生冲撞时防止氢气泄漏的方法和高压电的相关安全标准.总体目标是确保氢燃料电池汽车内的氢气不外泄,即使外泄也不滞留,若有泄漏则应及时检查并隔绝氢气.在此标准的基础上,日本还以燃料电池汽车相关的道路运输法和氢气罐相关的高压气体安全保障法为基础,规定了一系列燃料电池汽车安全的相关措施.目前,日本每年的氢燃料电池汽车的产量在3000~4000 辆,尚未出现因氢气泄漏导致的安全事故.在加氢站建设方面,日本政府以防泄漏、防滞留、防起火和降低火灾时的影响为出发点,参考加氢站设备的特点,为其量身打造了《高压气安全保障法》、《消防法》以及《建筑基准法》等一系列法规和规范.目前日本国内有约80 座加氢站,并未出现任何安全事故.日本新能源产业技术综合开发机构和日本氢气供应和利用技术研究协会曾在2016 年进行过关于氢能、燃料电池汽车意见及看法的问卷调查.结果显示,日本消费者普遍了解氢气的特性并认同其是一种清洁能源,有约70% 的受访者认为只要正确使用,氢能能和其他能源一样发挥作用,有超过20% 的人认为氢能比汽油等能源危险,有约30% 的人对自己住宅以及工作场所附近建加氢站持反对意见.由此可见日本国内对于氢能的接受程度比较高.德国也曾在2009 年—2013年做过类似的调查,结果显示大部分受访者支持氢燃料电池汽车的发展并对其安全性抱有信心,对建加氢站的支持者也超过反对者.国内也有学者对氢燃料电池汽车与内燃机汽车的安全性进行过对比研究,结果发现,按照相关规范生产的燃料电池汽车的安全性完全可以与内燃机汽车相媲美.因此,安全性并不是阻碍氢能利用和发展的根本问题.
目前,氢能的推广利用需要解决的根本问题在于成本.因为氢能属于二次能源,其制备过程的总体成本高于其它一次能源和锂电池.而且氢的运输、储存和分销环节的安全要求较特殊,也导致其中间环节的成本较高,如仅将氢气压缩至70Mpa 所需成本便是其制造成本的10~15%.以电动汽车领域为例,虽然根据丰田公司的数据,其燃料电池组的成本在2015 年已经降至2008 年时的1/20,电池也实现了小型化和轻量化,重量从100 多公斤降至约50 公斤,能量密度也提高了将近一倍,但其生产的氢燃料电池汽车的整车成本仍然是同级别锂电池汽车的两倍左右.氢能的其它应用领域也面临类似的成本问题,因此要推动氢能产业的发展急需解决成本问题,当然还要在安全的前提下实现.
国际油公司进军氢能业务
由于近年来油价一直维持在相对较低的水平,而且《巴黎协定》签署之后,人们和各国政府对于环保的诉求也更加强烈,石油公司再次开始向多元化能源公司转型,进军可再生能源和氢能领域便是其实现业务多元化的途径之一.2017 年1 月,道达尔和壳牌与法国液空集团、阿尔斯通、英美资源公司、宝马集团、戴姆勒集团、ENGIE、本田汽车、现代汽车、川崎重工、林德集团和丰田汽车等公司倡议成立了国际氢能委员会,计划未来每年投资14 亿欧元发展氢能业务,以推动氢能源的使用,促进全球能源转型.截至2017年底,道达尔在德国已经建成了20 座加氢站,计划到2020 年将其在欧洲的加氢站数量增至100 座；同时海域宝马公司等在加氢技术方面开展合作.壳牌在氢能方面的布局比道达尔更全面和超前一些,其2016 年便与川崎重工签署联合研发液氢运输船的协议,2017 年初与丰田合作,计划在美国加利福尼亚州建7 座加氢站,并在2024 年增至100 座.BP 则在全球范围内参与了多个氢能示范项目,包括与戴姆勒和福特公司联合研发更先进的燃料电池技术,投资350 万美元在北京中关村建成了中国第一座加氢站,与通用公司联合开发和建设氢电厂.目前来看,石油公司在发展氢能业务时有两大特点,即注重在终端消费市场的布局和注重联合研发,这是我国公司在开展相关业务时可以借鉴的.
石油公司发展氢能有资源优势
我国是工业用氢的生产与消费大国,2016 年的氢消费量超过2000 万吨,其中一半用做化工原料,另外40% 用于生产化肥,在燃料氢领域的应用还很少,而后者,尤其是其中的氢燃料电池恰恰是推动未来氢能利用的主要领域.而我国的石油公司在发展氢能业务上具有资源和成本方面的优势,但在具体终端应用技术上需要加强与相关企业的合作.一方面,目前制备氢气的方法包括电解水、煤制氢、天然气制氢、石油制氢、液氨裂解和甲醇裂解等几种,其中利用油气制氢的成本仅略高于煤,是电解水制氢成本的1/3 到1/4.石油企业是油气资源的上游生产者,本身拥有资源,具备以相对较低成本生产氢气的资源.另一方面我国的资源生产与消费区分离,受人口和地表环境影响,油气管道网络难以达到美国那样的覆盖程度,相对于LNG 设备,油气制氢设备要灵活得多,而且运输和再利用也比LNG 方便,同时氢气与油气一样,同样可以燃烧功能供热,油公司可以尝试在特别偏远的油气区就地开展制氢业务,以二次能源的形式输出.
在氢能消费的终端领域,车用燃料氢是未来氢能消费增长的重要领域,而我国石油公司大多有自己的加油站,可以尝试通过加氢加油合建来实现现有加油站的最大化利用.目前,中国石化和中国石油已经在开展这方面的尝试,分别在广东佛山和云浮市试点加油站增设加氢和充电业务,但这种模式短期内在全国大范围推广可能性不大.加氢加油合建确实有利于氢能源的推广,但对现有加油站的改造虽然看上去只需要拆除部分加油设备增加加氢设备而已,但汽油和氢都属于易燃易爆品,而且氢比汽油的泄漏和燃爆更容易,二者合建需要长时间的尝试和探索,以确定最可靠的方案.因此对于目前我国的石油公司而言,介入氢气的制备和储运以及基于氢燃料电池的分布式能源领域比加氢站更实际可行.
氢能论文范文结:
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