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氢能发展的四种模式:德国、日本、美国、澳大利亚各有特点?
作者:官方 来源:第一元素网 所属栏目:行业知识 发布时间:2022-02-15 16:38
[ 导读 ]目前,世界各国正在加快氢能产业发展,初步形成了以德国为代表的“深度减碳重要工具”模式、以日本为代表的“新兴产业制高点”模...

目前,世界各国正在加快氢能产业发展,初步形成了以德国为代表的“深度减碳重要工具”模式、以日本为代表的“新兴产业制高点”模式、以美国为代表的“中长期战略技术储备”模式、以澳大利亚为代表的“资源出口创新增长点”模式。我国在推进氢能产业高质量发展的过程中,要充分借鉴国际经验,进一步明确初衷和使命、目标与路径,以推进能源革命为出发点,构建“大氢能”应用场景,全面推进氢能产业技术与市场、供需协调发展。

氢能作为一种二次能源,具有来源广泛、适应大规模储能、应用广泛、能量密度高等优点。随着氢能产业的兴起,世界迎来了氢能社会的发展热潮。欧盟、日本、美国、澳大利亚、韩国等经济体和国家均出台了相关政策,将氢能产业的发展提升到国家(地区)战略高度,一批重大项目相继启动,全球氢能产业市场格局进一步扩大。

对中国来说,加快氢能产业的发展也具有现实和紧迫的意义。具体来说,氢能产业的发展是优化能源结构、促进能源转型、确保国家能源安全的战略选择,是促进节能减排、应对全球气候变化、实现绿色发展的重要途径,是先进产业布局,推动传统产业转型升级,培育新的经济发展动力,促进优质经济发展的关键举措。

2019年是中国氢能发展创新的一年。“理想照进现实”的特点明显——战略共识基本形成,探索步伐加快,先进理念、技术和模式层出不穷。30多个地方政府发布了氢能产业发展规划/实施计划/行动计划。相关“氢能产业园”、“氢能小镇”、“氢谷”项目总投资多达数千亿元,氢燃料电池汽车规划推广10多万辆,加氢站建设规划500多座。

在加快氢能产业发展的过程中,我国需要广泛参考国际经验。我们认为,对国际经验的研究不仅停留在政策、措施和行动的简单总结和归纳上,还要深入分析氢能发展背后的初衷、动机、利益格局。在充分了解各国资源禀赋、产业基础、现实需求等因素的基础上,找出发展方向、目标、路径、模式与政策措施的逻辑关系。换句话说,不仅要看“做了什么”,还要研究“为什么做”、“做了有什么好处”等深层次问题。

从不同国家发展氢能产业的出发点、侧重点和着力点来看,世界各国的实践大致可以概括为四种类型。本文称之为四种典型模式,即德国模式(法国、英国、荷兰等国家做法类似),氢能作为新兴产业的制高点的日本模式(韩国做法类似);把氢能作为中长期战略技术储备的美国模式(加拿大做法类似)以及把氢能作为资源出口创汇新增长点的澳大利亚模式(新西兰、俄罗斯等国家做法类似)。

德国模式:促进深度脱碳,促进能源转型

近年来,德国的能源转型暴露出越来越多的问题。首先,随着可再生能源装机容量和发电量的稳步提高,电力系统稳定性的维护已成为首要挑战。2019年,德国部分地区发生了电力供应中断事故,暴露了储能和调度能力不足的短板。其次,为了提高电力系统的供应能力,德国增加了天然气发电,但需要从俄罗斯等国家进口更多的天然气,这导致了能源对外依赖的提升。最后,能源转型导致能源价格上涨,能源转型面临越来越多的争议。与能源转型相同的问题是碳减排的进展不如预期。

德国政府提出了2030年比1990年减排55%的中期目标和2050年碳中和的长期目标。然而,自2015年以来,碳排放量一直在上升,2018年在暖冬的帮助下实现了下降。传统减排路径的边际效益正在下降,迫切需要开辟新的途径,挖掘更多的减碳潜力。

氢能的发展有助于大规模消纳可再生能源,实现“难以减排领域”的深度脱碳。电解水制氢技术发展迅速,规模提高,响应能力增强,成本降低,有望成为大规模消纳可再生能源的重要手段。当区域电力冗余时,多余的电力通过电解水制氢转化为氢并储存起来,从而减少了弃风能、弃光能、弃水能等现象,降低了可再生能源波动性对电力系统的影响。同时,氢能具有高能量密度(质量密度)、电化学活性和还原剂属性,可在各应用领域发挥万金油作用,大规模替代难以减排的化石能源,实现深度脱碳的目标。

围绕深度脱碳和促进能源转型,德国创新提出了电力多元化转型的概念,致力于探索氢能的综合应用。具体来说,在氢气生产端,利用可再生电能电解水生产低碳氢燃料,构建大型绿色氢气供应体系。在氢气应用端,将绿色氢气用于天然气掺氢、分布式燃料电池发电或供热、氢炼钢、化工、氢燃料电池汽车等领域。

目前,德国政府正在与荷兰等国家进行深入合作,重点推进天然气管道掺氢,建设氢气和天然气混合燃气(HCNG)供应网络。其中,依托西门子等公司在燃气轮机方面的技术优势,开展了若干天然气掺氢发电、供热等示范项目。截至2019年底,德国有50个在建和运行的“PtoG”(可再生能源制氢+天然气管道掺氢)示范项目,总装机容量超过55MW。此外,蒂森克虏伯集团还开展了氢炼钢示范项目,预计到2022年进入大规模应用阶段。

日本模式:确保能源安全,巩固产业基础

日本能源安全形势严峻,迫切需要优化能源进口格局和渠道。日本的能源结构高度依赖石油和天然气,占能源消费的三分之二。由于国内能源资源匮乏,95%以上的石油和天然气需要进口。能源地缘政治形势日益复杂,断供风险犹如达摩克利斯之剑。此外,国际能源市场价格的波动将对日本的能源安全乃至经济安全产生影响。2011年福岛核事故发生后,日本核电发展遇到的阻力越来越大。如果实现本土弃核,就意味着能源对外依赖程度将得到提高。因此,日本迫切需要在当前能源消费格局中开辟新的阵地,寻找能源安全缓冲区和减压阀,摆脱对石油和天然气的依赖。

氢能的发展可以提高能源安全水平、分化能源供应中断和价格波动的风险。虽然日本未来消费的氢能仍需从海外进口,但主要来自澳大利亚、新西兰、东南亚等国家和地区,与中东、北非等传统油气来源地区形成空间分离,进而分化了地缘政治风险。与此同时,石油和天然气在价格上有很高的相关性,两者仍然属于“一个篮子里的鸡蛋”。

氢能来源广泛,价格与油气关联度不高。增加氢能的进口和消费可以在一定程度上分化油气价格同向波动对国民经济的影响。此外,氢能还可以提高能源安全水平。日本是地震、海啸、台风等自然灾害频发的地区,经常发生能源供应中断。氢燃料电池汽车、家用氢燃料电池热电联产组件等设备,在充满氢气或其他燃料的情况下,可以维持一个家庭1~2天的正常能源供应。氢能终端设备的普及也有助于日本的减灾工作。

日本氢能的基本战略侧重于汽车和家用领域的应用,是产业和技术发展的必然延伸。日本在技术、材料、设备等方面具有非常明显的优势,特别是基本开放了氢燃料电池产业链。经过多年的努力,日本在氢能领域创造了一批“隐形冠军”,如东丽的碳纤维、川崎重工的液氢储运技术和装备等。

据统计,日本在氢能和燃料电池领域拥有超过50%的优先专利,在许多关键技术方面处于绝对领先地位。专利技术不仅是日本的“保护网”,也是其他国家的“天花板”。推广氢燃料电池汽车和家用燃料电池设备,一方面可以将过往的投入在市场上变现、获取现金流,另一方面可以及时获得信息反馈,改进技术和设备,形成“技术促进产业、产业促进市场、市场促进技术”的良性循环和积极反馈。

美国模式:储备战略技术,缓推实际应用

美国氢能发展经历“两起两落”,但将氢能视为重要战略技术储备的工作思路一直没有改变。早在20世纪70年代,美国政府就将氢能视为实现能源独立的重要技术路线,密集开展了若干行动和项目,但热度随着石油危机影响的消退而降温。2000年前后氢能迎来了第二个发展浪潮。2002年美国能源部(DOE)发布了《国家氢能路线图》,构建了氢能中长期愿景,启动了一批大型科研和示范项目,但后因页岩气革命和金融危机的冲击,路线图被搁置,不过联邦政府对氢能相关的研发支持延续至今。

在过去的10年中,美国能源部每年为氢能和燃料电池提供的支持资金从约1亿美元到2.8亿美元不等,根据2019年年底参议院、众议院通过的财政拨款法案,2020年支持资金为1.5亿美元。总体来看,在近50年的时间里,尽管有起伏,但联邦政府将氢能视为重要战略技术储备的工作思路一直没有改变,持续鼓励科技研发使得美国能够保持在全球氢能技术的第一梯队。

页岩气革命是美国氢能发展战略被搁置的最主要原因。凭借具有经济、清洁、低碳优势的页岩气,美国已逐步实现能源独立和转型,而页岩气和氢能在应用端存在较多重合,对氢能形成了巨大的挤出效应。加州燃料电池合作伙伴组织(CaFCP)的数据显示,美国的氢燃料电池汽车市场已陷入停滞状态,在2019年甚至出现了12%的下滑,发展势头已被日韩、中国赶超。

澳大利亚模式:拓宽出口渠道,推动氢气贸易

澳大利亚一直是全球最主要的资源出口国,同时资源出口也是其最重要的经济增长引擎。根据澳大利亚联邦矿产资源部发布的数据,2019年资源出口直接贡献了该国GDP增长的1/3以上。但传统的“三大件”(煤炭、液化天然气、铁矿石)出口已现颓势。在煤炭方面,长期以来澳大利亚在全球煤炭贸易中占比超过1/3,主要目标市场集中在东北亚地区,然而近几年中、日、韩相继开展减煤控煤行动,煤炭出口前景暗淡。

在铁矿石方面,中国买走了60%以上的澳大利亚出口铁矿石,而中国钢铁产量进入峰值平台、电炉钢比重提升,这都将拉低其对铁矿石的需求;在液化天然气(LNG)方面,尽管市场需求增长潜力仍然可观,但由于国际油价暴跌,LNG出口创汇能力也被大幅削弱。据世界天然气网站分析,未来五年内澳大利亚LNG出口收入将持续收缩。

出于经济可持续发展考虑,澳大利亚政府急需找准新兴市场需求,拓宽出口渠道。2019年11月,澳大利亚政府发布了《国家氢能战略》,确定了15大发展目标、57项联合行动,力争到2030年成为全球氢能产业的主要参与者。打造全球氢气供应基地是澳大利亚发展氢能的重要战略目标。澳大利亚正积极推动与日、韩等国的氢气贸易,签订氢气供应协议,同时与相关企业开展联合技术创新,完善氢能供应链,扩大供应能力、降低成本。

如澳大利亚政府与氢能供应链技术研究协会(HySTRA,由川崎、岩谷、电力开发有限公司和壳牌石油日本分公司组成)合作组成联合技术研究组,开展褐煤制氢、氢气长距离输送、液氢储运等一系列试点项目。2019年年底川崎重工首艘液氢运输船下水,补齐了澳大利亚和日本氢气供应链最后一块拼图。这种“贸易+技术创新”一体化模式调动了各参与方的积极性,澳方可实现本国氢气资源的规模化开发,川崎等企业能够获得成本更低的氢气,技术研发团队获得了宝贵的试验田。

值得一提的是,澳大利亚提出的低碳氢能,既包括可再生能源电解水制氢,也包括化石能源(尤其是煤炭)制氢(碳捕捉)与储运技术。虽然化石能源制氢备受争议,但正是在煤炭出口增长乏力背景下的现实选择。

启示我国:明确氢能“协同互补”定位,构建多元化应用场景

每个国家都有自己的初衷和使命发展氢能产业。德国模式认为氢能是解决能源转型和深度脱碳过程中的许多问题的手段;日本模式以氢能为目的,即发展氢能是国家能源安全和新兴产业竞争力的战略选择,迎合市场实现技术的强烈需求;氢能只是许多能源解决方案之一,氢能的发展取决于其技术进步、成本下降等因素;澳大利亚模式以氢能为产品,即利用全球氢风,积极扩大出口产品结构,获得更多收益。

从以上对全球氢能发展四种典型模式的分析可以看出,氢能产业的发展有其起点和立足点,考虑到各自的资源禀赋、产业基础、实际需求等因素,大多遵循积极的战略、战术稳定、坚持发展初衷、不盲目、不进取的推广策略。目前,我国有关部门正在研究制定国家氢能产业发展战略规划,首先要明确我国氢能产业发展的初衷和使命、目标和路径等问题。本文提出了中国氢能产业的战略定位和发展方向三点建议。

一是明确产业定位,充分发挥氢能在现代能源系统中的载体和媒介作用。国家《能源统计报表制度》已将氢气纳入能源统计,明确了氢能的能源属性。氢能即将成为能源系统的新成员,其发展必须服从和服务于能源革命的总体要求。需要认识到的是,中国有许多与氢能有替代关系的能源解决方案,因此氢能不是中国的必要选择,而是替代和优化选择。因此,我们应该从中国能源系统的核心问题出发,找到合适的切入点,选择合适的融入能源系统的路径。利用氢能的特点和优势,充分发挥其在可再生能源消纳中的作用,增强能源系统的灵活性和智能性,更好地与现有能源品种互动,最终促进能源革命战略的深入实施。

二是提升认识视角,逐步构建绿色低碳多元化应用场景。2018年以来,各地区扎堆造车,不仅源于对氢燃料电池汽车发展前景的乐观认知,更源于对氢能认识的局限性。事实上,我国氢能技术储备不足,产业基础不牢固,区域差异明显。绝大多数地区没有能力和条件将技术设备推向市场。在进一步推进生态文明建设、积极应对气候变化的格局下,中国提出了2030年前碳达峰和2060年碳中和的目标愿景。“难以减排领域”的深度脱碳将成为中国未来需要面对的重大问题。因此,要协调经济效益、节能减碳、产业发展等因素,利用氢能高效清洁的二次能源、灵活智能的能源载体、绿色低碳的工业原料三大特点,逐步构建交通、储能、工业、建筑等领域的多元化应用场景。

三是加强统筹协调,推进技术与市场、供需齐步走。氢能与燃料电池集尖端材料、先进工艺、精密制造于一体,兼具高附加值、高门槛属性。需要清楚的是,我国氢能产业与发达国家的差距明显,远未达到大规模商业化的临界点,价值创造功能不可预测。此外,目前产业利润集中在国外企业的事实上,我国要保持战略重点,坚持安全第一、技术自主、协调推进的原则,不要盲目追求市场扩张,避免强行通过补贴刺激下游需求,然后向国外公司输送大量补贴资金。在规划氢能产业发展的过程中,各地要遵循需求导向的原则,自下而上布局生产、储运及相关基础设施建设,促进氢能供应链各环节的协调发展,避免某一环节的“单兵突进”。

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