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国外氢能产业导向、进展及我国氢能产业发展的思考

2020-05-06 10:50:36 236

氢能是具有广阔发展前景的二次能源,氢能产业是具有战略意义的新兴产业。为有效推进氢能产业发展,世界主要国家对氢能技术研发及应用高度重视,不仅将氢能产业提升到国家能源战略高度,还出台了相应支持政策和中长期发展规划,旨在抢占产业发展的制高点。

近年来,我国氢能及燃料电池汽车产业发展加快,产业战略布局不断强化。然而,我国对氢能产业的战略定位还不够明朗,相关产业政策体系还不够完善,氢能产业发展仍面临较大挑战。为此,本文系统分析国外氢能产业导向及进展,并结合我国氢能产业进展和存在的问题,提出了产业发展的思路及对策建议。

国外氢能产业导向及进展分析

总体来看,世界主要国家氢能产业发展导向基本明朗,主要包括明确的氢能产业发展战略及产业定位、政府相关部门分工、制氢技术路线,以及推进氢燃料电池试点示范与多领域应用、持续的氢燃料电池技术研发支持、不断完善的氢能产业政策体系等方面。

1.氢能发展战略及产业定位清晰

美国、日本、韩国、欧盟等都制定了氢能发展战略,明确了氢能产业定位。美国最早提出了以氢能经济为基础的发展蓝图,2002年美国能源部发布了《国家氢能路线图》,提出2040年要全面实现氢经济的目标。2005年,美国将氢能列入主流能源选择之一。2015年,美国能源部提出推动氢能大规模生产与应用。日本在2011年福岛核电站核泄漏事故之后放弃了纯电动汽车计划。面对日益高涨的化石燃料价格以及越来越大的能源漏洞,日本凭借其在氢能及燃料电池领域的技术优势,极力推进氢的运用,将氢能与电力、热力共同作为三大“二次能源”,倡导构建氢能社会。日本政府在2014年《第四次能源基本计划》中明确提出了建设和发展氢能社会的战略方向。韩国政府于2018年发布了关于韩国建立氢能经济社会的方案,目标是利用可再生能源、天然气、水等制取氢气,建立一个以氢能为主要能源的可持续、低碳社会。所谓氢能经济社会,是指通过如太阳能、风能、液化天然气、液化石油气及水来产生氢气,从而打造一个以氢气为主要能源的零二氧化碳排放社会。2018年6月,韩国发布了《氢燃料电池汽车产业生态路线图》,旨在推动氢能燃料电池汽车的普及。欧盟于2002年成立了氢能与燃料电池高层小组,2003年发布《氢能和燃料电池——我们未来的前景》,制定了欧洲向氢经济过渡的近期(2000—2010年)、中期(2010—2020年)和长期(2020—2050年)三个阶段主要的研发和示范路线图。2016年,欧盟发布《可再生能源指令》,将氢能作为能源系统的重要组成部分。就具体国家来看,2004年11月,挪威氢委员会提出,氢能是未来可持续能源系统的重要部分,2005年制定了国家氢能战略。德国环境部提出“电力燃料行动计划”,旨在成为未来全球氢技术领导者和出口者。

2.氢能相关政府部门分工明确

为落实氢能发展战略和推进相关产业政策实施,韩国明确了政府部门分工,德国成立了专门的组织机构。为实现构建氢能经济社会的目标,韩国政府优化和调整了政府部门分工,并增加设立了专门部门,在韩国工业部下设置了助力氢发展的可再生能源部、帮助氢燃料电池汽车发展与分销的汽车与航空部、负责加氢站安全的能源安全部,在韩国环境部下设置了负责加氢站建设的清洁空气规划部,在韩国国土交通部下分设了负责加氢站分布的道路运营部和负责氢燃料电池汽车安全工作的汽车管理部。

德国政府在2004年成立了国家氢能与燃料电池组织(NOW),以支持氢能产业发展。该组织的管理层由来自德国联邦交通和数字基础设施部等多个部门的人员组成。为推动氢能发展项目的实施,NOW在2006年启动了国家创新计划(NIP)计划。通过该计划,共募集14亿欧元的专项资金用于2007~2016年的750个氢能项目开发。募集资金中的7亿欧元由德国政府出资,剩余资金则按项目合作制度由产业提供。

3.结合各自资源禀赋特征确立了制氢技术路线

为保障氢能供给,世界主要国家和地区根据各自资源禀赋优势确立了不同的制氢技术路线。当前,美国氢气生产以天然气重整制氢为主,同时也在发展可再生能源电力水电解制氢。日本受本土资源禀赋限制,氢能社会发展首先计划建立海外氢能供给链。为减少碳排放量,提高能源自给率,日本提出要加快发展可再生能源制氢,利用风电、光伏发电等富余电力发展水电解制氢。德国重点发展电转气(P2G)制氢。法国计划通过可再生能源电力制取氢气,建立规模化供氢体系。韩国提出,到2025年氢制备以副产氢为主,同时发展水电解制氢;到2030年,发展大规模天然气重整制氢和水电解制氢。

冰岛地热和水力资源丰富,72%的电力供应来源于地热和水力发电。由于有庞大的可利用的清洁能源供应,冰岛可以直接用全国电网进行电解水生产氢燃料。挪威天然气资源充裕,挪威有广阔的地域,适合二氧化碳收集,正大力发展天然气制氢和二氧化碳捕捉封存技术。

4.推进氢燃料电池试点示范及多领域应用

(1)氢能示范城市及示范区

作为积极推进氢能燃料电池示范应用的国家,德国和韩国都提出了氢能示范区计划。作为德国国家创新计划氢和燃料电池技术(NIP)的一部分,氢能示范区(HyLand)计划自2019年初提出以来获得各地积极响应。根据资助类型的不同,德国氢能示范区可分为侧重于理念萌芽或着手组织搭建的地区(HyStarter)、侧重于创建集成概念和具备开展项目可行性分析的地区(HyExperts)、侧重于已着手方案具体实施的地区(HyPerformer)三类。2019年下半年,德国国家氢能与燃料电池组织先后确定了3批次共25个氢能示范区试点。与此同时,德国政府在全国范围内开展了20个“能源转型实验室”项目,推动氢能在交通、供暖等领域的综合利用,其中12家公司将以工业级规模测试氢能技术。“氢能示范区”与“能源转型实验室”将充分发挥区域协同效应,提高绿氢竞争力。

2019年12月,韩国国土交通部宣布选择安山、蔚山、完州与全州作为“氢经济示范城市”试点,选择三陟市(江原道)作为氢技术研发中心。韩国政府将在三个示范城市各投资290亿韩元(合1.73亿元人民币),其中50%由地方政府支付。

所谓“氢能城市”是指到2022年在电力、交通、供暖/制冷等领域广泛利用氢能的城市。每个城市选定一个10平方公里的氢能示范区域,在住宅和交通领域率先采用氢能技术。

(2)氢燃料电池多领域应用

燃料电池汽车方面,从2013年到2018年,美国累计燃料电池汽车销量从14辆增加至5905辆,年复合增长率高达235%。截至2019年5月,美国共有6547辆燃料电池汽车投入运行。根据美国可再生能源实验室的数据,截至2018年8月,美国有32辆燃料电池巴士投入示范运营,到2020年计划新运营35辆燃料电池巴士。

除燃料电池汽车以外,国外还在燃料电池叉车等移动式燃料电池领域以及热电联产等固定式燃料电池领域开展了示范应用。燃料电池叉车已在美国、德国等国家应用,目前全球最大的燃料电池叉车企业在美国已生产超过25000辆,累计运行时间超过1.8亿小时。家用热电联产方面,截至2018年底,日本共部署了超过29万个商业Ene-Farm装置。到2019年4月,日本家庭热电联产装置数量超过30万个。与此同时,欧洲已经部署了大约10000个家用燃料电池热电联产系统,日本企业作为燃料电池组供应商参与市场。

作为燃料电池发电的积极行动者,韩国《氢能经济发展路线图》提出,除了308兆瓦的大型燃料电池发电外,还有7兆瓦的燃料电池为3167个家庭/建筑物供电。

5.长期、持续的氢燃料电池技术研发支持

为突破氢燃料电池技术和保持领先优势,日本、欧盟等国家和地区对相关技术研发长期、持续地支持。日本从1993年启动了氢能源研究方面的计划及策略贯彻的WE-NET项目。第一阶段的WE—NET项目从1993到1998年,主要集中研究不同氢技术的可行性分析,以及适用于日本的氢能源行业计划。第二阶段的WE—NET项目从1998到2002年,主要是对选定方案的介绍、验证及测试,同时开展更进一步的研究和计划。以上两个阶段的研发预算为200亿日元,约合2亿美元。接下来的研究项目聚焦氢能源安全利用方面的基础技术研发,持续到2020年,主要方向是氢能源基础建设在日本的逐步普及和渗透。

欧盟和欧洲主要国家也出台了相应的技术研发支持政策。2008年,欧洲工业委员会和研究机构等发起了《燃料电池与氢能联合行动计划项目》,2008—2013年该项目投资约9.4亿欧元,主要用于交通和基础设施、固定式发电和热电联产、制氢和氢气运输等领域的研究。2013年,欧盟委员会资助14亿欧元启动了第二阶段(2014—2024年)的《燃料电池与氢能联合行动计划项目》,目标将燃料电池系统成本降低90%,将燃料电池发电效率提高10%,力争可以利用可再生能源电力发展大规模制氢,以促进氢燃料电池汽车产业的发展。据不完全统计,2007—2015年欧盟在氢能与燃料电池方面的投入约74亿欧元。2006年,德国政府、工业和科学界达成战略联盟,启动称为“氢和燃料电池技术国家创新计划”(NIP)的长达10年的重大项目,用以资助相关技术研发。鉴于NIP第一阶段成效显著,德国政府相关部门已确定将NIP计划延续第二期至2026年,重点将包括研发和市场启动两个方面。

6.不断完善氢能产业政策体系

美国、日本、韩国、欧盟等国家和地区不仅明确了氢能产业发展战略,制定了一系列产业支持政策,还不断完善氢能产业政策体系。其中,日本和韩国最为典型。2019年3月,日本经济产业省发布了新版《氢能与燃料电池路线图》,提出了燃料电池汽车推广应用、燃料电池动力系统经济性、加氢站建设及运营等新的发展目标。同时,日本制定了“氢/燃料电池战略技术发展战略”,不仅规定了具体的技术发展项目,还明确了符合路线图中每个领域设定的目标。该战略着眼于三大技术领域:燃料电池技术领域、氢供应链领域和电解技术领域,确定了包括车载用燃料电池、固定式燃料电池、大规模制氢、水制氢等10个项目作为优先领域,并通过互相合作来促进技术的研究与开发。

韩国也在2019年发布了新的政策。2019年10月,韩国国土、基础设施、交通和旅游部宣布了“氢试点城市推广战略”。根据该战略,到2019年底,确定三个氢能试点城市,每个城市规划出3到10平方公里,在住宅和交通区域引入和采用氢技术。韩国还计划到2040年将全国40%的城市建成氢能城市,总计运营82.5万辆燃料电池汽车和1.2万辆燃料电池公交车。

我国氢能产业发展的思考与对策建议

根据以上分析,日本、韩国、美国、欧盟等国家和地区明确了氢能定位,日本、韩国等国家制定了氢能产业发展战略,韩国、德国等国家确定了相关政府部门分工。通过持续的氢燃料电池技术研发支持、推进氢燃料电池试点示范及多领域应用、结合其资源禀赋特征确立制氢技术路线等措施,世界主要国家已在燃料电池汽车技术研发、产业链构建及加氢站建设方面取得优势。

2017年以来,我国氢能及燃料电池汽车产业发展也如火如荼。截至2019年底,我国在建和已建的加氢站有130多座,其中61座已经建成,投入运营的加氢站有52座。我国已初步形成京津冀、长三角、珠三角、山东半岛及中部地区等产业集群和示范应用,在示范运营区域运行的各类汽车近4000辆,燃料电池商用车产销和商业示范应用的规模位居国际前列。

然而,由于顶层设计仍然不够明确,氢能等方向支持政策亟待强化完善,很大程度上制约了我国氢能产业发展。为此,我国有必要对国外有价值的政策经验进行吸收和借鉴,做好以下几个方面的工作。

1.加快明确氢能产业定位

随着我国氢能及燃料电池汽车产业的不断发展,我国氢能产业政策导向及产业定位逐渐明朗。2019年10月召开的国家能源委员会会议指出,探索先进储能、氢能等商业化路径。根据《新能源汽车产业发展规划(2021–2035)》(征求意见稿),到2035年我国燃料电池商用车将实现规模化应用。

为促进产业发展,我国还需进一步明确氢能产业定位。首先,明确氢气的能源属性。其次,明确氢能在我国能源体系中的定位,建议将其定位为一种战略性能源和清洁能源体系的重要组成部分。最后,结合对氢能产业定位及纯电驱动的新能源汽车产业发展战略,厘清燃料电池汽车与纯电动汽车的关系,明确燃料电池汽车在新能源汽车产业中的发展定位。

2.确定氢能产业相关部门分工

根据前文的分析,为较好地支持氢能产业发展,美国、日本、韩国、欧盟等国家和地区均指定或设立了明确的机构开展产业发展的组织管理工作。在我国新能源汽车产业发展过程中,也建立了相应的工作机制,形成了明确的部门分工。

为保障氢能产业发展,我国亟需建立氢能产业领导及协调机制,确定氢能产业相关部门分工。建议建立由国家能源局牵头,涵盖住建、市场监管、应急管理、商务等部门的国家氢能产业工作机制,解决氢气定性、氢能供给等问题,统筹氢能产业发展的主要工作。为保障氢燃料电池汽车产业发展,我国宜建立以发改、工信、科技、财政、能源五部委为核心,其他相关部委参与的国家氢燃料电池汽车产业发展部际协调机制;建立多部门联席办公制度,重点解决氢燃料电池汽车发展过程中的外部环境制约因素。

3.推进氢燃料电池示范应用工作

自2003年起,我国已在国家层面启动了两批氢燃料电池汽车示范项目,示范运行规模都在百辆以上。当前,我国氢燃料电池汽车示范运行规模已突破3500辆,其中,上海、佛山等典型城市氢燃料电池汽车示范运行规模在2020年有望达到1000辆。为此,我国亟需研究和出台氢燃料电池汽车规模化示范运行方案,明确氢燃料电池汽车示范运行的总体思路、组织机构、目标及要求,支持政策、配套措施等核心问题。

除燃料电池汽车以外,我国还需开展氢能及燃料电池应用的试点示范。例如,我国叉车销量已占全球的40%,但占据主体的内燃机叉车在使用过程中会产生大量尾气,不适用于密闭环境和对空气环境有要求的场所。而电动叉车虽然解决了排放问题,但存在充电时间长等缺点,这为燃料电池叉车示范运行提供了空间。同时,作为未来氢能获取的主要方式,我国可再生能源制氢发展滞后。下一步需结合我国可再生能源电力充裕等优势,加快推进可再生能源制氢示范。

4.聚焦氢能核心技术及产业化能力突破

日本、美国、韩国、欧盟等国家和地区在氢能产业发展过程中投入巨资研发氢能核心技术,目前已掌握了主要氢能技术及大量核心专利。近年来,我国在科技专项、创新工程等方面进行了重点布局,氢能及燃料电池重点领域技术取得了较大进展。下一步,我国需聚焦氢气供应、车载储氢、燃料电池等核心技术,加快突破技术薄弱环节,提升核心技术水平。

由于氢能及燃料电池汽车关键技术集中在科研院所或科技型企业,产业化能力不足或产业化力度不够等原因,我国氢能技术产业化能力滞后。为此,我国亟需通过鼓励和引导等方式,推进掌握氢燃料电池关键技术的机构和企业与实力雄厚、产业化能力强的企业开展合作。同时,需要加大对氢能产业化和工程化产品的政策支持力度,对技术指标实现突破的实际应用产品,给予一定支持。

( 文章作者:张长令 中国汽车技术研究中心有限公司 )


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