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世界各国氢能产业现状及前景

作者:
:曾静 陈铭韵 孟翔宇
来源:
《中国石化》杂志
2022/06/22 22:29
浏览量
【摘要】:
如今,氢能正逐步成为全球低碳发展的重要能源载体之一。

在全球应对气候变化的进程中,实现能源体系的脱碳化发展是关键。氢能由于具备来源广泛、清洁及安全性可控等特性,成为连接化石能源和可再生能源之间的桥梁。如今,氢能正逐步成为全球低碳发展的重要能源载体之一,世界各国都在制订氢能产业发展计划,投入巨额资金,积极推动先进氢能技术研发和产业化,抢占国际氢能产业竞争领域的制高点。

美国:氢能已上升到国家战略层面

2020年,美国能源部发布《氢能项目计划》,提出未来10年及更长时期氢能研究、开发和示范的总体战略框架。该方案明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战及研发重点,并确立了氢能计划的主要技术经济目标。《氢能项目计划》设定了到2030年氢能发展的技术和经济指标。

美国是世界最大的氢气生产国和消费国之一。每年的氢气消耗量超过1100万吨,占全球需求的13%,其中三分之二用于炼油,其余大部分用于氨生产。在原料方面,目前美国大约80%的氢气来源于天然气重整,其余的大部分是石油炼化工业的副产氢。

美国氢能技术产业链完善,氢能已上升到国家战略层面。为了确保在新兴技术领域的领先地位,美国十分重视氢能产业链上下游的相关技术培育,涉及氢气的生产、储运、燃料电池制造、燃料电池汽车及加氢站基础设施等。美国在氢燃料电池汽车市场、加氢站利用率等方面处于全球领先水平。目前,美国氢燃料电池车保有量全球第一,加州政府注重燃料电池消费市场的培育,持续给予多项政策支持,已成为全球燃料电池车推广最为成熟的地区。

截至2021年6月,美国已有17兆瓦的电解制氢项目在运营,输氢管道容量为1.4吉瓦(300兆瓦在建或已承诺资金投入),另外还有120兆瓦正在早期开发阶段,将于2030年上线运行。美国能源部预测,潜在部署将高达13.5吉瓦。

欧盟:积极利用自身优势加快氢能商业化进程

欧盟一直致力于清洁能源的发展,近年来已逐步明确氢能发展路线。2007年,欧盟委员会提出《欧洲战略能源技术计划》,将燃料电池和氢能作为重点支持的关键技术领域。2008年,欧盟理事会通过决议建立“欧洲燃料电池和氢能联合组织”,创立由欧盟委员会、产业协会、企业等共同组成的产业合作机制,推动氢能和燃料电池产业发展、应用,部署技术研发。2014年,欧盟提出设立“欧洲共同利益重要项目”,对事关欧盟未来经济和科技竞争力的关键技术、基础设施项目,在欧盟层面给予公共支持。相关产业界呼吁,欧盟应在未来5-10年,向与氢能相关的“欧洲共同利益重要项目”注入50亿-600亿欧元。

2019年,欧洲燃料电池和氢能联合组织主导发布了《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》报告,提出大规模发展氢能是欧盟实现脱碳目标的必由之路。该报告描述了一个雄心勃勃的计划:在欧盟部署氢能以实现控制2摄氏度温升的目标,到2050年欧洲能够产生大约2250太瓦时的氢气,相当于欧盟总能源需求的1/4。

2020年,欧盟委员会正式发布了《气候中性的欧洲氢能战略》政策文件,宣布建立欧盟清洁氢能联盟。该战略制定了欧盟发展氢能的路线图,分三个阶段推进氢能发展。第一阶段(2020-2024年),安装至少6吉瓦的可再生氢电解槽,产量达到100万吨/年;第二阶段(2025-2030年),安装至少40吉瓦的可再生氢电解槽,产量达到1000万吨/年,成为欧洲能源系统的固有组成部分;第三阶段(2030-2050年),可再生氢技术应达到成熟并大规模部署,以覆盖所有难以脱碳的行业。

欧盟呼吁各成员国将氢能列入国家能源与气候发展的中长期目标规划。捷克、法国、德国、匈牙利、荷兰、葡萄牙和西班牙等国已发布了国家氢能战略,意大利和波兰正在进行公众咨询,奥地利预计很快发布。这些国家虽然自身优势不同,但氢能战略与欧盟氢能战略非常一致,几乎所有国家都确立了电解氢的目标,到2030年累计达到20吉瓦以上(意大利和波兰的战略中还有7吉瓦)。

欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障,积极利用自身优势,加快氢能商业化进程。欧盟在发展氢能方面有自身优势,一方面,风力和光伏发电发展快速,可以长期为绿氢的生产提供便利条件;另一方面,欧盟拥有较为完善的天然气基础设施,通过扩建可为氢能的运输提供支持。基于自身优势,欧盟在制氢、储运氢、氢利用和燃料电池等领域均取得了丰硕成果,并形成了完整的产业链,目前正积极进行商业化探索。

欧洲燃料电池和氢能联合组织在欧盟氢能发展过程中扮演重要角色,推动氢能的研发、创新和示范。欧洲的氢能研发应用不断取得突破,2018年6月,世界第一辆氢动力列车在德国北部试运行。2020年,欧盟生产和使用了约700万吨氢气。氢气主要来源于天然气和炼油厂、石化行业的副产品。而氢气的主要消费端是炼油(370万吨)和化工行业(300万吨)。

在供应端,可再生的电解制氢被认为是制氢的主要途径。欧盟已安装超过140兆瓦的电解专用制氢设备,占全球产能的40%以上。欧盟成员国政府战略发出的强烈信号为进一步部署创造了动力,欧盟正在开发的输氢管道容量到2030年将超过20吉瓦,其中超过1吉瓦已在建设中或已承诺资金。

日本:推动氢能与其他能源耦合协同发展

从氢能研究到“氢能社会”构想,再到形成国家战略,日本大致经过了三个阶段。第一阶段受到石油危机触发,日本于1974年启动“阳光计划”,酝酿并实施包括氢能在内的一系列能源研究项目。第二阶段为2003年发布《第一次能源基本计划》,首次提出“氢能社会”构想。第三阶段是2017年出台《氢能源基本战略》,将构想提升至国家战略高度。目前已逐步进入新阶段,即氢能战略的溢出阶段。

日本于2014年发布了《氢能/燃料电池战略发展路线图》,并于2016年和2019年做了更新,从《氢能/燃料电池战略发展路线图》可知,日本构建“氢能社会”依托于三个阶段的战略路线规划。第一阶段为推广燃料电池应用场景,促进氢能应用,在这一阶段主要利用副产氢气,或石油、天然气等化石能源制氢。第二阶段为使用未利用能源制氢、运输、储存与发电。第三阶段旨在依托可再生能源,未利用能源结合碳回收与捕集技术,实现全生命周期零排放供氢系统。计划到2025年建设320个加氢站。

2017年出台的《氢能源基本战略》明确了降低制氢成本的路线图和目标,旨在2030年降至30日元/立方米,未来实现20日元/立方米。2021年宣布《绿色增长计划》,提出在2030年氢能产量实现300万吨的目标。为了支持这一目标,日本政府宣布了一项7000亿日元的公共投资计划,支持日本氢气供应链发展。

在日本的战略路径中,不将氢能作为化石能源的替代能源,而是致立于推动氢能与褐煤等多种化石能源及可再生能源的耦合协同发展。另一方面,日本倾向于构建国际氢能供应链,从2018年起,日本已连续3年主办氢能源部长级会议,旨在主导并推动全球“氢能社会”发展。

2020年,日本的氢气需求量接近200万吨,其中炼油占了近90%的需求,其余部分是氨生产需求。在氢气来源方面,来源于天然气的氢气占50%以上,另有45%是炼油和石化行业的副产氢,剩下的来源于小型煤炭生产过程。

日本一直是在交通运输领域中使用氢气的先行者,本田公司在2008年推出了首款商用燃料电池车电动车(FCEV)。2021年4月,日本大约有5600辆FCEV,是世界第四大市场,而且日本确立了FCEV发展目标,即到2025年达到20万辆,到2030年达到80万辆。

韩国:打造世界最大交通和电力氢燃料电池市场

2018年,韩国发布《创新发展战略投资计划》,将氢能产业列为三大战略投资方向之一。2019年,发布《氢能经济发展路线图》,明确了制氢、加氢和燃料电池发展的目标。《氢能经济发展路线图》强调了两个优先事项,一个是建立氢市场,另一个是打造世界最大的用于交通和电力的氢燃料电池市场。根据该路线图,韩国政府计划将氢燃料电池车市场规模从2018年的1800辆扩大到2022年的8万辆,到2040年达到620万辆。用于发电的氢燃料电池容量到2040年将达15吉瓦。氢气的需求量2030年将达到194万吨,2030年将达到526万吨。

2020年2月,韩国颁布《促进氢经济和氢安全管理法》,这是全球首个促进氢经济和氢安全的管理法案,目的在于促进基于安全的氢经济建设系统、有效地促进韩国氢工业的发展,为氢能供应和氢设施的安全管理提供支持,促进国民经济的发展。

2021年,韩国发布首个《氢经济发展基本规划》,提出到2050年韩国氢能将占最终能源消耗的33%,发电量的23.8%,成为超过石油的最大能源,将在全国建立2000多处加氢站。

韩国是采用氢技术最活跃的国家之一。2020年,韩国生产和使用的氢气超过180万吨,几乎所有需求都来自炼油和石化过程。在氢气来源方面,大约60%的氢气是来自各种来源的副产品,其余40%来自天然气。

在交通方面,2020年,韩国投放了超过1万辆商用燃料电池车电动车,走在世界的前列。在固定式燃料电池方面,韩国目前的装机容量为620兆瓦,几乎是2018年底的两倍。韩国非常重视低碳氢的生产,第一批开发低碳氢气生产的项目已经在进行中,2021年,韩国SK集团旗下SKE&S公司与现代石油(HyundaiOilbank)宣布联合开发两个天然气制氢项目,总产能为35万吨/年。在基础设施方面,林德集团(Linde)和韩国晓星集团(Hyosung)于2021合作建设了亚洲最大的液化氢气厂,为交通行业提供氢气。

澳大利亚:创建氢能枢纽

澳大利亚蕴含丰富的煤炭、天然气等化石能源资源,可用于制取充足的氢气;澳大利亚拥有完善的煤炭产业链及完善的天然气生产、液化、储运等基础设施及专业技术支持,可以在氢能产业链各环节发挥作用。澳大利亚政府高度重视氢能发展,总体氢能战略是大力发展清洁、创新、安全和有竞争力的氢能源产业,以新能源制氢、氢发电、氢出口作为重要策略,有潜力成为全球最大的氢气生产国之一。

澳大利亚于2019年11月发布《国家氢能战略》,确立了发展目标和具体行动,探索了清洁制氢的潜力,概述了快速扩大规模的计划,并详细说明了政府、行业和社区所需的协调行动,致力于消除氢能行业发展的障碍。作为该计划的一部分,政府已投资超过13亿澳元以加快国内氢产业的增长。该战略还强调了氢出口带来的重大机遇,政府正在通过与新加坡、德国、日本、韩国及英国发展国际伙伴关系来促进氢出口。

澳大利亚战略的一个关键要素将是创建氢能枢纽—大规模氢气需求的集群。这些设施可能在港口、城市或偏远地区,将为该行业提供扩大规模的跳板。氢能枢纽将使基础设施的发展更具成本效益,从规模经济中提高效率,加速创新,并从部门耦合中实现协同效应。在运输、工业和天然气分销网络中使用氢,并将氢技术以提高可靠性的方式整合到电力系统中。在促进国内需求的同时,还将支撑澳大利亚的出口能力,使澳大利亚成为全球领先的氢参与者。

目前,澳大利亚的氢气需求量还非常小,几乎全部用于炼油和氨生产,此外,国内需求的增长也很有限。然而,该国在廉价生产低碳氢气方面有巨大的潜力。认识到这一机遇,政府投资了7个氢气中心,集中用户,从而将基础设施成本降至最低。

澳大利亚利用可再生能源生产氢气的潜力巨大。目前,9个容量大于1吉瓦的项目正在开发中,其中包括一些世界上规模最大的项目:西部绿色能源中心(相当于20吉瓦的电解容量)、亚洲可再生能源中心(14吉瓦)、HyEnergy零碳氢(8吉瓦)及Murchison项目(5吉瓦)。如果所有正在开发的项目都成功部署,到2030年,澳大利亚的电解氢产能将达到近20吉瓦,其中大部分将以氢气和氨的形式出口。

新西兰:路线图勾勒“成为氢生产的领导者”愿景

为应对气候变化和向绿色经济转型,新西兰政府确立了国家目标:一是到2030年,温室气体排放量比2005年的水平减少30%;二是到2035年,100%电力供应来自可再生电力;三是到2050年实现零排放。新西兰的氢愿景是利用氢的机会,为新西兰创造一个可持续的、有弹性的能源未来。

新西兰于2019年3月宣布了《塔拉纳基氢气路线图》。这份路线图是由开发机构“投资塔拉纳基”、新普利茅斯地方议会、新西兰氢能公司HiringaEnergy和省级增长基金共同制定的。路线图阐述了该地区要如何利用现有的技术和基础设施成为氢生产的领导者。省级增长基金也已获得支持,以帮助发展塔拉纳基的氢燃料基础设施。政府正在塔拉纳基建立一个国家新能源发展中心,帮助新西兰向低碳未来过渡,还将设立一个新的科学研究基金,以促进新绿色能源技术的早期研究。

新西兰氢能发展路线图概述了新西兰利用氢的潜力建立可持续和弹性能源系统的指示性途径,并显示了不同的途径如何与政府战略的其他部分相结合。

目前,新西兰的氢气市场还较小。但新西兰被认为是世界上最适合创新、试验和示范的地方之一,监管障碍最少。它现有的天然气、工艺和工业基础设施可以进行改造来用于氢气工业。

新西兰有大量可再生能源,利用可再生能源优势,进一步电气化,同时节约能源和从碳氢化合物转换燃料是新西兰能源部门脱碳的主要途径。冬季,新西兰的水力发电产量下降,而对取暖和照明的需求却增加,有必要建立能源储存系统来平衡不同时间段的电力需求。氢很适合担当这一角色,可将夏季产出的多余电力用来生产氢气储存起来,在冬季水力发电产量下降时使用。

新西兰拥有丰富的可再生能源,可利用来生产绿氢,部分用于出口。国际能源署认为,到2030年,新西兰的氢气产量将达70万吨/年。《塔拉纳基氢气路线图》建议每年出口约30万吨氢气,约占产量的40%。新西兰已与日本签署了一份合作备忘录,就合作开发氢技术和向日本出口绿氢达成协议。

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