氫能的概念、應用及制備技術

 

氫是宇宙中分布最為廣泛的元素，科學家估計宇宙中氫原子的數(shù)量約為其他元素原子總量的100倍，其質量約占宇宙總質量的75%左右。氫元素在地球上也有廣泛的分布，水、大氣、土壤、石油、天然氣、動植物中都含有大量氫元素。在地殼中，氫只占其總質量的1%，但占其原子總數(shù)的17%，在水中，氫元素的質量分數(shù)為17%，在土壤中約為1.5%，在空氣中，氫氣反而不多，約占大氣體積的一千萬分之五。

 

在全球氣候變暖、溫室氣體減排的背景下，氫能源是 21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础涞娜紵裏嶂捣浅８撸?千克氫完全燃燒后能產生1.43×108J 熱量，這一數(shù)值僅次于核燃料，是在所有化石燃料和生物燃料中最高的。除此之外，氫還是一種真正的清潔能源，其燃燒后僅產生水，而無任何其他有害物質。史上最環(huán)保冬奧會——2022年北京冬奧會，其開閉幕式火炬所用的燃料就是氫。在綠色低碳發(fā)展趨勢下，氫作為一種零碳能源必將在未來脫穎而出。

 

除作為清潔能源外，氫還在許多其他工業(yè)領域有著廣泛應用。在電子產業(yè)，氫氣可以在電子材料、半導體元器件生產過程中作為還原氣、攜帶氣和保護氣發(fā)揮作用。在金屬冶煉行業(yè)，氫可以作為還原劑和保護氣。在食品工業(yè)，氫氣可以用于生產人造黃油、食用油等，經(jīng)氫化后的天然食用油可以穩(wěn)定貯存，抵抗細菌滋生，增強油脂黏稠度。在醫(yī)學領域，氫氣還可以抑制人體內部分活性氧化，對多種氧化應激疾病的防治效果明顯。

 

盡管氫在能源以及工業(yè)領域發(fā)揮著舉足輕重的作用，但遺憾的是，氫的化學性質活潑，易與其他元素發(fā)生反應，地球上的游離氫數(shù)量極其稀少，它主要以化合物形態(tài)存在于水等多種物質中。因此，氫能只能作為二次能源，從其他能源中制取，而無法像石油、天然氣、煤炭那樣被直接開采利用。這一特性在客觀上限制了氫能的生產和使用。

 

目前，人類已經(jīng)探索出了五條氫氣制備技術路線， 分別是化石燃料（石油、天然氣、煤炭）熱化學制氫、電解水制氫、工業(yè)副產品制氫、太陽能光解水制氫、生物制氫。其中，生物制氫、太陽能光解水制氫目前還處于實驗和開發(fā)階段，尚未進入大規(guī)模工業(yè)生產，前三種制氫技術已較為成熟，有了廣泛的工業(yè)生產實踐。根據(jù)2022年2月高工氫電、高工產業(yè)研究院發(fā)布的《中國氫能源產業(yè)發(fā)展藍皮書》顯示，目前，天然氣制氫占全球氫能源總規(guī)模的48%，烴、醇類制氫占比30%，煤炭制氫占比18%，全球電解水制氫規(guī)模較小，約占3%。

 

可以看出，氫雖然是一種零碳能源，但在其制備過程中仍然要消耗化石燃料（電解水所用電也主要來自化石燃料），產生大量二氧化碳，因此這類氫仍然是“高碳”氫，一般也稱為“灰氫”“黑氫”。要實現(xiàn)氫氣的全生命周期低碳化甚至零碳化，目前看主要有兩條路可走。一是在化石燃料制氫系統(tǒng)中增加碳捕捉、收集和封存裝置， 這是未來中短期實現(xiàn)低碳“藍氫”的有效過渡方式。二是采用非化石燃料發(fā)電，通過電解水制氫進而逐步實現(xiàn)低碳、零碳制氫，這是未來實現(xiàn)零碳“綠氫”的重要方式。

 

歐洲氫能銀行正式成立

 

2023年3月16日，歐盟委員會主席馮德萊恩宣布：歐洲氫能銀行正式成立，未來將投資 30 億歐元助力歐洲氫能市場發(fā)展。要理解歐洲氫能銀行產生的緣由，我們需要全面梳理歐盟綠色政策的發(fā)展演變過程，才能明白氫能銀行在歐盟“低碳棋局”中的作用和功能。2016年《巴黎氣候協(xié)定》簽署后，歐盟開始積極追求碳中和目標，2019年至2020年年初，英國、德國、法國分別出臺法案，提出了“2050年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放”（即碳中和）目標。

 

北歐五國，特別是挪威、芬蘭和瑞典在低碳問題上表現(xiàn)得更為激進，分別承諾于2030年、2035年和2045年實現(xiàn)碳中和。歐盟層面， 2019年12月，歐盟委員會正式發(fā)布了《歐洲綠色協(xié)議》， 提出歐洲要在2050年之前將二氧化碳凈排放量降為零， 實現(xiàn)碳中和，使歐洲成為首個“氣候中和”大陸。為實現(xiàn)這一宏偉目標，歐盟在工業(yè)、農業(yè)、交通、綠色技術研發(fā)等領域提出了一系列路線圖和政策框架。降低碳排放量，根源和關鍵還在能源變革。

 

為此，《歐洲綠色協(xié)議》指出，歐盟將在2050年之前逐步降低化石能源消費比重，不斷擴大氫能使用范圍，同時大幅提升綠氫產能。具體分以下三個階段實現(xiàn) ：第一階段是2020-2024年，歐盟意在擴大工業(yè)制氫產能，建設和完善氫能生產、運輸基礎設施，并希望通過安裝6吉瓦電解槽，使歐盟綠氫產量最高達到100萬噸。

 

第二階段是2025-2030 年，歐盟計劃進一步擴大氫能在工業(yè)、交通領域的應用范圍，同時規(guī)劃和建設覆蓋全歐洲的氫能管道網(wǎng)絡。在氫能源產量方面，歐盟計劃至少安裝40吉瓦以上電解槽，使綠氫產能最高達到1000萬噸。通過這一階段的產能提升及管道網(wǎng)絡建設，歐盟期望綠氫的市場競爭優(yōu)勢不斷提升，同時提升本地氫能產業(yè)鏈的自主水平。

 

第三階段是2030-2050年，歐盟將全力擴大綠氫產能，將歐盟四分之一可再生能源電力用于綠氫生產，同時不斷提升綠氫技術的市場成熟度，最終實現(xiàn)綠氫的規(guī)模化生產和應用，強力支持歐盟碳中和目標實現(xiàn)。

 

2022年，全球地緣政治和經(jīng)濟形勢突變，俄烏沖突、通脹等對歐美西方國家經(jīng)濟社會發(fā)展產生了重要影響。為推進能源獨立，2022年5月，歐盟委員會推出了 REPowerEU計劃，該計劃旨在減少對俄羅斯的能源依賴，快速推進能源轉型。歐盟計劃通過節(jié)約能源、能源供應多元化、發(fā)展可再生能源三方面措施逐步降低化石燃料比重，到2030年使歐盟可再生能源比重提升至45%。

 

2022年8月，美國總統(tǒng)拜登簽署了備受爭議的《通脹削減法案》，法案計劃撥款3690億美元用于能源安全和氣候投資，并給予可再生能源電力、可持續(xù)航空燃料、新能源汽車制造、氫氣生產等九個領域在美國設廠生產的企業(yè)以巨額稅收抵扣和補貼。受這一政策影響，歐洲不少大型企業(yè)，如德國大眾汽車集團、意大利國家電力公司、比利時化工集團索爾維、西班牙能源公司伊維爾德羅拉等都對在美設廠投資表現(xiàn)出了濃厚興趣，一些燃料電池企業(yè)暫停或擱置了在歐洲的投資項目。美國的《通脹削減法案》對歐盟雄心勃勃的綠色發(fā)展計劃和低碳目標產生了實質性負面影響。

 

為執(zhí)行REPowerEU計劃、促進歐洲可再生能源和綠氫發(fā)展，2022年9月，歐洲議會表決通過了新的《可再生能源指令》（下文簡稱《指令》）。《指令》提出：歐盟將致力于2030年實現(xiàn)50%的工業(yè)過渡到綠氫，2035年達到70%。同時，《指令》還放寬了對部分綠氫的限制性規(guī)定。

 

與此同時，馮德萊恩還宣布：歐盟計劃成立 “氫能銀行”，助力氫能市場發(fā)展。2023年2月，歐盟委員會提出了《綠色協(xié)議工業(yè)計劃》，提出歐盟基金將撥款2500億歐元，支持工業(yè)綠色轉型，加速各成員國工業(yè)脫碳，包括為歐洲本土零碳技術企業(yè)提供稅收減免。2023年3月，歐盟公布了《凈零工業(yè)法案》。該法案的核心目標是，到 2030年，使歐盟戰(zhàn)略性凈零技術本土制造能力達到年度部署需求的40%。該法案將對太陽能、風能、燃料電池、可持續(xù)沼氣、生物甲烷、熱泵等有助于歐盟可再生能源發(fā)展的八項戰(zhàn)略性凈零技術企業(yè)給予支持。《凈零工業(yè)法案》是《綠色協(xié)議工業(yè)計劃》的進一步延續(xù)和細化，同時它本身也屬于《歐洲綠色協(xié)議》的一部分。

 

發(fā)展可再生能源，推動氫能走向大眾市場顯然需要大量的資金支持。伴隨著《凈零工業(yè)法案》的發(fā)布，“歐洲氫能銀行”正式啟動。氫能銀行的主要目標是進一步縮小歐盟氫能投資缺口，聯(lián)結歐盟內外部氫能供需，更好地支持《綠色協(xié)議工業(yè)計劃》和《凈零工業(yè)法案》的實施。

 

至此，歐洲氫能銀行正式走向歐盟氫能發(fā)展歷史的舞臺。總體來看，歐洲氫能銀行雖然只是歐盟綠色發(fā)展規(guī)劃和低碳目標中的一個補充性、配套性政策，但它卻能為歐盟氫能產業(yè)發(fā)展提供關鍵的初期資金支持，因此它也是歐盟低碳化道路上一塊不可或缺的發(fā)展基石。

 

歐洲氫能銀行的功能機制

 

氫能銀行設立的初衷是幫助歐盟更好地應對氫能發(fā)展初期的投資挑戰(zhàn)，進一步釋放歐盟以及第三國對氫能的私人投資，擴大氫能進口，同時整合歐盟境內的氫能融資政策，提升融資工具的協(xié)調性和整體效率。

 

目前歐盟委員會為氫能銀行設計了四項功能機制：第一項機制是創(chuàng)立歐盟境內氫能市場。提高氫能的市場應用規(guī)模，關鍵在于降低綠氫與化石能源間的成本差。在此之前，歐盟曾借助市場拍賣機制成功解決了可再生能源發(fā)電的資金需求，歐盟希望這次也可以借助拍賣機制推動綠氫生產。目前歐盟正在設計首批綠氫生產試點拍賣機制，拍賣初步計劃于2023年秋季在歐盟“創(chuàng)新基金”框架下啟動進行。競拍成功的綠氫生產方將獲得最長10年固定價格溢價補貼，補貼金額將根據(jù)生產方交付的合格綠氫數(shù)量進行計算。這種拍賣方式能有效保證綠氫生產企業(yè)的收入和利潤，有利于降低綠氫項目風險，同時對項目獲得其他商業(yè)融資也極為有利。根據(jù)歐盟的初步市場調研，首次拍賣專項預算為8億歐元，這也將是歐洲氫能銀行的第一個金融工具。

 

第二項機制是擴大歐盟氫能進口。2022年5月， 歐盟提出的REPowerEU計劃提出，到2030年之前歐盟要自產1000萬噸綠氫，進口1000萬噸綠氫。目前氫能的國際交易市場尚不成熟，歐盟希望借助氫能銀行來支持和鼓勵綠氫進口，積極構建和開拓氫能國際交易市場。在推動綠氫進口的同時，歐盟也十分注重綠氫供應的多元化和安全性問題，并將相關地緣政治因素考慮在了綠氫進口市場選擇中。

 

第三項機制是提高透明度，發(fā)揮協(xié)調作用。歐盟銀行將在收集、匯總歐盟各成員國信息基礎上，研判和分析歐盟境內氫能需求，并以此為基礎，進一步協(xié)調歐盟內部氫能基礎設施建設。此外，近年來在旺盛氫能需求驅動下，歐盟與全球至少30多個國家和地區(qū)簽署了氫能合作協(xié)議，不同協(xié)議之間必然存在潛在的協(xié)作效應， 氫能銀行將會在國際氫能交易和談判中發(fā)揮協(xié)調作用， 提高國際交易與合作的透明度。

 

第四是整合利用現(xiàn)有融資工具。目前歐盟以及各成員國都出臺了一系列支持氫能發(fā)展的融資政策，但不同層面政策間的協(xié)調性較差。為此，歐盟希望借助氫能銀行來全面整合歐盟境內的融資政策和工具，以形成政策合力、相互促進，進一步提高資金使用效率。

 

前文已述，氫能銀行是伴隨著《凈零工業(yè)法案》而提出的，而《凈零工業(yè)法案》本身又是《歐洲綠色協(xié)議》的一部分，根據(jù)《歐洲綠色協(xié)議》以及歐盟“REPowerEU”設定的目標，歐盟計劃到2030年之前在本土建立1000萬噸的綠氫產能，同時進口1000萬噸綠氫。而要完成該計劃，初步預計需要投資3350 億-4710億歐元。這些投資絕大部分都將來自私人資金，氫能銀行的設立將幫助初期進入氫能產業(yè)領域的私人資本降低生產成本， 為后期歐盟擴大氫能產能奠定基礎。從這一層面來看， 氫能銀行對歐洲碳中和目標實現(xiàn)具有重要的積極意義。

 

歐洲發(fā)展氫能面臨的挑戰(zhàn)

 

盡管歐盟在氫能源領域制定了雄心勃勃的發(fā)展目標，但目前這一能源轉型戰(zhàn)略仍面臨著不少現(xiàn)實壓力和挑戰(zhàn)。

 

第一是技術與成本壓力。目前氫氣制備技術尚不成熟，相較于其他化石能源，其商業(yè)成本仍不具優(yōu)勢， 這客觀上會限制氫能市場的發(fā)展。與此同時，歐洲的氫能存儲、運輸產業(yè)鏈條還較為薄弱，未來要實現(xiàn)氫能大規(guī)模商用，歐洲還需下大力氣補齊這一短板。

 

第二是歐盟氫能市場規(guī)模還較小。歐盟委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，目前氫能在歐洲能源消費中僅占比 2%， 要在短期內將這一比重提升十余倍，歐盟未來還將承受巨大的能源轉型陣痛。

 

第三是“黑氫”“灰氫”占比仍較高。化石燃料在制備氫能時，依舊會排放大量碳。目前歐洲氫能的96%都是通過天然氣制備的，這些“黑氫”“灰氫”對歐盟實現(xiàn)2050碳中和目標貢獻有限。未來歐盟要增加“綠氫”的規(guī)模和比例，還需要大力發(fā)展可再生能源電力。

 

第四是歐洲能源短缺，電力緊張陰霾未散。受俄烏沖突影響，目前歐盟能源電力緊張問題依舊嚴峻。為保證生活用電和工業(yè)用電，歐盟的一項授權法案提出電解氫只能使用“額外的”風能、太陽能電力。而如果完全依賴綠電，將會使氫能的生產成本顯著提升，降低企業(yè)發(fā)展氫能的市場動力。

 

第五是歐盟內部對低碳氫能的界定仍存在分歧。作為核能大國，法國堅持認為應該將低碳核電制備的氫能視為“綠氫”，而德國則堅持認為只有由可再生能源電力制備的氫能才應該被授予“綠色”“低碳”標簽。法德兩國在該問題上的分歧，可能遲滯歐盟氫能產業(yè)發(fā)展。

 

第六是美國綠色產業(yè)補貼政策的影響。2022年8月，美國推出的《通脹削減法案》與世貿組織原則相違背，帶有強烈的單邊主義和保護主義色彩，加劇了美歐經(jīng)貿爭端。在高額補貼以及美國低電價成本誘惑下，目前不少歐洲氫能企業(yè)已經(jīng)有了在美設廠的計劃。這一局面對歐洲氫能產業(yè)發(fā)展顯然十分不利。

 

氫能布局，不只是歐洲

 

鑒于氫能在碳排放領域的巨大優(yōu)勢，目前除歐盟外，日本、韓國、美國、中國等也都紛紛發(fā)力氫能源，力圖搶占這一清潔能源新賽道。

 

日本是全球較早布局氫能源的國家。2014年日本就發(fā)布了《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，為日本構建“氫能社會”規(guī)劃了三個發(fā)展階段，提出到2040年，日本社會要建成完善的零碳氫燃料供應體系。2017年，日本政府又發(fā)布了《基本氫能戰(zhàn)略》，2019年對該戰(zhàn)略進行了修訂和補充，將其中部分發(fā)展目標和措施進一步細化和完善，并描繪了日本氫能應用、供應發(fā)展藍圖。2022年2月，日本發(fā)布了《第六次能源基本計劃》，提出力爭在2030年之前，將氫能成本降至與化石能源同等水平， 并不斷加速氫能應用，助力日本2050年碳中和目標。

 

韓國對氫能源也極為重視，2018年韓國政府就將氫能源與人工智能、大數(shù)據(jù)并列為未來戰(zhàn)略投資的三大關鍵領域。2019年韓國發(fā)布了《氫能經(jīng)濟活性化路線圖》， 為氫能生產、運輸、存儲以及應用場景等多個層面規(guī)劃了發(fā)展路線。為推動該戰(zhàn)略實施，韓國政府還專門出臺了《氫經(jīng)濟法》《綠色新政》等相關配套法律和政策，并不斷推進氫能基礎設施建設。2021年，韓國氫經(jīng)濟委員會又就氫能港口建設、加氫站部署、海洋綠氫生產、氫能產業(yè)特區(qū)等方面出臺了新的政策。韓國期望通過自身努力，到21 世紀中葉使清潔氫能成為韓國主要能源，滿足韓國三分之一的能源消耗以及四分之一的發(fā)電消耗。

 

美國對氫能也保持著積極態(tài)勢。美國也是最早關注氫能的國家之一，早在20世紀70年代，美國通用汽車公司就提出了“氫經(jīng)濟”這一概念。20世紀七八十年代的石油危機，促使美國政府從能源安全角度加強了對氫能的重視。21世紀初，美國還提出了國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略， 并對2030年氫能發(fā)展做出了遠景規(guī)劃。然而隨著頁巖氣革命的興起，這些計劃也逐漸被擱淺，但美國政府對氫能以及燃料電池的科研投入?yún)s并未停止，及至今天，美國在這些技術領域仍處于領先地位。總體來看，目前美國對氫能的需求并不十分迫切，對氫能的關注重點還是集中在戰(zhàn)略性技術投資領域，對氫能經(jīng)濟落地、氫能產業(yè)規(guī)劃等方面的政策和法案還較少。

 

我國對氫能源也十分重視，2006年發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中就將 “氫能源及燃料電池技術”作為前沿技術，進行提前攻關和布局。2008年，由我國自主研發(fā)的氫能源汽車亮相 北京奧運會。2010年我國發(fā)布了加氫站技術規(guī)范標準。2014年，國務院發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》將“氫能源及燃料電池”列入能源科學創(chuàng)新的重要戰(zhàn)略方向。2015-2018年，我國又在氫燃料電池、氫能源汽車、氫能源基礎設施建設、氫能技術裝備等方面出臺了一系列政策措施和前瞻性的戰(zhàn)略規(guī)劃。2019年，“加強氫能設施建設，推動氫能發(fā)展”被正式寫入政府工作報告。2022年3月，我國正式出臺了《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）年》，該規(guī)劃以“雙碳”目標為指引，為我國新時期氫能大規(guī)模生產、推廣、應用規(guī)劃了發(fā)展路徑。總體來看，目前全球氫能發(fā)展還處于市場活化的階段，預計2030年左右全球將會進入氫能持續(xù)高速增長階段，2040年左右是氫能市場走向成熟階段，2050年左右全球氫能市場將逐步建立，“氫能社會”將逐步變?yōu)楝F(xiàn)實。