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全球氢能市场将重塑新能源格局?

氢能在碳中和和碳减排的道路上扮演着不可缺少的作用。氢能发展是国际能源组织(IEA)认定的6大碳减排方法之一,也是未来增长最快的减碳路径。2021-2050年,强有力的氢能燃料发展能有效减少累计600亿吨的二氧化碳排放量[1],避免全球6%的碳排量,也会在2050年占据能源使用的10%。在全球2050碳中和路径下,电力化和新能源的发展将会是最有效的减排路径,尤其氢能技术作为二级能源也在许多行业和领域是必不可少的,其中重工业(钢铁和水泥行业)和交通行业对绿色氢能的需求最大[2]。在IRENA最新发布的报告《能源转型的地缘政治:氢能因素》中指出氢能是新能源发展道路上缺少的重要环节,它将朝着多样化和区域化的快速发展趋势直接影响全球经济和清洁能源发展的格局[3]。它会给传统能源产量薄弱的国家强有力的发展机遇,在氢能发展和贸易中将全球的能源竞争拉向平衡。

图1:IRENA对全球能源产量分配的预期(2022)

氢能在航空行业减排中的重要角色

在瑞典和西班牙,已经有成功的试点重工业氢能项目在制造零排量的钢铁和氨生产。但是相对比在重工业上的使用,氢能在交通行业的碳减排的作用最广为人知。其中氢能燃料的电动汽车、火车、货车和飞机是研发速度最快的行业。交通行业电力化在近年发展迅速,但是电池的续电时长和重量仍然是它最大的阻碍。美国、韩国和日本都是积极发展氢能的国家,仅从2017年至2020年中的四年间,全球路上的氢能电动车增长了六倍,从7000辆增长到43000辆。其中,五分之一的氢能电动车是大巴和货车,代表氢能技术已经长途大型交通接受并有效使用。

航空产业占据了全球碳排量的2%,也是交通碳减排中的重头。在后疫情时代航空产业逐步复苏的情景下,国际航协在2021年10月份发表了2050年净零碳排放的通知[4]。行业在承诺符合《巴黎协定》的目标和确保2050年100亿人次飞行的情况下,从2021年到2025年累计减少212亿吨的碳排量。在国际民航组织 (ICAO) 的国际航空碳抵消和减排计划 (CORSIA)推动下,全球航空产业在过去的一年也有着积极的发展。较为典型的是2021年9月空客集团[5](Airbus)推出了三款氢能源商用飞机的视觉概念图,并称这些飞机将于2035年推出并投入使用。在COP26上,空客公司也表示其未来实现碳中和的路径中将以发展氢能为主。同年12月,空客也宣布将与西班牙深度合作,将其研发氢能飞机的”零排量建造基地“(Zero Emission Development Centre)建在西班牙。同时,空客也列出了制造氢能飞机最大的四个挑战,这些挑战也适用在其他行业中氢能的使用:

1. 技术发展:在氢能电动化技术快速发展的情形下,汽车行业的技术无法复制到航空业来使用。为确保民用飞机的安全性和可行性,氢能技术需要减少重量和成本。

2. 氢气成本价格:现有的氢能成本远高于飞机燃料。但是在未来的10年内,随着新能源技术的发展和绿色氢能的增加,氢能的成本有望降低至少于现有飞机燃料的标准。

3. 配套设施:现有的机场设施无法支持大规模氢能飞机的使用,包括了氢能燃料的储存和运输方面的缺乏。还有一种可能性就是在机场内通过使用再生能源制造绿色氢能燃料,并在为飞机续航的同时解决机场本身的环保能源的问题。

4. 安全:大众对氢能的认知仍然停留在氢气的可燃性,对氢能和氢燃料电池的安全性保持怀疑,甚至恐惧的态度。但是实际上,氢燃料电池的安全性与其他电动汽车使用的锂电池不相上下,而氢能在正常的运输和使用下,比传统飞机和汽车的燃油更加安全。

 

图2: 空客推出的三款氢能机型概念图

来源:https://www.airbus.com/en/innovation/zero-emission/hydrogen
 

英国氢能发展促进碳减排目标的落实

早在2019年,氢能仅仅出现在了日韩法三国的退碳计划中。到2021年,超过20个国家公开发布了氢能发展战略,这其中就包括了走在节能减排前端的英国,德国和中国。英国作为COP26的主办国,也是节能减排的引领者,2021年8月英国发布了首个《国家氢能战略》[6],明确了对于发展低碳氢能产能将给予的政府支持,来推动其在2030年达到5吉瓦的绿色氢生产能力的目标,相当于减排4100万吨二氧化碳。

英国的氢能发展在交通领域尤其突出,目前英国路面上有300辆氢能汽车和巴士,ZEBRA(Zero Emission Bus Rapid-development Accelerator)项目下,英国政府拨款2.7亿英镑支持的4000 辆新零排放公交车就包括电动和氢能汽车以及相关的基础设施,仅在2022年支持电解氢项目的拨款就达到1亿英镑。报告中预期,交通行业将是英国氢能发展最大的行业,在2050年达到140万亿瓦时的需求。英国在蒂斯谷的第一个”氢能运输枢纽”将把氢能相关的政府,工业界和学术专家汇聚在一起,将专注于未来的氢研究和开发、真实世界测试和演示工作。

英国的全国巴士策略将从2021/2022开始,投入1.2亿英镑去增加4000台零排量巴士。包括需要的车辆和其所需的配套设施。总部位于英国的 Wright Bus[7],是全球首家制造氢燃料电动双层大巴的公司。它致力于研发更清洁续航更长的零排量巴士,也同时通过子公司Ryze Hydrogen[8]布局境内的氢能设施。英国为了重视航空产业氢能的发展,在2021年7月成立了零燃料委员会,帮助境内的企业和政府合作减排。

除了前面提到的空客以外,ZeroAvia公司的项目HyFlyer I和II(投入1500万英镑)完成的用氢燃料电池动力改装的小型六坐飞机在2021年9月已经完成商用级飞机首次氢动力的飞行,在行业内乃引领者;英国航空航天业开发的零碳飞机项目FlyZero(投入1500万英镑)预计在2030年试航。ATI领导的这个项目将汇集来自英国供应链和大学,探索设计挑战和潜在零碳排放飞机概念的市场机会;由吉凯恩航空航天公司(GKN Aerospace)牵头的H2GEAR(投入2700万英镑)旨在开发液态氢推进器系统 ,专注于研究液氢在燃料电池系统内转换,来用于大型飞机的减排路径,最早的飞机可能在2026年问世。

氢能:中国能源转型的另一个战略机遇?

与氢能技术在欧洲的蓬勃发展相似,中国对氢能发展也日渐重视。

2021年是中国的“十四五规划”开局之年,也是推动“碳达峰、碳中和”目标的关键时期。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[9]中,氢能第一次正式出现在第九章第二节“前瞻谋划未来产业”中,与类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发等前沿科技平行。

氢能将成为中国能源体系的重要组成部分。到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨。根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》[10]显示,2020、2025、2030年加氢站分别建成100、300、1500座,到2050年加氢站数量将达10000座,行业产值达12万亿元。

近年来,我国氢能发展展现出新一轮热潮,政府出台政策引导并鼓励氢能和氢燃料电池技术的研发和发展。《节能与新能源汽车技术路线图》和《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》提出了2020—2030年加氢站建设的规划。国内各大石油企业也陆续布局氢能源,包括了制造、储能、用能全产业链。与许多其他新能源技术发展相同,中国已经在氢能生产和使用方面走在全球前端。

结语

未来的十年将是氢能发展至关重要的时期,中国在其中也会扮演必不可少的角色。中国氢能产业发展的特点包括了:氢气产量和储氢材料产销量世界第一,但是氢能技术仍需开发和氢能产业发展的财税支持政策、技术标准等还需要进一步完善[11]。在这种情况下,中国积极与氢能技术相对发达的英国增加交流和合作有利于双方和全球氢能行业的发展[12]。通过这种产业上的互补,笔者认为中国有望帮助全球氢能产业攻克其最大的障碍,大幅度降低绿色氢能的成本,以助于整体氢能产业的大规模发展。类似案例在太阳能光伏板制造上已经发生过。早在2009年,太阳能光伏发电成本为每兆瓦359美元。随着光伏在中国的快速发展,从2009年以来到2019年的10年内, 光伏成本 下降了89%[13],使得光伏能源成为发展最快、覆盖率最广的可再生能源。如绿色氢能成本可以降低至燃油之下,那它在交通行业和重工业中的使用可以帮助中国乃至全球早日实现脱碳。

 

注释:

[1]IEA, Oct 2021, Global Hydrogen Review. Link: https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf ,P20

[2]IEA, Oct 2021, Global Hydrogen Review. Link: https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf ,P45

[3]IRENA (2022), Geopolitics of the Energy Transformation: The Hydrogen Factor,International Renewable Energy Agency Link:https://www.irena.org/publications/2022/Jan/Geopolitics-of-the-Energy-Transformation-Hydrogen

[4]IEA, Oct 2021, Global Hydrogen Review. Link: https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf ,P45

[5]AirBus Webpage. Hydrogen: An energy carrier to fuel the climate-neutral aviation of tomorrow. Link: https://www.airbus.com/sites/g/files/jlcbta136/files/2021-07/airbus_hydrogen_future_aviation_1P%20%281%29.pdf[

6]Aug 2021,UK Hydrogen Strategy https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1011283/UK-Hydrogen-Strategy_web.pdf

[7]Wright Bus webpage Link:https://wrightbus.com/en-gb/hydrogen-bus-streetdeck-hydrolinerFCEV

[8]Ryze Hydrogen webpage Link:https://ryzehydrogen.com/

[9]2021年3月13日《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》Link:http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm

[10]2021年9月19日《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》Link:http://www.szguanjia.cn/article/2435

[11]2021年11月9日,我国氢能产业发展的特点、问题与定位。Link:http://gjs.cass.cn/kydt/kydt_kycg/202111/t20211109_5373157.shtml

[12]2022年1月21日 英国驻华贸易使节吴侨文谈中英氢燃料电池汽车产业发展 Link:http://www.cnenergynews.cn/zhiku/2022/01/21/detail_20220121116407.html

[13]2020年12月8日,为什么可再生能源成本下降如此之快?Link:https://guangfu.bjx.com.cn/news/20201208/1120579
 

作者:潘伊人

编辑:赵昂

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