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韩国、欧洲和日本如何发展氢能

2019年8月6日

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。2019年1—3月,韩国、欧盟和日本陆续发布了氢能领域的最新规划。

一、韩国政府出台《氢能经济发展路线图》

2019年1月,韩国政府发布《氢能经济发展路线图》,希望以氢燃料电池汽车和燃料电池为核心,把韩国打造成世界最高水平的氢能经济领先国家,到2040年创造出43万亿韩元的年附加值和42万个就业岗位。为实现上述目标,韩国政府将重点在氢燃料电池汽车,加氢站,氢能发电,氢气生产、存储和运输,安全监管等方面采取措施。

韩国政府认为,发展氢能经济能够减少温室气体和细颗粒物排放,帮助实现能源多元化,降低海外能源依存度;能够在交通运输领域(汽车和船舶制造)和能源领域(氢能发电)创造新市场和新产业;氢气生产、存储、运输、加氢站等基础设施建设能够带动其他相关产业,培育一批中小企业和骨干企业,成为国家未来增长引擎。

因此,2018年8月韩国政府将“氢能产业”确定为三大创新增长战略投资领域之一。9月,韩国产业通商资源部成立氢能经济推进委员会,并着手制定《氢能经济发展路线图》(以下简称《路线图》)。2019年1月,经过跨部门协商,文在寅总统正式发布该《路线图》,宣布韩国将大力发展氢能产业,引领全球氢能市场发展。

《路线图》的愿景是以氢燃料电池汽车和燃料电池为核心,将韩国打造成世界最高水平的氢能经济领先国家。具体来说:到2040年,使韩国氢燃料电池汽车和燃料电池的国际市场占有率达到世界第一;使韩国从化石燃料资源匮乏国家转型为清洁氢能源产出国。韩国政府提出,如果该路线图顺利落实,到2040年可创造出43万亿韩元的年附加值和42万个就业岗位,氢能产业有望成为创新增长的重要动力。《路线图》主要涉及氢能产业发展五大领域。

(一)氢燃料电池移动出行

目标:到2040年,累计生产620万辆氢燃料电池汽车,建成1200座加氢站。

(1)到2040年,使氢燃料电池汽车累计产量达到620万辆。

其中,290万辆面向韩国国内市场,330万辆用于出口,包括氢燃料电池轿车、氢燃料电池巴士、氢燃料电池出租车、氢燃料电池卡车。

在氢燃料电池轿车方面,目前韩国的累计产量为1800辆,政府计划到2022年将累计产量提升至8.1万辆,其中6.5万辆面向韩国国内市场,1.6万辆用于出口,并使膜电极组件、气体扩散层等主要零部件的国产化率达到100%。到2025年,建成年产量达10万辆的生产体系,届时氢燃料电池轿车售价有望降至目前的一半,即3000万韩元(约合人民币19万元)左右,基本与燃油车价格持平。

在氢燃料电池巴士方面,韩国计划2019年在7个主要城市推广35辆氢燃料电池巴士,到2022年增至2000辆,到2040年进一步增至4万辆。在氢燃料电池出租车方面,将于2019年在首尔地区进行试运行,到2021年推广至主要大城市,力争到2040年达到8万辆。

在氢燃料电池卡车方面,将于2020年启动研发及测试,到2021年推广至垃圾回收车、清扫车、洒水车等公共领域,其后逐步扩大至物流等商业领域,力争到2040年达到3万辆。

(2)到2040年,建成1200座加氢站。

目前,韩国共有14座加氢站,计划到2022年增至310座,到2040年进一步增至1200座。为此,韩国政府将:在加氢站取得经济效益前为其提供设备安装补贴,并考虑新设加氢站运行补贴,为加氢站的设立和发展提供财政支持;将加强与SPC集团合作,将现有的液化石油气(LPG)加气站和压缩天然气(CNG)加气站转换为可加氢气的融复合加气站;将放宽选址、距离等方面的限制,允许在城市中心区和公共办公区等主要城市中心地带建设加氢站;制定司机自助加氢方案;充分利用“监管沙盒”制度,放宽管制以积极吸引民间资本参与氢能产业投资。

(二)氢能发电

目标:到2040年,普及发电用、家庭用和建筑用氢燃料电池装置。

(1)到2040年,普及发电用氢燃料电池装置,使其总发电量达到15吉瓦(相当于韩国2018年全年发电总量的7%~8%)。具体为:2019年上半年,根据可再生能源证书(RenewableEnergyCertificates,RECs,又称为绿色标签、可交易再生能源证书,是一种可以在市场上交易的能源商品,代表着使用清洁能源发电对环境的价值。它借用市场机制对使用者进行补贴,鼓励绿色能源应用)制度中规定的标准,新设氢燃料电池发电专用补贴,确保投资的稳定性;到2022年韩国国内氢燃料电池总发电量应达到1吉瓦,实现规模经济;到2025年氢燃料电池发电装置安装费用应下降65%,发电价格应下降50%,与中小型液化天然气装置发电价格持平。

(2)到2040年,普及家庭用及建筑用氢燃料电池发电装置,使其总发电量达到2.1吉瓦。韩国政府还考虑,强制要求公共机构和新商业建筑安装氢燃料电池发电装置。

(3)开发用于大规模发电的氢燃气轮机技术,力争2030年后通过验证并启动商业化。

(三)氢气生产

目标:到2040年,使氢气年供应量达到526万吨,每公斤价格降至3000韩元(约合人民币17.7元)。

(1)氢能经济发展早期将以“副产氢”和“氢提取”为主要方式制备氢气。“副产氢”是指在石油化工等工业生产过程中收集并利用作为附属产品的氢气,其年产量可达5万吨,相当于25万辆氢燃料电池汽车的年度用氢量。对此,韩国要扩建相关基础设施。“氢提取”是指在天然气供应链上建设大规模的基地型氢气生产基地,在有需求的地区建设中小规模的氢气生产基地。对此,韩国要实现氢气提取装置的国产化并提高提取效率,包括采用生物质等多种氢提取方式。

(2)建立海外生产基地,稳定氢气生产、进口和供需。

(四)氢气存储和运输

目标:构建稳定且经济可行的氢气流通体系。

(1)通过多样化存储方法(如高压气体、液体、固体),提高储氢效率。

(2)放宽对高压气体存储的相关规制,开发液化或液体储氢新技术,使其具有极高的安全性且经济可行。

(3)随着氢气需求的增长,加大对管式拖车及输氢管道的利用。通过使用轻型高压气态氢气管式拖车降低运输成本,并建设连接整个国家的氢气运输管道。

(五)安全保障

目标:构建全流程安全管理体系,营造氢能产业发展生态系统。

(1)确保氢能经济的稳定发展。主要措施包括:在氢能生产、存储、运输、使用的全过程构建切实有效的安全管理体系,提高国民信赖度;制定氢能安全管理专门法令;按照国际标准制定及修订加氢站安全标准;设立氢能安全评估中心;设立氢能安全体验馆,向国民推广普及氢能安全指南及正确的安全信息。

(2)提高氢能技术竞争力并培养核心人才。主要措施包括:制定相关部门共同执行的氢能发展技术路线图;培养氢能安全管理和核心技术开发专业人才;2030—2040年间,提议15项以上氢能相关国际标准,并积极参与国际标准化活动。

(3)完善支撑氢能经济发展的法律基础。对此,韩国将于2019年制定《氢能经济法》,为促进氢能经济发展奠定法律基础。

(4)培育氢能中小企业和中型企业。对此,政府将支持氢能技术开发,增加相关设备投资与维护费用支持。

(5)构建促进氢能经济发展的跨部门推进体系。主要措施包括:组建国务总理主持的“氢能经济促进委员会”;成立氢能经济专业振兴机构。

二、欧洲FCH-JU发布《欧洲氢能路线图》

2019年2月,欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCH-JU)发布《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》报告,指出欧洲已经踏上向脱碳能源系统转型的道路,大规模发展氢能将带来巨大的经济社会和环境效益,是欧盟实现脱碳目标的必由之路。报告提出了欧洲发展氢能的路线图,明确了欧洲在氢燃料电池汽车、氢能发电、家庭和建筑物用氢、工业制氢方面的具体目标,并为实现所设目标提供了8项战略性建议。

(一)欧洲必须发展氢能的三大原因

首先,氢能是工业、交通运输和建筑等特定行业部门大规模脱碳的最佳选择,甚至可能是唯一选择。

(1)目前欧洲建有庞大的天然气网络为工业、家庭供暖和发电提供服务,氢能将对这一网络脱碳发挥重要作用。生产商无需进行大幅升级换代就可以将氢气加入现有天然气网络进行配送,甚至可以直接输送纯氢气,或者用氢气和二氧化碳生产的合成天然气替代天然气。使用基于氢燃料电池的热电联产装置(该装置是分布式发电装置,安装在用户端进行发电,在产电的同时也副产热能,满足家庭用热需求)可以提高天然气供暖系统的能效。

(2)在交通运输领域,氢气是卡车、公共汽车、船舶、火车、大型轿车以及商用车辆最具前景的脱碳手段。氢燃料电池比充电电池和内燃机消耗的原材料少很多;加氢基础设施具有显著优势,例如在城市和公路沿途修建加氢站所需的空间仅占快速充电站的1/10;氢气供给具有很大的灵活性,而大规模的快速充电基础设施需要大幅改造电网。

(3)工业部门可以燃烧氢气供热,而且在多种工艺过程中可将氢气当作原料使用,既可以直接使用,也可以与二氧化碳混和成为合成燃料。

其次,氢能可实现跨部门、时间和地点灵活转移能源,在向可再生能源转型中发挥重要作用。

氢能是实现终端用能耦合的唯一大规模技术,利用可再生能源发电制氢,可灵活存储,并分配至终端用能部门满足能源需求;电网融合高比例可再生能源将加大短期和长期供需不平衡,氢能发电启动快且灵活度高,对调节用电峰荷极其有利,是确保电网弹性的关键技术;通过管道、船舶和卡车中长距离运输氢气,可将低成本可再生能源地区与需求中心连接起来,且成本远低于输电线路。

第三,向氢能转型符合用户偏好,而且具有便利性。

这一点很关键,因为不符合用户偏好的其它低碳能源选项已经被证明很难被用户接受。在交通运输领域,氢能汽车的续航里程和燃料补给速度都与内燃机汽车相当。在电力领域,能源企业可以利用现有管道将氢气直接或合成甲烷混合到天然气网络中。

(二)欧洲实现氢能潜力的路线图

报告指出,如果欧盟从现在开始雄心勃勃地大力发展氢能,那么将带来巨大的社会经济和环境效益:到2050年,欧洲氢能发电总量能够达到2250太瓦时,占欧盟能源需求总量的1/4;氢能生产及相关设备的产值将达到8200亿欧元(2030年预计为1300亿欧元);整个氢能行业可提供540万个高技能就业岗位(2030年预计为100万个);欧盟碳排放量将减少约5.6亿吨,公路交通相关氮氧化物排放将减少15%。

具体指标包括:

(1)在交通运输领域中:到2030年,氢燃料电池乘用车将达到370万辆,占乘用车总量的1/22;氢燃料电池轻型商业运输车将达到50万辆,占轻型商业运输车总量的1/12;氢燃料电池卡车和公共汽车将达到4.5万辆;使用氢燃料电池火车可替代约570列柴油火车。

(2)在建筑物中:到2030年,氢气可替代7%的天然气,相当于提供30太瓦时氢电;到2040年,氢气可替代32%的天然气,相当于提供120太瓦时氢电;到2040年,部署250万台氢燃料电池热电联产装置,可节省电网电量15太瓦时。届时,除供电外,氢能还能满足所有商用建筑以及1100万个家庭的供暖需求。

(3)在工业部门中,到2030年,1/3的氢气生产都可以实现超低碳,但仍需经过大规模可行性验证。

(4)在电力系统中,到2030年,将种类繁多的可再生能源发电转型为主要依靠氢能发电,并进行大规模氢能发电示范。

(三)政策建议

鉴于欧盟能源转型需求和发展氢能的益处,为确保欧洲氢能发展顺利推进,报告就欧洲地区氢能产业各利益相关方(政策制定者、产业界和投资者等)提出8项战略性建议:

(1)政策制定者和产业界应联合为所有行业和社会部门制定清晰、长期、明确和现实的整体性脱碳路径。既包括为终端应用设定目标(例如车辆排放目标或建筑脱碳目标),又包括能源生产和分配所必需的基础设施。此外,还应为相关行业提供可靠的长期指导,以为产品开发和基础设施建设相关投资指明方向。

(2)欧洲产业界应投资氢能和燃料电池技术,以保持竞争力,并抓住新机遇。首先,应从长远角度看待氢能和脱碳问题,并建立纵向和横向合作联盟来克服重重障碍。其次,产业界应与政策制定者密切配合,发展欧盟强大的内部市场和价值链。第三,产业界应与亚洲(如中国、日本和韩国)快速发展的氢能和燃料电池市场参与者建立产业合作关系,以对冲市场风险。

(3)政策制定者和天然气企业应着手实施天然气网络脱碳工作。应对天然气网络中的可再生能源占比设定有约束力的目标,或使用其它手段对超低碳制氢提供支持,如差价合约、上网电价、投资支持等。

(4)在电力系统中,政策制定者应鼓励使用水电解制氢以平衡电网供需。例如,类似于在常规电力市场中使用上网电价措施,应该采用灵活的氢气生产等手段代替碳排放平衡机制。政策制定者和产业界应开发欧洲分布式电转气市场,显著降低生产成本,同时创建耦合终端用能部门稳定电价并应对季节性失衡,以让电提高可再生能源在电力系统中的比例。此外,利益相关方应制定季节性和长期储能框架。

(5)在交通运输领域,政策制定者应制定明确可信的路线图和零排放交通政策,并匹配相应资金和担保机制促进加氢基础设施投资。覆盖整个欧盟的基本路线图能够为汽车公司及其供应商带来信心,提高氢燃料电池汽车产量,从而显著降低成本并扩大消费者的选择空间。产业界应投资产品研发,并在最适合的领域进行广泛部署,如研发氢燃料电池卡车、公共汽车、货车。政策制定者应提供激励措施促进氢能投资,如公共采购燃料电池公交车等。

(6)在工业部门,利益相关方应着手启动从“灰色制氢”转向低碳制氢,并进一步通过扩展新的氢能用途来取代化石燃料。政策制定者应确保将无碳排放制氢纳入可再生能源目标,并在氢能所有主要用途中设定低碳排放目标。这一转型能使制氢技术取得规模和成本方面的飞跃式进步,使氢能不仅对产业界,也对所有其它部门都能产生更大的吸引力。

(7)产业界应将水电解制氢技术提升至商业化水平,以实现大规模超低碳制氢,并证明碳捕获与封存技术有助于在未来十年内大规模生产超低碳强度的氢气。在天然气网络中使用无碳氢的目标或差异合同/上网电价目标能够激励投资者对水电解制氢行业进行投资,因此水电解制氢和为电网提供稳定的分布式解决方案应得到充分鼓励。另外,利益相关方还应对结合碳捕集合封存技术的制氢设施进行大规模示范。

(8)产业界和政策制定者应继续联合制定更多更详细的氢能和燃料电池应用发展计划,并为经过成功验证的技术制定规模化应用方案。例如,在近期氢能火车取得成功的基础上,全欧洲应开始替换柴油火车。在航运方面,政策制定者应在国际海事组织规定的任务指标外,为港口、河流和湖泊设立氢能脱碳目标。

三、日本政府公布《氢能利用进度表》

日本是最重视氢能利用的国家,提出要在全球率先实现“氢社会”,以摆脱能源困境,确保能源安全。继2017年12月出台《氢能基本战略》后,日本政府又于2019年3月公布《氢能利用进度表》,旨在明确至2030年日本应用氢能的关键目标。主要包括:到2025年,使氢燃料电池汽车价格降至与混合动力汽车持平;到2030年,建成900座加氢站,实现氢能发电商业化,并持续降低氢气供应成本,使其不高于传统能源。

自使用化石能源以来,能源资源几乎为零的日本始终处于极其被动的境地,氢能产业的美好前景使日本看到了根本摆脱这一困境的曙光,甚至期待未来能占据该产业链顶端,成为能源出口国。2017年12月,日本发布《氢能基本战略》,提出率先在全球实现“氢社会”。为实现这一目标,2019年3月,日本政府汇总并公布了旨在活用氢能的进度表,旨在为普及氢能应用提供助力。该进度表主要从氢能应用、氢能供应和全球化氢能社会三大维度展开。

(一)氢能应用

目标:到2025年,全面普及氢能交通,并进一步扩大氢能在发电、工业和家庭中的应用。

首先,在交通运输领域:

(1)氢燃料电池汽车。日本交通运输行业的二氧化碳排放量约占全国总排放量的20%,其中汽车(轿车、货车等)占85%。因此,要降低交通运输行业的二氧化碳排放量,就要降低从轿车到卡车、公共汽车等大型汽车的二氧化碳排放量。较之蓄电池,氢能的单位重量及单位体积的能量密度较大,因此在大型或远距离运输时,氢燃料电池汽车比纯电动汽车更具优势。为此,日本提出:

在氢燃料电池轿车方面,到2025年其年产量应达到20万台,到2030年应达到80万台。要缩小氢燃料电车轿车与混合动力轿车的价格差,到2025年使二者价格相当。要降低氢燃料电池轿车主要要素的成本,到2025年使氢燃料电池系统的价格由目前的2万日元/千瓦降至0.5万日元/千瓦(当前日元对人民币汇率:1日元约合0.06元人民币),使储氢系统的价格由目前的70万日元降至30万日元。

在氢燃料电池公共汽车方面,计划2020年达到100台,2030年达到1200台。另外,2020—2025年间要实现氢燃料电池公交车价格减半,由目前的1.05亿日元降至5250万日元,到2030年要开发出氢燃料电池无人驾驶公交车。

在氢燃料电池卡车方面,日本厂商已着手开展小型卡车实证研究。对于大型卡车,要进行近距离(200公里左右,高压气罐)、远距离(500公里左右,液氢罐)运输相关氢燃料电池技术开发,并于2020年制定具体方案。

(2)加氢站。加氢站是普及氢燃料电池汽车的重要一环。日本自2013年起着手完善商用加氢站,并于2018年成立了日本加氢站网络公司(JHyM)。截至2018年底,日本共设立了100座商用加氢站。到2025年,日本计划设立320座加氢站,到2030年进一步增至900座。2025—2030年间还计划设立无人运营加氢站。另外,到2025年,加氢站建设及运行费用应大幅下降,其中建设费应由目前的3.5亿日元降至2亿日元,运行费应由目前的3400万日元/年降至1500万日元/年;相关设备成本也应大幅下降,其中氢压缩机应由目前的0.9亿日元降至0.5亿日元,蓄压器应由目前的0.5亿日元降至0.1亿日元。

其次,在电力领域:

日本电力行业的二氧化碳排放量占全国总排放量的40%,未来要转变为以可再生能源为主力电源的能源系统。除天然气等火力发电方式外,利用氢能发电的成本较低,二氧化碳排放量较低,是一种极具潜力的清洁能源。日本计划到2030年实现氢能发电的商业化。

其中,氢燃料电池发电技术是氢能发电领域最重要的技术之一,具有发电效率高、体积小、余热可有效利用等优点。氢燃料电池发电是小规模分布式发电,不仅可实现与大型火力发电厂同等水平的发电效率,还不需要大规模投资。

在商业和工业用氢燃料电池发电领域,2017年日本厂商已正式将固体氧化物型氢燃料电池(SOFC)投入市场。到2025年,结合余热利用技术,实现电网平价(是指一种电力技术使其发电成本与现有电力成本持平的能力)。其中,低压发电的设备资本性支出应降至50万日元/千瓦,发电成本应降至25日元/千瓦时;高压发电的设备资本性支出应降至30万日元/千瓦,发电成本应降至17日元/千瓦时。另外,还要提高固体燃料电池的发电效率和耐久性。到2025年,发电效率要超过55%,未来则要超过65%,耐久性则要由目前的9万小时增至2025年的13万小时。

在家用氢燃料电池发电领域,早在2009年日本就已将家用燃料电池装置投入市场,领先世界。截至2019年1月底,已普及27.4万台。到2030年,日本则计划达到530万台。同时,到2020年要将固体高分子型氢燃料电池(PEFC)价格降至80万日元,将固体氧化物型氢燃料电池(SOFC)价格降至100万日元。

第三,工业生产领域:

在工业生产过程中,氢气经常作为副产物生成,这些副产物可以回收后作为原料使用,该方法有望在未来的氢能供应链中成为氢能供应来源。另外,在工业生产过程中利用氢能能够减少二氧化碳排放。因此,未来日本将从供应氢能和利用氢能两大维度出发,研究工业生产使用氢能对二氧化碳减排的重要影响,并对生产过程中不排放二氧化碳的氢能应用及供应潜力开展调查。

(二)氢能供应

目标:加快研发,以技术迎接未来氢能社会。具体为:到2030年,使氢气价格降至30日元/标方,未来应进一步降至20日元/标方,确保其价格不高于传统能源。

当前,氢气制备主要通过两种方式:一是通过煤、天然气等化石能源制氢(如煤气化制氢);二是通过风能、太阳能等可再生能源电力制氢(如水电解制氢)。

在化石能源制氢方面,为到2030年使氢气供给成本降至30日元/标方,基于日本与澳大利亚合作的褐煤制氢项目,日本计划2020—2025年间实现以下基础技术目标:在制造环节,降低褐煤气化的制氢成本,由数百日元/标方降至12日元/标方;在存储和运输环节,提高氢气液化效率,由13.6千瓦时/千克降至6千瓦时/千克,增大液氢罐容积,由数千日元/立方米降至5万日元/立方米;在碳捕集与封存环节,降低二氧化碳分离回收相关技术成本,由4200日元/吨降至2000日元/吨。

在可再生能源制氢方面,日本相关技术要达到世界最高水准。其中,到2030年,水电解制氢装置成本要由目前的20万日元/千瓦降至5万日元/千瓦,耗能量要由目前的5千瓦时/标方降至4.3千瓦时/标方。另外,还要开发新技术,提高水电解装置的效率及耐久性,并以福岛氢能源研究站为示范区进行实证。

(三)全球化氢能社会

目标:以日本为主导开展国际合作,实现全球化氢能社会。

日本《氢能基本战略》中就将“国际化”设为重要举措之一,提出日本要构建从氢气制造到存储、运输和利用的全供应链技术,并将其打包推向全世界;在国际氢能经济和燃料电池伙伴计划等政府层面的国际框架中,积极宣传日本的措施;引领国际标准制定。

为此,日本于2018年10月发布《东京宣言》,提出要协调各国的氢能发展举措及标准制定;共享有关氢能安全性及供应链的信息,推动国际共同研发;调查氢能应用潜力,减少二氧化碳及其他污染物质的排放;开展普及教育,推广活动,提高公众对氢能的接受度。后续举措将包括:比较美国、德国、法国等国的氢能发展规划及重点举措;共享日本氢能供应链实证成果,让澳大利亚等资源丰富的国家参与其中;利用2020年日本将举办奥运会、残奥会,2025年将举办大阪世博会等契机,宣传最先进的氢能技术;开展创新型技术研发。

来源(能源情报) 作者(能源情报)

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