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        中德氫能戰略有何異同?發展難題何解?

        2023-12-07 14:44:00

          張樹偉
          2023年7月26日,德國政府通過新版《國家氫能戰略》。該戰略稱,到2030年德國在氫能技術的領先地位將進一步提升,產品供應將覆蓋從生產(如電解槽)到各類應用(如燃料電池技術)的氫能技術全價值鏈。
          德國副總理兼經濟和氣候保護部部長哈貝克在聲明中指出:“投資氫能就是投資我們的未來,這是對氣候保護、就業、能源供應安全的投資?!钡聡洕献髋c發展部部長舒爾策也表示,通過更新《國家氫能戰略》,德國希望向伙伴國家傳遞信號,德國不僅希望可靠地進口氫能,還希望助力新的氫能供應鏈可持續發展。
          今年8月份,國家標準委等六部門也聯合印發國家層面首個氫能全產業鏈標準體系建設指南——《氫能產業標準體系建設指南(2023版)》(下稱《指南》),提出“到2025年,支撐氫能制、儲、輸、用全鏈條發展的標準體系基本建立,制定、修訂30項以上氫能國家標準和行業標準”的發展目標。
          近年來,全球氫能產業發展十分迅猛。國際氫能委員會數據顯示,截至2022年底,全球氫能領域的直接投資額近2500億美元。該委員會預測,到2030年該投資總額將升至5000億美元;到2050年,全球范圍內氫能占全部能源消費的比重將提高到18%,氫能孕育的經濟市場規模將飆升至2.5萬億美元。
          那么,氫能發展的影響因素有哪些?德國氫能戰略與我國有何異同?氫能發展面臨哪些待解難題?本文將著重討論這些問題。
          氫能發展受到哪些因素“催化”?
          氫能,特別是用成本已經實現大幅下降的風電、光伏發電進行電解制備的綠氫,從2020年就開始了快速的發展進化。除了新的可再生電力電解技術路線展示的未來潛力之外,氫能的發展還受到了其他一些結構性與短中期因素的“催化”,主要包括:
          第一,傳統能源價格上漲預期。2021年—2022年,世界化石能源價格暴漲,價格風險與進口可靠性(尤其是天然氣)問題凸顯。在這樣的背景下,電解制氫各種技術路線的經濟性得到了進一步凸顯,工業示范項目的審批、融資與建設也呈現出快速發展的態勢。
          第二,綠氫有望解決減碳難題。通過可再生能源制備的綠氫成為解決部分碳減排困難領域問題的關鍵,特別是在重工業、重載運輸、航空等領域。在這些領域,廣泛利用傳統電力并不經濟或者存在可靠性不高、技術不可行等問題。例如,在需要大量儲存的場景中,電池存儲成本仍然昂貴,而液體與氣體的運輸方式則更加容易且成本較低。8個300萬千瓦架空線的傳輸能量跟1個1.2米直徑的天然氣管道相當。
          第三,政策推動新型制造業發展。世界各國紛紛強調新型制造業的重要性,通過制定產業政策促進氫能產業鏈發展。例如,美國通過通貨膨脹調整法案(IRA)為本地制造業提供大量補貼;歐洲也相繼推出一系列本地制造激勵與補貼政策,支持風機、光伏、電解槽、電池等制造業發展,以防范產業的空心化。
          第四,傳統能源巨頭的積極參與。從社會經濟視角來看,當前能源市場的主要參與者(如各大石油公司巨頭)對氫能的熱情高于風電與光伏發電初入市場時。他們往往更看重間接電氣化,認為其優于“電是一切”的直接電氣化。
          氫能的快速發展體現在制氫、輸氫、儲氫與用氫等產業鏈環節,有望實現供需互相促進,逐步形成生態系統。
          歐美布局氫能產業的思路
          與我國的異同
          歐盟、英國、美國、韓國、日本、中國等世界主要經濟體在2020年前后陸續發布關于氫能發展的國家戰略。即使是沒有專門發布氫能戰略的國家,也將氫能利用作為其碳減排實現的支撐性技術之一。2023年上半年,德國又更新了其氫能戰略版本,提高了其中期(2030年)發展目標。
          政府的支持對啟動這個新型市場是重要的。按照目前的計劃,到2030年,歐盟要實現40吉瓦以上的電解能力,產出百萬噸級的氫能,主要利用北海(North Sea)地區的海上風電資源。其中,荷蘭與德國進展較快。2022年,英國在2021年制定的國家氫能戰略基礎上,發布低碳氫經濟商業模式與支持方式,包含一項2.4億英鎊的基金,錨定到2030年實現5吉瓦左右的綠氫生產能力。
          在消費側,一直存在一批深耕氫燃料電池與氫發動機的汽車廠商,主要是日本與韓國廠商,但與當前市場對電動汽車的高關注度相比,顯得有些進展緩慢。在氫能運輸方面,第一船液氫在2021年12月26日從日本運往澳大利亞,通過液氫邊運輸邊驅動船只是下一步的設想。德國與加拿大簽訂了綠氫合作協議,推動國際產業鏈建設,據悉,加拿大通過風電制備的第一批氫最早計劃于2025年開始賣到德國。
          相較而言,我國目前的試點項目規模更大、成本更低,特別是在河北、山西、內蒙古等能源富集地區的風儲氫綜合能源項目,單位投資成本只有發達國家顯示成本的1/2甚至更低。相關研究顯示:基于德國和美國得克薩斯州的當前環境,盡管還不能在工業上實現規模供應,但可再生氫氣在小市場(niche market)應用中已經具有成本競爭力(3.2歐元/公斤)。如果最近的市場趨勢延續下去,10年內可再生氫氣價格可以下降到2.50歐元/公斤。2022年3月,我國光伏制造商——隆基股份提出“一塊五一方氫”的綠氫發展理念。如果光伏發電成本下降到0.1元/千瓦時,那么對應的制氫成本可以降到5元/公斤。今年8月30日有關消息顯示,我國光伏發電制氫規?;瘧迷谛陆畬崿F零的突破。
          為綠氫創造下游市場是可以進一步發力的地方。這方面不僅要有目標,還需要有初期的集體性政策工具,解決增量成本如何消化的超越企業層面的問題。這些安排需要財政的積極介入。德國宣布擬通過財政補貼來彌補綠氫相較于傳統氫能增加的成本,即設計“碳差價合約”(CCfD)計劃,為能源密集型產業提供資助,支持減少二氧化碳排放并將其轉變為氣候友好型公司。這類公司有望獲得與其生產規模無關的補助金。
          制氫端研究開發:競爭還是合作?
          當前,各種電解槽/電池的研究開發正處于不斷進步的階段。學術界/研發實驗室密集探索著通過改進轉化效率、電解海水等方式緩解耗水擔憂,并積極探索新的技術路線。
          在電解海水方面,大連、武漢等地研究機構的科技工作者最近在《自然》期刊上發文,內容是不斷提升電解效率并解決腐蝕問題。與此同時,歐美研究人員2023年6月公布了一項突破性發現,通過鹵化物鈣鈦礦電池使水解制氫效率超過20%。而在應用端的研發示范項目中,天然氣電廠摻氫燃燒,奧地利電力部門正在測試30%比例的可行性。
          過去,人們往往認為研究開發基礎科學(know-how)會帶來典型的正外部溢出效應——一旦某個知識點或技術實現突破,就會變得容易理解與掌握,人人都能從中受益。
          盡管這個觀點在某種程度上依然成立,現實中的暢通交流/合作研發卻日益受到泛安全關切的干擾。以中美科技合作協定(STA)為例,自1979年簽署以來,STA每隔5年就會續簽一次。然而,在2023年8月,美方僅尋求將其策略性延長6個月。鑒于這一現狀,我們應區別于國際社會的封閉做法,主動開放合作。
          目前的示范項目能成嗎?
          2023年5月份,信息與情報咨詢機構麥肯錫組織的氫能委員會發布了最新的全球氫能項目;9月份,國際能源署(IEA)也發表類似的綜述;歐洲氫能項目的跟蹤與分析工具(hydrogen project tracker)時刻更新;北美大陸的項目也在不斷匯總中。
          據筆者統計,這些項目涵蓋整個產業鏈,總數已經超過1000個,處于計劃、可行性研究、投資準備、在建以及投運的不同階段。盡管所有項目都有望在2030年前建成,但是最終能夠投產運行的只有小部分??尚行苑矫嫘枰粩嘣囧e,重大戰略性技術路線的選擇、資金與管理方面的問題與挑戰等必然伴隨整個項目周期。
          以儲運環節為例?;谀壳按嬖诘幕A設施現狀,氫能的運輸起碼有3種選擇:與天然氣混合運輸(存在比例限制)、改造天然氣管道、建設新的氫能傳輸網絡。這三者并非互斥,但是不同空間、時間下,理想的選擇會有所不同。其中,誰來承擔儲運基礎設施的成本,特別是高昂的前期投資成本,是一個尚待明確的問題;相關的操作性問題,比如商業交易、調度、結算等也需要假以時日才能發展起來。目前,將氫能轉化為更接近目前油氣產品的能源(高能量密度、可儲存、可運輸),特別是利用目前的LNG(液化天然氣)船與接收站基礎設施,是值得深入探索的方向。
          是否有足夠的電力來使用?
          是否有足夠的電力用于制氫?氫能的規模一旦上去,就類似于今天的IT與電動汽車行業,會迅速成為耗電大戶。同時,巨大的投資成本要有效攤銷,連續長時間運行也要考量經濟與可靠性。如果沒有新增的大量廉價可再生能源,則有可能引發電價上漲,或者傳統化石能源的更進一步使用(這是氣候變化的壞消息),乃至產生供應緊張甚至中斷問題。
          這方面,歐盟出臺的綠氫法案具有非??b密的額外性要求,可供我們借鑒。它規定了一套復雜的程序來確保生產燃料的電力是可再生能源,包括發電設施與電解槽在地理上相距不遠,在時間上同時開動等。有專業學者根據這個程序,畫了一大張紙的判斷流程圖。在最多的情況下,足足需要13個步驟才能判斷是否符合綠氫的標準。
          我國中西部有廣泛的綠色產業園,可有效緩解這方面的擔憂。綠色產業園將電源、耗能工業、產品深加工、生產生活集合在一起,構成一個微網系統。根據相關行業協會最新的項目技術經濟分析,陸地風電已經普遍實現低于0.3元/千瓦時的長期度電成本,而在一些光照良好的沙漠地區,光伏滿負荷等價發電小時數在1500小時以上,度電成本可以低至0.1元/千瓦時~0.2元/千瓦時。利用好這些廉價的電力資源,是鋼鐵等終端能源需求部門的一個戰略性課題。
          碳邊境調節機制對氫能應用
          有何作用?
          從現在到2030年,我國大量的鋼鐵產能將面臨退役重建。未來,采用何種技術、在哪里布局、是否開展氫冶金以實現噸鋼低碳排放甚至零碳排放,是不可回避的重大戰略抉擇問題。
          在宏觀約束上,碳邊境調節機制正日益成為實際政策。推行碳邊境調節機制的一個最有說服力的理由是:如果不對進口高耗能產品征收額外稅,那么本地的高耗能企業就面臨不公平的國際競爭,長期來看,它們就有可能永久轉移到其他地方,造成本地產業與就業流失。鋼鐵是第一批需要繳納碳稅調整的產品之一。
          從鋼鐵生產的投入要素,特別是鐵礦石與電力來看,市場環境的變化也可能引發新的行業空間配置轉移。最近的一篇論文論述,鋼鐵工業的未來在陽光充足、風力強勁、靠近鐵礦石礦床的熱帶地區國家。這是純基于技術經濟競爭力比較的結果,它必須加上足夠的經濟安全與國家安全考量才能更加靠近這個世界的現實。保留鋼鐵等先進制造業,成為各國“重商主義”的共同選擇。當然,在明顯具有界限國家的內部,鋼鐵行業布局往往出于經濟效率考量。過去,我國的鋼鐵產能主要布置在交通便利的東部沿海地區,而現在,隨著西部豐富廉價可再生能源的增多,產業逐步從東向西轉移也是自然趨勢。
          未來,鋼鐵產品的出口無疑會受到碳邊境調節機制的約束。是否有一種可能,與其讓歐盟收碳稅,我們還不如自己收了,乃至對鋼鐵行業定向征收?這種定向方式在歐盟看來是一種“繞過規則”的做法,是不能豁免的。從企業層面,是否可以從改變產品類別的角度規避征稅?比如原來的鋼鐵產品,稍微改造包裝,用其他產品報關?這種可能性歐盟也已經考慮到了——專門有個27條款控制這種“規則規避”。美國方面,甚至可能在本國不存在碳定價的情況下,以碳排放為由進一步征收鋼鐵關稅。盡管2022年12月份,世界貿易組織已經裁定這些關稅不符合貿易規則,但美國貿易代表一再重申,世界貿易組織不應干預美國國家安全利益。從這一現狀及趨勢出發,我國鋼鐵行業或者交稅,或者不再貿易出口,或者從長計議開始調整技術路線(比如結合氫能利用),這是一個戰略選擇的重點問題。

        來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

        編輯:張雨恬

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