近期,随着欧美国家陆续退出电动汽车计划,西方汽车巨头纷纷宣布暂缓或全面放弃“油转电”的目标,这就给这些年蓬勃发展的电动汽车蒙上了一层阴影。但这并不意味着西方车企完全放弃新能源汽车的研发,而重回燃油汽车的老路。
事实上,目前世界各国都把新能源发展的注意力瞄向了下一个目标,即氢能源。从对新能源节能环保、绿色发展的综合考量来看,氢能是受关注度最高的方向之一。
与火力发电、水力发电、风力发电、核能发电、太阳能发电相比,氢能源作为高效低碳的二次能源、灵活智慧的能源载体、绿色清洁的工业原料,具有零排放、高效、长续航等优点,无疑是全球各国新能源发展过程中最具性价比的选择,甚至被誉为“21世纪的终极能源”。
近些年来,主要国家和地区陆续调整氢能发展战略,大幅提高了氢能发展目标、扩展了氢能发展路径,同时也在抓紧抢占低碳氢认证标准、核心技术装备和国际氢能合作的先机。
发达国家都出台了本国的氢能源发展战略,如日本经济产业省早在2017年就发布了全球首个氢能国家战略——《氢能基本战略》,提出了建设氢能社会的宏伟目标。然而在战略实施过程中,由于氢能成本高昂、基础设施不完善,导致战略目标至今仍未达预期。
2023年6月,日本经济产业省正式发布《氢能基本战略》(修订版),在维持近期氢能发展目标基础上,大幅提高了中长期目标,由之前的500万-1000万吨调整为2040年的1200万吨(含氨)和2050年的2000万吨(含氨),并积极开拓海外市场,谋划构建全球性氢能市场。
2023年6月,美国能源部正式发布《美国国家清洁氢能战略和路线图》,分别提出了近、中、远期氢能发展目标,即2030年、2040年、2050年清洁氢需求将分别达到1000万吨、2000万吨和5000万吨,工业、交通、电力、合成燃料等具体领域目标也有所提及。同时,这份文件也明确了清洁氢碳排放认定标准为4.0 kgCO2/kg H2以下。
2023年7月,德国政府根据全球氢能产业发展情况,以及国内能源安全、低碳转型等形势,决议通过了更新版的《国家氢能战略》,该战略大幅提高了发展目标,提出2030年国内电解水制氢目标至少要达到10吉瓦,比之前翻了一番,氢能需求量将提高至95-130太瓦时,比之前增长了近20%。
从氢能的制造过程来看,有化石燃料制氢、工业副产品制氢和电解水制氢等主要路径,我国目前以化石燃料制氢中的煤制氢,以及工业副产品中的氯碱副产品制氢为主。
化石燃料制氢过程中,还是会产生较多的二氧化碳排放,且含有硫等杂质,提纯成本大,这种情况下生产出来的氢能源被称为“灰氢”。不过,这一问题可以通过提高能源效率、二氧化碳再利用的方式进行缓解,因此其依旧是氢能利用探索发展的重要方向之一。
如中海油(0883.HK)近年装备运行的E-Gas煤制氢联合装置,在碳转化率、热利用效率、耗氧等指标方面均有突破,较传统工艺成本可降低20%至25%。
氯碱副产制氢具有氢气提纯难度较小、耗能低、自动化程度高以及无污染的特点,由此制取的氢气被称为“蓝氢”。然而,工业副产品制氢在生产规模上会受“主产品”产量限制,难以满足日益增长的氢能需求,这还是以氢能为主的燃料电池尚未出现突破式发展的情况下受到限制。
相比之下,通过电解水等手段制取的氢气被称为“绿氢”,制氢工艺相对简单,过程不会排放温室气体,而且得到的氢气纯度高,但目前由于耗电量大,推高了成本,限制了其大规模的推广应用。
综上所述,三种主要制氢方式各有难点,似乎只能苦等技术突破,在此背景下,专家彭苏萍提出了氢能电能耦合理念,打开了一条全新的思路。他指出,风、光等分布式新能源发电方式,存在时空受限明显,间歇性强、稳定性差等问题。
而如果将此类电能用以制氢,便可以达到储能调峰的效果,化解上述劣势,特别是近年在德国、新加坡出现并慢慢成熟固体氧化物电解池技术,可以将传统集中制氢模式转变为分布式制氢,更加便于光伏等发电模式的使用。
之所以现阶段业内对“灰氢、蓝氢、绿氢”差别以待,认为后者优于前者,一个很重要的原因在于燃料电池技术(而非制氢技术)的落后,如果能够提升燃料电池工作温度(到130度,目前约90度),“灰蓝氢”问题便迎刃而解。
目前,中国氢能源汽车的发展呈现出以下几个特点:
1、产量持续增长
近年来,中国氢燃料电池汽车的产量和保有量持续增长。2022年,中国氢燃料电池汽车销售量新增3367辆,保有量达到12682辆,同比增长约36%。截至2023年10月,北京现代氢燃料电池SUV NEXO车型的全球累计销量超过3.7万辆,位居全球第一。
2、应用场景进一步扩大
氢燃料电池汽车的应用场景不断扩大。除了乘用车,商用车如公交车、环卫车等也在使用氢燃料电池技术。例如,福田汽车联合亿华通发布了干线物流燃料电池重卡,能够满足长途干线物流的需求。
3、加氢站数量不断增加
我国加氢站建设加速。截至2023年,中国已累计建成加氢站超过358座,同比增长超过40%。广东和上海在加氢站数量上居于全国领先地位。
4、政策支持力度加大
在政策支持下,中国氢能源汽车投资积极性高涨。最近几年,中国政府陆续发布了一系列政策支持氢能及燃料电池汽车的发展,包括财政补贴和政府采购政策。2020年,中国氢能产业投融资规模达到712亿元,其中氢燃料电池产业链的投融资金额达到515亿元。
氢能利用的技术创新不断。在氢能加注技术方面,中国已经突破了35兆帕智能快速加氢机和70兆帕一体式移动加氢站技术。在氢能储存和运输领域,高压气态储氢、液态储氢、和固态储氢等技术得到应用,氢能运输方式包括陆上运输海上运输以及管道运输等。
虽然中国氢能源汽车产业发展迅速,有着巨大的发展潜力,但在现阶段,要实现广泛普及仍存在诸多难题,尤其是面临一些技术瓶颈亟待突破。如成本高、储存条件苛刻、加氢站的技术创新和规模化应用等。
1、生产成本高
目前3种氢能源生产方式,不论是灰氢、蓝氢还是绿氢,都是通过电解水或化石能源副产品两种方式获得。即使最环保的绿氢的生产,也需要利用电解水的逆反应,催化氢气和氧气生成水放出电。
然而,为了实现环保,电解水所用的电就不能用燃煤产生,只能用核电、风力发电、光伏发电等可再生能源发电。而我国这些可再生能源基本上分布在偏远地区,而且十分零散,电解制氢后就面临长途运输问题,不仅加大了成本,还带来了运输安全问题。
2、储存条件苛刻
由于氢气的分子结构很难被压缩,导致其储存条件十分苛刻。在1个标准大气压下,氢弹液化温度为-252.78°。由此可见,依靠低温方式储存氢能源,难度大、成本高。通常采用加压存储方式,但由于氢弹化学物质性质活跃,极易被点燃,因此加压存储很容易出现爆炸,尤其是在运输过程中,如果出现车辆碰撞事故,将会引发较大的安全事故。
3、加氢站建设成本高昂
我国目前现有加氢站数量较少,远不如电动汽车的充电桩数量多,加氢站难以普及的原因:一是由于氢燃料汽车目前在我国市场占有率较低;二是运营成本居高不下,成为阻碍加氢站大规模普及发展的主要原因。造成成本高的因素主要包括,建设成本高、运营维护成本高、成本回收期较长。
与电动汽车充电站相比,加氢站成本高昂。建设一个普通的充电站所需成本在100万人民币左右,而建设一个氢气燃料站所需花费至少需要1000万人民币。
总之,尽管目前氢能源汽车发展面临技术瓶颈,但与发达国家相比,中国车企具有后发优势、中国制造的成本优势以及广阔的应用场景和庞大的消费市场。因此,可以预见,只要加快技术创新的步伐,假以时日,中国完全有可能在氢能源汽车领域实现弯道超车,再次成为新能源汽车新赛道的领先者。
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