碳中和背景下，氫氣能源屬性有望逐漸顯現(xiàn)
隨著近年來全球主要經濟體陸續(xù)提出長期碳中和目標，預計氫氣的能源屬性將逐漸顯現(xiàn)，應用領域將逐步拓展至電力、交通、建筑等場景。
近年來，全球主要經濟體陸續(xù)提出氫能發(fā)展規(guī)劃與目標，將氫能的發(fā)展上升至戰(zhàn)略高度。美國能源部2020年底發(fā)布氫能發(fā)展計劃，從技術、開發(fā)、應用等多個角度對氫能產業(yè)進行了戰(zhàn)略規(guī)劃，預計到2050年氫能在美國能源消費總量中的占比可達到14%。歐盟則于2020年8月提出氫能發(fā)展戰(zhàn)略，重點發(fā)展可再生能源制氫，計劃在2024/2030年前部署6/40GW以上的可再生能源電解水制氫設備，分別實現(xiàn)可再生能源制氫量100/1000萬噸。我國的《國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中也將氫能和儲能列入前瞻謀劃的未來產業(yè)，未來將重點進行發(fā)展布局。目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產制氫以及電解水制氫三種。雖然通過碳捕捉與封存技術（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產生的碳排放，但長期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫"才能實現(xiàn)真正的零碳排放。目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。在“富煤、貧油、少氣"的能源結構下，目前國內煤制氫的占比超過60%，電解水制氫的比例則不到2%。因此，可再生能源制氫仍然任重道遠，未來的發(fā)展空間巨大。2.成本是制約可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的主要因素目前可再生能源制氫的成本仍然較高。全球范圍內，化石能源制氫的成本基本低于2美元/kg，而電解水制氫的成本則通常高達4-5美元/kg。因此，從經濟性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的條件尚不具備。電費與設備投資是可再生能源電解水制氫主要的成本構成。理論上，電解水產生1kg氫氣所需的耗電量約為30kWh，當前電解水制氫的能量轉換效率一般為60%上下，因此實際的耗電量大致為50kWh/kg左右。對不同電價與設備投資成本下電解水制氫的成本進行了測算，結果表明即便不考慮其他費用，在大多數(shù)情況下電解水制氫的成本都超過2美元/kg，明顯高于化石能源制氫的成本。1.氫能有望成為長時間、跨區(qū)域儲能的長期方案長期來看，氫能有望成為一種重要的電力儲能形式。無論是在時間維度還是空間維度，未來儲能在電力系統(tǒng)中的應用場景都將更為豐富，儲能的形式也將更加多樣化。氫儲能主要適用于長時間、跨區(qū)域的儲能場景。首先在儲能時長上，氫儲能基本沒有剛性的儲存容量限制，可根據(jù)需要滿足數(shù)天、數(shù)月乃至更長時間的儲能需求，從而平滑可再生能源季節(jié)性的波動。此外，氫能在空間上的轉移也更為靈活，氫氣的運輸不受輸配電網(wǎng)絡的限制，可實現(xiàn)能量跨區(qū)域、長距離、不定向的轉移。后，氫能的應用范圍也更為廣泛，可根據(jù)不同領域的需求轉換為電能、熱能、化學能等多種能量形式。氫儲能與電化學儲能的互補性強于競爭性。氫儲能在能量密度、儲能時長上具有較大優(yōu)勢，在能量轉換效率、響應速度等方面則相對較差。因此氫儲能與電化學儲能并不是非此即彼的競爭關系，而是互為補充，共同支撐未來電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。隨著技術進步與產業(yè)規(guī)模提升，未來新能源的發(fā)電成本仍有較大下降空間。2021年6月，國內光伏項目的中標電價創(chuàng)下新低，四川甘孜州正斗一期200MW光伏基地的中標電價僅為0.1476元/kWh。除了新能源整體發(fā)電成本的降低，未來電力市場中的峰谷價差也將持續(xù)拉大，電解水制氫將有更多可利用的低電價時段。隨著新能源發(fā)電占比的上升，未來電力供給的不穩(wěn)定性將持續(xù)上升，電力市場中價格的波動范圍也將擴大。對于氫儲能而言，季節(jié)性的電價波動將帶來潛在的跨期套利空間，長期來看可再生能源制氫的經濟性存在較大的提升空間。未來，風電與光伏的棄電將成為電解水制氫重要的電力來源。在以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)中，為了保證穩(wěn)定的電力供應，裝機的冗余程度將明顯加大，因此長期來看棄風、棄光電量將不可避免地上升。未來，棄風棄光電量的消納將成為氫儲能的重要應用場景，這部分*甚至負成本的電量可作為電解水制氫的重要電力來源。堿性水電解與質子交換膜水電解是當前主流的電解水制氫方式。目前堿性水電解與PEM的產業(yè)化程度相對較高，前者的優(yōu)勢在于技術成熟、成本低，但快速啟動與變載能力相對較差；后者的優(yōu)勢在于效率高，運行靈活，與風電、光伏的適配性更佳，但當前的成本仍然較高。電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心部分。電解水制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應發(fā)生的主要場所。從成本構成來看，電解槽在制氫系統(tǒng)總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉換系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及氫氣收集系統(tǒng)也在總成本中占據(jù)較高的比例。通過材料與設計的優(yōu)化，未來電解槽的成本與性能有較大提升空間。目前堿性水電解槽的技術已較為成熟，主要成本為隔膜與電極（鍍鎳不銹鋼），后續(xù)主要的降本路徑為開發(fā)厚度更薄、電導率更高的新型隔膜，與此同時提升電極與催化劑在堿性環(huán)境中的壽命。2050年堿性水電解槽與PEM電解槽的成本有望達到100美元/kW以下，較當前水平下降60%以上。除了技術層面的進步，產業(yè)化程度的提升也將對電解水制氫系統(tǒng)成本的降低產生積極貢獻。一方面，隨著設備單體規(guī)模的擴大，電力轉換、氣體處理等模塊的單位成本將被攤?。涣硪环矫?，生產規(guī)模的擴大也將降低單臺設備分攤的制造費用。參照光伏、鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷程，隨著規(guī)模與產業(yè)化程度的提升，電解水制氫設備的平均成本有望進入快速下降通道。綜上，電費成本的降低與設備端的降本增效將共同推動氫儲能經濟性的提升。2030年全球范圍內可再生能源電解水制氫的平均成本將降至2.3美元/千克，與2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50%。而在一些風力、太陽能資源較好的地區(qū)，可再生能源電解水制氫的成本將低至1.4美元/千克，達到與化石能源制氫成本相當?shù)乃健?/span>
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朱穎
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