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世界主要國家的氫能戰(zhàn)略基本上都是將燃料電池汽車作為切入點的,正是燃料電池成本的大幅下降使得氫能這個人類“終極能源”從理想走近現(xiàn)實,“碳達(dá)峰,碳中和”則是推進(jìn)氫能規(guī)模化應(yīng)用的催化劑。但基于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展思路使得發(fā)展過程中面臨巨大的使用成本壓力,因此,我們需要進(jìn)一步理解氫能的定位,關(guān)照到氫氣的能源屬性,適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局。
01
運行:燃料電池車用氫氣供應(yīng)缺口超過1.6萬噸
燃料電池汽車是氫能應(yīng)用的切入點,因為技術(shù)進(jìn)步和國產(chǎn)化進(jìn)程,我們可以預(yù)期燃料電池成本將很快下降至純電動汽車的水平。但燃料電池汽車還只是剛剛起步,產(chǎn)業(yè)的運行就卡在了氫氣的供應(yīng)上。
據(jù)香橙會統(tǒng)計,自2015年至今年8月份,中國累計生產(chǎn)燃料電池汽車8149輛,累計銷售燃料電池汽車8055輛。來自中汽中心的數(shù)據(jù)顯示,到今年8月,接入燃料電池汽車示范運行監(jiān)控平臺的車輛總計6762輛。其中載貨汽車3371輛、公交車2762輛、公路客車626輛、乘用車3輛。
目前,我國燃料電池客車主要以10-11米客車為主,每天正常運行約200km以內(nèi),耗氫量按照3.8kg/百公里計算,每輛車每天耗氫量約7.6kg/天·輛;燃料電池貨車主要以30噸以上為主,目前主要是短倒為主,日行駛里程約100km,按照耗氫量12kg/百公里計算,每天每輛車耗氫量約12kg/天·輛。
如果按照中汽中心檢測平臺接入車輛總數(shù)滿負(fù)荷運行,則現(xiàn)有車輛每天消耗氫氣66噸左右,年消耗氫氣2.32萬噸(按照350天計算)。
圖1 中汽中心檢測平臺接入車輛
目前,即使還沒有進(jìn)入氫冶金和氫電耦合時代,市場對氫氣的新增需求不僅僅是運行中的燃料電池汽車,燃料電池企業(yè)日常測試也需要用到大量的氫氣,濰柴動力每天用于測試的氫氣就達(dá)到800kg?,F(xiàn)階段燃料電池企業(yè)測試是剛需,預(yù)計全國燃料電池廠家對氫的需求不少于20噸/天,全年需求不少于7000噸。也就是說現(xiàn)階段車用和測試用滿負(fù)荷運行帶來的新增氫氣的需求是3萬噸/年左右。
這對于年產(chǎn)3000多萬噸氫的中國來說似乎不是什么問題,但因為燃料電池用氫的標(biāo)準(zhǔn)和場景與傳統(tǒng)氫氣應(yīng)用不同,原有的氫氣供應(yīng)很難在短時間滿足市場需求,所以,即使這區(qū)區(qū)3萬噸的需求也還是得不到滿足。
廣東佛山是目前最大的氫能產(chǎn)業(yè)基地,加氫站和車輛運行數(shù)都列全國第一,同時還集中了大量的燃料電池及核心零部件生產(chǎn)企業(yè),每天氫氣需求達(dá)到18噸,但本地產(chǎn)能不足1噸/天,佛山每天有8噸的需求缺口。
從中汽中心檢測平臺監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看,8月份在監(jiān)控平臺上顯示運行過的燃料電池汽車有3636輛。其中,公交客車運行2135輛,運行率77.3%;公路客車運行247輛,運行率39.5%;貨車運行1363輛,運行率37.2%,乘用車無運行記錄。
即使8月份在運行車輛也非滿負(fù)荷,其中,運行1-15天的燃料電池汽車共有1485輛,占40.8%;運行16-31天的車輛燃料電池汽車共有2151輛,占59.2%。其中31天全部運行的車輛只有519輛,占14.3%。單車平均上線17.4天。
按照53%的運行比例和單車平均上線天數(shù),目前車輛運行按照出現(xiàn)天數(shù)計算大約為30.18%。也就說,有近70%的運力是閑置的。
按照中汽中心檢測平臺監(jiān)測的數(shù)據(jù),8月份運行車輛的月度總行駛里程為1032.8萬公里。其中,燃料電池公交客車運營里程757.2萬公里;燃料電池貨車運營里程242.4萬公里;公路客車33.3萬公里。按照載貨汽車每百公里12kg、公交客車每百公里3.8kg計算,8月份單月燃料電池汽車終端耗氫量為590噸左右。按照這個消耗量平行推算,全年車用耗氫約7000噸。
圖2 中汽中心檢測平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)——行駛里程
目前各地尚處于工程測試階段,考慮到目前耗氫量比較大的貨運車出行比例更低,氫氣的需求缺口預(yù)計在1.6萬噸以上。
02
市場:行業(yè)存在氫源與應(yīng)用端錯配
所謂供需缺口并非是沒有氫氣,如果不計成本,我們周遭的物理世界中很多都可以是氫氣的來源,70%的閑置率不一定是沒有氫氣供應(yīng),核心原因還是因為氫氣太貴,用不起。
從運行車輛的結(jié)構(gòu)就可以看出,由政府主導(dǎo)的公交車運行率77.3%;而市場主導(dǎo)的公路客車和貨運車的運行率分別是39.5%和37.2%。
目前,我國氫氣制取主要來源于煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫,制氫端的價格約20-30元/kg;運輸費用大約10-20元/kg;加氫站運行及折舊費用約20-30元/kg,氫氣應(yīng)售價約60-80元/kg,政府補貼20-40元/kg,加氫站實際售價約40元/kg。
圖3 氫氣的成本構(gòu)成及銷售價格
資料來源:熊華文《雙碳目標(biāo)下我國氫能發(fā)展的定位和路徑》
在我國,煤制氫占了62%的比重,電解水制氫只占到1%,而且氫氣來源主要在西北、華北和華東地區(qū),而目前我國用氫最大的地區(qū)在廣東。
圖4 我國氫氣來源與各種氫氣的成本比較
資料來源:熊華文《雙碳目標(biāo)下我國氫能發(fā)展的定位和路徑》
表1 當(dāng)前我國氫氣產(chǎn)能分布
資料來源:中汽中心
比較遺憾的是,就像是氫能和燃料電池行業(yè)一樣,人們把更多的注意力集中在燃料電池汽車上,中汽中心的監(jiān)測報告只有車輛運行的數(shù)據(jù),沒有加氫量、氫氣價格和加氫站的流量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)本來是可以監(jiān)控的,也許,擅長車端信息的汽車中心至今還沒有意識到作為能源的氫氣在產(chǎn)業(yè)鏈中的重要性。
盡管從氫氣資源和成本來看,廣東地區(qū)的氫氣成本遠(yuǎn)高于上海地區(qū),但從各地接入車輛和運行車輛的比較來看,8上海車輛運行的積極性卻遠(yuǎn)低于廣東地區(qū)。顯然,現(xiàn)階段這不是一個市場驅(qū)動的產(chǎn)業(yè),所以,存在資源錯配的現(xiàn)象。
圖7 8月份各地接入車輛與運行車輛比較
資料來源:中汽中心
03
定位:氫能在未來能源系統(tǒng)中的三大定位
在逆全球化的背景下,減碳成為全球最大的共識,而氫能的應(yīng)用則成為減碳的重要手段。目前,全球經(jīng)濟總量75%的國家涉足氫能,超20個國家制定了氫能及燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃。
2019年10月,李克強總理主持召開國家能源委員會會議,提出探索氫能商業(yè)化路徑;2020年4月,《中華人民共和國能源法》征求意見,擬將氫能列為能源;氫能規(guī)劃納入2020年全國年度發(fā)展計劃草案。
8月份,財政部等五部委《關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》,確定京津冀、上海、廣東城市群為國家燃料電池汽車示范城市群,正式從國家層面啟動燃料電池汽車示范。其他未進(jìn)入示范區(qū)的地區(qū)也在積極推進(jìn)氫能戰(zhàn)略,到今年上半年,我國已有20多個省市、46個城市開始制定關(guān)于氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃。
國研制庫高質(zhì)量發(fā)展研究中心負(fù)責(zé)人張長令預(yù)計今年氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位和規(guī)劃或?qū)⒚骼省?/span>
有人說氫能是“終極能源”、氫能將在能源系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)治地位,也有人說氫能是清潔、高效、零碳能源、氫是自然界中最為豐富的資源,還有人說氫能是“21世紀(jì)能源解決方案”、氫能是最佳能源利用方式。
9月17日,在中國化工物流安全環(huán)保發(fā)展論壇上,發(fā)改委能源所能源與環(huán)境中心主任熊華文做主題報告:《雙碳目標(biāo)下我國氫能發(fā)展的定位和路徑》,提出了我國對氫能的戰(zhàn)略定位。熊華文表示,以上這些表達(dá)一定程度上反應(yīng)了市場的熱度,但都不太科學(xué),也不準(zhǔn)確。他說,未來將是多種能源組成的大的能源體系,供給端由煤炭、石油、天然氣和非化石能源構(gòu)成,并大力提高非化石能源的比例;需求端主要是工業(yè)、交通、建筑和生活。
在雙碳目標(biāo)下的圖景是,在控制能源消費總量的前提下,以可再生能源為主體,以電力為中心,多能互補,協(xié)調(diào)發(fā)展。氫能在未來能源系統(tǒng)中的三大定位:
(1) 高效低碳的二次能源。如在交通領(lǐng)域由燃料電池替代燃油發(fā)動機;家用熱電聯(lián)產(chǎn);天然氣摻氫;
(2) 靈活智慧的能源載體。促進(jìn)可再生能源的規(guī)模化消納,構(gòu)建多能互補的智慧化能源體系;分布式電源、應(yīng)急保障電源;
(3) 綠色清潔的工業(yè)原料。綠色氫氣替代傳統(tǒng)工業(yè)制氫工藝增加氫氣使用,生產(chǎn)高值產(chǎn)品
04
規(guī)模:氫能在未來能源中的比例將達(dá)到20%-25%
據(jù)國際氫能委員會預(yù)計
這個比例已經(jīng)超過了目前天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的比例,考慮我國能源消費總規(guī)模還處于上升階段,10%在未來能源結(jié)構(gòu)中的消費量將是目前天然氣兩倍以上,相當(dāng)于現(xiàn)階段石油的消費量。
圖8 2012年-2019年中國能源消費結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)來源:東北能源觀察《中國能源大數(shù)據(jù)報告(2021)》
不過,10%似乎還不是氫氣在未來能源中的理想定位,今年4月21日中國氫能聯(lián)盟發(fā)布《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》時余卓平教授預(yù)測:2030年我國可再生能源制氫有望實現(xiàn)平價,甚至比平價還要低的水平,到2060年氫能在我國終端能源里面的占比將達(dá)到20%。
熊華文在報告中表示,在多能互補的能源體系下,能用電盡量用電,電解決不了的領(lǐng)域氫就是一個重要的補充。雙碳目標(biāo)下,到2050年,電在消費中的比例占65-70%,我國氫的需求或達(dá)到1.5億噸,相當(dāng)于終端能源消費的20-25%。
這一比例比此前相關(guān)部門的預(yù)測10%高出一倍甚至更多。其中交通部門3800萬噸以上;建筑、電力及其它部門用氫需求將達(dá)1800萬噸以上;作為綠色清潔的工業(yè)原料大約2920萬噸,其中在鋼鐵領(lǐng)域作為還原屬性約720萬噸,在煉油和化工領(lǐng)域作為元素屬性約2200萬噸。
也就是說,未來氫在交通運輸領(lǐng)域中的比例大約只占到25%左右,更多的應(yīng)用將來自與可再生能源的耦合、工業(yè)原料、建筑、電力等,其作為能源將兼有石油、天然氣的能源屬性,也具有化工原料及儲能屬性。
05
建議:優(yōu)化供需體系,降低氫氣成本
顯然,要降低運行成本,實現(xiàn)2030年氫氣平價的目標(biāo),需要從氫氣的制備、儲運、加氫站、資源優(yōu)化配置幾個方向來努力。
制氫:目前制氫端也存在一個矛盾,成本最低的煤制氫排放量最大,可再生能源電解水制氫最環(huán)保,但成本高,所以,需要各地充分調(diào)動當(dāng)?shù)刭Y源,采取最經(jīng)濟環(huán)保的方式,可以提純工業(yè)副產(chǎn)氫,利用電廠閑置電力電解水,甲醇制氫,或就近開發(fā)可再生能源制氫等,如對佛山來說,廣東的陽江地區(qū)就有比較豐富的光伏資源。
現(xiàn)在大部分地區(qū)工業(yè)副產(chǎn)氫的價格可以控制在10元/kg以內(nèi),而甲醇制氫比較靈活,可以做到到站價格30元左右。
綠氫是一個漸進(jìn)的過程,但不妨礙有條件的光伏企業(yè)率先開始應(yīng)用研究,包括電解水制氫和氫氣與可再生能源的耦合。
儲運:就像制氫一樣,大家最關(guān)心的是電解水制氫,但用得最多的還是煤制氫、天然氣制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫。在運輸端,市場關(guān)注比較多的是液氫,但現(xiàn)階段“本地化”推廣應(yīng)用更多還是采用靈活度較高的高壓運輸,高壓運輸本身還有很大的能力釋放空間。
如20MPa管束車運氫量為382kg,如果壓力升到30MPa裝載量就可以提升63.61%,如果壓力提升到50MPa,裝載量就可以提升143.46%。運輸成本可以從現(xiàn)在的平均運價15元/kg下降至7-8元/kg。
顯然,車載瓶也是壓力較高的經(jīng)濟性更好。目前市場使用的標(biāo)準(zhǔn)是20MPa的管束車和35MPa的車載瓶,但歐美、日韓已經(jīng)采用在52MPa的管束車、70MPa的四型瓶,參照國外標(biāo)準(zhǔn),提高氫氣儲運的效率可以大大節(jié)省成本。
目前的產(chǎn)業(yè)生態(tài)管道可以連接距離不遠(yuǎn)集中供氫和集中用氫的兩端,但液氫則需要有300公里以上跨地區(qū)的氫氣運輸才會有經(jīng)濟性,短期內(nèi)難以形成主流。
加氫站:首先是隨著加氫站數(shù)量的增加,行業(yè)內(nèi)競標(biāo)企業(yè)也迅速增加,加氫站成本在大幅下降,過去建一座1000kg/天的加氫站大約需要1500萬,現(xiàn)在可以控制在1000萬元左右,如果混合建站則可以降到700萬左右。
目前我國建站標(biāo)準(zhǔn)高(占地面積過大),建站地點偏(車輛流量不高)、審批程序復(fù)雜(時間成本)都抬高了加氫站的成本,所以,降低成本還需要在標(biāo)準(zhǔn)上參照國外先進(jìn)水平,修訂加氫站建站標(biāo)準(zhǔn),簡化審批手續(xù)。
對于加氫站來說,流量是最重要的指標(biāo),只有發(fā)展乘用車,加氫站的流量才會起來,在我看來,如果燃料電池汽車僅僅定位商用車無疑是會抬高產(chǎn)業(yè)鏈的運行成本的。否則,以差不多1/10于乘用車的商用汽車來建加氫站,顯然是不足以實現(xiàn)經(jīng)濟性的。當(dāng)然,發(fā)展乘用車不僅僅是增加加氫站流量這一個意義,實際上出租車、網(wǎng)約車等運營車輛,特別是氣溫較低的北方地區(qū)本身具有較純電動汽車很大的優(yōu)勢。
資源優(yōu)化配置:氫能和燃料電池汽車實際上是兩個產(chǎn)業(yè),而且兩個產(chǎn)業(yè)都需要創(chuàng)新,這與光伏、風(fēng)電和純電動汽車都不同,光伏、風(fēng)電就是電力能源,而純電動汽車的功夫在應(yīng)用端,電的來源是簡單的。
而氫作為能源和燃料電池汽車過去是兩個產(chǎn)業(yè),因為全世界很多國家都將交通運輸設(shè)備作為氫能應(yīng)用的切入點,這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很容易就陷入燃油車或者純電動的思路,我們觀察到目前五部委批復(fù)的三個示范區(qū)也是基于燃料電池產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),而對能源端的考慮是比較欠缺的。
好在三個示范區(qū)不是封閉式的,每個示范區(qū)都有跨地區(qū)的安排,所以,建議將制造端放在距離配套環(huán)境比較好的中心城市,應(yīng)用端盡量靠近氫能資源地區(qū),運車的成本遠(yuǎn)低于運氫的成本。就像日本豐田,他們生產(chǎn)的車更多并不是在本國銷售,他們約2/3的車輛出口歐美。
一開始主導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)的是燃料電池或整車企業(yè),現(xiàn)在越來越多的能源企業(yè)進(jìn)入到這個產(chǎn)業(yè),在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不僅要關(guān)照到燃料電池車用屬性,還要關(guān)照到氫氣的能源屬性,特別是關(guān)照到其作為二次能源的三個定位。在充分理解氫能特性的前提下示范或者布局,可能會大大降低運營成本。