氫能的概念、應用及制備技術

 

氫是宇宙中分布最為廣泛的元素，科學家估計宇宙中氫原子的數量約為其他元素原子總量的100倍，其質量約占宇宙總質量的75%左右。氫元素在地球上也有廣泛的分布，水、大氣、土壤、石油、天然氣、動植物中都含有大量氫元素。在地殼中，氫只占其總質量的1%，但占其原子總數的17%，在水中，氫元素的質量分數為17%，在土壤中約為1.5%，在空氣中，氫氣反而不多，約占大氣體積的一千萬分之五。

 

在全球氣候變暖、溫室氣體減排的背景下，氫能源是 21世紀最具發展潛力的清潔能源。氫的燃燒熱值非常高，1千克氫完全燃燒后能產生1.43×108J 熱量，這一數值僅次于核燃料，是在所有化石燃料和生物燃料中最高的。除此之外，氫還是一種真正的清潔能源，其燃燒后僅產生水，而無任何其他有害物質。史上最環保冬奧會——2022年北京冬奧會，其開閉幕式火炬所用的燃料就是氫。在綠色低碳發展趨勢下，氫作為一種零碳能源必將在未來脫穎而出。

 

除作為清潔能源外，氫還在許多其他工業領域有著廣泛應用。在電子產業，氫氣可以在電子材料、半導體元器件生產過程中作為還原氣、攜帶氣和保護氣發揮作用。在金屬冶煉行業，氫可以作為還原劑和保護氣。在食品工業，氫氣可以用于生產人造黃油、食用油等，經氫化后的天然食用油可以穩定貯存，抵抗細菌滋生，增強油脂黏稠度。在醫學領域，氫氣還可以抑制人體內部分活性氧化，對多種氧化應激疾病的防治效果明顯。

 

盡管氫在能源以及工業領域發揮著舉足輕重的作用，但遺憾的是，氫的化學性質活潑，易與其他元素發生反應，地球上的游離氫數量極其稀少，它主要以化合物形態存在于水等多種物質中。因此，氫能只能作為二次能源，從其他能源中制取，而無法像石油、天然氣、煤炭那樣被直接開采利用。這一特性在客觀上限制了氫能的生產和使用。

 

目前，人類已經探索出了五條氫氣制備技術路線， 分別是化石燃料（石油、天然氣、煤炭）熱化學制氫、電解水制氫、工業副產品制氫、太陽能光解水制氫、生物制氫。其中，生物制氫、太陽能光解水制氫目前還處于實驗和開發階段，尚未進入大規模工業生產，前三種制氫技術已較為成熟，有了廣泛的工業生產實踐。根據2022年2月高工氫電、高工產業研究院發布的《中國氫能源產業發展藍皮書》顯示，目前，天然氣制氫占全球氫能源總規模的48%，烴、醇類制氫占比30%，煤炭制氫占比18%，全球電解水制氫規模較小，約占3%。

 

可以看出，氫雖然是一種零碳能源，但在其制備過程中仍然要消耗化石燃料（電解水所用電也主要來自化石燃料），產生大量二氧化碳，因此這類氫仍然是“高碳”氫，一般也稱為“灰氫”“黑氫”。要實現氫氣的全生命周期低碳化甚至零碳化，目前看主要有兩條路可走。一是在化石燃料制氫系統中增加碳捕捉、收集和封存裝置， 這是未來中短期實現低碳“藍氫”的有效過渡方式。二是采用非化石燃料發電，通過電解水制氫進而逐步實現低碳、零碳制氫，這是未來實現零碳“綠氫”的重要方式。

 

歐洲氫能銀行正式成立

 

2023年3月16日，歐盟委員會主席馮德萊恩宣布：歐洲氫能銀行正式成立，未來將投資 30 億歐元助力歐洲氫能市場發展。要理解歐洲氫能銀行產生的緣由，我們需要全面梳理歐盟綠色政策的發展演變過程，才能明白氫能銀行在歐盟“低碳棋局”中的作用和功能。2016年《巴黎氣候協定》簽署后，歐盟開始積極追求碳中和目標，2019年至2020年年初，英國、德國、法國分別出臺法案，提出了“2050年實現溫室氣體凈零排放”（即碳中和）目標。

 

北歐五國，特別是挪威、芬蘭和瑞典在低碳問題上表現得更為激進，分別承諾于2030年、2035年和2045年實現碳中和。歐盟層面， 2019年12月，歐盟委員會正式發布了《歐洲綠色協議》， 提出歐洲要在2050年之前將二氧化碳凈排放量降為零， 實現碳中和，使歐洲成為首個“氣候中和”大陸。為實現這一宏偉目標，歐盟在工業、農業、交通、綠色技術研發等領域提出了一系列路線圖和政策框架。降低碳排放量，根源和關鍵還在能源變革。

 

為此，《歐洲綠色協議》指出，歐盟將在2050年之前逐步降低化石能源消費比重，不斷擴大氫能使用范圍，同時大幅提升綠氫產能。具體分以下三個階段實現 ：第一階段是2020-2024年，歐盟意在擴大工業制氫產能，建設和完善氫能生產、運輸基礎設施，并希望通過安裝6吉瓦電解槽，使歐盟綠氫產量最高達到100萬噸。

 

第二階段是2025-2030 年，歐盟計劃進一步擴大氫能在工業、交通領域的應用范圍，同時規劃和建設覆蓋全歐洲的氫能管道網絡。在氫能源產量方面，歐盟計劃至少安裝40吉瓦以上電解槽，使綠氫產能最高達到1000萬噸。通過這一階段的產能提升及管道網絡建設，歐盟期望綠氫的市場競爭優勢不斷提升，同時提升本地氫能產業鏈的自主水平。

 

第三階段是2030-2050年，歐盟將全力擴大綠氫產能，將歐盟四分之一可再生能源電力用于綠氫生產，同時不斷提升綠氫技術的市場成熟度，最終實現綠氫的規模化生產和應用，強力支持歐盟碳中和目標實現。

 

2022年，全球地緣政治和經濟形勢突變，俄烏沖突、通脹等對歐美西方國家經濟社會發展產生了重要影響。為推進能源獨立，2022年5月，歐盟委員會推出了 REPowerEU計劃，該計劃旨在減少對俄羅斯的能源依賴，快速推進能源轉型。歐盟計劃通過節約能源、能源供應多元化、發展可再生能源三方面措施逐步降低化石燃料比重，到2030年使歐盟可再生能源比重提升至45%。

 

2022年8月，美國總統拜登簽署了備受爭議的《通脹削減法案》，法案計劃撥款3690億美元用于能源安全和氣候投資，并給予可再生能源電力、可持續航空燃料、新能源汽車制造、氫氣生產等九個領域在美國設廠生產的企業以巨額稅收抵扣和補貼。受這一政策影響，歐洲不少大型企業，如德國大眾汽車集團、意大利國家電力公司、比利時化工集團索爾維、西班牙能源公司伊維爾德羅拉等都對在美設廠投資表現出了濃厚興趣，一些燃料電池企業暫停或擱置了在歐洲的投資項目。美國的《通脹削減法案》對歐盟雄心勃勃的綠色發展計劃和低碳目標產生了實質性負面影響。

 

為執行REPowerEU計劃、促進歐洲可再生能源和綠氫發展，2022年9月，歐洲議會表決通過了新的《可再生能源指令》（下文簡稱《指令》）。《指令》提出：歐盟將致力于2030年實現50%的工業過渡到綠氫，2035年達到70%。同時，《指令》還放寬了對部分綠氫的限制性規定。

 

與此同時，馮德萊恩還宣布：歐盟計劃成立 “氫能銀行”，助力氫能市場發展。2023年2月，歐盟委員會提出了《綠色協議工業計劃》，提出歐盟基金將撥款2500億歐元，支持工業綠色轉型，加速各成員國工業脫碳，包括為歐洲本土零碳技術企業提供稅收減免。2023年3月，歐盟公布了《凈零工業法案》。該法案的核心目標是，到 2030年，使歐盟戰略性凈零技術本土制造能力達到年度部署需求的40%。該法案將對太陽能、風能、燃料電池、可持續沼氣、生物甲烷、熱泵等有助于歐盟可再生能源發展的八項戰略性凈零技術企業給予支持。《凈零工業法案》是《綠色協議工業計劃》的進一步延續和細化，同時它本身也屬于《歐洲綠色協議》的一部分。

 

發展可再生能源，推動氫能走向大眾市場顯然需要大量的資金支持。伴隨著《凈零工業法案》的發布，“歐洲氫能銀行”正式啟動。氫能銀行的主要目標是進一步縮小歐盟氫能投資缺口，聯結歐盟內外部氫能供需，更好地支持《綠色協議工業計劃》和《凈零工業法案》的實施。

 

至此，歐洲氫能銀行正式走向歐盟氫能發展歷史的舞臺。總體來看，歐洲氫能銀行雖然只是歐盟綠色發展規劃和低碳目標中的一個補充性、配套性政策，但它卻能為歐盟氫能產業發展提供關鍵的初期資金支持，因此它也是歐盟低碳化道路上一塊不可或缺的發展基石。

 

歐洲氫能銀行的功能機制

 

氫能銀行設立的初衷是幫助歐盟更好地應對氫能發展初期的投資挑戰，進一步釋放歐盟以及第三國對氫能的私人投資，擴大氫能進口，同時整合歐盟境內的氫能融資政策，提升融資工具的協調性和整體效率。

 

目前歐盟委員會為氫能銀行設計了四項功能機制：第一項機制是創立歐盟境內氫能市場。提高氫能的市場應用規模，關鍵在于降低綠氫與化石能源間的成本差。在此之前，歐盟曾借助市場拍賣機制成功解決了可再生能源發電的資金需求，歐盟希望這次也可以借助拍賣機制推動綠氫生產。目前歐盟正在設計首批綠氫生產試點拍賣機制，拍賣初步計劃于2023年秋季在歐盟“創新基金”框架下啟動進行。競拍成功的綠氫生產方將獲得最長10年固定價格溢價補貼，補貼金額將根據生產方交付的合格綠氫數量進行計算。這種拍賣方式能有效保證綠氫生產企業的收入和利潤，有利于降低綠氫項目風險，同時對項目獲得其他商業融資也極為有利。根據歐盟的初步市場調研，首次拍賣專項預算為8億歐元，這也將是歐洲氫能銀行的第一個金融工具。

 

第二項機制是擴大歐盟氫能進口。2022年5月， 歐盟提出的REPowerEU計劃提出，到2030年之前歐盟要自產1000萬噸綠氫，進口1000萬噸綠氫。目前氫能的國際交易市場尚不成熟，歐盟希望借助氫能銀行來支持和鼓勵綠氫進口，積極構建和開拓氫能國際交易市場。在推動綠氫進口的同時，歐盟也十分注重綠氫供應的多元化和安全性問題，并將相關地緣政治因素考慮在了綠氫進口市場選擇中。

 

第三項機制是提高透明度，發揮協調作用。歐盟銀行將在收集、匯總歐盟各成員國信息基礎上，研判和分析歐盟境內氫能需求，并以此為基礎，進一步協調歐盟內部氫能基礎設施建設。此外，近年來在旺盛氫能需求驅動下，歐盟與全球至少30多個國家和地區簽署了氫能合作協議，不同協議之間必然存在潛在的協作效應， 氫能銀行將會在國際氫能交易和談判中發揮協調作用， 提高國際交易與合作的透明度。

 

第四是整合利用現有融資工具。目前歐盟以及各成員國都出臺了一系列支持氫能發展的融資政策，但不同層面政策間的協調性較差。為此，歐盟希望借助氫能銀行來全面整合歐盟境內的融資政策和工具，以形成政策合力、相互促進，進一步提高資金使用效率。

 

前文已述，氫能銀行是伴隨著《凈零工業法案》而提出的，而《凈零工業法案》本身又是《歐洲綠色協議》的一部分，根據《歐洲綠色協議》以及歐盟“REPowerEU”設定的目標，歐盟計劃到2030年之前在本土建立1000萬噸的綠氫產能，同時進口1000萬噸綠氫。而要完成該計劃，初步預計需要投資3350 億-4710億歐元。這些投資絕大部分都將來自私人資金，氫能銀行的設立將幫助初期進入氫能產業領域的私人資本降低生產成本， 為后期歐盟擴大氫能產能奠定基礎。從這一層面來看， 氫能銀行對歐洲碳中和目標實現具有重要的積極意義。

 

歐洲發展氫能面臨的挑戰

 

盡管歐盟在氫能源領域制定了雄心勃勃的發展目標，但目前這一能源轉型戰略仍面臨著不少現實壓力和挑戰。

 

第一是技術與成本壓力。目前氫氣制備技術尚不成熟，相較于其他化石能源，其商業成本仍不具優勢， 這客觀上會限制氫能市場的發展。與此同時，歐洲的氫能存儲、運輸產業鏈條還較為薄弱，未來要實現氫能大規模商用，歐洲還需下大力氣補齊這一短板。

 

第二是歐盟氫能市場規模還較小。歐盟委員會發布的數據顯示，目前氫能在歐洲能源消費中僅占比 2%， 要在短期內將這一比重提升十余倍，歐盟未來還將承受巨大的能源轉型陣痛。

 

第三是“黑氫”“灰氫”占比仍較高。化石燃料在制備氫能時，依舊會排放大量碳。目前歐洲氫能的96%都是通過天然氣制備的，這些“黑氫”“灰氫”對歐盟實現2050碳中和目標貢獻有限。未來歐盟要增加“綠氫”的規模和比例，還需要大力發展可再生能源電力。

 

第四是歐洲能源短缺，電力緊張陰霾未散。受俄烏沖突影響，目前歐盟能源電力緊張問題依舊嚴峻。為保證生活用電和工業用電，歐盟的一項授權法案提出電解氫只能使用“額外的”風能、太陽能電力。而如果完全依賴綠電，將會使氫能的生產成本顯著提升，降低企業發展氫能的市場動力。

 

第五是歐盟內部對低碳氫能的界定仍存在分歧。作為核能大國，法國堅持認為應該將低碳核電制備的氫能視為“綠氫”，而德國則堅持認為只有由可再生能源電力制備的氫能才應該被授予“綠色”“低碳”標簽。法德兩國在該問題上的分歧，可能遲滯歐盟氫能產業發展。

 

第六是美國綠色產業補貼政策的影響。2022年8月，美國推出的《通脹削減法案》與世貿組織原則相違背，帶有強烈的單邊主義和保護主義色彩，加劇了美歐經貿爭端。在高額補貼以及美國低電價成本誘惑下，目前不少歐洲氫能企業已經有了在美設廠的計劃。這一局面對歐洲氫能產業發展顯然十分不利。

 

氫能布局，不只是歐洲

 

鑒于氫能在碳排放領域的巨大優勢，目前除歐盟外，日本、韓國、美國、中國等也都紛紛發力氫能源，力圖搶占這一清潔能源新賽道。

 

日本是全球較早布局氫能源的國家。2014年日本就發布了《氫能與燃料電池戰略路線圖》，為日本構建“氫能社會”規劃了三個發展階段，提出到2040年，日本社會要建成完善的零碳氫燃料供應體系。2017年，日本政府又發布了《基本氫能戰略》，2019年對該戰略進行了修訂和補充，將其中部分發展目標和措施進一步細化和完善，并描繪了日本氫能應用、供應發展藍圖。2022年2月，日本發布了《第六次能源基本計劃》，提出力爭在2030年之前，將氫能成本降至與化石能源同等水平， 并不斷加速氫能應用，助力日本2050年碳中和目標。

 

韓國對氫能源也極為重視，2018年韓國政府就將氫能源與人工智能、大數據并列為未來戰略投資的三大關鍵領域。2019年韓國發布了《氫能經濟活性化路線圖》， 為氫能生產、運輸、存儲以及應用場景等多個層面規劃了發展路線。為推動該戰略實施，韓國政府還專門出臺了《氫經濟法》《綠色新政》等相關配套法律和政策，并不斷推進氫能基礎設施建設。2021年，韓國氫經濟委員會又就氫能港口建設、加氫站部署、海洋綠氫生產、氫能產業特區等方面出臺了新的政策。韓國期望通過自身努力，到21 世紀中葉使清潔氫能成為韓國主要能源，滿足韓國三分之一的能源消耗以及四分之一的發電消耗。

 

美國對氫能也保持著積極態勢。美國也是最早關注氫能的國家之一，早在20世紀70年代，美國通用汽車公司就提出了“氫經濟”這一概念。20世紀七八十年代的石油危機，促使美國政府從能源安全角度加強了對氫能的重視。21世紀初，美國還提出了國家氫能發展戰略， 并對2030年氫能發展做出了遠景規劃。然而隨著頁巖氣革命的興起，這些計劃也逐漸被擱淺，但美國政府對氫能以及燃料電池的科研投入卻并未停止，及至今天，美國在這些技術領域仍處于領先地位。總體來看，目前美國對氫能的需求并不十分迫切，對氫能的關注重點還是集中在戰略性技術投資領域，對氫能經濟落地、氫能產業規劃等方面的政策和法案還較少。

 

我國對氫能源也十分重視，2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中就將 “氫能源及燃料電池技術”作為前沿技術，進行提前攻關和布局。2008年，由我國自主研發的氫能源汽車亮相 北京奧運會。2010年我國發布了加氫站技術規范標準。2014年，國務院發布的《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》將“氫能源及燃料電池”列入能源科學創新的重要戰略方向。2015-2018年，我國又在氫燃料電池、氫能源汽車、氫能源基礎設施建設、氫能技術裝備等方面出臺了一系列政策措施和前瞻性的戰略規劃。2019年，“加強氫能設施建設，推動氫能發展”被正式寫入政府工作報告。2022年3月，我國正式出臺了《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035）年》，該規劃以“雙碳”目標為指引，為我國新時期氫能大規模生產、推廣、應用規劃了發展路徑。總體來看，目前全球氫能發展還處于市場活化的階段，預計2030年左右全球將會進入氫能持續高速增長階段，2040年左右是氫能市場走向成熟階段，2050年左右全球氫能市場將逐步建立，“氫能社會”將逐步變為現實。