一波三折的2020东京奥运会终于在7月23日正式开幕。早在2016年,时任东京市长的舛添要一曾宣布2020年东京奥运会将留下氢能社会作为其遗产”,就像1964年东京奥运会留下了新干线高速铁路作为遗产一样。

        今年的奥运圣火台和部分奥运圣火均使用氢作为燃料,为奥运历史首次;奥运村的热水系统也完全由氢燃料供能;运动员更是乘坐氢燃料电池巴士奔赴比赛场馆。生产氢气的电能,全部来自福岛县的太阳能板。从制氢、储氢、运氢到终端应用,整个过程不使用任何化石燃料。这是日本第一个完整的氢能基础设施系统,也代表了日本希望向世界展示其氢能战略的野心

2020东京奥运会氢燃料巴士

        那么,氢能有什么特点和价值?氢能将如何在解决全球气候变暖问题的过程中占有一席之地?

氢能的特点与价值

        氢能是清洁、高能量密度的二次能源。氢的燃烧只产生水蒸气,不产生温室气体。若保证制氢过程的零碳排,氢是非常理想的清洁能源。

        氢的能量密度较高每千克氢燃料所含能量至少是每千克锂电池的130倍;体积能量密度(单位体积可储存能量大小)是锂电池的2倍 – 未来有望达到5倍。如下图所示,对氢燃料电池车而言,每增加一英里的里程数,需要的氢燃料的重量几乎可以忽略不计,但相比之下锂电池汽车却需要显著增加电池重量与体积,势必会对电动汽车的结构设计和马达性能提出更高要求。加上氢燃料电池汽车在寒冷环境下启动和续航的技术突破,氢能在需要高能量、长续航能应对极端气候燃料的长途运输、航空、轮船、重工业等行业占据巨大优势

氢燃料电池和锂电池的效率对比

        另外,氢能的生产、储运和使用方式非常多元,是实现电、热、液体燃料等能源之间转化的媒介。和电能类似,氢可以由一次能源转化而成,如太阳能、风能、核能和传统化石能源等;储运方面,气氢或液氢可使用天然气管道或液化天然气船运输;氢能还能以较高的转化效率转化成电能或热能。由此产生的应用场景非常广泛,包括作为偏远地区分布式清洁能源系统的储能方案

        当然,氢能在碳中和战略下发挥重要作用的前提,是制氢过程必须使用清洁的一次能源。氢目前普遍分为:灰氢、蓝氢及绿氢。

  • 灰氢由化石能源制成,目前世界95%以上的氢气为灰氢。灰氢成本可低至$1美元/千克,已被大规模生产,广泛应用于炼油和制氨(主要用于化肥)。
  • 蓝氢也由化石能源制成,但要求制造过程中对每个碳排放环节使用碳捕捉技术,现有技术可以捕捉90%左右的碳排。基于最低的灰氢价格推算,目前蓝氢的成本最低可达$1.5美元/千克。
  • 绿氢则由清洁能源转化而来,零碳排。由于这种制氢技术还不成熟,尤其是电解水技术(Water Electrolysis)的成本和材料,目前绿氢的成本在$2.5~$6美元/千克之间。彭博新能源财经(BNEF)和国际能源署(IEA)预测2030年左右,绿氢成本将与蓝氢相当。
  • 日本氢能产业的实践

            氢能产业链主要包括制氢(Production),储氢Storage),运氢(Distribution)和终端应用(End Use)。

    氢能产业链

            此次东京奥运会从绿氢制造到终端应用的完整氢能基础设施系统在世界范围内仍属罕见。这很大程度上归功于日本政府过去十年的长期投入(2021年是福岛核事故十周年),目前政府研发预算为世界第二,仅次于欧盟。

            日本已在福岛县建成了世界最大的太阳能制氢生产基地之一;已出售14万台家庭氢燃料电池设备Ene-Farm;已有至少4万辆氢燃料电池车投入使用;也已建成至少135个加氢站,是全球最大的加氢站网络。

            而日本的储氢运氢技术和实践也走在世界前列。今年上半年,日本川崎重工建成的世界第一艘液化氢运输船Suiso Frontier已投入试运行,核心技术在于其1250立方米的储氢罐能够将液氢大规模储存于零下253℃(252.76℃为氢的沸点/液化温度)——比储存液化天然气的温度还要低100℃。这艘船将会把液氢从9000公里以外的澳大利亚运往日本。这条运氢线路将使2030年日本氢燃料到岸价格下降4倍。

            不过,日本氢能产业链的成本依然非常高,东京奥运会所使用的氢燃料电池巴士价格是柴油巴士的4倍,相同条件下氢燃料成本至少是柴油的2.6倍。与锂电池产业链相比,氢能和氢燃料电池产业链更长、复杂度更高,有很多环节仍需技术突破和商业化探索。

            面对氢能的未来,业内专家观点各异,有的认为液氢和气氢将成为主流,有的则认为以甲醇或氨为代表的储氢运氢载体将成为主流。就重要性而言,有的认为氢能是世界各国达成2050年(发达国家)和2060年(中国)碳中和目标的最后一块拼图,是完成深度脱碳的关键能源;有的甚至认为氢能是“21世纪的终极能源”,世界经济和能源结构将因此改变。无论观点如何,政府、国际智库和市场解决上述氢能技术难题普遍表示乐观

    各国政府和智库已立下氢能产业目标

            过去十年,国内外政府已从行业倡导行业规范的制定和具体产业的扶持其中,交通运输相关产业链将受到各国政府的政策倾斜。目前资本市场也普遍对氢能产业发展表示乐观。可以说,氢能产业在整个能源行业的地位已逐渐提高。

            截至2021年初,全球30多个国家发布氢能产业发展路线图,并承诺提供公共资金支持氢能的应用。日本和欧盟均已公布氢能战略,对2030年和2050年的绿氢产量和氢能源汽车的普及率提出具体目标。国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%的能源终端需求另外,氢燃料电池汽车将占全球车辆的20%-25%,每年为交通运输行业贡献至少三分之一的碳减排。

            去年国务院办公厅及下属的国家能源局等部门颁布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》、《关于建立健全清洁能源消纳长效机制的指导意见(征求意见稿)》等支持政策,鼓励推广绿氢、分布式能源、燃料电池等重点技术的研发和商业应用,氢能产业将迈入商业化和规模化发展的新阶段。

            今年国务院国资委在总结上半年央企经济运行情况时表示,超过三分之一的央企已在制定氢能全产业链布局

            工信部预测,到2035年新能源车销售量将占新车销售总量50%以上,商用车实现氢动力转型,氢燃料电池汽车保有量达到100万辆左右,并建成加氢站5千座。中国氢能联盟预计,到2050年氢能将占中国能源体系10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值至少10万亿元。绿氢规模将达4000万吨,占比最高。其中交通运输领域用氢2458万吨,占交通领域整体用能的19%并减少3.56亿吨碳排;氢燃料电池车年产量达到520万辆。

            资本层面,近期大量政府引导资金和能源产业资本聚焦氢能。截至2021年6月,全球大规模氢能项目和bob游戏安卓官方版下载事件已达359个,其中至少三分之一发生在2021年上半年,增速迅猛。各国政府已累计承诺至少700亿美金的公共资金投入氢能产业。预计到2030年,各国政府、资本和企业将为氢能产业投入至少5000亿美金。

    氢能产业的未来与bob游戏安卓官方版下载机会

            我们相信,氢能产业将在世界能源结构中占有一席之地。由于其发展仍处于早期阶段,bob游戏安卓官方版下载机构要重点关注国内外扶持和补贴政策以及市场反应。

            终端应用方面,同为二次能源氢能与电能同时有互补和竞争关系bob游戏安卓官方版下载机构可重点关注:1)氢能在较难电动化脱碳的行业应用,包括长途运输、航空、轮船、重工业等;2)氢能在分布式能源系统中的应用,以缓解清洁能源稳定性差、利用效率低、消纳压力大等问题。

            这种互补和竞争关系的动态平衡,要求bob游戏安卓官方版下载机构实时了解氢能产业的关键技术路径选择和技术发展。重点关注在液氢、气氢、以及甲醇或氨等氢能载体之间的路径选择。在上游制氢环节中,重点关注电解水技术和材料,以及碳捕捉技术的革新;储氢环节则需关注氢燃料电池的系统设计、贵金属开采和成本、大规模量产等机会;另外,储氢运氢的成本和安全性仍有极大的提升空间,应实时了解氢能产业对汽油和液化天然气管道、运输港口、加油站、加气站等现有能源系统的高效利用。

            同时,也应当关注有直接竞争关系的蓄电池(包括锂电池)技术在体积和质量能量密度上是否有革命性突破。

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            同时,也应当关注有直接竞争关系的蓄电池(包括锂电池)技术在体积和质量能量密度上是否有革命性突破。

            全球平均气温已经较工业革命前升高大约1℃,然而我们现在掌握的清洁技术仍无法达到联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的升温1.5℃以下的目标,这需要史无前例的技术革新和能源革命

            纵观人类的能源革命史,是从高碳到低碳,从低能量密度到高能量密度,能源利用效率不断提升的历史,每一次革命都最终达到安全可靠和高效经济之间的平衡。那么,2020东京奥运会是否真正为世界开启氢能社会的大门,氢能产业发展将在多大程度上助力解决全球变暖问题,并引领全球的能源革命,我们充满期待。

     

    图源:

    《2020东京奥运会氢燃料巴士》:International Olympic Committee

    《氢燃料电池和锂电池的效率对比》:Aristeidis Tsakiris. Analysis of hydrogen fuel cell and battery efficiency

    《氢能产业链氢能产业链》:Carbon Brief / Tom Prater

    资料来源:

    Aristeidis Tsakiris, 2019:Analysis of hydrogen fuel cell and battery efficiency

    路透社,2021年5月:https://www.reuters.com/business/sustainable-business/too-cold-handle-race-is-pioneer-shipping-hydrogen-2021-05-11/

    彭博新能源财经(BNEF),2020年3月:Hydrogen Economy Outlook Key messages

    国际能源署(IEA),2019年6月:The Future of Hydrogen

    麦肯锡和国际氢能委员会,2021年2月:Hydrogen Insight: A perspective on hydrogen investment, market development and cost competitiveness

    工信部和中国汽车工程学会,2020年:节能与新能源汽车技术路线图2.0

    中国氢能联盟,2019年:中国氢能源及燃料电池产业白皮书

    作者:路培贤