汽車產研｜整合產業鏈資源，氫能發展需技術與商業創新並重
全球大部分主要經濟體都做出了本世紀中葉實現碳中和的願景，這些國家中,英國提出到2030年碳排放降低68%，2050年達到碳中和；美國拜登政府提出將重返《巴黎協定》，2050年實現碳中和；歐盟提出到2030年碳排放減少40%，到2050年減少80-95%，並達到碳中和；德國提出到2030年碳排放減少55%，2050年減少80-95%並達到碳中和；日韓提出到2050年達到碳中和；中國提出了碳達峯和碳中和兩個時間點，首先是2030年前碳排放達峯，並降低單位GDP碳排量65%（相較2005年水平），然後力爭在2060年實現碳中和。總體來看，全球佔GDP大概75%的經濟體都做出了類似的承諾，碳中和已經成為全球發展的主要潮流。
碳中和意味着什麼？按照聯合國氣候委員會的方法測算，中國大概2027年前後二氧化碳排放量達到峯值（約106億噸），2035年下降到102億噸，2035-2050年快速下降，至2060年降為約6億噸，這樣就可以通過碳匯等抵消後實現碳中和。
2020年，中國能源結構中包括可再生能源和核能在內的非化石能源佔比不到16%，也就是説，現在84%以上是化石能源，到2060年，非化石能源將佔到80%以上，正好是一個翻轉，能源結構將發生翻天覆地的變化。
以光伏和風電為代表的清潔能源正在成為全球低碳發展的引領者，背後的推動力是什麼？其根本原因在於技術進步，是低成本的高技術。例如，在阿布扎比去年最新一輪的光伏招標，最低的中標電價（LCOE）為1.35美分/kWh，相當於每度電一毛錢上網電價。中國青海的光伏招標上網電價也達到了0.24元每度，而且仍在快速下降。可以説，光伏以及陸上風電在未來幾年內將會在全球大部分地區實現平價上網，在技術進步的推動下，構建以可再生能源為主體的能源體系，已經成為非常現實的願景。
新能源為主體的新型電力系統是什麼樣的？
中央財經委員會第九次會議明確提出了中國要建設以新能源為主體的新型電力系統。2020年，中國可再生能源的發電量佔比不到10%，而德國現代可再生能源佔比已經超過50%，形成了以風、光為主的能源結構。
新型電力系統是什麼樣子的？可以借鑑德國的經驗看一下，下面第一張圖，是去年夏季，6月份德國所有不同類型發電量的出力佔比，黃色部分是光伏出力，佔比有時超過一半還多。深藍色是風電，出力比變化也是很大的，因為有時候風大，有時候風小。
德國不同類型發電量出力佔比（6月份）
下面這張圖是冬季，今年1月份的出力情況，可以看到光伏發電量非常少，與夏天相比幾乎差了一個數量級。這樣的對比可以使我們清晰地看到，無論從單日還是跨季節來看，以可再生能源為主體的能源系統波動性很大，如何克服這樣的波動性帶來的問題將是非常大的挑戰。德國不同類型發電量出力佔比（1月份）
在國際能源署做的變動性可再生能源佔比的情景研究中，風電、光伏發電量佔比在5%以內，通過電網調度基本就可以解決可再生能源併網問題。如果超過5%但不超過10%，稱為第二階段，需要充分挖掘發電側現有資源的靈活性潛力，或者説是提高備用的容量，比如沒有風，傍晚高峯需要電的時候，把煤電、氣電或抽水蓄能啓動起來彌補風光的缺口。近年來我們建設了不少新增機組，並進行了大量的火電靈活性改造，有效支撐了更高比例的風光發電量，並減少了棄風、棄光的比例。但這基本上還是計劃經濟的思路，好像是水多加面，面多加水，到了一定的程度就難以為繼，因為過高的系統備用容量需要巨大的投資成本，這些成本會大大抵消光伏和風電的成本優勢。根據國際能源署的研究，當風光等變動性可再生能源發電量超過10%時，就需要對電力系統進行整體的升級改造，提高系統整體靈活性，其中最重要的是要把需求側動員起來，讓消費側也能夠積極響應，電網也要更加柔性。這不僅需要更加先進的技術支撐，也需要更加完善的市場機制。在這個過程中，氫能作為一種便於儲存和運輸的能源介質，將發揮其它能源品類難以替代的作用，尤其是在進行跨季節調峯的時候，更是具有其它方式所不具備的優勢。
國際能源署關於風電、光伏等發展階段的劃分
氫能發展形勢基於以上的認識，全球主要國家紛紛出台氫能發展的政策，促進相關產業發展。據不完全統計，經濟佔全球GDP70%以上的18個國家政府已經制定並部署氫能發展的戰略。比如去年7月份，歐盟發佈能源一體化戰略的時候，就同步發佈了氫能戰略，把氫作為未來能源轉型中的重要組成部分。目前看大型的氫能項目在全球方興未艾，遍地開花。據國際能源署的統計，全球的氫氣產量超過7000萬噸，主要用在化工、合成氨、工業過程中，它作為能源的使用還是剛剛開始，用量微乎其微。
在能源領域，氫氣除了作為燃料電池汽車上的應用，也在工業、供熱、分佈式發電、居民和建築等多個場景應用，具有非常豐富和多元的前景。下圖是國際氫能委員會做的氫能應用場景分析，大的領域也至少有五類，除了作為原料，其它領域都會有很快的增長，將是增量的主體。
氫能應用場景分析
但氫能產業鏈很長，從制氫、運輸、儲存、加註到使用，缺少一個環節就無法運行。比如説有了重卡，但氫供不上，或者太貴，就無法規模化發展，但也許在另外的地方，有了便宜的氫，但沒有用户，卻運不過來。氫的儲運問題是非常關鍵的瓶頸，目前主要用壓縮氣瓶的方式，五噸的卡車只能拉幾百公斤的氫，這樣運輸超過200公里運費比氫幾乎還貴，這些問題將是氫能產業規模化發展面臨的現實問題。未來，隨着可再生電力成本的下降以及大容量電解槽技術的突破，可再生能源制氫的成本將顯著下降，預計未來幾年使用可再生電力生產的綠氫佔比將快速增長，並將具有越來越高的經濟競爭性。氫和可再生能源之間的協同效應將發揮出來，可以大大增加可再生電力市場的增長潛力和覆蓋範圍（如工業領域），也可實現季節性儲能，為可再生能源調峯。未來，在終端能源消費結構中，氫電（可再生電力）耦合協同的發展趨勢將越來越明顯，氫電耦合協同將進一步提升可再生能源在能源消費結構中的佔比。對於難以脱碳的領域，比如工業過程，氫能也會有非常大的空間，這方面甚至是不可替代的作用。
氫能發展的一個核心裝備是燃料電池，無論是為系統進行調峯，還是為交通提供動力，都需要使用燃料電池。燃料電池因為不受熱機的卡諾循環效應的限制，轉化效率最高可達80%，因此很多地方都把燃料電池作為最重要的產業支持方向。今天會議的主辦方重塑科技就是這方面的領頭企業之一。
目前中國的氫能主要還是通過燃料電池用在汽車上。國際上的應用場景要比我們更廣泛一些，除了交通，還包括分佈式能源、便捷式電源等，甚至在歐洲的一些地方也已經把氫作為燃料直接使用。西門子、貝克休斯等都宣佈已經研發成功了可以直接燃燒氫氣發電的燃氣輪機，可以更加規模化的與現有的基礎設施進行對接。
從長遠看，氫氣最好的長距離運輸方式仍然是通過管道，其性價比要遠超壓縮和液化的方式。下面這張圖是歐盟做的氫氣管網規劃，到2030年將建立起第一階段長度約6,800公里的管道網絡，連接各地“氫谷”。到2040年，預計氫能網絡將達到23,000公里，其中75％由轉換後的天然氣管道組成，並通過新的管道延伸段（約佔25％）進行連接。這樣氫氣就會像天然氣一樣可以運達千家萬户，比如意大利國家管網公司SNAM就已經實現了輸氫的示範項目，將推動氫能發展作為其能源轉型的主要抓手，其CEO Marco還專門寫了本氫能時代的科普書。
歐盟氫氣管網規劃
我們通常認為氫能很昂貴、很珍稀，就像當初我們看天然氣一樣，比喻成“香水”。 實際上，氫和天然氣一樣，當規模化發展的時候，成本就會大幅下降，今天美國的天然氣比煤炭還要便宜，未來隨着可再生能源規模化制氫的發展，氫能的成本也會非常低，否則很難發展起來。因此從事氫能產業，一定要有長遠的眼光。中國在促進氫能產業的發展上走在全球前列，也出台了一些推進氫能發展的政策，尤其是在地方政府層面，很多地方政府把氫能作為未來產業的重點。目前中國已經形成了氫能發展的七個產業集羣，分別是西北部產業集羣、京津冀產業集羣、膠東半島集羣、長三角產業集羣、珠三角產業集羣、中部產業集羣、川渝產業集羣。雖然不同地區也在發揮不同的區域優勢，但目前看到這些產業集羣的氫能應用仍然是比較集中於交通領域，這可能主要是因為交通行業的價格承受力比較高。
氫能實現產業規模發展的前提是一定要把整個產業鏈打通，這樣才會在發展早期階段就有可持續發展的動力。氫能產業鏈非常複雜和廣泛，如何能夠發揮技術突破的引領作用，能夠為未來奠定比較好的基礎，對產業健康發展至關重要。
如果對目前如火如荼的氫能產業發展提些看法， 一是要關注全產業鏈關鍵核心技術的進展，通暢的產業鏈才能確保氫能的可持續發展；二是技術創新與商業模式創新並重，積極探索氫能商業化發展路徑，其核心也是要整合產業鏈的資源，並逐步豐富氫能的應用場景，目前，氫能作為工業原料和能源的協同也會有效降低風險，比如寶豐能源就在做這方面的積極嘗試； 三是要有更加廣闊的能源視角，為促進可再生能源規模化及早佈局，積極探索交通領域以外的可行模式，並尋求儘可能大的協同效應；四是在空間佈局上遵循市場規律，避免“畫地為牢”重複建設；五是加強與金融投資機構等利益相關方合作，同時加強國際上的交流，推進和完善標準體系建設，無論是行業標準和綠色金融的規範，都應該與國際接軌，這樣才能在國際競爭中處於主動地位。
最後，我想強調的是，一定要從更高的站位和更長遠的眼光來看待氫能產業的發展，並尋找切實可行的出發點和模式，才有可能抓住這一時代的機遇。在能源快速轉型的時代，一定要有突破舊有框限的意識，能源革命首先是一場思想革命。
（作者楊雷系北京大學能源研究院研究員、副院長。文章據作者在4月17日北大國發院長三角論壇上的演講速記整理而成）