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        行業新聞

        德國能源轉型進程中氫能發展經驗及啟示

        發布時間:2022-11-18 11:35:57  
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        摘要:隨著能源的可再生與低碳化發展,氫因清潔性、靈活性與通用性將會在能源轉型中扮演重要作用。德國作為能源轉型的領先國家,非常重視氫能在能源轉型和經濟脫碳中的重要作用,制定了包括長期發展戰略、中期研發、近期應用示范,以及氫能發展相關管理和監管體制等全面發展措施。全面認識德國的氫能實踐經驗對中國氫能發展具有重要的啟示。

        20世紀90年代中期,氫就作為“提供脫碳,可持續能源系統必不可少的元素”而被寄予厚望,但此后20年的發展進程遠遠低于人們的期望。

        2015年,根據《巴黎協定》設定的全球控溫1.5℃和凈零排放目標,2030年前全球目前年均約12%的脫碳速度需要提高5倍方可實現。

        由于交通運輸和工業領域脫碳的復雜性和難度,僅靠可再生能源遠不能滿足CO2或溫室氣體凈零排放的“脫碳”要求,氫能由于具備來源多樣、清潔低碳、安全、靈活高效、應用場景豐富等特點再次受到重視,被視為未來10年替代碳氫化合物,應對氣候變化的關鍵。

        德國在能源轉型中一直很重視氫能的作用,將氫能視為應對能源轉型中波動性可再生能源安全穩定供應和經濟關鍵部門脫碳難題的重要方式。

        早在2004年,德國政府就制定和實施了相關政策和項目,有針對性地支持氫能技術研發和示范。

        2020年,德國政府制定和頒布《國家氫能戰略》為其確立了氫能發展的戰略地位與重點方向。

        此后,德國支持氫能發展的支持力度增加,且相關政策支持措施更加系統??陀^分析德國氫能發展的實踐經驗,可以為認識氫能在中國能源轉型和實現碳中和目標的作用,客觀認識中國氫能實踐中存在的問題,制定中國氫能戰略和相關政策措施提供有價值的借鑒和啟示。

        1、德國氫能發展經驗

        德國的氫能發展經歷了從燃料電池起步到確立氫能在國家能源轉型和碳中和目標中戰略地位,支持措施從氫能發展的某個方向、環節到氫能全產業鏈和重點應用場景系統措施轉變。

        2004年,德國聯邦政府就成立了國家氫能與燃料電池組織(NOW)支持氫能產業發展。

        2006年,NOW啟動了國家創新計劃(NIP)計劃來推動實施氫能發展項目的實施。2006—2016年期間,德國聯邦政府通過《氫能與燃料電池國家創新計劃》撥付了7億歐元用于發展氫能與燃料電池技術。

        2020年德國聯邦政府發布《國家氫能戰略》,2021年德國國家理事會發布發布《德國氫行動計劃2021—2025》。

        至此,德國氫能發展的系統的戰略定位和支持措施基本形成。

        目前,對德國氫能發展經驗與借鑒有不同解讀。作者認為,德國氫能發展中有如下一些經驗非常重要。

        1.1氫能的戰略定位邏輯清晰、重點方向明確

        德國從能源轉型和碳中和目標出發,把氫能發展視為能源轉型的重要組成部分和解決一些部門脫碳難題的解決方案。其氫能戰略定位邏輯清晰、重點方向明確,主要表現:

        (1)明確提出只有基于可再生能源(綠氫)生產的氫氣才能長期使用。在德國備受爭議的使用碳捕獲和儲存(CCS)的天燃氣制氫只能“以過渡的方式”使用。盡管這一主張遭到工業界的反對,但德國依然明確了在應對氣候變化的斗爭中,用可再生電力制造的氫氣作為解決重工業和航空等排放頑固行業的脫碳,實現德國2050年碳中和目標的解決方案。

        (2)明確氫能的應用場景主要是4個方面:

        ①氫作為一種能量儲存器,可以根據供給需求靈活地儲存可再生能源,并起到平衡供求關系的作用。這主要是在電力系統的長周期供需調節方面發揮作用;

        ②某些無法利用常規技術實現零碳轉型的高耗能工業領域,利用綠氫作為原料或者替代化石能源解決脫碳問題,比如化工、水泥和鋼鐵工業;

        ③在交通領域,特別是航空和航海中,通過Power to X工藝制備的以氫為基礎的能源來滿足碳中和目標;

        ④在供熱市場,長遠來看,在工業過程用熱的生產或在建筑中,即使在充分挖掘了效率和電動化潛力之后,對氣態能源的需求仍將存在。氫及其衍生產品可以長期以不同的方式為部分供熱市場的脫碳化作出貢獻。

        1.2針對氫能發展具體目標分門別類制定了近中期措施

        德國《國家氫能戰略》提出到2026年政府將投資123.6億歐元用于38項氫能專項措施。

        比如,在綠氫生產方面,提出為高效使用可再生能源發電(例如行業耦合)改善框架條件,由國家主導公平定價的能源價格可以加強“綠氫”的生產。

        為此,考慮在交通和供熱領域化石燃料的二氧化碳定價機制,對制備“綠氫”的電能在一定程度上免除稅費、附加費和分攤費等。

        在氫能應用場景方面,交通領域強調激活市場支持對氫能汽車(輕、重型卡車/商用車、大客車、火車、內河和沿海航運、車隊使用的轎車)的投資,在歐洲通行收費指令的框架下采用貨運卡車根據碳排放差異定價的方式,鼓勵采用環保型驅動裝置。

        工業領域,聯邦政府在不同項目框架下,扶持工業生產過程中產生排放的常規化石技術向溫室氣體低排放或溫室氣體平衡的工藝轉型。特別是在鋼鐵和化工業中向氫能原材料和燃料的轉型起著核心的作用。

        相關的扶持項目包括“工業脫碳化”基金,“工業生產中的氫能應用”(2020—2024年)和“在原材料工業中避免產生和使用二氧化碳”等項目。

        1.3氫能基礎研究、技術開發與氫能示范項目并重

        德國政府從基礎研究、技術開發和示范項目推動氫能發展。2015年,德國經濟事務和能源部啟動能源轉型與創新平臺——哥白尼科學研究計劃,旨在引起能源領域的范式轉變,為促進成果的誕生與轉化,該計劃分為理論概念期、實踐檢驗期與示范項目期,每個階段時間跨度約為3年。

        “哥白尼”計劃下設多個子計劃,針對性地解決氫能開發的具體問題。ENSURE計劃開發未來的電網,以應對可再生能源的波動供應以及實現雙向輸送電力,進而實現電力、輸送、供暖、燃氣之間的部門耦合;P2X計劃將二氧化碳、水和可再生能源的電力轉化為燃料、化學品等;Syn Ergi計劃研究如何使工業生產抵消電網波動、適應可再生能源的間歇性;Ariadne計劃分析政策如何聯合各部門發揮整體作用。

        總體上,德國的氫能基礎研究主要集中在與針對應用型研究的交叉融合方面,包括電解制氫、生物制氫、地下儲氫等方面。為推進研究到應用的轉化,構建了能源轉型的仿真實驗室,并將來自實驗室的創新成果以快速投入應用,推進氫能發展的產學研一體化。

        目前,德國有22個已經建成和正在建設的氫能示范項目,這些項目涵蓋綠氫制造、儲運等全產業鏈和鋼鐵、交通和供熱等典型應用場景。德國制氫示范項目見表1。儲運氫方面,由于氫的特殊物理和化學性質,該過程需要兼顧經濟性與安全性。目前德國的各種儲運氫項目都是根據不同的環境條件、實際需求而實施的(見表2)。氫能應用方面,德國不斷探索氫能在不同領域的終端使用,包括電力、供暖、化工、交通運輸等(見表3)。

        Tab.1 Hydrogen production demonstration project in Germany

        表1德國制氫示范項目

        德國能源轉型進程中氫能發展經驗及啟示(圖1)

        資料來源:整理自公開網站

        Tab.2 Hydrogen storage and transportation demonstration project in Germany

        表2德國儲運氫示范項目

        德國能源轉型進程中氫能發展經驗及啟示(圖2)

        資料來源:整理自公開網站

        Tab.3 Hydrogen energy application demonstration project in German

        表3德國氫能應用示范項目

        德國能源轉型進程中氫能發展經驗及啟示(圖3)

        資料來源:整理自公開網站

        1.4氫能開發與應用的國際合作是德國氫能戰略不可缺少的部分

        德國在推進氫能戰略時非常重視國際技術與經貿合作。

        (1)德國通過參與2020年7月正式成立的歐洲清潔氫聯盟(European Clean Hydrogen Alliancewas)積極開著氫能技術研發合作。該聯盟通過整合生產水平、用氫需求等手段實現到2030年大規模部署清潔氫技術。德國以開發氫能全價值鏈為重點推進合作,并幫助本土企業在國外市場搭建平臺,緩解發展氫能產業時獲取碳中性能源的壓力。

        (2)德國認識到,從中長期來看,為了實現至2030年的氣候目標和至2050的溫室氣體平衡目標,德國自身的可再生能源發電量難以滿足,需要從其他國家進口可再生能源、綠氫及其衍生品。因此,德國政府從有利于氫能國際貿易出發,積極推動國內外的氫能運輸和配送基礎設施布局和建設,推動氫能技術與產品標準的國際認證,以及積極在全球綠氫生產條件好開展投資。目前,德國已經與挪威等非歐盟的歐洲國家,納米比亞、南非、,摩洛哥等非洲國家、沙特阿拉伯、阿拉伯聯合酋長國等中東國家,以及加拿大、智利、澳大利亞等美洲澳洲國家達成了雙邊氫能合作協議,大力支持綠氫生產和運輸項目,以確保未來大量進口綠氫。

        1.5建立氫能發展的國家監管框架

        為推動氫能戰略的實施,德國建立了稱為“以結果為導向”的監管機制。由相關職能部門組成的氫能國務秘書委員會負責氫能戰略管理與監督執行,確保國家氫能戰略與市場發展保持協調。如果執行出現拖延或目標出現偏差,國務秘書委員會有權采取修正措施和調整行動方案。德國聯邦政府氫能發展的國家監管框架見圖1。

        德國能源轉型進程中氫能發展經驗及啟示(圖4)

        圖1德國聯邦政府氫能發展的國家監管框架[4]

        Fig.1 National regulatory framework for hydrogen energy development of the German Federal Government

        聯邦政府同時組建國家氫能理事會作為咨詢和支持機構。理事會由26名來自經濟界、科學界和社會的高級專家(不隸屬于公共管理機構)組成。

        國家氫能理事會的任務是,在國家氫能戰略的執行和繼續開發過程中,以提出意見和行動建議的方式向國務秘書委員會提供咨詢和支持。

        國務秘書委員會和國家氫能理事會將定期共同舉行會議。聯邦相關職能部門負責人(例如主管的司局領導)作為嘉賓列席理事會的會議,各聯邦州也可派兩名代表作為嘉賓列席會議。氫能理事會每年至少召開兩次會議。聯邦教育與研究部的“綠氫”創新特派員是國務秘書委員會和國家氫能理事會的常駐嘉賓。

        聯邦政府還建立一個氫能指揮部。氫能指揮部的主要職責主要有3個方面:

        (1)協助各職能部門實施國家氫能戰略,并在行動建議的協調和成文等方面為氫能理事會提供支持。

        (2)利用靈活的項目管理結構在國家氫能戰略的實施中積極地為各職能部門提供支持,并為此設置了特定主題的工作小組。

        (3)編制氫能戰略實施監督報告和擴展報告,對戰略和行動計劃進行總體評估,并擬定繼續開發的建議。

        2、德國氫能發展經驗對中國的啟示

        2014年,中國正式將“氫能與燃料電池”作為科技創新的戰略方向。此后,特別是“十三五”期間,中央和一些地方政府圍繞氫燃料電池汽車出臺了一些鼓勵和支持政策。

        2022年3月23日,國家發改委發布的《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》是中國第一份國家層面的系統氫能規劃。改規劃確立了“綠氫”作為鼓勵發展的方向、推動氫能在交通、儲能和工業示范作為重點應用場景等,這對中國未來氫能發展具有重要指導意義。

        然而,中國氫能發展實踐中仍然存在一些與氫能中長期規劃方向不一致,不利于規劃落實的問題。主要表現在3個方面:

        (1)地方的氫能項目基本上是化石能源制氫,增加中國二氧化碳排放量壓力;

        (2)從技術成熟度和市場條件看,氫能在全球都屬于“示范”,而中國很多地方以“示范”的名義同時發展氫能項目,短期內推進過快,導致低水平重復投資問題突出;

        (3)各地氫能發展方向基本局限在燃料電池汽車領域,示范應用主要集中在以公交車為主要應用場景的交通領域,應用場景單一,產業同質化突出。

        作者認為,德國氫能發展的經驗對中國氫能發展最重要啟示,是必須將氫能發展置于能源轉型的趨勢下,確定氫能在中國未來能源系統中的合理位置和優先的應用場景,并針對具體應用場景制定有針對性的發展政策與管理體制。

        當前的能源轉型是為應對全球變暖而推動的,其完整的內涵包括“一個目標,兩個支柱”?!耙粋€目標”是大幅度降低人類活動排放的二氧化碳量,以減緩全球變暖;兩個支柱分別是:

        (1)提高能源效率和節能,降低化石能源消費總量,從而降低二氧化碳排放量。這在當我國能源消費都是化石能源占主導地位的階段,對減少二氧化碳非常重要;

        (2)大力發展可再生能源替代化石能源,從而避免二氧化碳的排放;隨著一次能源消費中可再生能源比重快速提升,這一支柱講對碳減排起到越來越重要的作用。

        可見,“脫碳”是當前能源轉型的基本動因。為實現我國2060碳中和目標,中國能源系統必須提前實現“零碳”。由于目前還不存在成熟的氫能利用場景,確定氫能在中國未來零碳能源的地位與作用,必須動態考慮其他零碳能源既有作用情況下來確定。氫能與其他可再生能源和技術路徑相比,盡管有很多“理論上”的優勢,但由于其要在5~10年才具有應用上的“經濟性”。

        所以,在這5~10年期間,如果其他“零碳或低碳”能源利用技術先于氫能獲得了技術和規模上的競爭優勢,等到氫能在一些應用場景具備產業化條件時,也沒有必要再出臺相應的政策去推動氫能去替代既有的“零碳或低碳”能源及其利用技術。因為它們都符合能源轉型和碳中和的要求。

        從這個角度看,“氫能”未來價值最大的的應用場景不是公路交通,至少不是最重要的應用場景。因為目前的純電動汽車技術不斷迭代,基礎設施逐漸完善,相對氫燃料電池車來說具有越來越大的競爭優勢。

        因此,氫能在中國未來能源系統中的地位和作用,不是在已經具有成熟技術的交通領域大規模推廣,而是應該是彌補現有低碳和零碳能源技術無法解決的問題和應用場景。根據國際氫能委員會(Hydrogen Council)發布的《氫能洞察》指出,從總體擁有成本(TCO)看,在全球制氫、儲運、配送成本快速下降的趨勢下,氫能在各領域的應用潛力將逐步凸顯,到2030年,氫能可在22種終端應用中成為最具競爭力的減碳解決方案,包括煉油、化肥、商用車、長途卡車運輸、航運和氫冶煉等應用領域。


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