迎接“氢能社会”

 

氢能的概念、应用及制备技术

 

氢是宇宙中分布最为广泛的元素，科学家估计宇宙中氢原子的数量约为其他元素原子总量的100倍，其质量约占宇宙总质量的75%左右。氢元素在地球上也有广泛的分布，水、大气、土壤、石油、天然气、动植物中都含有大量氢元素。在地壳中，氢只占其总质量的1%，但占其原子总数的17%，在水中，氢元素的质量分数为17%，在土壤中约为1.5%，在空气中，氢气反而不多，约占大气体积的一千万分之五。

 

在全球气候变暖、温室气体减排的背景下，氢能源是 21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢的燃烧热值非常高，1千克氢完全燃烧后能产生1.43×108J 热量，这一数值仅次于核燃料，是在所有化石燃料和生物燃料中最高的。除此之外，氢还是一种真正的清洁能源，其燃烧后仅产生水，而无任何其他有害物质。史上最环保冬奥会——2022年北京冬奥会，其开闭幕式火炬所用的燃料就是氢。在绿色低碳发展趋势下，氢作为一种零碳能源必将在未来脱颖而出。

 

除作为清洁能源外，氢还在许多其他工业领域有着广泛应用。在电子产业，氢气可以在电子材料、半导体元器件生产过程中作为还原气、携带气和保护气发挥作用。在金属冶炼行业，氢可以作为还原剂和保护气。在食品工业，氢气可以用于生产人造黄油、食用油等，经氢化后的天然食用油可以稳定贮存，抵抗细菌滋生，增强油脂黏稠度。在医学领域，氢气还可以抑制人体内部分活性氧化，对多种氧化应激疾病的防治效果明显。

 

尽管氢在能源以及工业领域发挥着举足轻重的作用，但遗憾的是，氢的化学性质活泼，易与其他元素发生反应，地球上的游离氢数量极其稀少，它主要以化合物形态存在于水等多种物质中。因此，氢能只能作为二次能源，从其他能源中制取，而无法像石油、天然气、煤炭那样被直接开采利用。这一特性在客观上限制了氢能的生产和使用。

 

目前，人类已经探索出了五条氢气制备技术路线， 分别是化石燃料（石油、天然气、煤炭）热化学制氢、电解水制氢、工业副产品制氢、太阳能光解水制氢、生物制氢。其中，生物制氢、太阳能光解水制氢目前还处于实验和开发阶段，尚未进入大规模工业生产，前三种制氢技术已较为成熟，有了广泛的工业生产实践。根据2022年2月高工氢电、高工产业研究院发布的《中国氢能源产业发展蓝皮书》显示，目前，天然气制氢占全球氢能源总规模的48%，烃、醇类制氢占比30%，煤炭制氢占比18%，全球电解水制氢规模较小，约占3%。

 

可以看出，氢虽然是一种零碳能源，但在其制备过程中仍然要消耗化石燃料（电解水所用电也主要来自化石燃料），产生大量二氧化碳，因此这类氢仍然是“高碳”氢，一般也称为“灰氢”“黑氢”。要实现氢气的全生命周期低碳化甚至零碳化，目前看主要有两条路可走。一是在化石燃料制氢系统中增加碳捕捉、收集和封存装置， 这是未来中短期实现低碳“蓝氢”的有效过渡方式。二是采用非化石燃料发电，通过电解水制氢进而逐步实现低碳、零碳制氢，这是未来实现零碳“绿氢”的重要方式。

 

欧洲氢能银行正式成立

 

2023年3月16日，欧盟委员会主席冯德莱恩宣布：欧洲氢能银行正式成立，未来将投资 30 亿欧元助力欧洲氢能市场发展。要理解欧洲氢能银行产生的缘由，我们需要全面梳理欧盟绿色政策的发展演变过程，才能明白氢能银行在欧盟“低碳棋局”中的作用和功能。2016年《巴黎气候协定》签署后，欧盟开始积极追求碳中和目标，2019年至2020年年初，英国、德国、法国分别出台法案，提出了“2050年实现温室气体净零排放”（即碳中和）目标。

 

北欧五国，特别是挪威、芬兰和瑞典在低碳问题上表现得更为激进，分别承诺于2030年、2035年和2045年实现碳中和。欧盟层面， 2019年12月，欧盟委员会正式发布了《欧洲绿色协议》， 提出欧洲要在2050年之前将二氧化碳净排放量降为零， 实现碳中和，使欧洲成为首个“气候中和”大陆。为实现这一宏伟目标，欧盟在工业、农业、交通、绿色技术研发等领域提出了一系列路线图和政策框架。降低碳排放量，根源和关键还在能源变革。

 

为此，《欧洲绿色协议》指出，欧盟将在2050年之前逐步降低化石能源消费比重，不断扩大氢能使用范围，同时大幅提升绿氢产能。具体分以下三个阶段实现 ：第一阶段是2020-2024年，欧盟意在扩大工业制氢产能，建设和完善氢能生产、运输基础设施，并希望通过安装6吉瓦电解槽，使欧盟绿氢产量最高达到100万吨。

 

第二阶段是2025-2030 年，欧盟计划进一步扩大氢能在工业、交通领域的应用范围，同时规划和建设覆盖全欧洲的氢能管道网络。在氢能源产量方面，欧盟计划至少安装40吉瓦以上电解槽，使绿氢产能最高达到1000万吨。通过这一阶段的产能提升及管道网络建设，欧盟期望绿氢的市场竞争优势不断提升，同时提升本地氢能产业链的自主水平。

 

第三阶段是2030-2050年，欧盟将全力扩大绿氢产能，将欧盟四分之一可再生能源电力用于绿氢生产，同时不断提升绿氢技术的市场成熟度，最终实现绿氢的规模化生产和应用，强力支持欧盟碳中和目标实现。

 

2022年，全球地缘政治和经济形势突变，俄乌冲突、通胀等对欧美西方国家经济社会发展产生了重要影响。为推进能源独立，2022年5月，欧盟委员会推出了 REPowerEU计划，该计划旨在减少对俄罗斯的能源依赖，快速推进能源转型。欧盟计划通过节约能源、能源供应多元化、发展可再生能源三方面措施逐步降低化石燃料比重，到2030年使欧盟可再生能源比重提升至45%。

 

2022年8月，美国总统拜登签署了备受争议的《通胀削减法案》，法案计划拨款3690亿美元用于能源安全和气候投资，并给予可再生能源电力、可持续航空燃料、新能源汽车制造、氢气生产等九个领域在美国设厂生产的企业以巨额税收抵扣和补贴。受这一政策影响，欧洲不少大型企业，如德国大众汽车集团、意大利国家电力公司、比利时化工集团索尔维、西班牙能源公司伊维尔德罗拉等都对在美设厂投资表现出了浓厚兴趣，一些燃料电池企业暂停或搁置了在欧洲的投资项目。美国的《通胀削减法案》对欧盟雄心勃勃的绿色发展计划和低碳目标产生了实质性负面影响。

 

为执行REPowerEU计划、促进欧洲可再生能源和绿氢发展，2022年9月，欧洲议会表决通过了新的《可再生能源指令》（下文简称《指令》）。《指令》提出：欧盟将致力于2030年实现50%的工业过渡到绿氢，2035年达到70%。同时，《指令》还放宽了对部分绿氢的限制性规定。

 

与此同时，冯德莱恩还宣布：欧盟计划成立 “氢能银行”，助力氢能市场发展。2023年2月，欧盟委员会提出了《绿色协议工业计划》，提出欧盟基金将拨款2500亿欧元，支持工业绿色转型，加速各成员国工业脱碳，包括为欧洲本土零碳技术企业提供税收减免。2023年3月，欧盟公布了《净零工业法案》。该法案的核心目标是，到 2030年，使欧盟战略性净零技术本土制造能力达到年度部署需求的40%。该法案将对太阳能、风能、燃料电池、可持续沼气、生物甲烷、热泵等有助于欧盟可再生能源发展的八项战略性净零技术企业给予支持。《净零工业法案》是《绿色协议工业计划》的进一步延续和细化，同时它本身也属于《欧洲绿色协议》的一部分。

 

发展可再生能源，推动氢能走向大众市场显然需要大量的资金支持。伴随着《净零工业法案》的发布，“欧洲氢能银行”正式启动。氢能银行的主要目标是进一步缩小欧盟氢能投资缺口，联结欧盟内外部氢能供需，更好地支持《绿色协议工业计划》和《净零工业法案》的实施。

 

至此，欧洲氢能银行正式走向欧盟氢能发展历史的舞台。总体来看，欧洲氢能银行虽然只是欧盟绿色发展规划和低碳目标中的一个补充性、配套性政策，但它却能为欧盟氢能产业发展提供关键的初期资金支持，因此它也是欧盟低碳化道路上一块不可或缺的发展基石。

 

欧洲氢能银行的功能机制

 

氢能银行设立的初衷是帮助欧盟更好地应对氢能发展初期的投资挑战，进一步释放欧盟以及第三国对氢能的私人投资，扩大氢能进口，同时整合欧盟境内的氢能融资政策，提升融资工具的协调性和整体效率。

 

目前欧盟委员会为氢能银行设计了四项功能机制：第一项机制是创立欧盟境内氢能市场。提高氢能的市场应用规模，关键在于降低绿氢与化石能源间的成本差。在此之前，欧盟曾借助市场拍卖机制成功解决了可再生能源发电的资金需求，欧盟希望这次也可以借助拍卖机制推动绿氢生产。目前欧盟正在设计首批绿氢生产试点拍卖机制，拍卖初步计划于2023年秋季在欧盟“创新基金”框架下启动进行。竞拍成功的绿氢生产方将获得最长10年固定价格溢价补贴，补贴金额将根据生产方交付的合格绿氢数量进行计算。这种拍卖方式能有效保证绿氢生产企业的收入和利润，有利于降低绿氢项目风险，同时对项目获得其他商业融资也极为有利。根据欧盟的初步市场调研，首次拍卖专项预算为8亿欧元，这也将是欧洲氢能银行的第一个金融工具。

 

第二项机制是扩大欧盟氢能进口。2022年5月， 欧盟提出的REPowerEU计划提出，到2030年之前欧盟要自产1000万吨绿氢，进口1000万吨绿氢。目前氢能的国际交易市场尚不成熟，欧盟希望借助氢能银行来支持和鼓励绿氢进口，积极构建和开拓氢能国际交易市场。在推动绿氢进口的同时，欧盟也十分注重绿氢供应的多元化和安全性问题，并将相关地缘政治因素考虑在了绿氢进口市场选择中。

 

第三项机制是提高透明度，发挥协调作用。欧盟银行将在收集、汇总欧盟各成员国信息基础上，研判和分析欧盟境内氢能需求，并以此为基础，进一步协调欧盟内部氢能基础设施建设。此外，近年来在旺盛氢能需求驱动下，欧盟与全球至少30多个国家和地区签署了氢能合作协议，不同协议之间必然存在潜在的协作效应， 氢能银行将会在国际氢能交易和谈判中发挥协调作用， 提高国际交易与合作的透明度。

 

第四是整合利用现有融资工具。目前欧盟以及各成员国都出台了一系列支持氢能发展的融资政策，但不同层面政策间的协调性较差。为此，欧盟希望借助氢能银行来全面整合欧盟境内的融资政策和工具，以形成政策合力、相互促进，进一步提高资金使用效率。

 

前文已述，氢能银行是伴随着《净零工业法案》而提出的，而《净零工业法案》本身又是《欧洲绿色协议》的一部分，根据《欧洲绿色协议》以及欧盟“REPowerEU”设定的目标，欧盟计划到2030年之前在本土建立1000万吨的绿氢产能，同时进口1000万吨绿氢。而要完成该计划，初步预计需要投资3350 亿-4710亿欧元。这些投资绝大部分都将来自私人资金，氢能银行的设立将帮助初期进入氢能产业领域的私人资本降低生产成本， 为后期欧盟扩大氢能产能奠定基础。从这一层面来看， 氢能银行对欧洲碳中和目标实现具有重要的积极意义。

 

欧洲发展氢能面临的挑战

 

尽管欧盟在氢能源领域制定了雄心勃勃的发展目标，但目前这一能源转型战略仍面临着不少现实压力和挑战。

 

第一是技术与成本压力。目前氢气制备技术尚不成熟，相较于其他化石能源，其商业成本仍不具优势， 这客观上会限制氢能市场的发展。与此同时，欧洲的氢能存储、运输产业链条还较为薄弱，未来要实现氢能大规模商用，欧洲还需下大力气补齐这一短板。

 

第二是欧盟氢能市场规模还较小。欧盟委员会发布的数据显示，目前氢能在欧洲能源消费中仅占比 2%， 要在短期内将这一比重提升十余倍，欧盟未来还将承受巨大的能源转型阵痛。

 

第三是“黑氢”“灰氢”占比仍较高。化石燃料在制备氢能时，依旧会排放大量碳。目前欧洲氢能的96%都是通过天然气制备的，这些“黑氢”“灰氢”对欧盟实现2050碳中和目标贡献有限。未来欧盟要增加“绿氢”的规模和比例，还需要大力发展可再生能源电力。

 

第四是欧洲能源短缺，电力紧张阴霾未散。受俄乌冲突影响，目前欧盟能源电力紧张问题依旧严峻。为保证生活用电和工业用电，欧盟的一项授权法案提出电解氢只能使用“额外的”风能、太阳能电力。而如果完全依赖绿电，将会使氢能的生产成本显著提升，降低企业发展氢能的市场动力。

 

第五是欧盟内部对低碳氢能的界定仍存在分歧。作为核能大国，法国坚持认为应该将低碳核电制备的氢能视为“绿氢”，而德国则坚持认为只有由可再生能源电力制备的氢能才应该被授予“绿色”“低碳”标签。法德两国在该问题上的分歧，可能迟滞欧盟氢能产业发展。

 

第六是美国绿色产业补贴政策的影响。2022年8月，美国推出的《通胀削减法案》与世贸组织原则相违背，带有强烈的单边主义和保护主义色彩，加剧了美欧经贸争端。在高额补贴以及美国低电价成本诱惑下，目前不少欧洲氢能企业已经有了在美设厂的计划。这一局面对欧洲氢能产业发展显然十分不利。

 

氢能布局，不只是欧洲

 

鉴于氢能在碳排放领域的巨大优势，目前除欧盟外，日本、韩国、美国、中国等也都纷纷发力氢能源，力图抢占这一清洁能源新赛道。

 

日本是全球较早布局氢能源的国家。2014年日本就发布了《氢能与燃料电池战略路线图》，为日本构建“氢能社会”规划了三个发展阶段，提出到2040年，日本社会要建成完善的零碳氢燃料供应体系。2017年，日本政府又发布了《基本氢能战略》，2019年对该战略进行了修订和补充，将其中部分发展目标和措施进一步细化和完善，并描绘了日本氢能应用、供应发展蓝图。2022年2月，日本发布了《第六次能源基本计划》，提出力争在2030年之前，将氢能成本降至与化石能源同等水平， 并不断加速氢能应用，助力日本2050年碳中和目标。

 

韩国对氢能源也极为重视，2018年韩国政府就将氢能源与人工智能、大数据并列为未来战略投资的三大关键领域。2019年韩国发布了《氢能经济活性化路线图》， 为氢能生产、运输、存储以及应用场景等多个层面规划了发展路线。为推动该战略实施，韩国政府还专门出台了《氢经济法》《绿色新政》等相关配套法律和政策，并不断推进氢能基础设施建设。2021年，韩国氢经济委员会又就氢能港口建设、加氢站部署、海洋绿氢生产、氢能产业特区等方面出台了新的政策。韩国期望通过自身努力，到21 世纪中叶使清洁氢能成为韩国主要能源，满足韩国三分之一的能源消耗以及四分之一的发电消耗。

 

美国对氢能也保持着积极态势。美国也是最早关注氢能的国家之一，早在20世纪70年代，美国通用汽车公司就提出了“氢经济”这一概念。20世纪七八十年代的石油危机，促使美国政府从能源安全角度加强了对氢能的重视。21世纪初，美国还提出了国家氢能发展战略， 并对2030年氢能发展做出了远景规划。然而随着页岩气革命的兴起，这些计划也逐渐被搁浅，但美国政府对氢能以及燃料电池的科研投入却并未停止，及至今天，美国在这些技术领域仍处于领先地位。总体来看，目前美国对氢能的需求并不十分迫切，对氢能的关注重点还是集中在战略性技术投资领域，对氢能经济落地、氢能产业规划等方面的政策和法案还较少。

 

我国对氢能源也十分重视，2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中就将 “氢能源及燃料电池技术”作为前沿技术，进行提前攻关和布局。2008年，由我国自主研发的氢能源汽车亮相 北京奥运会。2010年我国发布了加氢站技术规范标准。2014年，国务院发布的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》将“氢能源及燃料电池”列入能源科学创新的重要战略方向。2015-2018年，我国又在氢燃料电池、氢能源汽车、氢能源基础设施建设、氢能技术装备等方面出台了一系列政策措施和前瞻性的战略规划。2019年，“加强氢能设施建设，推动氢能发展”被正式写入政府工作报告。2022年3月，我国正式出台了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）年》，该规划以“双碳”目标为指引，为我国新时期氢能大规模生产、推广、应用规划了发展路径。总体来看，目前全球氢能发展还处于市场活化的阶段，预计2030年左右全球将会进入氢能持续高速增长阶段，2040年左右是氢能市场走向成熟阶段，2050年左右全球氢能市场将逐步建立，“氢能社会”将逐步变为现实。