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德国能源转型进程中氢能发展经验及启示

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摘要:随着能源的可再生与低碳化发展,氢因清洁性、灵活性与通用性将会在能源转型中扮演重要作用。德国作为能源转型的领先国家,非常重视氢能在能源转型和经济脱碳中的重要作用,制定了包括长期发展战略、中期研发、近期应用示范,以及氢能发展相关管理和监管体制等全面发展措施。全面认识德国的氢能实践经验对中国氢能发展具有重要的启示。

20世纪90年代中期,氢就作为“提供脱碳,可持续能源系统必不可少的元素”而被寄予厚望,但此后20年的发展进程远远低于人们的期望。

2015年,根据《巴黎协定》设定的全球控温1.5℃和净零排放目标,2030年前全球目前年均约12%的脱碳速度需要提高5倍方可实现。

由于交通运输和工业领域脱碳的复杂性和难度,仅靠可再生能源远不能满足CO2或温室气体净零排放的“脱碳”要求,氢能由于具备来源多样、清洁低碳、安全、灵活高效、应用场景丰富等特点再次受到重视,被视为未来10年替代碳氢化合物,应对气候变化的关键。

德国在能源转型中一直很重视氢能的作用,将氢能视为应对能源转型中波动性可再生能源安全稳定供应和经济关键部门脱碳难题的重要方式。

早在2004年,德国政府就制定和实施了相关政策和项目,有针对性地支持氢能技术研发和示范。

2020年,德国政府制定和颁布《国家氢能战略》为其确立了氢能发展的战略地位与重点方向。

此后,德国支持氢能发展的支持力度增加,且相关政策支持措施更加系统。客观分析德国氢能发展的实践经验,可以为认识氢能在中国能源转型和实现碳中和目标的作用,客观认识中国氢能实践中存在的问题,制定中国氢能战略和相关政策措施提供有价值的借鉴和启示。

1、德国氢能发展经验

德国的氢能发展经历了从燃料电池起步到确立氢能在国家能源转型和碳中和目标中战略地位,支持措施从氢能发展的某个方向、环节到氢能全产业链和重点应用场景系统措施转变。

2004年,德国联邦政府就成立了国家氢能与燃料电池组织(NOW)支持氢能产业发展。

2006年,NOW启动了国家创新计划(NIP)计划来推动实施氢能发展项目的实施。2006—2016年期间,德国联邦政府通过《氢能与燃料电池国家创新计划》拨付了7亿欧元用于发展氢能与燃料电池技术。

2020年德国联邦政府发布《国家氢能战略》,2021年德国国家理事会发布发布《德国氢行动计划2021—2025》。

至此,德国氢能发展的系统的战略定位和支持措施基本形成。

目前,对德国氢能发展经验与借鉴有不同解读。作者认为,德国氢能发展中有如下一些经验非常重要。

1.1氢能的战略定位逻辑清晰、重点方向明确

德国从能源转型和碳中和目标出发,把氢能发展视为能源转型的重要组成部分和解决一些部门脱碳难题的解决方案。其氢能战略定位逻辑清晰、重点方向明确,主要表现:

(1)明确提出只有基于可再生能源(绿氢)生产的氢气才能长期使用。在德国备受争议的使用碳捕获和储存(CCS)的天燃气制氢只能“以过渡的方式”使用。尽管这一主张遭到工业界的反对,但德国依然明确了在应对气候变化的斗争中,用可再生电力制造的氢气作为解决重工业和航空等排放顽固行业的脱碳,实现德国2050年碳中和目标的解决方案。

(2)明确氢能的应用场景主要是4个方面:

①氢作为一种能量储存器,可以根据供给需求灵活地储存可再生能源,并起到平衡供求关系的作用。这主要是在电力系统的长周期供需调节方面发挥作用;

②某些无法利用常规技术实现零碳转型的高耗能工业领域,利用绿氢作为原料或者替代化石能源解决脱碳问题,比如化工、水泥和钢铁工业;

③在交通领域,特别是航空和航海中,通过Power to X工艺制备的以氢为基础的能源来满足碳中和目标;

④在供热市场,长远来看,在工业过程用热的生产或在建筑中,即使在充分挖掘了效率和电动化潜力之后,对气态能源的需求仍将存在。氢及其衍生产品可以长期以不同的方式为部分供热市场的脱碳化作出贡献。

1.2针对氢能发展具体目标分门别类制定了近中期措施

德国《国家氢能战略》提出到2026年政府将投资123.6亿欧元用于38项氢能专项措施。

比如,在绿氢生产方面,提出为高效使用可再生能源发电(例如行业耦合)改善框架条件,由国家主导公平定价的能源价格可以加强“绿氢”的生产。

为此,考虑在交通和供热领域化石燃料的二氧化碳定价机制,对制备“绿氢”的电能在一定程度上免除税费、附加费和分摊费等。

在氢能应用场景方面,交通领域强调激活市场支持对氢能汽车(轻、重型卡车/商用车、大客车、火车、内河和沿海航运、车队使用的轿车)的投资,在欧洲通行收费指令的框架下采用货运卡车根据碳排放差异定价的方式,鼓励采用环保型驱动装置。

工业领域,联邦政府在不同项目框架下,扶持工业生产过程中产生排放的常规化石技术向温室气体低排放或温室气体平衡的工艺转型。特别是在钢铁和化工业中向氢能原材料和燃料的转型起着核心的作用。

相关的扶持项目包括“工业脱碳化”基金,“工业生产中的氢能应用”(2020—2024年)和“在原材料工业中避免产生和使用二氧化碳”等项目。

1.3氢能基础研究、技术开发与氢能示范项目并重

德国政府从基础研究、技术开发和示范项目推动氢能发展。2015年,德国经济事务和能源部启动能源转型与创新平台——哥白尼科学研究计划,旨在引起能源领域的范式转变,为促进成果的诞生与转化,该计划分为理论概念期、实践检验期与示范项目期,每个阶段时间跨度约为3年。

“哥白尼”计划下设多个子计划,针对性地解决氢能开发的具体问题。ENSURE计划开发未来的电网,以应对可再生能源的波动供应以及实现双向输送电力,进而实现电力、输送、供暖、燃气之间的部门耦合;P2X计划将二氧化碳、水和可再生能源的电力转化为燃料、化学品等;Syn Ergi计划研究如何使工业生产抵消电网波动、适应可再生能源的间歇性;Ariadne计划分析政策如何联合各部门发挥整体作用。

总体上,德国的氢能基础研究主要集中在与针对应用型研究的交叉融合方面,包括电解制氢、生物制氢、地下储氢等方面。为推进研究到应用的转化,构建了能源转型的仿真实验室,并将来自实验室的创新成果以快速投入应用,推进氢能发展的产学研一体化。

目前,德国有22个已经建成和正在建设的氢能示范项目,这些项目涵盖绿氢制造、储运等全产业链和钢铁、交通和供热等典型应用场景。德国制氢示范项目见表1。储运氢方面,由于氢的特殊物理和化学性质,该过程需要兼顾经济性与安全性。目前德国的各种储运氢项目都是根据不同的环境条件、实际需求而实施的(见表2)。氢能应用方面,德国不断探索氢能在不同领域的终端使用,包括电力、供暖、化工、交通运输等(见表3)。

Tab.1 Hydrogen production demonstration project in Germany

表1德国制氢示范项目

德国能源转型进程中氢能发展经验及启示(图1)

资料来源:整理自公开网站

Tab.2 Hydrogen storage and transportation demonstration project in Germany

表2德国储运氢示范项目

德国能源转型进程中氢能发展经验及启示(图2)

资料来源:整理自公开网站

Tab.3 Hydrogen energy application demonstration project in German

表3德国氢能应用示范项目

德国能源转型进程中氢能发展经验及启示(图3)

资料来源:整理自公开网站

1.4氢能开发与应用的国际合作是德国氢能战略不可缺少的部分

德国在推进氢能战略时非常重视国际技术与经贸合作。

(1)德国通过参与2020年7月正式成立的欧洲清洁氢联盟(European Clean Hydrogen Alliancewas)积极开着氢能技术研发合作。该联盟通过整合生产水平、用氢需求等手段实现到2030年大规模部署清洁氢技术。德国以开发氢能全价值链为重点推进合作,并帮助本土企业在国外市场搭建平台,缓解发展氢能产业时获取碳中性能源的压力。

(2)德国认识到,从中长期来看,为了实现至2030年的气候目标和至2050的温室气体平衡目标,德国自身的可再生能源发电量难以满足,需要从其他国家进口可再生能源、绿氢及其衍生品。因此,德国政府从有利于氢能国际贸易出发,积极推动国内外的氢能运输和配送基础设施布局和建设,推动氢能技术与产品标准的国际认证,以及积极在全球绿氢生产条件好开展投资。目前,德国已经与挪威等非欧盟的欧洲国家,纳米比亚、南非、,摩洛哥等非洲国家、沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国等中东国家,以及加拿大、智利、澳大利亚等美洲澳洲国家达成了双边氢能合作协议,大力支持绿氢生产和运输项目,以确保未来大量进口绿氢。

1.5建立氢能发展的国家监管框架

为推动氢能战略的实施,德国建立了称为“以结果为导向”的监管机制。由相关职能部门组成的氢能国务秘书委员会负责氢能战略管理与监督执行,确保国家氢能战略与市场发展保持协调。如果执行出现拖延或目标出现偏差,国务秘书委员会有权采取修正措施和调整行动方案。德国联邦政府氢能发展的国家监管框架见图1。

德国能源转型进程中氢能发展经验及启示(图4)

图1德国联邦政府氢能发展的国家监管框架[4]

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

联邦政府同时组建国家氢能理事会作为咨询和支持机构。理事会由26名来自经济界、科学界和社会的高级专家(不隶属于公共管理机构)组成。

国家氢能理事会的任务是,在国家氢能战略的执行和继续开发过程中,以提出意见和行动建议的方式向国务秘书委员会提供咨询和支持。

国务秘书委员会和国家氢能理事会将定期共同举行会议。联邦相关职能部门负责人(例如主管的司局领导)作为嘉宾列席理事会的会议,各联邦州也可派两名代表作为嘉宾列席会议。氢能理事会每年至少召开两次会议。联邦教育与研究部的“绿氢”创新特派员是国务秘书委员会和国家氢能理事会的常驻嘉宾。

联邦政府还建立一个氢能指挥部。氢能指挥部的主要职责主要有3个方面:

(1)协助各职能部门实施国家氢能战略,并在行动建议的协调和成文等方面为氢能理事会提供支持。

(2)利用灵活的项目管理结构在国家氢能战略的实施中积极地为各职能部门提供支持,并为此设置了特定主题的工作小组。

(3)编制氢能战略实施监督报告和扩展报告,对战略和行动计划进行总体评估,并拟定继续开发的建议。

2、德国氢能发展经验对中国的启示

2014年,中国正式将“氢能与燃料电池”作为科技创新的战略方向。此后,特别是“十三五”期间,中央和一些地方政府围绕氢燃料电池汽车出台了一些鼓励和支持政策。

2022年3月23日,国家发改委发布的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》是中国第一份国家层面的系统氢能规划。改规划确立了“绿氢”作为鼓励发展的方向、推动氢能在交通、储能和工业示范作为重点应用场景等,这对中国未来氢能发展具有重要指导意义。

然而,中国氢能发展实践中仍然存在一些与氢能中长期规划方向不一致,不利于规划落实的问题。主要表现在3个方面:

(1)地方的氢能项目基本上是化石能源制氢,增加中国二氧化碳排放量压力;

(2)从技术成熟度和市场条件看,氢能在全球都属于“示范”,而中国很多地方以“示范”的名义同时发展氢能项目,短期内推进过快,导致低水平重复投资问题突出;

(3)各地氢能发展方向基本局限在燃料电池汽车领域,示范应用主要集中在以公交车为主要应用场景的交通领域,应用场景单一,产业同质化突出。

作者认为,德国氢能发展的经验对中国氢能发展最重要启示,是必须将氢能发展置于能源转型的趋势下,确定氢能在中国未来能源系统中的合理位置和优先的应用场景,并针对具体应用场景制定有针对性的发展政策与管理体制。

当前的能源转型是为应对全球变暖而推动的,其完整的内涵包括“一个目标,两个支柱”。“一个目标”是大幅度降低人类活动排放的二氧化碳量,以减缓全球变暖;两个支柱分别是:

(1)提高能源效率和节能,降低化石能源消费总量,从而降低二氧化碳排放量。这在当我国能源消费都是化石能源占主导地位的阶段,对减少二氧化碳非常重要;

(2)大力发展可再生能源替代化石能源,从而避免二氧化碳的排放;随着一次能源消费中可再生能源比重快速提升,这一支柱讲对碳减排起到越来越重要的作用。

可见,“脱碳”是当前能源转型的基本动因。为实现我国2060碳中和目标,中国能源系统必须提前实现“零碳”。由于目前还不存在成熟的氢能利用场景,确定氢能在中国未来零碳能源的地位与作用,必须动态考虑其他零碳能源既有作用情况下来确定。氢能与其他可再生能源和技术路径相比,尽管有很多“理论上”的优势,但由于其要在5~10年才具有应用上的“经济性”。

所以,在这5~10年期间,如果其他“零碳或低碳”能源利用技术先于氢能获得了技术和规模上的竞争优势,等到氢能在一些应用场景具备产业化条件时,也没有必要再出台相应的政策去推动氢能去替代既有的“零碳或低碳”能源及其利用技术。因为它们都符合能源转型和碳中和的要求。

从这个角度看,“氢能”未来价值最大的的应用场景不是公路交通,至少不是最重要的应用场景。因为目前的纯电动汽车技术不断迭代,基础设施逐渐完善,相对氢燃料电池车来说具有越来越大的竞争优势。

因此,氢能在中国未来能源系统中的地位和作用,不是在已经具有成熟技术的交通领域大规模推广,而是应该是弥补现有低碳和零碳能源技术无法解决的问题和应用场景。根据国际氢能委员会(Hydrogen Council)发布的《氢能洞察》指出,从总体拥有成本(TCO)看,在全球制氢、储运、配送成本快速下降的趋势下,氢能在各领域的应用潜力将逐步凸显,到2030年,氢能可在22种终端应用中成为最具竞争力的减碳解决方案,包括炼油、化肥、商用车、长途卡车运输、航运和氢冶炼等应用领域。

编辑:敬之

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