不負(fù)風(fēng)光不負(fù)氫 近期，氫能行業(yè)加速向前，而且采取了與綠電相伴而行的步伐。 10月16日，隆基氫能首臺堿性水電解槽在江蘇無錫下線，今年底制氫設(shè)備產(chǎn)能預(yù)計達(dá)到500MW；9月，中國石化首個兆瓦級電解水制氫示范項目在中原油田啟動建設(shè)，不僅填補(bǔ)了自身在綠色制氫領(lǐng)域的空白，也為當(dāng)?shù)鼐G電調(diào)峰打開想象空間；8月，內(nèi)蒙古能源局發(fā)布2021年度風(fēng)光制氫一體化示范通知，優(yōu)選7個項目合計帶動221.95萬千瓦新能源投資，預(yù)計年制氫量6.69萬噸；5月，河北建投承擔(dān)的國內(nèi)首個風(fēng)電制氫項目在耽延5年之后也終于全面投運(yùn)。 一時間，氫能火了，綠氫更火。 但其實(shí)，這些概念之前也火過。早在十二五末期，風(fēng)電制氫概念就被提出，并核準(zhǔn)了兩個試點(diǎn)項目，但實(shí)際進(jìn)展緩慢；十三五期間新能源汽車補(bǔ)貼政策對電動汽車和燃料電池汽車一視同仁，但發(fā)展至今電動汽車產(chǎn)銷量已破百萬，燃料電池汽車仍然僅以千計；從2019年開始，提出氫能發(fā)展戰(zhàn)略的城市不下二三十個，大有氫國氫城之勢，雖然從政府到企業(yè)的努力有目共睹，至今氫能產(chǎn)業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)質(zhì)變。這一輪的氫能發(fā)展又會有什么不一樣？風(fēng)光與氫，是退而求其次的無奈合作，還是前景廣闊的長期綁定？ 限電是綠電制氫的大前提？ 綠電制氫并不是新鮮事。 十二五末期，由于三北地區(qū)風(fēng)電限電嚴(yán)重，政府為減少并網(wǎng)消納依賴、開發(fā)商為增加項目核準(zhǔn)機(jī)會，嘗試了包括風(fēng)電制氫、風(fēng)電供暖等在內(nèi)的多種創(chuàng)新模式。 沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范工程是國內(nèi)首個風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項目，由河北建投投資，2015年核準(zhǔn)，擬新建200MW風(fēng)電場、10MW電解水制氫系統(tǒng)以及氫氣綜合利用系統(tǒng)，預(yù)計總投資20.3億元。實(shí)際執(zhí)行中風(fēng)電場部分早在2016年9月就全部并網(wǎng)發(fā)電，制氫部分卻進(jìn)展緩慢，2021年5月才完成調(diào)試。同批另一個試點(diǎn)-天潤新能吉林長嶺風(fēng)電制氫項目也經(jīng)歷了類似的蹉跎歲月，有望年內(nèi)投運(yùn)。 試點(diǎn)整體進(jìn)展不順，是由多方面因素導(dǎo)致。 風(fēng)電制氫的動因是減少限電。從企業(yè)運(yùn)營角度，限電雖然導(dǎo)致當(dāng)期收入減少，但不會導(dǎo)致當(dāng)期支出增加；而如果投資制氫，則是在確定性增加當(dāng)期資本性支出的同時，面臨不確定的遠(yuǎn)期收益，投資決策心理上已然存在障礙。 更重要的是，長期以來我國氫能總需求穩(wěn)定，灰氫、藍(lán)氫產(chǎn)量充足，并且具有產(chǎn)業(yè)鏈的天然粘性，儲運(yùn)和營銷方面需求少、成本低。相比，電解水制氫不僅在制取成本上缺乏競爭力，還需要自我創(chuàng)造需求，對于發(fā)電企業(yè)來說為了增發(fā)一兩百小時而跨界創(chuàng)新的鏈條過長。此外，化工入園的政策導(dǎo)致額外增加外送線路投資，只在限電期間制氫的方式也使得設(shè)備利用率較低，整體缺乏投資吸引力。 圖1 2019年中國氫氣生產(chǎn)消費(fèi)情況/中國氫能聯(lián)盟 伴隨第三輪電改的深化，三北地區(qū)新能源項目普遍參與市場化交易，以單純降低電價的方式促進(jìn)消納，是比制氫更便利的途徑。今年以來，電力供需形勢進(jìn)一步逆轉(zhuǎn)。電荒之下傳統(tǒng)限電地區(qū)幾乎不再限電，仿佛已經(jīng)沒有必要采取制氫方式改善限電。 但實(shí)際上，討論綠電制氫恰逢其時。 從發(fā)電側(cè)來看，綠電制氫的前提是限電，而限電是一個籠統(tǒng)的概念，至少包括三種場景：一是有電源沒接入；二是有接入沒消納；三是有消納有時差。 十三五期間，三北地區(qū)綠電制氫主要是由于第二種限電場景，有接入沒消納。伴隨電力交易比例提升、消納責(zé)任權(quán)重落實(shí)，這種由于機(jī)制缺陷和人為因素造成的嚴(yán)重限電場景，出現(xiàn)的概率將會顯著下降。 未來在3060目標(biāo)下，風(fēng)光將逐漸成為主力電源，并將在建設(shè)和運(yùn)營方面遇到兩大障礙，綠電制氫有望成為重要的解決途徑： 一是由于土地因素限制以及希望控制終端電價的政策傾向，導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)慢于電源建設(shè)，使得接入比資源更稀缺；同時伴隨沙漠光伏、遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)，送出也將面臨物理和經(jīng)濟(jì)性障礙，源荷一體、綠電制氫的開發(fā)模式應(yīng)運(yùn)而生，用于解決潛在的第一種限電——有電源沒接入。而且，由于電化學(xué)儲能只是提供能量時移并沒有新增用電需求，就地制氫很可能成為源荷一體模式下的常規(guī)選項； 二是由于風(fēng)光的間接性特征，無論是年際、月度、日內(nèi)出力都會存在寬幅震蕩，即使供需總量平衡，也存在巨大的長短期調(diào)峰需求，此時綠電制氫將會和火電靈活性改造、抽水蓄能、電化學(xué)儲能等多種方式共同競爭，以調(diào)峰方式解決潛在的第三種限電——有消納有時差。 氫能：如何從茍且到遠(yuǎn)方 另一方面，經(jīng)濟(jì)性一直是氫能商業(yè)化面臨的最大挑戰(zhàn)。與其說綠電需要制氫作為消納途徑，不如說氫能更需要綠電作為降本利器。 零碳目標(biāo)下，很多行業(yè)會發(fā)生顛覆性變化。作為可塑性高、零排放的安全能源，氫能將會擁有一個廣闊的未來。電能替代和節(jié)能降耗是未來30年的主旋律，在無法進(jìn)行深度電能替代的領(lǐng)域，如航空、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、工業(yè)熱力等領(lǐng)域，綠氫將發(fā)揮重要作用。 目前全球氫能年產(chǎn)量大約為7000萬噸，我國作為第一大產(chǎn)消國占比約1/3。 根據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，2030年氫能源將在22個應(yīng)用領(lǐng)域成為具有競爭力的低碳方案，尤其在工業(yè)原料、重卡、叉車等電能替代存在障礙的方面，有望在2025年之前率先推廣應(yīng)用；到2050年，氫能在全球能源總需求中的占比有望達(dá)到18%，并創(chuàng)造2.5萬億美元產(chǎn)值。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，到2050年我國氫能占終端能源消費(fèi)比例也將達(dá)到10%，需求量達(dá)到6000萬噸，其中70%由綠電制取。 暫不考慮技術(shù)進(jìn)步，假設(shè)按照當(dāng)前5度電制取1方氫、1kg=11.2標(biāo)方氫氣計算，2050年4200萬噸綠氫需要消耗2.35萬億度綠電，假設(shè)風(fēng)光平均年發(fā)電1500小時，至少帶動15.68億千瓦綠電投資。即使在規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)進(jìn)步帶動制氫能耗效率提高1倍，屆時制氫對綠電的需求總量仍然十分可觀，使得為制氫供電成為綠電消納的重要構(gòu)成要素。 不過，有確定的未來不等于有確定的現(xiàn)在。 雖然國內(nèi)外不同主體對氫能的遠(yuǎn)期預(yù)測數(shù)值存在差異，但普遍認(rèn)同一個發(fā)展路徑——?dú)淠苄枨笞裱璊型增長，2030年以前發(fā)展相對緩慢，2030-2035年以后進(jìn)入快車道。核心是由于當(dāng)前缺少快速發(fā)展所必須的基礎(chǔ)設(shè)施。 這也從一個側(cè)面說明了，為什么在相同的鼓勵政策下，十三五期間我國電動汽車比燃料電池汽車率先發(fā)展成熟。 電動汽車行業(yè)充分搭了電網(wǎng)普及的便車?？v觀電動汽車行業(yè)的發(fā)展路徑，雖然電池企業(yè)和車企是促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步、成本下降的臺前英雄，但電網(wǎng)和觸手可及的電源則是其快速發(fā)展成熟的幕后功臣，使得電動汽車產(chǎn)業(yè)同仁將重點(diǎn)放在應(yīng)用研發(fā)上而無后顧之憂。 相比，氫燃料汽車的推廣則會遇到一無燃料、二無站點(diǎn)的困境。未來，產(chǎn)業(yè)界需要在制、儲、運(yùn)、用各個環(huán)節(jié)共同發(fā)力才能點(diǎn)燃行業(yè)發(fā)展大勢。而從成本構(gòu)成來看，綠電制氫成本下降成為了降本和加速普及的重要期待。 圖3 氫能源成本競爭力驅(qū)動因素/國際氫能委員會 綠電與氫：從攜手到耦合 從國內(nèi)外尤其是國內(nèi)的諸多分析報告來看，綠電與氫雖然相遇了，但并未做到融會貫通。 氫能往往被歸入化工行業(yè)，電力從業(yè)者不懂化工，化工從業(yè)者也不懂電力，在對對方重要性沒有充分認(rèn)知的情況下，風(fēng)光制氫一體化項目的設(shè)計容易出現(xiàn)脫節(jié)和冗余，對于綠電制氫的前景判斷也會出現(xiàn)偏差。 比如，目前在灰氫、藍(lán)氫、綠氫多種制氫方式成本比較中，行業(yè)普遍認(rèn)為電解水制氫只有在下探至0.2-0.3元/kwh的情況下具有競爭力，而當(dāng)前的電價是0.6元/kwh無法滿足要求，只有在采取低谷電或者地處水電大省，使電價接近0.3元/kwh時，才具備綠電制氫的經(jīng)濟(jì)性。但這一假設(shè)其實(shí)是將制氫場景局限在了用電側(cè)。所謂源荷一體開發(fā)模式，不僅是把負(fù)荷搬到發(fā)電廠旁邊使其無需上網(wǎng)，也同時是把發(fā)電廠搬到了用電負(fù)荷旁邊使其無需支付過網(wǎng)費(fèi)。目前，我國風(fēng)電光伏已經(jīng)全面去補(bǔ)貼，可以平價上網(wǎng)，在三北地區(qū)風(fēng)光資源良好的地區(qū)，還可以接受更低的上網(wǎng)電價。因此，如采取風(fēng)光制氫一體化的方式，制氫度電成本在當(dāng)前時點(diǎn)就可以做到0.3元/kwh以下，考慮碳排放成本后，可以與灰氫藍(lán)氫比肩。 另外，風(fēng)光制氫的年用電小時數(shù)是多少，也值得思考。如果是十三五期間進(jìn)行風(fēng)電制氫方案設(shè)計，應(yīng)只考慮在該項目限電時制氫，制氫年用電小時可能只有200小時；目前如果將一個風(fēng)電項目100%電量就地制氫，年利用小時可達(dá)2000小時以上；而在電力交易市場化的情況下，風(fēng)光制氫一體化項目本身是一個產(chǎn)銷者的定位，可以賣電，也可以買電。能開展綠電制氫的省份往往在三北風(fēng)光富集省份，未來在氫能需求日益增加、價格企穩(wěn)的情況下，如能通過市場化交易購買綠電，這種情況下制氫小時可達(dá)8760小時，不僅可以穩(wěn)定和提高制氫設(shè)備利用效率，還可以提高當(dāng)?shù)鼐G電消納水平，并可能獲取輔助服務(wù)收入，實(shí)現(xiàn)多方共贏。 放眼2050，風(fēng)光與氫都將是終端能源的主要構(gòu)成要素。如果說氫能是未來社會的燃料，那么風(fēng)光則是氫能進(jìn)步的助推。打破認(rèn)知，電氫耦合，才能不負(fù)風(fēng)光不負(fù)氫。