可再生能源電力制氫發(fā)展?jié)摿ρ芯?/h1>
2022-05-25 08:14:57劉光輝方繼開(kāi)沈錚
專(zhuān)用汽車(chē) 2022年5期
劉光輝 方繼開(kāi) 沈錚
摘要：隨著燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的應(yīng)用與大規(guī)模的推廣，大規(guī)模低碳、低成本的氫氣是燃料電池汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。從可再生能源電力建設(shè)及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀、發(fā)展可再生能源制氫的制約因素、驅(qū)動(dòng)因素等方面，對(duì)風(fēng)電、光伏等可再生能源制復(fù)發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了全面描述和分析。未來(lái)風(fēng)電、光伏等可再生能源電力電解水制氫是“綠氫”的主要供給渠道，在“3060”碳中和背景下，“十四五”期間我國(guó)風(fēng)電、光伏等可再生能源產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，尤其是碳交易市場(chǎng)的啟動(dòng)以及“綠氫”支持政策的出臺(tái)與完善，都將在一定程度上降低可再生能源電力制氫成本，促進(jìn)可再生能源制氫規(guī)模的擴(kuò)大。
關(guān)鍵詞：可再生能源;綠氫;碳中和;燃料電池汽車(chē)
中圖分類(lèi)號(hào)：U473.4收稿日期： 2022—05—05
DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.002
氫能是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，“十四五”期間，我國(guó)風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將大幅度提升，這為大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞陌l(fā)展奠定了基礎(chǔ)，通過(guò)可再生能源發(fā)電電力進(jìn)行電解水制氫依賴(lài)于豐富的可再生能源發(fā)電電力，具有較強(qiáng)的地域性特征，雖不能廣泛適用于全國(guó)，但對(duì)于可再生資源豐富的四川、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等省份而言，發(fā)展可再生能源制氫，為全國(guó)提供規(guī)模、穩(wěn)定、綠色的氫源，是建成綠色、低碳的氫能供給體系，促進(jìn)燃料電池汽車(chē)規(guī)?；茝V與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)低碳化發(fā)展的重要舉措。
1我國(guó)可再生能源電力發(fā)展現(xiàn)狀
隨著《可再生資源法》《可再生能源發(fā)電全額保障性收購(gòu)管理辦法》等一系列政策的實(shí)施，我國(guó)可再生能源裝機(jī)規(guī)模和可再生能源發(fā)電量持續(xù)增加。2020年，全國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到9.34億kW，同比增長(zhǎng)約17.5%;可再生能源發(fā)電量達(dá)22 148億kW—h，同比增長(zhǎng)約8.4%，水能、風(fēng)電、光電等可再生能源利用率保持較高水平。
1.1水電建設(shè)及運(yùn)行情況
2020年，全國(guó)水電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3.7億kW，水電發(fā)電量達(dá)到13 552億kW.h，四川、云南、湖北、貴州、廣西等省份水電發(fā)電量達(dá)到9 593億kW.h，占比達(dá)到全國(guó)水電發(fā)電量千瓦的70%以上。2020年我國(guó)水能利用率達(dá)到96%以上，水能利用率整體保持較高水平，但四川、青海等省份棄水電量超過(guò)240億kW.h，棄水電量仍較大，兩省份棄水電量占全國(guó)棄水電量的比重達(dá)到80%以上。
1.2風(fēng)電建設(shè)及運(yùn)行情況
目前，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.8億kw，其中陸上風(fēng)電占比超過(guò)96%。從區(qū)域來(lái)看，內(nèi)蒙古、新疆、河北、山西、山東等省份風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模處于全國(guó)前列，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模分別占全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量的13.3%、8.4%、8.1%、7%、6.2%（圖1）。2020年我國(guó)新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模超過(guò)7 000萬(wàn)kW、同比增長(zhǎng)34%，但我國(guó)棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率持續(xù)下降，全國(guó)風(fēng)能利用水平不斷提高（圖2）。
1.3光伏發(fā)電建設(shè)及運(yùn)行情況
2020年，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.53億kW，同比增長(zhǎng)24%。從區(qū)域上來(lái)看，山東、河北、江蘇、青海、浙江等省份光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模位于全國(guó)前列，分別占全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的8.91%、8.59%、6.61%、6.20%、5.95%（圖3）。盡管我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)增加，但我國(guó)光伏發(fā)電平均利用率達(dá)到98%，光伏利用保持較高水平（圖4）。
1.4生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)和運(yùn)行情況
近年來(lái)，在國(guó)家政策支持下，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源利用的重要組成部分。2020年末，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模接近3 000萬(wàn)kW，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。從區(qū)域來(lái)看，山東、廣東、江蘇、浙江和安徽是生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模較大的省份，其裝機(jī)規(guī)模占全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)的45.5%。盡管我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，但產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平與生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)行管理水平仍有待提高，生物質(zhì)發(fā)電市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制尚未形成，生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展仍面臨諸多問(wèn)題。
2可再生能源電解水制氫制約因素
我國(guó)的風(fēng)、光等可再生能源電力消納壓力較大的地區(qū)主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、四川、青海等省區(qū)，同時(shí)棄光、棄風(fēng)、棄水電量較多的省份也集中在這些地區(qū)，通過(guò)制氫方式消納可再生能源電力是解決可再生能源電力消納的有益探索。但風(fēng)電、水電、光伏依靠天然條件發(fā)電而不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)、穩(wěn)定輸出電能，其自身的波動(dòng)性和間斷性缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著可再生能源制氫的發(fā)展，目前可再生能源電解水制氫的利用率和占比均比較低。
2.1可再生能源電解水制氫成本高昂
風(fēng)電/光伏等可再生能源制復(fù)度電成本是影響氫氣成本最關(guān)鍵的因素，度電成本每降低0.1元/kW.h，氫氣成本降低約5.5元/kg3。根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》（發(fā)改價(jià)格[2019]882號(hào)）和《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》（發(fā)改價(jià)格[2020]511號(hào)）等相關(guān)文件，風(fēng)、光發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)最低為0.29元/kW—h和0.35元/kW—h，按照電解水制氫工藝每制取1kg氫氣耗電55 kW—h，風(fēng)、光發(fā)電電解水氫氣制取電費(fèi)成本分別為15.95元/kg和19.25元/kg，再加上電費(fèi)以外的固定成本（3.3～5.5元/kg），風(fēng)電電解水制氫成本為19.25～21.45元/kg，光伏發(fā)電電解水制氫成本為22.25～24.75元/kg（表1）。
與煤炭、天然氣、甲醇等制氫工藝的制復(fù)成本相比，風(fēng)電電解水制氫成本分別高出101%、59.6%、10.3%，光伏發(fā)電電解水制氫成本分別高出132%、84.2%、27.2%（圖5）。理論上棄風(fēng)棄光電量制氫可以有效降低制氫成本，但由于棄風(fēng)棄光的尖峰特性，制氫設(shè)備利用小時(shí)數(shù)較低，分?jǐn)偟矫抗餁涞耐顿Y成本高昂。因此，成本是制約以風(fēng)光發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電制氫的核心要素。
2.2 燃料電池汽車(chē)使用區(qū)域與可再生能源制氫優(yōu)勢(shì)區(qū)域的不平衡
盡管四川、甘肅、青海、內(nèi)蒙古西部地區(qū)等地可再生能源豐富（圖6），棄風(fēng)、棄光、棄水電量大，具有低成本、大規(guī)模制氫的資源基礎(chǔ)，但我國(guó)燃料電池汽車(chē)應(yīng)用主要集中在廣東、河北、河南、山東、上海、江蘇等區(qū)域（圖7）。隨著燃料電池汽車(chē)示范城市群開(kāi)展實(shí)施，未來(lái)五年燃料電池汽車(chē)終端應(yīng)用區(qū)域也主要集中在這些地區(qū)，車(chē)用氫氣終端使用區(qū)域與可再生能源制氫低成本區(qū)域差異較大，盡管制氫成本可以得到大幅降低，但經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)后終端氫氣價(jià)格仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他制氫方式，低成本氫氣很難轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。因此，實(shí)現(xiàn)氫能的長(zhǎng)距離、大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸是解決可再生能源制氫資源供需不平衡問(wèn)題的關(guān)鍵。
2.3可再生能源電力波動(dòng)性與氫氣消費(fèi)的穩(wěn)定性間的矛盾
受氣候、地理?xiàng)l件等自然因素影響，風(fēng)能、光能具有明顯的季節(jié)變化和間歇性特點(diǎn)，風(fēng)光等可再生能源發(fā)電，尖峰特性明顯，月度發(fā)電量波動(dòng)性較大。國(guó)內(nèi)某發(fā)電龍頭企業(yè)數(shù)據(jù)顯示，新能源發(fā)電波峰波谷發(fā)電量差異接近50%（圖8～圖9）。因此，全部采用可再生能源電力電解水制氫會(huì)造成氫氣供給穩(wěn)定性不足。同時(shí)作為下游終端應(yīng)用場(chǎng)景的燃料電池公交客車(chē)、貨車(chē)等營(yíng)運(yùn)車(chē)輛的氫氣消費(fèi)量則相對(duì)固定，這必然引起氫氣供需不平衡，從而影響車(chē)輛運(yùn)營(yíng)與氫氣價(jià)格穩(wěn)定。
3可再生能源電解水制氫驅(qū)動(dòng)因素
盡管發(fā)展可再生能源電解水制氫存在各種各樣的問(wèn)題，但是在“3060”碳中和背景下，我國(guó)陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電將全面實(shí)現(xiàn)無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)，可再生能源產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。同時(shí)，全國(guó)碳交易市場(chǎng)啟動(dòng)，可再生能源發(fā)電碳減排收益逐步明確，這些都將降低可再生能源電解水制氫成本，促進(jìn)可再生能源電解水制氫的快速發(fā)展。
3.1碳中和背景下的能源轉(zhuǎn)型
2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話時(shí)提出，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。盡管碳中和具體實(shí)施路徑還未明確，但提高風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機(jī)容量，提升非化石能源占一次能源消費(fèi)比重是實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo)的重要途徑。
根據(jù)相關(guān)規(guī)定，2030年我國(guó)風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上，全國(guó)統(tǒng)一可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重為40%，可再生能源電力消納壓力依然較大，這為可再生能源電力制奠定了資源基礎(chǔ)，通過(guò)可再生能源電力制氫將是可再生能源電力消納的重要途徑。
3.2全國(guó)碳交易市場(chǎng)啟動(dòng)
2021年1月1日起，全國(guó)碳市場(chǎng)首個(gè)履約周期正式啟動(dòng)，全國(guó)2 225家發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)排放單位全部納入碳排放管理?！度珖?guó)碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》中規(guī)定重點(diǎn)排放單位每年可以使用國(guó)家核證自愿減排量抵消碳排放配額的清繳，這就為可再生能源發(fā)電項(xiàng)目在全國(guó)碳市場(chǎng)出售二氧化碳減排量、獲取經(jīng)濟(jì)利益、降低電力成本提供了制度保障。根據(jù)2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)，全國(guó)電網(wǎng)平均碳排放水平為0.7568 tCO，/（mW—h），即1 000度風(fēng)電或光伏發(fā)電量，相當(dāng)于減排0.7568 tCO20
《碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》第二十九條規(guī)定，重點(diǎn)排放單位每年可以使用國(guó)家核證資源減排量抵消碳配額的清繳，抵消比例不得超過(guò)應(yīng)清繳碳配額的5%。以電力行業(yè)年度排放量大約40億t計(jì)算，則全國(guó)碳市場(chǎng)可使用的CCER規(guī)模年度上限將達(dá)2億t， CCER未來(lái)市場(chǎng)需求量具有較大空間。根據(jù)目前各試點(diǎn)城市碳價(jià)測(cè)算，風(fēng)電、光伏項(xiàng)目可通過(guò)碳交易帶來(lái)每度電0.03元的收益。未來(lái)隨著碳交易價(jià)格的上升，可再生能源電力成本仍有進(jìn)一步下降的空間，這將對(duì)可再生能源電力制氫的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。
3.3 氫氣的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸
氫氣儲(chǔ)運(yùn)是影響氫能大規(guī)模發(fā)展的重要因素，也是氫能高效利用的關(guān)鍵。我國(guó)目前的氫氣運(yùn)輸以氣態(tài)為主，但受長(zhǎng)管拖車(chē)儲(chǔ)氫壓力低等因素影響，長(zhǎng)管拖車(chē)單次運(yùn)輸氫氣量?jī)H300～400 kg，氫氣運(yùn)輸效率較低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑僅200 km，這在很大程度上制約了可再生能源制氫的發(fā)展。同時(shí)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫現(xiàn)階段僅用于航天等少數(shù)領(lǐng)域，具有技術(shù)難度大、能耗高等問(wèn)題，再加上氫氣液化成本高昂，短時(shí)間內(nèi)很難大規(guī)模推廣應(yīng)用。
因此，提高氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)的壓力，是提高氫氣運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本的有效手段。氫氣管道運(yùn)輸是大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)淖钣行侄?，可有效降低運(yùn)輸成本，目前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)正在進(jìn)行相關(guān)探索。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新建輸氫管網(wǎng)可以滿足巨大的用氫需求，是大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。氫氣的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸將可再生能源制氫低成本優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)可再生能源制氫的發(fā)展。
3.4 “綠氫”支持政策出臺(tái)與完善
隨著“3060”碳中和目標(biāo)的提出，推動(dòng)“綠氫”發(fā)展成為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)碳中和的重要途徑。在2020年財(cái)政部、發(fā)改委等五部委發(fā)布的燃料電池汽車(chē)城市群示范目標(biāo)中明確提出，給予清潔氫（每kg氫氣的二氧化碳排放量小于5kg）3元/kg的獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)，廣東、四川等地也出臺(tái)了鼓勵(lì)可再生能源制氫的支持補(bǔ)貼政策。隨著“綠氫”相關(guān)技術(shù)規(guī)范與支持政策的完善，尤其是燃料電池汽車(chē)城市群示范的開(kāi)展，都將推動(dòng)可再生能源制氫的快速發(fā)展。
3.5可再生能源電力交易建設(shè)
跨區(qū)域省間富余可再生能源電力交易的啟動(dòng)有效促進(jìn)了可再生能源在全國(guó)范圍的優(yōu)化配置，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系發(fā)揮了重要作用。有序推動(dòng)電力外送通道建設(shè)，推動(dòng)可再生能源電力交易建設(shè)，提高可再生能源消納比例，將可再生能源低成本電力轉(zhuǎn)為低成本氫氣最有效的途徑之一。
4結(jié)語(yǔ)
利用風(fēng)電、光伏等可再生能源代替煤炭等化石燃料制氫是清潔、低碳、高效制氫的發(fā)展趨勢(shì)。利用風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫不僅能夠提高可再生能源電力消納比例，拓寬氫源渠道，更重要的是可以降低氫氣整體的碳排放水平。
目前我國(guó)可再生能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，尤其是“3060”碳中和背景下，風(fēng)、光等可再生能源電力裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，部分區(qū)域可再生能源電力消納存在一定壓力，因此發(fā)展可再生能源制氫是解決電力消納的有效途徑之一。盡管可再生能源制氫仍面臨著制氫成本高、區(qū)域不平衡以及電力波動(dòng)性大等諸多問(wèn)題，但隨著碳排放權(quán)交易的開(kāi)展、氫氣大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和“綠氫”支持政策的出臺(tái)與完善，尤其是燃料電池汽車(chē)城市群示范的開(kāi)展，可再生能源制氫將成為氫能供給的重要途徑之一。
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作者簡(jiǎn)介：
劉光輝，男，1984年生，工程師，研究方向?yàn)闅淠芘c燃料電池汽車(chē)、氫安全等。
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劉光輝 方繼開(kāi) 沈錚
摘要：隨著燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的應(yīng)用與大規(guī)模的推廣，大規(guī)模低碳、低成本的氫氣是燃料電池汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素。從可再生能源電力建設(shè)及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀、發(fā)展可再生能源制氫的制約因素、驅(qū)動(dòng)因素等方面，對(duì)風(fēng)電、光伏等可再生能源制復(fù)發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了全面描述和分析。未來(lái)風(fēng)電、光伏等可再生能源電力電解水制氫是“綠氫”的主要供給渠道，在“3060”碳中和背景下，“十四五”期間我國(guó)風(fēng)電、光伏等可再生能源產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，尤其是碳交易市場(chǎng)的啟動(dòng)以及“綠氫”支持政策的出臺(tái)與完善，都將在一定程度上降低可再生能源電力制氫成本，促進(jìn)可再生能源制氫規(guī)模的擴(kuò)大。
關(guān)鍵詞：可再生能源;綠氫;碳中和;燃料電池汽車(chē)
中圖分類(lèi)號(hào)：U473.4收稿日期： 2022—05—05
DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.002
氫能是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，“十四五”期間，我國(guó)風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將大幅度提升，這為大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞陌l(fā)展奠定了基礎(chǔ)，通過(guò)可再生能源發(fā)電電力進(jìn)行電解水制氫依賴(lài)于豐富的可再生能源發(fā)電電力，具有較強(qiáng)的地域性特征，雖不能廣泛適用于全國(guó)，但對(duì)于可再生資源豐富的四川、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等省份而言，發(fā)展可再生能源制氫，為全國(guó)提供規(guī)模、穩(wěn)定、綠色的氫源，是建成綠色、低碳的氫能供給體系，促進(jìn)燃料電池汽車(chē)規(guī)?；茝V與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)低碳化發(fā)展的重要舉措。
1我國(guó)可再生能源電力發(fā)展現(xiàn)狀
隨著《可再生資源法》《可再生能源發(fā)電全額保障性收購(gòu)管理辦法》等一系列政策的實(shí)施，我國(guó)可再生能源裝機(jī)規(guī)模和可再生能源發(fā)電量持續(xù)增加。2020年，全國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到9.34億kW，同比增長(zhǎng)約17.5%;可再生能源發(fā)電量達(dá)22 148億kW—h，同比增長(zhǎng)約8.4%，水能、風(fēng)電、光電等可再生能源利用率保持較高水平。
1.1水電建設(shè)及運(yùn)行情況
2020年，全國(guó)水電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3.7億kW，水電發(fā)電量達(dá)到13 552億kW.h，四川、云南、湖北、貴州、廣西等省份水電發(fā)電量達(dá)到9 593億kW.h，占比達(dá)到全國(guó)水電發(fā)電量千瓦的70%以上。2020年我國(guó)水能利用率達(dá)到96%以上，水能利用率整體保持較高水平，但四川、青海等省份棄水電量超過(guò)240億kW.h，棄水電量仍較大，兩省份棄水電量占全國(guó)棄水電量的比重達(dá)到80%以上。
1.2風(fēng)電建設(shè)及運(yùn)行情況
目前，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.8億kw，其中陸上風(fēng)電占比超過(guò)96%。從區(qū)域來(lái)看，內(nèi)蒙古、新疆、河北、山西、山東等省份風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模處于全國(guó)前列，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模分別占全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量的13.3%、8.4%、8.1%、7%、6.2%（圖1）。2020年我國(guó)新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模超過(guò)7 000萬(wàn)kW、同比增長(zhǎng)34%，但我國(guó)棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率持續(xù)下降，全國(guó)風(fēng)能利用水平不斷提高（圖2）。
1.3光伏發(fā)電建設(shè)及運(yùn)行情況
2020年，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.53億kW，同比增長(zhǎng)24%。從區(qū)域上來(lái)看，山東、河北、江蘇、青海、浙江等省份光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模位于全國(guó)前列，分別占全國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的8.91%、8.59%、6.61%、6.20%、5.95%（圖3）。盡管我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)增加，但我國(guó)光伏發(fā)電平均利用率達(dá)到98%，光伏利用保持較高水平（圖4）。
1.4生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)和運(yùn)行情況
近年來(lái)，在國(guó)家政策支持下，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源利用的重要組成部分。2020年末，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模接近3 000萬(wàn)kW，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。從區(qū)域來(lái)看，山東、廣東、江蘇、浙江和安徽是生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模較大的省份，其裝機(jī)規(guī)模占全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)的45.5%。盡管我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，但產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平與生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)行管理水平仍有待提高，生物質(zhì)發(fā)電市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制尚未形成，生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展仍面臨諸多問(wèn)題。
2可再生能源電解水制氫制約因素
我國(guó)的風(fēng)、光等可再生能源電力消納壓力較大的地區(qū)主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、四川、青海等省區(qū)，同時(shí)棄光、棄風(fēng)、棄水電量較多的省份也集中在這些地區(qū)，通過(guò)制氫方式消納可再生能源電力是解決可再生能源電力消納的有益探索。但風(fēng)電、水電、光伏依靠天然條件發(fā)電而不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)、穩(wěn)定輸出電能，其自身的波動(dòng)性和間斷性缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著可再生能源制氫的發(fā)展，目前可再生能源電解水制氫的利用率和占比均比較低。
2.1可再生能源電解水制氫成本高昂
風(fēng)電/光伏等可再生能源制復(fù)度電成本是影響氫氣成本最關(guān)鍵的因素，度電成本每降低0.1元/kW.h，氫氣成本降低約5.5元/kg3。根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》（發(fā)改價(jià)格[2019]882號(hào)）和《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》（發(fā)改價(jià)格[2020]511號(hào)）等相關(guān)文件，風(fēng)、光發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)最低為0.29元/kW—h和0.35元/kW—h，按照電解水制氫工藝每制取1kg氫氣耗電55 kW—h，風(fēng)、光發(fā)電電解水氫氣制取電費(fèi)成本分別為15.95元/kg和19.25元/kg，再加上電費(fèi)以外的固定成本（3.3～5.5元/kg），風(fēng)電電解水制氫成本為19.25～21.45元/kg，光伏發(fā)電電解水制氫成本為22.25～24.75元/kg（表1）。
與煤炭、天然氣、甲醇等制氫工藝的制復(fù)成本相比，風(fēng)電電解水制氫成本分別高出101%、59.6%、10.3%，光伏發(fā)電電解水制氫成本分別高出132%、84.2%、27.2%（圖5）。理論上棄風(fēng)棄光電量制氫可以有效降低制氫成本，但由于棄風(fēng)棄光的尖峰特性，制氫設(shè)備利用小時(shí)數(shù)較低，分?jǐn)偟矫抗餁涞耐顿Y成本高昂。因此，成本是制約以風(fēng)光發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電制氫的核心要素。
2.2 燃料電池汽車(chē)使用區(qū)域與可再生能源制氫優(yōu)勢(shì)區(qū)域的不平衡
盡管四川、甘肅、青海、內(nèi)蒙古西部地區(qū)等地可再生能源豐富（圖6），棄風(fēng)、棄光、棄水電量大，具有低成本、大規(guī)模制氫的資源基礎(chǔ)，但我國(guó)燃料電池汽車(chē)應(yīng)用主要集中在廣東、河北、河南、山東、上海、江蘇等區(qū)域（圖7）。隨著燃料電池汽車(chē)示范城市群開(kāi)展實(shí)施，未來(lái)五年燃料電池汽車(chē)終端應(yīng)用區(qū)域也主要集中在這些地區(qū)，車(chē)用氫氣終端使用區(qū)域與可再生能源制氫低成本區(qū)域差異較大，盡管制氫成本可以得到大幅降低，但經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)后終端氫氣價(jià)格仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他制氫方式，低成本氫氣很難轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。因此，實(shí)現(xiàn)氫能的長(zhǎng)距離、大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸是解決可再生能源制氫資源供需不平衡問(wèn)題的關(guān)鍵。
2.3可再生能源電力波動(dòng)性與氫氣消費(fèi)的穩(wěn)定性間的矛盾
受氣候、地理?xiàng)l件等自然因素影響，風(fēng)能、光能具有明顯的季節(jié)變化和間歇性特點(diǎn)，風(fēng)光等可再生能源發(fā)電，尖峰特性明顯，月度發(fā)電量波動(dòng)性較大。國(guó)內(nèi)某發(fā)電龍頭企業(yè)數(shù)據(jù)顯示，新能源發(fā)電波峰波谷發(fā)電量差異接近50%（圖8～圖9）。因此，全部采用可再生能源電力電解水制氫會(huì)造成氫氣供給穩(wěn)定性不足。同時(shí)作為下游終端應(yīng)用場(chǎng)景的燃料電池公交客車(chē)、貨車(chē)等營(yíng)運(yùn)車(chē)輛的氫氣消費(fèi)量則相對(duì)固定，這必然引起氫氣供需不平衡，從而影響車(chē)輛運(yùn)營(yíng)與氫氣價(jià)格穩(wěn)定。
3可再生能源電解水制氫驅(qū)動(dòng)因素
盡管發(fā)展可再生能源電解水制氫存在各種各樣的問(wèn)題，但是在“3060”碳中和背景下，我國(guó)陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電將全面實(shí)現(xiàn)無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)，可再生能源產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。同時(shí)，全國(guó)碳交易市場(chǎng)啟動(dòng)，可再生能源發(fā)電碳減排收益逐步明確，這些都將降低可再生能源電解水制氫成本，促進(jìn)可再生能源電解水制氫的快速發(fā)展。
3.1碳中和背景下的能源轉(zhuǎn)型
2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話時(shí)提出，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。盡管碳中和具體實(shí)施路徑還未明確，但提高風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機(jī)容量，提升非化石能源占一次能源消費(fèi)比重是實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo)的重要途徑。
根據(jù)相關(guān)規(guī)定，2030年我國(guó)風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上，全國(guó)統(tǒng)一可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重為40%，可再生能源電力消納壓力依然較大，這為可再生能源電力制奠定了資源基礎(chǔ)，通過(guò)可再生能源電力制氫將是可再生能源電力消納的重要途徑。
3.2全國(guó)碳交易市場(chǎng)啟動(dòng)
2021年1月1日起，全國(guó)碳市場(chǎng)首個(gè)履約周期正式啟動(dòng)，全國(guó)2 225家發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)排放單位全部納入碳排放管理?！度珖?guó)碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》中規(guī)定重點(diǎn)排放單位每年可以使用國(guó)家核證自愿減排量抵消碳排放配額的清繳，這就為可再生能源發(fā)電項(xiàng)目在全國(guó)碳市場(chǎng)出售二氧化碳減排量、獲取經(jīng)濟(jì)利益、降低電力成本提供了制度保障。根據(jù)2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)，全國(guó)電網(wǎng)平均碳排放水平為0.7568 tCO，/（mW—h），即1 000度風(fēng)電或光伏發(fā)電量，相當(dāng)于減排0.7568 tCO20
《碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》第二十九條規(guī)定，重點(diǎn)排放單位每年可以使用國(guó)家核證資源減排量抵消碳配額的清繳，抵消比例不得超過(guò)應(yīng)清繳碳配額的5%。以電力行業(yè)年度排放量大約40億t計(jì)算，則全國(guó)碳市場(chǎng)可使用的CCER規(guī)模年度上限將達(dá)2億t， CCER未來(lái)市場(chǎng)需求量具有較大空間。根據(jù)目前各試點(diǎn)城市碳價(jià)測(cè)算，風(fēng)電、光伏項(xiàng)目可通過(guò)碳交易帶來(lái)每度電0.03元的收益。未來(lái)隨著碳交易價(jià)格的上升，可再生能源電力成本仍有進(jìn)一步下降的空間，這將對(duì)可再生能源電力制氫的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。
3.3 氫氣的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸
氫氣儲(chǔ)運(yùn)是影響氫能大規(guī)模發(fā)展的重要因素，也是氫能高效利用的關(guān)鍵。我國(guó)目前的氫氣運(yùn)輸以氣態(tài)為主，但受長(zhǎng)管拖車(chē)儲(chǔ)氫壓力低等因素影響，長(zhǎng)管拖車(chē)單次運(yùn)輸氫氣量?jī)H300～400 kg，氫氣運(yùn)輸效率較低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑僅200 km，這在很大程度上制約了可再生能源制氫的發(fā)展。同時(shí)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫現(xiàn)階段僅用于航天等少數(shù)領(lǐng)域，具有技術(shù)難度大、能耗高等問(wèn)題，再加上氫氣液化成本高昂，短時(shí)間內(nèi)很難大規(guī)模推廣應(yīng)用。
因此，提高氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)的壓力，是提高氫氣運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本的有效手段。氫氣管道運(yùn)輸是大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)淖钣行侄?，可有效降低運(yùn)輸成本，目前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)正在進(jìn)行相關(guān)探索。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新建輸氫管網(wǎng)可以滿足巨大的用氫需求，是大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。氫氣的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸將可再生能源制氫低成本優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)可再生能源制氫的發(fā)展。
3.4 “綠氫”支持政策出臺(tái)與完善
隨著“3060”碳中和目標(biāo)的提出，推動(dòng)“綠氫”發(fā)展成為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)碳中和的重要途徑。在2020年財(cái)政部、發(fā)改委等五部委發(fā)布的燃料電池汽車(chē)城市群示范目標(biāo)中明確提出，給予清潔氫（每kg氫氣的二氧化碳排放量小于5kg）3元/kg的獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)，廣東、四川等地也出臺(tái)了鼓勵(lì)可再生能源制氫的支持補(bǔ)貼政策。隨著“綠氫”相關(guān)技術(shù)規(guī)范與支持政策的完善，尤其是燃料電池汽車(chē)城市群示范的開(kāi)展，都將推動(dòng)可再生能源制氫的快速發(fā)展。
3.5可再生能源電力交易建設(shè)
跨區(qū)域省間富余可再生能源電力交易的啟動(dòng)有效促進(jìn)了可再生能源在全國(guó)范圍的優(yōu)化配置，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源低碳轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系發(fā)揮了重要作用。有序推動(dòng)電力外送通道建設(shè)，推動(dòng)可再生能源電力交易建設(shè)，提高可再生能源消納比例，將可再生能源低成本電力轉(zhuǎn)為低成本氫氣最有效的途徑之一。
4結(jié)語(yǔ)
利用風(fēng)電、光伏等可再生能源代替煤炭等化石燃料制氫是清潔、低碳、高效制氫的發(fā)展趨勢(shì)。利用風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫不僅能夠提高可再生能源電力消納比例，拓寬氫源渠道，更重要的是可以降低氫氣整體的碳排放水平。
目前我國(guó)可再生能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，尤其是“3060”碳中和背景下，風(fēng)、光等可再生能源電力裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，部分區(qū)域可再生能源電力消納存在一定壓力，因此發(fā)展可再生能源制氫是解決電力消納的有效途徑之一。盡管可再生能源制氫仍面臨著制氫成本高、區(qū)域不平衡以及電力波動(dòng)性大等諸多問(wèn)題，但隨著碳排放權(quán)交易的開(kāi)展、氫氣大規(guī)模經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和“綠氫”支持政策的出臺(tái)與完善，尤其是燃料電池汽車(chē)城市群示范的開(kāi)展，可再生能源制氫將成為氫能供給的重要途徑之一。
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作者簡(jiǎn)介：
劉光輝，男，1984年生，工程師，研究方向?yàn)闅淠芘c燃料電池汽車(chē)、氫安全等。
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