近日，在2023中國(江西)國際氫能大會上，來自西門子能源新能源事業(yè)部市場及銷售總監(jiān)胡大麟先生，以《歐洲氫能發(fā)展與綠氫解決方案及power-to-X案例分享》為主題進行了演講。
眾所周知，全球主要經(jīng)濟體目前都在大力推廣“綠色能源”，其核心是減碳。但是目前已經(jīng)形成的工業(yè)、能源、交通體系都是基于化石能源，或者說是碳基能源形成的，其相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)品形態(tài)、產(chǎn)業(yè)鏈，生態(tài)系統(tǒng)等等都已經(jīng)建立起來，而且已經(jīng)固化有百年歷史之久。如何替代現(xiàn)有體系中的碳元素是科學(xué)家一直思考的問題。
基于目前研究，只有是氫，氫在地球上主要是以化合態(tài)的形式出現(xiàn)的，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%，它無法直接獲得是二次能源。
另外氫有三種屬性，氫能即氫的化學(xué)能，是通過氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，氫具有燃燒熱值高的特點，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。
氫具有還原屬性，可以作為原料用于冶金、電子、化工等領(lǐng)域。最后就是可儲存特性，氫可以采用氣態(tài)、液態(tài)等多種形式儲存起來，這樣就可以滿足人類的大量需要。
進入21世紀(jì)，隨著歐洲一體化發(fā)展，歐盟委員會希望歐洲發(fā)展成全球氣候友好型、發(fā)達經(jīng)濟體的先驅(qū)。并能夠消除人類發(fā)展對地球氣候的影響，減少極端天氣和災(zāi)難、發(fā)展綠色的、可負擔(dān)的能源、推崇可持續(xù)的、環(huán)保的生活理念。
歐盟27國作為整體在1990年實現(xiàn)了碳排放達峰，峰值為44億噸的排放量，此后二氧化碳總排放量開始下降。截止2019年，二氧化碳年排放量下降至33億噸，比1990年峰值時期減排約24.3%的水平。
2019年12月，歐盟委員會公布《歐洲綠色協(xié)議》是歐盟實現(xiàn)2050碳中和目標(biāo)的指導(dǎo)性協(xié)議。其地位相當(dāng)于國內(nèi)“雙碳”戰(zhàn)略行動中“1+N”政策體系中的“1”，核心主要有兩個：應(yīng)對氣候變化和可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。其中明確表示提高歐盟2030年和2050年的減排雄心。
隨后，2020年歐盟委員會又發(fā)布了《歐洲氫能戰(zhàn)略》為歐洲未來30年清潔能源特別是氫能的發(fā)展指明了方向。
2021年4月《歐洲氣候法》達成一致，將碳中和納入法律保障。
2021年7月份，歐盟委員會公布“Fit for 55”一攬子計劃來支持《歐洲綠色協(xié)議》落到實處。
2022年歐盟委員會發(fā)布的REPowerEU計劃涉及未來5年高達2100億歐元的資金規(guī)模，多管齊下，從節(jié)約能源、能源供應(yīng)多樣化、加速推進可再生能源多個方面入手，目標(biāo)在2030年擺脫對俄羅斯天然氣及化石能源的需求，能源獨立自主的象征。
歐洲在可再生能源電力和氫能道路上不斷探索，無論是從頂層設(shè)計的政策法規(guī)上，還是在各領(lǐng)域的具體步驟上都做出明確的規(guī)劃。
接下來跟各位探討一下歐盟對綠氫制備路線上的思路和見解。
眾所周知，綠氫制備方式中主流的是通過可再生能源發(fā)電所得電力接入電解槽電解水制氫，電解水制氫技術(shù)主要有堿水電解(ALK)制氫、質(zhì)子交換膜(PEM)純水電解制氫和固體氧化物電解(SOE)制氫技術(shù)三種。
電解水制氫技術(shù)的歷史久遠，1800年，Nichoson和Carlisle首先以電解法提取了氫氣和氧氣。1888年俄國的拉奇諾夫取得第一臺單極性電解槽的專利。
二十世紀(jì)開始，德國的Garuti和Schuc Kert提出第一臺實用性單極性電解槽的設(shè)計，德國的Schmidt-Oerikon提出第一臺雙極性電解槽設(shè)計。
我國電解槽最早的生產(chǎn)技術(shù)是50年代初期從前蘇聯(lián)引進到北京電子管廠的常壓電解槽并應(yīng)用到當(dāng)時的電子行業(yè)。
值得一提的是，1965年，畢業(yè)于天津大學(xué)燃料化學(xué)工學(xué)專業(yè)的許俊明開始從事水電解制氧工藝研究及設(shè)備設(shè)計研制工作，任水電解制氧裝置課題組長，并開發(fā)出中壓電解槽，并獲中國船舶工業(yè)公司科技進步三等獎、河北省科技進步二等獎、加壓水電解制氫(氧)系列產(chǎn)品已列入1990年國家級火炬項目計劃，至此奠定了我國壓力型電解槽發(fā)展的基石。
目前，根據(jù)IEA相關(guān)分析數(shù)據(jù)，滿足可大型化、規(guī)?；⑸逃没瘧?yīng)用等級(TRL9)的，目前只有堿水電解槽和PEM電解槽。
西門子能源有限公司，新能源事業(yè)部從1995年開始對PEM電解水系統(tǒng)進行實驗室規(guī)模研究，一直專注于PEM電解槽大型化，電解水系統(tǒng)、Power-TO-X等多方面應(yīng)用。投入了大量人力物力研究膜電極、氣體擴散層、PTU系統(tǒng)過程控制，是一家集PEM電解水系統(tǒng)研發(fā)、制造和整體解決方案的專業(yè)化公司，先后面向市場推出了三代PEM電解水產(chǎn)品，從單機幾十標(biāo)方到幾千標(biāo)方。
2022年，公司產(chǎn)品均在德國埃爾蘭根生產(chǎn)制造，年產(chǎn)電解槽250MW?；跉W洲及全球可再生能源制氫市場的需求，公司已經(jīng)在德國柏林新建一個年產(chǎn)1GW電解槽自動化生產(chǎn)線，2023年即可滿負荷生產(chǎn)并陸續(xù)交付客戶，以滿足全球客戶對PEM電解水制氫設(shè)備的需要。
目前，隨著國家氫能頂層規(guī)劃和雙碳政策體系“N”系列政策的出臺，化工領(lǐng)域利用氫能降碳成為國內(nèi)央企重點布局的路線之一。
央企依托資源優(yōu)勢，在煉化、合成氨、合成甲醇等化工場景規(guī)劃了大量的電解水制氫項目。
從相關(guān)資料來看，2022年可再生能源電解水制氫已經(jīng)備案項目，超過600MW，部分項目也已陸續(xù)進入施工階段。
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2023年1至3月已有超8個電解水制氫項目進入招投標(biāo)環(huán)節(jié)。其中已公開確認(rèn)的電解水制氫規(guī)模達6.77萬Nm³/h，合約338.5MW，從技術(shù)路線選擇上來看，國內(nèi)大型項目基本上全部采用中壓堿性式電解槽技術(shù)。
主要原因是：
●堿性液體電解水于20世紀(jì)中期就實現(xiàn)了工業(yè)化，技術(shù)已經(jīng)非常成熟啦，其配套的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈在近幾年得到了快速的成長。
●最近幾年的大型項目中，國內(nèi)的帶壓堿性電解槽在國內(nèi)各行各業(yè)都有著非常多的應(yīng)用實例，其中單槽1000Nm3/h的產(chǎn)品在特變電工新疆，寧夏寶豐能源、中石化庫車等項目中得到了驗證。
●堿水電解槽采用了低成本、易獲取的鎳基催化劑及電極材料、采用30%的氫氧化鉀電解質(zhì)溶液，采用碳鋼板鍍鎳等工藝，其核心設(shè)備投資成本比PEM電解槽低。
但是從全球視野來看，PEM電解水項目也相當(dāng)可觀，主要集中在歐美等地區(qū)，從IEA的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，2022年已經(jīng)建成的1.398GW電解水項目中，選擇PEM制氫技術(shù)路線的有366MW，占比約26%。而且單體項目規(guī)模也達到了100MW級別。
為什么國際上有如此多的大型化PEM電解水制氫項目，通過對比相關(guān)行業(yè)資料發(fā)現(xiàn)有如下主要原因：
●清潔氫、可再生氫(或綠氫)的定義區(qū)別，相關(guān)法規(guī)、邊界的不同
●政府對可再生能源制氫、清潔氫的技術(shù)引導(dǎo)、補貼政策的不同
●兩種電解水制氫技術(shù)對于整廠投資、單位制氫成本、電力應(yīng)用、檢修維護及全生命周期成本的思維模式不同
●電解水制氫核心設(shè)備廠商的技術(shù)能力的差異
●貴金屬產(chǎn)品的二次回收、服務(wù)、再利用等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的差異
首先，讓了解一下不同國家、地區(qū)對清潔氫的定義和界定的區(qū)別
Figure 1 Green Hydrogen Characterization Initiatives Worldwide
目前綠色氫的定義主要有歐盟、中國、美國等主要經(jīng)濟體。一方面，它指的是氫源必須限于可再生能源;另一方面涉及綠色氫的定義是否基于全生命周期溫室氣體排放量或定義是否基于資格氫生產(chǎn)技術(shù)和氫源采用了系統(tǒng)邊界。
●基于全生命周期產(chǎn)生的溫室氣體來量化的定義碳排放核算界限，例如從生產(chǎn)點到使用點，歐盟目前采用生產(chǎn)純度大于99.5%且?guī)?ge;30bar作為邊界來認(rèn)證綠氫中的碳排放。
●基準(zhǔn)溫室氣體閾值，主要國家選擇制氫碳排放物(如蒸汽甲烷重整，SMR)，最具代表性的SMR制氫工藝具有91gCO2eq/MJH2被用作歐洲的基準(zhǔn)。CertifHy澄清了綠氫中碳217排放強度閾值為36.4 g CO2eq/MJ H2，相比之下減少了60%，這是采用降低閾值來達到減碳的考慮，我國目標(biāo)采用的是碳排放量為基準(zhǔn)的綠氫定義。
●資格等級。根據(jù)碳減排目標(biāo)或空氣污染國家政策中的減排目標(biāo)，進一步量化溫室氣體排放可以獲得綠色碳氫化合物排放閾值。
備注一下，我國目前采用的是2020年12月29日，由中國氫能聯(lián)盟提出的《低碳氫、清潔氫與可再生能源氫的標(biāo)準(zhǔn)與評價》正式發(fā)布實施。屬于團體標(biāo)準(zhǔn)，T/CAB 0078-2020，并不是國家標(biāo)準(zhǔn)。其定義如下：
對比歐盟和我國氫能聯(lián)盟提出的清潔氫的定義，我們可以發(fā)現(xiàn)，歐盟對清潔氫中的碳排放閾值要求更高，歐盟的清潔氫中所產(chǎn)生的溫室氣體排放值需要低于4.37 kgCO2e/kgH2，因為歐盟對天然氣重整制氫中的碳排放標(biāo)準(zhǔn)更低是91gCO2q/MJH2.
另外，2022年5月，歐盟公布的REPowerEU計劃中，試圖盡早擺脫對俄羅斯化石能源的依賴，今年2月13日，歐盟通過了可再生能源指令(RED II)要求的兩項授權(quán)法案，并提出了詳細的規(guī)則來定義歐盟可再生氫的構(gòu)成。
授權(quán)法案規(guī)定了三種可以被計入可再生能源的氫氣，包括直接連接新的可再生能源發(fā)電機所產(chǎn)生的氫氣，在可再生能源比例超過90%的地區(qū)采用電網(wǎng)供電所生產(chǎn)的氫氣，以及在低二氧化碳排放限制的地區(qū)簽訂可再生能源電力購買協(xié)議后采用電網(wǎng)供電來生產(chǎn)氫氣。
這意味著，可再生能源制氫或者某區(qū)域可再生能源占比高于90%的網(wǎng)電制氫才是清潔氫，并且為了證明可再生電力的生產(chǎn)與電力的消費同時進行，氫氣生產(chǎn)商必須在2026年12月31日之前顯示每月與直接可再生能源輸出或本地存儲的可再生能源相匹配的小時數(shù)據(jù)。從上述法案中可以看到，歐盟對清潔氫的認(rèn)識相當(dāng)充分，法規(guī)及管控也非常具體。
其次，我想談的是清潔氫的發(fā)展另一個因素-政策及資金支持。正如前面提到的，《歐洲氫能戰(zhàn)略》為歐洲未來30年清潔能源特別是氫能發(fā)展指明了方向，分三個階段發(fā)展并擴大氫能的應(yīng)用。
歐盟委員會認(rèn)為，歐洲在清潔制氫技術(shù)領(lǐng)域有很強的競爭力，只有構(gòu)建清潔氫的生態(tài)體系，大規(guī)模部署清潔氫并將從清潔氫作為能源載體的全球發(fā)展中獲益。
自2005年以來，歐洲共同利益的重要項目IPCEI(Important Project of Common European Interest)是歐盟一個特殊的科研項目框架，其重要項目最初僅限于研究、開發(fā)和創(chuàng)新以及環(huán)境保護領(lǐng)域。最近各國計劃在這個框架下加大對清潔氫的研發(fā)和示范的投入。
此外，歐盟委員會計劃從2020到2050年，對可再生氫的累計投資可能高達1800億至4700億歐元。
綜上所述，歐盟委員會一開始就采用了增加投資、增加碳稅、成員國共同參與、激勵私人投資，增加公共基金等措施推動可再生氫的發(fā)展。
其中，政府公共部門融資包括政府財政資金、政府貸款、政府債券以及與政府合作的私人資本。歐盟對各氫能項目的投融資支持主要分為氫能公共資金指南、氫能基金和氫能相關(guān)財政援助三個方面。
其中，政府援助基金是指國家劃撥部分財政資金建立，支持各領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動經(jīng)濟建設(shè)而設(shè)立的基金。2020年12月，歐盟在氫能領(lǐng)域啟動政府援助基金“歐洲共同利益重要項目”，資助大型的研發(fā)、首次工業(yè)部署和基礎(chǔ)設(shè)施項目。
歐盟氫能援助基金包括歐洲創(chuàng)新基金(Innovation Fund)、投資歐盟基金(InvestEU)、轉(zhuǎn)型基金(Just Transition Fund)等，主要用于氫能領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)、技術(shù)展示和技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。各個國家自主開展項目預(yù)選，候選項目名單交由歐盟委員會審批。歐盟國家援助基金旨在支持高度創(chuàng)新的低碳技術(shù)項目，包括電解槽等零碳和低碳設(shè)備的研發(fā)及批量生產(chǎn)。
歐盟成員國陸續(xù)出臺眾多政策以推動對氫項目的財政援助，其中包括歐洲共同利益的重要項目(IPCEI)工具。企業(yè)可以通過IPCEI財政工具獲取資金支持，用于氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)和建設(shè)。
同時，《氣候、環(huán)境保護和能源援助指南(CEAAG)》也鼓勵各種財政援助優(yōu)先用于可再生能源生產(chǎn)項目，包含氫能。此外，《一般集體豁免條例(GBER)》也允許政府對電解槽及其組件的開發(fā)和/或部署提供資金支持，并促進能源、工業(yè)、交通設(shè)施協(xié)同發(fā)展，為氫能領(lǐng)域研發(fā)、生產(chǎn)、專用基礎(chǔ)設(shè)施、天然氣管網(wǎng)再利用、碳捕集項目、大型power-to-X項目建設(shè)融資或直接提供資金支持。
相比之下，目前我國尚未有國家層面的氫能援助基金，但也出臺各項政策支持政府和企業(yè)以產(chǎn)業(yè)基金等形式推進氫能發(fā)展。2022年3月24日，我國發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確指出鼓勵產(chǎn)業(yè)投資基金、創(chuàng)業(yè)投資基金等按照市場化原則支持氫能創(chuàng)新型企業(yè)，促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。
目前只有三個氫能示范城市群才能申請氫能相關(guān)補貼，而且補貼端主要在氫能交通，或者說是氫能商用車單一領(lǐng)域。由于政策不足，目前氫能無法實現(xiàn)盈利，國資氫能基金基本上只是在尋找或助力產(chǎn)業(yè)鏈中企業(yè)發(fā)展、推進單一氫能項目落地等方面發(fā)揮了一定作用，對整個氫能發(fā)展支持力度還不夠。
再次，我想對兩種電解水制氫技術(shù)在整廠投資、單位制氫成本、電力應(yīng)用、檢修維護及全生命周期成本的思維模式方面做一個簡單的分析。兩種電解水技術(shù)就不詳細對比了。下圖是IEA的單位制氫成本分析，左邊縱坐標(biāo)是單位制氫價格，也就是我們說的LOCH($/kgH2)，橫坐標(biāo)是年運行小時數(shù)，右邊的縱坐標(biāo)是單位電價($/MWh)
如果按照歐盟要求，可再生氫必須采用可再生能源電力。不同的國家地區(qū)，光伏、風(fēng)電資源稟賦不同，一般來說，任何一個典型的制氫廠年運行小時數(shù)大約在2500-6000小時不等，制造出來的氫氣成本LOCH從$5美元到9美元不等，但其中電價占主要因素，從65%-85%。
所以，歐盟所列出來的項目中，他們對電源的屬性和電價非常在意。
另外基于歐盟標(biāo)準(zhǔn)，從全生命周期產(chǎn)生的溫室氣體來量化的定義碳排放核算界限，生產(chǎn)4000Nm3/h的純度大于99.95%且?guī)?ge;30bar的可再生氫作為邊界來對比投資來看，左邊是歐洲PEM系統(tǒng)，右邊是國內(nèi)的堿水系統(tǒng)。
可以看到，其中差距最大的就是電解槽本身，其他電源、輔機等等差別很小，由于PEM的出口壓力高，不需要額外配備壓縮機，但是國內(nèi)的堿水系統(tǒng)均需要配置隔膜壓縮機才能達到30bar以上，由于PEM系統(tǒng)占地只有堿水系統(tǒng)的1/2，所以在基礎(chǔ)建設(shè)中，堿水系統(tǒng)占比更高，對比歐洲項目，我們發(fā)現(xiàn)PEM系統(tǒng)和堿水系統(tǒng)在初期投資上差別并不是很大。
另外就是，PEM系統(tǒng)相對簡單，可以實現(xiàn)無人值守的遠程控制及日常運行管理，定期巡檢也只需要1個人工。相反，堿水系統(tǒng)相對復(fù)雜，目前無法做到無人值守，日常巡檢至少需要3個人工才能滿足要求。
歐盟REACH法規(guī)對于發(fā)展綠色化學(xué)品和無毒環(huán)境的要求，堿性溶液必須按照更嚴(yán)苛的安全審查、運行管理、廢液回收和處理要求，對于大型項目來說，一般會考慮15-20年或者更長的運行及維護成本，堿液回收處理費用，占地及稅收等等綜合因素，所以在OPEX上，堿水槽制氫的費用更高。
然后，貴金屬回收技術(shù)對于PEM電解水技術(shù)的影響。眾所周知，PEM電解槽中采用了如鉑、銥、釕等貴金屬催化劑。根據(jù)2018年全球PGMs儲量為6.9萬噸，其中99%以上集中在南非、贊比亞、俄羅斯、美國等。我國PGMs礦產(chǎn)資源十分匱乏，儲量僅約300噸(占全球0.4%)。隨著汽車產(chǎn)品、電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，貴金屬催化劑已經(jīng)在高位運行多年。
此外PEM電解槽和PEMFC燃料電池技術(shù)的發(fā)展，一些投機商嗅到了商機再次推高了相關(guān)貴金屬的價格，從而導(dǎo)致了氫能產(chǎn)業(yè)界對于PEM電解水的產(chǎn)業(yè)前景普遍存在一種憂慮，認(rèn)為貴金屬產(chǎn)量無法滿足不斷上升的氫能需求，將會導(dǎo)致價格飛漲，從而極大制約產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。
這種擔(dān)心是正常的，不過對于PEM的技術(shù)發(fā)展來講是不必要的，首先，目前各大主流PEM技術(shù)商都在重點開發(fā)低銥含量的催化劑，降低催化劑中銥貴金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%);其次，在漿料配置和膜電極的制備工藝過程中，通過技術(shù)開發(fā)，降低催化劑層的厚度/改變催化劑層的微觀結(jié)構(gòu)以達到降低膜電極貴金屬載量的目的;再次，輔以有序化模電極或者陽極多孔傳輸層等新技術(shù)方案。
還有貴金屬回收技術(shù)的發(fā)展。
目前鉑族金屬產(chǎn)業(yè)鏈從開采到回收均處于跨國公司巨頭壟斷之中。英美鉑業(yè)、因帕拉等礦業(yè)巨頭，以及鉑族金屬產(chǎn)品的制造商包括賀利氏、莊信萬豐、優(yōu)美科、巴斯夫及田中貴金屬等，占據(jù)主要份額。這些公司在貴金屬回收市場上也扮演著領(lǐng)導(dǎo)者的角色，除了優(yōu)美科專注于回收再利用外，其他公司均將資源回收作為生產(chǎn)原料的重要補充。
國內(nèi)上市公司深圳格林美則當(dāng)仁不讓成為了中國開采“城市礦山”第一股。早在2005年，格林美就在湖北荊州建成了中國首條電子垃圾貴金屬生產(chǎn)線，回收貴金屬年產(chǎn)能達到2噸。隨著全球貴金屬回收產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我們有理由相信，PEM電解槽的初期投資會大幅下降。
最后，推動或者說決定清潔氫發(fā)展的重要因素就是碳稅，從根源上體現(xiàn)可再生能源的環(huán)境價值。歐盟可再生能源良性發(fā)展的一個重要原因是，可再生能源相對化石能源具有一定的經(jīng)濟競爭力，這得益于歐盟碳市場(EU-ETS)的貢獻。
目前，歐盟碳市場中發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)完全有償配額，由于EU-ETS碳配額價格高昂，促使可再生能源的使用具有較好的競爭力。與Fit-for-55中碳邊境調(diào)節(jié)機制(CBAM)相關(guān)聯(lián)，2032年前歐盟對各行業(yè)將逐步退出免費配額，將促使各個行業(yè)更多使用綠電、綠氫等可再生能源。相配套的是，歐盟對于綠氫等二次能源的可再生特性追溯非常嚴(yán)格(已充分體現(xiàn)在法案中)，要求制造綠氫的可再生能源電力在時間上進行平衡。
相對而言，我國碳市場建設(shè)仍處于“非常”初級階段，為提升可再生能源的競爭力，在配額發(fā)放方式、總量控制方面應(yīng)逐步趨嚴(yán)，以促進環(huán)境溢價的出現(xiàn)，以經(jīng)濟手段促進更多資源向新能源領(lǐng)域集中。
隨著CBAM的推進，國際接軌的必要性顯著增加，而CBAM需納入企業(yè)用電產(chǎn)生的間接排放，所以對于企業(yè)使用的綠電可追溯性要求加強。
