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解析美、德、日三国加氢站布局发展

作者:admin     阅览次数:469      发布时间:2019-06-25     [返回上一页]

  随着新一轮能源技术革命的兴起,构建清洁低碳、安全高效的能源体系已经成为迫切的现实需求,氢能作为最具发展潜力的清洁能源,可为燃料电池汽车提供核心动力,是能源结构中至关重要的一部分。国家发改委和国家能源局出台了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,行动计划部署了氢能与燃料电池技术创新等15项重点任务。作为氢能产业健康发展中不可或缺的关键环节,加氢站的建设在我国仍处于萌芽阶段,从布局现状出发进行问题探究,可破解发展困局。加氢站的快速发展及合理布局有助于氢能及燃料电池汽车产业可持续健康发展。

  加氢站是氢能供应的渠道,也是燃料电池汽车的动力补给点。合理布局加氢站点,有利于扩大燃料电池汽车的运行范围,也能促进氢能产业的快速发展。截至2018年12月25日,我国建成加氢站28座,包括尚未运营、正在调试以及运营的加氢站,主要分布在上海、广东、江苏等地区,且多以试验及内部使用为主,商业化运营的加氢站极少,加注压力基本为35MPa,加注能力基本为200~500kg/天,具体分布情况如图1所示。同时,湖北、山东等省份也相继出台了氢能产业发展规划。2016年12月国家发布了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,规划中明确提出推进加氢站建设,到2020年,实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。

  李克强总理于2018年5月11日在日本丰田汽车参观时,重点了解了加氢站布局等情况。2018年11月6日,《汽车产业中长期发展规划》八项重点工程实施方案公布,到2025年燃料电池汽车推广规模累积达到5万辆,建设加氢站超过500座[5]。因此,积极推进加氢站的建设布局,是促进我国汽车产业升级、能源结构转型的关键举措之一。

  本文将分析美、德、日三国加氢站布局发展情况,提取并总结适合我国加氢站发展的有益经验。从我国监管体系、审批流程、商业模式以及核心技术等视角剖析我国加氢站布局发展所面临的现实情况及可能出现的问题,基于我国氢能产业环境,结合国外先进经验,提出利于我国加氢站发展的对策建议。研究结论一方面可为地方政府布局加氢站提供一定的意见参考,另一方面也可为我国制定加氢站发展政策提供决策依据。

  1.1美国

  为调整能源结构,构建低碳社会,美国加州陆续出台了零排放汽车法规和低碳积分等激励政策,将燃料电池汽车作为汽车产业的重要发展方向。燃料电池汽车的发展促进了加氢站的建设,发达的加氢网络又保障了燃料电池汽车的自由出行。截至2018年12月25日,美国加氢站已达37座,且大部分位于加州地区。加州地区的加氢站全部对外开放,供应规模在100~350kg/天,并可实现35MPa/70MPa双压力加注,具体分布如图2所示。加州发达的加氢网络主要取决于精准的布局模型、完善的商业模式以及政府的政策支持。其布局依据加州大学STREET模型,基于市场分析、土地利用、交通路网和驾驶可达等基本要素进行综合优化,确定加氢站位置和数量,精准布局加氢站网络。

  商业模式采取“以站促车”的方式,通过适度超前建立完善的加氢站网络,解决燃料电池汽车的动力需求,来促进燃料电池汽车的快速发展,截至2018年12月1日,在美国销售与租赁的燃料电池汽车共有5658辆。政府不仅在政策上支持,发布了加氢站许可指南,为加氢站建设提供了详细的指导意见,有效提升了审批速度;同时也在资金上进行激励,加州政府将提供加氢站70%的投资资金,并在前三年每年提供10万美元的运行资金支持,并确立每年10月8日为国家氢能及氢燃料电池日。

  1.2德国

  为遏制环境进一步恶化,德国于2016年11月发布了《德国2050年气候行动计划》,计划将通过严格的措施降低尾气排放。同时,政府还出台了《氢燃料电池技术政府计划2016-2026》,计划将拨款2.5亿欧元支持氢燃料汽车量产,激活燃料电池汽车市场。奔驰、宝马等车企也在积极研发氢燃料电池技术,分别开发出奔驰GLCF-CELL、宝马i8等燃料电池汽车,燃料电池汽车产业在德国得到了长足发展。加氢站在德国主要城市及其连接走廊上进行了布局,截至2018年12月25日,德国已建成加氢站58座、立项规划4座、正在审批11座、正在建设11座、调试阶段10座,基本覆盖德国七大都市区范围,运营加氢站均能实现70MPa的压力加注,并实现全天对外运营,具体分布如图3所示。同时,由AirLiquide、Daimler等六大股东为主成立了联合机构H2Mobility,负责加氢站基础设施的建设和管理,并成立运行基金。

  H2Mobility计划在汉堡、柏林、鲁尔、法兰克福、斯图加特、慕尼黑六大都市圈的主干道和高速公路上建成100座加氢站,其中以上六大城市圈各布局10座,其余40座布局在相邻城市之间,作为加氢站网络的连接站和目的地站,形成环网状氢能高速公路。

  1.3   日本

  受限于大部分化石能源依赖于进口的现状,日本极其重视氢能产业的发展,并将氢能列为极其重要的战略能源,同时日本认为氢能与燃料电池汽车产业是实现3E(环境保护、能源安全、经济增长)目标的有力方式。日本是全球加氢站建设数量最多的国家,截至2018年2月,已达101座,其中39座移动加氢站,62座固定加氢站,加氢站可在70MPa压力标准下,3min左右加注5kg氢气。加氢站主要围绕东京、大阪、名古屋、福冈四大都市区而建,由大城市向周围地区辐射,形成了区域联动加氢网络,其中部分采取分时开放模式,以确保商业运营经济性。日本加氢站具体分布如图4所示。

  为实现加氢站规模化商业应用,2018年3月,在日本政府的授权许可下,6家加氢基础设施开发商、3家汽车制造商以及2家金融机构等企业联合成立了JapanH2Mobility(JHyM)公司,并统一对其管理的加氢站进行投资部署、建设运营以及商业模式探索。同时,日本经济产业省制定了加氢站补贴计划,包括建设、运营补贴等设定了2030年燃料电池汽车推广到80万辆的目标;新能源和工业技术发展组织联合相关企业正研发高效低成本的加氢站关键技术。

  1.4经验借鉴

  通过以上对美国、德国、日本加氢站布局发展体系的研究分析发现,美国、德国主要受法规政策驱动推进氢能产业发展,日本主要受能源结构驱动推进。各国加氢站布局发展各有特色,主要以政策主导,辅以社会资本共同促进加氢站发展,最终目的都是积极推动氢能产业发展。不同于美、德、日三国,在全球范围内,我国加氢站仅占少数,本文基于对国外加氢站先进建设经验的借鉴,提出适合于我国加氢站的发展路径。

  从国家层面来看,应制定氢能行动计划及具体路线图,引导产业健康发展,同时统一规范加氢站审批流程,明晰责任归属,探索第三方加氢站建设认证机构,提高审批效率;由政府主导,社会资本参与联合成立加氢站产业基金或组织,对加氢站统一布局建设、运营管理;企业、高校以及科研院所重点攻关加氢站基础与关键技术,实现加氢站关键设备的自主化与国产化;提升公众对氢能与燃料电池汽车的消费认可,营造全社会绿色生态发展氛围。

  2       我国加氢站发展现状及问题剖析

  2017年我国燃料电池汽车产量达到1275辆,2018年1~11月产量为465辆。截至2018年12月,我国有41家整车企业开始研发燃料电池汽车,燃料电池汽车产业在我国才刚刚起步。加氢站布局发展体系尚未成形,对标国外加氢站布局发展情况,正视我国加氢站布局发展现状,从立项审批、布局建设以及运营管理等发展环节出发,全视角剖析加氢站目前存在的问题,归纳总结出监管体系待完善、审批流程不明晰、商业模式不成熟、核心技术未突破等四大主要问题,如图6所示。立足问题根源,破解发展困局,有利于加快我国加氢站发展体系成形,促进氢能及燃料电池汽车产业可持续发展。

  2.1监管体系待完善

  安全是加氢站发展过程中的重中之重,高要求的标准规范、严质量的检测认证以及全流程的监测监管是加氢站安全运营的重要保障。现行加氢站建设安全要求大体依据2018年5月出台的加氢站安全技术规范,但涉及到具体安全要求、操作流程等细节还有待完善,同时尚缺乏商业化运营的标准。

  由于产业技术发展的步伐远大于政策制定的步伐,我国在涉及加氢站很多环节内的标准尚处于空白,如加氢站建站标准、车用氢质量标准、液氢/固氢运输标准、储氢标准等。在运营过程中,加氢站运营的资质要求、车用氢气的品质检测认证、加氢站核心设备的安全监测、加氢站安全运营管理等具体实施步骤还处于探索阶段,尚无统一规范的标准流程,我国加氢站安全运营急需成套标准监管体系。

  2.2审批流程不明晰

  加氢站的首要环节即为立项审批,截止2018年12月,国家尚未出台明确的审批流程,已建成的加氢站由当地城市出台文件进行指引,如武汉、佛山等地相继研究制定了地方加氢站管理办法。此环节出现的问题主要表现在氢气管理归属不明、加氢站用地不明确以及行政审批流程繁琐等方面,首先存在争议的是氢气应归属于危化品管理,还是归属于能源管理,危化品建站审批流程复杂,准入条件苛刻,能源建站审批流程简单,但在安全问题上有所顾虑,发达国家已将氢能作为能源来管理。

  其次,加氢站建设用地应是商业用地还是工业用地,商业用地导致投资成本过高,工业用地使加氢站不能公开运营,从综合效益考虑往往得不到最优化布局方案。最后,审批过程中职责部门多,以现有云浮《加氢站管理办法》为例,多达10家主管部门,审批手续复杂,包括项目选址、用地审批、立项审批、规划审批以及报建环节等流程都存在各种审批项目,由于各地初期并没有明确的管理办法,导致审批时间过长。明确的立项审批流程可使加氢站快速布局,而目前加氢站建设速度缓慢,审批流程未明晰是制约其发展的一大要素。

  2.3商业模式不成熟

  成熟的商业模式有利于加快实现加氢站市场化,加氢站未能有效商业化运营,一方面原因是加氢站供应链体系产业化尚未成形,另一方面原因是燃料电池汽车未能大规模示范推广。目前国内制氢企业分布不均,未发展燃料电池汽车的地区氢能往往得不到有效利用;车用氢提纯企业相对较少,且产量供应不足,导致车用高纯氢来源有限且价格昂贵;氢气运输目前采用管束车或高压氢瓶运输,运输成本相对高昂;加氢站建设模式尚未形成,国外大多为政府主导、联盟企业共同投资运营管理的建站模式,虽然地方政府相继出台加氢站补贴措施,但对于昂贵的建站费用及有限的市场,投资门槛较高;即使加氢站建设运营成功,能有效加氢的燃料电池汽车数量及频率有限,供氢应用场景有限,基本无法维持加氢站正常运营管理。

  2.4核心技术未突破

  加氢站建站成本相对高昂,建站费用达千万元以上,设备采购成本占总成本一半以上,其中的关键因素就是核心技术尚未突破、关键设备依赖进口以及加氢站配套设备尚未产业化,致使建站成本居高不下。目前制氢来源渠道有限,电解水制氢、太阳能光解水制氢技术还有待突破;车用高纯氢提取技术发展相对缓慢;制氢与加氢环节必须严格分离;高压容器输送氢气的效率还有一定提升空间;站内制氢加氢技术还未成熟;液氢储运经济性成本更优,但液态储氢、固态储氢等技术与国际水平还有较大差距;加氢站三大核心设备氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机以及部分关键零部件如加氢枪等还依赖于进口。相比于日本、美国和欧洲采用与汽车配套的70MPa压力标准,我国燃料电池汽车车载供氢系统仍处于35MPa压力的技术水平,加注能力停留在200kg左右。目前,加氢站建设仍处于知识产权受制于人的阶段,专业人才队伍存在很大缺口,强化加氢站自主创新体系,加强自主研发实力才是唯一出路。

  3       我国加氢站发展的对策建议

  燃料电池汽车是未来汽车产业可持续发展的重要方向之一。为供给燃料电池汽车动力,加氢站的布局建设是必不可少的环节。正视我国加氢站发展现状,从监管体系、审批流程、商业模式以及核心技术等主要问题入手,借鉴国外加氢站先进发展经验,有针对性地为我国加氢站发展提出切实可行的对策建议,使加氢站朝着布局规模化、技术自主化、设备国产化、流程安全化的方向健康发展,具体如图7所示。

  3.1完善安全监管体系,统筹保障环节联动

  只有持续保证制氢、运氢、储氢、加氢、用氢等全生命周期过程中的安全要求,才能从根源上消除公众对氢能使用的不认可,从而促进燃料电池汽车的大规模推广。对标国外加氢站建设标准和流程,制订符合我国国情的加氢站审批建设、运营管理、安全监管等方面的国家强制性标准;优化加氢站站控系统,确保加氢站内工艺流程有序进行,规范加氢站站内操作流程,提升氢气安全检测能力,确保储氢用氢安全;设立统一运营管理及安全监管平台,实时监控加氢站技术与运营数据,实现对加氢站运行状态的动态监管;做好应急预案,及时有效地处理各种突发情况;构建安全可控的监管保障体系,统筹保障各环节安全联动,护航加氢站健康发展。

  3.2提升立项审批效率,协同促进网状布局

  要想打通加氢站健康发展的制约瓶颈,首先要解决的问题是有效提升立项审批效率,统一规范审批流程。从国家层面考虑,应充分调研并结合地方已有的审批流程,出台全国统一的、高效率的加氢站审批流程;精简审批环节及职责部门,对于具有相同性质的受理环节可合并精简,如立项环节中的选址及核准,报建环节中的各种审查工作等,或成立加氢站审批小组,定期定点集中处理加氢站立项审批事项,协同提升审批效率;探索成立第三方加氢站建设认证机构,加强第三方认证的可靠性与公众认可性;同时确定审批周期,明晰主管部门职责、氢气管理性质、加氢站建设土地性质等相对重要但界定模糊的关键事项。

  3.3构建生态商业模式,培育完善产业环境

  加氢站布局建设、供应体系、运维管理等多维度商业模式的构建,能够有效实现加氢站上下游及周边产业等融合发展的氢能产业生态体系。开展风电、水电、光伏电力等可再生能源制氢示范,优化以制氢企业为中心的加氢站布局,满足交通路网、驾驶可达等基本要素,设立站内制氢加氢站和液氢加氢站等具有未来发展趋势的加氢站。转换“先车后站”的建设模式,适度超前布局加氢站网络建设,满足燃料电池汽车的出行需求。探索加氢加油合建、加氢充电等建站模式,不仅可以充分利用现有网点优势开拓业务,还可节约土地成本,省去立项审批中的规划布局等环节。开发氢能利用的多样应用场景,如燃料电池储能、分布式发电、热电联供等领域。构建氢能产业生态发展环境,加速加氢站产业化、规模化以及商业化进程。

  3.4加强自主创新能力,聚力突破核心技术

  加氢站能够以较低成本迅速规模化布局的关键核心在于技术自主化及设备国产化。只有加强自主创新能力,注重薄弱技术的加强与积累,不断拓宽制氢来源渠道,研发车用高纯氢高效率低成本制取方式,重点突破液态制储氢技术和固态制储氢技术,提升高压容器输送氢气效率,精益核心设备产业化工艺流程,同时引导企业、学校及科研院所聚力攻关制约加氢站发展的关键技术,研究关于加氢站最前沿的新设备、新工艺、新材料等基础技术,力争与国际水平接轨,才能实现加氢站关键设备自主化与国产化,有效降低建站及运营成本。

  3.5探索示范推广模式,持续增强公众认可

  绿色消费理念是决定产业能否可持续发展的关键环节,探索以市场驱动的示范推广模式,才能使加氢站建设及燃料电池汽车产业不断壮大。氢能是未来能源的主要发展方向之一,政府应向大众科普氢能源知识,积极消除氢气是危险化学品的认知顾虑;企业应通过科普巡游、展会推广、试乘试驾等方式,提高公众对燃料电池汽车的认知接受度,促进燃料电池汽车的市场化推广;充分利用燃料电池汽车里程优势,重点在公交、物流等公共服务领域开展示范推广;成立加氢站联合产业基金或组织,统一对加氢站进行布局规划、运营管理;同时打造加氢走廊及加氢网络,联动区域氢能发展,以加氢基础设施的完善程度促进公众认可,待燃料电池汽车大规模发展之时,可快速满足其出行需求。

  来源:能源情报、氢标科技





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