美国能否成为全球清洁氢的领导者

来源: 海国图智研究院时间:2024-03-28

从共和党特朗普到民主党总统拜登,在重视氢能开发相关技术的研发、不断降低本土制氢成本方面,保持了一以贯之的政策连续性。不过,特朗普总统质疑气候变化的立场与对于积极对于气候与能源问题出台相关政策的拜登总统有所不同。民主党派的拜登总统自2021年1月上台后,制定了雄心勃勃的脱碳清洁能源转型目标,在此背景下近几年清洁氢的发展部署在美国取得先机。虽然目前仍然面临一定挑战,但是IRA税收抵免政策有利推动了美国制氢技术发展。吸引了欧洲先进制造商投资,同时美国氢能产能与国内需求具有较大潜力。

2022年8月,美国总统拜登签署《通胀削减法案》(Inflation Reduction Act),发布全球首个清洁氢税收抵免政策,刺激了投资者对于绿氢的投资热情,法国智库IFRI提出IRA(Inflation Reduction Act)将推动美国清洁氢产业的发展,美国有望成为全球清洁氢的领导者。2023年6月,美国能源部发布了《国家清洁氢能战略和路线图》。美国目前产出的氢气中有95%都是“灰氢”(Gray Hydrogen),即通过蒸汽天然气中的甲烷重整方法制备得到的氢气,能耗高,碳排放大。在此背景下,美国能否在清洁氢方面成为全球领导者?

2020年11月,特朗普总统时期,美国能源部(DOE)发布《氢能计划发展规划》(Hydrogen Program Plan ),该方案更新了DOE早在2002年发布的《国家氢能路线图》以及2004年启动的“氢能行动计划”提出的氢能战略规划。该方案明确了氢能发展的核心技术领域以及研发重点,包括氢能转化相关技术、燃料电池和燃气轮机,解决机构和市场壁垒,最终实现跨应用领域的广泛部署。该方案重视降低成本生产和开发氢能,“氢能计划”设定了到2030年氢能发展的技术和经济指标,主要包括:电解槽成本降至300美元/千瓦,运行寿命达到8万小时,系统转换效率达到65%,工业和电力部门用氢价格降至1美元/千克,交通部门用氢价格降至2美元/千克;早期市场中交通部门氢气输配成本降至5美元/千克,最终扩大的高价值产品市场中氢气输配成本降至2美元/千克;车载储氢系统成本在能量密度2.2千瓦时/千克、1.7千瓦时/升下达到8美元/千瓦时,便携式燃料电池电源系统储氢成本在能量密度1千瓦时/千克、1.3千瓦时/升下达到0.5美元/千瓦时,储氢罐用高强度碳纤维成本达到13美元/千克;用于长途重型卡车的质子交换膜燃料电池系统成本降至80美元/千瓦,运行寿命达到2.5万小时,用于固定式发电的固体氧化物燃料电池系统成本降至900美元/千瓦,运行寿命达到4万小时。

2021年6月,民主党总统候选人拜登入主白宫五个月,美国能源部(DOE)发布《氢能攻关计划》(Hydrogen Energy Earthshot),目标是在未来十年使清洁氢成本降低80%,至1美元/千克,以加速氢能技术创新并刺激清洁氢能需求。此次计划的技术主题包括:1、制氢基础科学。该技术主题将推进制氢相关基础科学研究,包括低温或高温电解制氢;与碳捕集和封存相结合的热化学制氢;太阳能热化学或光电化学水分解制氢;辐射辅助水、甲烷或其他化学品分解制氢。目标是深化对反应和/或降解机制的理解、缺陷化学和界面形成的认知,获得材料识别和开发的方法,以及系统在运行条件下的演变,提出实验表征技术和计算及数据科学方法。2、氢源及氢排放量化相关基础科学。该技术主题将推进来自地质氢等氢源的氢排放量化或建模研究,以评估地质氢作为氢源的可行性。另外,还关注制氢的环境和安全评估研究,涉及小型加氢站、氢气输送和存储设施、输氢管道等的氢气泄漏。

2021年11月,拜登签署了《基础设施投资和就业法案》((Infrastructure Investment and Jobs Act),提出对清洁氢产业2022年至2026年间投资95亿美元,其中80亿美元用于区域氢能中心建设,10亿美元用于电解水制氢计划,包括从研发到产业化的完整创新链,5亿美元用于制氢和回收,并支持美国清洁氢设备的制造。本着技术中立的原则,本法案未明确支持任何技术路线,但其80亿美元区域氢能中心拨款中明确要求至少各建一个以传统化石、可再生能源及核能为原料的区域性清洁氢能中心,美国能源部(DOE)三条技术路线(即blue, green & pink hydrogen)齐头并进。

2022年8月,美国总统拜登签署《通胀削减法案》(Inflation Reduction Act),包含全球首个清洁氢税收抵免政策。该法案规定每生产1公斤氢,抵免税收额度最高可提供3美元,这将使得美国许多地区生产的低碳氢具备与化石燃料制氢竞争的实力。根据法案,美国清洁氢气生产商可获得的税收抵免额度取决于每个项目的生命周期温室气体(GHG)排放量, 因此,采用碳捕集与封存(CCS)技术的化石燃料制氢项目(通常被称为蓝氢项目)难以受益于该法案,绿氢由于使用的电力来自风能或太阳能等可再生能源,将成为税收抵免政策的主要受益者。投资机构ClearBridge Investments任认为,法案中的抵免额度可能会为美国清洁氢项目增加约130亿美元的资金。

2023年6月,美国能源部发布了《国家清洁氢能战略和路线图》(U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap),提出了加速清洁氢能生产、加工、交付、存储和应用的综合发展框架。路线图规划到2030年美国清洁氢产量将从当前几乎为零增至1000万吨/年,到2040年、2050年分别增至2000万吨/年和5000万吨/年。部署清洁氢能将使美国在2050年的碳排放量比2005年减少约10%。《战略和路线图》确定了3个关键战略,以确保开发和采用氢能作为有效的脱碳工具。一是瞄准氢能的战略性用途,确保氢能实现效益最大化应用。二是通过推动创新和扩大规模、刺激私营部门投资和发展氢能供应链来降低氢的生产成本。三是重点关注具有大规模氢生产和终端区域网络,实现基础设施投资效益最大化,通过应用规模的扩大促进市场发展。作为该战略的一部分,美国能源部(DOE)将“清洁氢”定义为以每公斤氢生产2公斤或以下的二氧化碳当量为标准,在生产现场产生的碳强度相等或低于该标准的氢。然而,美国能源部需要在五年内更新这一标准。清洁氢气是指以可再生资源为动力通过电解生产的氢气(绿色氢气),以及以天然气为原料,结合碳捕集与封存(CCS),通过甲烷蒸汽转化生产的氢气(蓝色氢气)。

2023年10月13日,美国能源部宣布斥资70亿美元在全国启动七个区域绿氢中心(H2Hub),以加快低成本清洁氢可以在零碳或接近零碳排放的情况下生产,对实现拜登政府的气候和能源安全目标至关重要。在两党基础设施法的资助下,七个中心将启动一个由清洁氢气生产商、消费者以及连接基础设施组成的全国网络,同时支持清洁氢气的生产、储存、交付和最终使用。区域绿氢中心预计每年总共生产300万公吨氢气,达到2030年美国产量目标的近三分之一,并降低难以脱碳的工业部门的排放量,这些行业占美国碳排放总量的30%。另外10亿美元将用于支持氢能源中心的需求端,推动清洁氢的创新应用。

总结来看,从共和党特朗普到民主党总统拜登,在重视氢能开发相关技术的研发、不断降低本土制氢成本方面,保持了一以贯之的政策连续性。不过,特朗普总统质疑气候变化的立场与对于积极对于气候与能源问题出台相关政策的拜登总统有所不同。民主党派的拜登总统自2021年1月上台后,制定了雄心勃勃的脱碳清洁能源转型目标,在此背景下近几年清洁氢的发展部署在美国取得先机——《国家清洁氢能战略和路线图》首次在国家战略层面明确提出发展清洁氢,《通胀削减法案》包含全球首个清洁氢税收抵免政策,尽管《基础设施投资和就业法案》支持三种技术路线,但目前优先启动七个绿氢区域中心。

据波茨坦可持续发展研究所(RIFS),美国目前产出的氢气中有95%都是“灰氢”(gray hydrogen),即通过蒸汽天然气中的甲烷重整方法制备得到的氢气,能耗高,碳排放大。在此背景下,美国能否在清洁氢方面成为全球领导者?

一、美国氢能战略:重视技术研发,不断降低本土制氢成本,民主党政府优先支持清洁氢发展

氢能作为21世纪最具发展潜力的二次清洁能源,在实现多领域深度清洁脱碳方面起着重要作用,也是全球能源技术革命和转型发展的重大战略方向。然而,目前绝大多数产氢方式都不清洁,例如灰氢生产行业能耗极高,制造大量碳排放。蓝氢生产依赖天然气,“绿氢”(green hydrogen)的生产方式最清洁,使用电解质、阳极和阴极产生化学反应,将水电解成氢和氧,但是电解制氢成本高昂,非常耗电,尤其是风能、太阳能驱动的清洁电力。

中国氢能联盟发布的《低碳氢、清洁氢与可再生氢的标准与评价》将氢气分为低碳氢、清洁氢与可再生氢,俗称灰氢、蓝氢和绿氢,将蓝氢和绿氢都划入清洁氢的范围。国际能源署IEA定义清洁氢为:清洁氢气是指以可再生资源为动力通过电解生产的氢气(绿色氢气),以及以天然气为原料,结合碳捕集与封存(CCS),通过甲烷蒸汽转化生产的氢气(蓝色氢气)。美国能源部《国家清洁氢能战略和路线图》对清洁氢的定划定范围是以每公斤氢生产2公斤或以下的二氧化碳当量为标准,在生产现场产生的碳强度相等或低于该标准的氢。

(一)IRA税收抵免政策促进美国清洁氢技术发展

低成本电解槽对于获得制氢竞争力至关重要。中国和欧洲是这一新兴清洁能源技术的先行者,美国错过了这一先机。但是《通胀削减法案》(IRA)的优惠政策吸引了美国和欧洲的电解槽制造商在美国投资建厂,从而使中国和欧洲的主导地位受到挑战。

根据极光能源研究公司(Aurora Energy Research)的数据,在计划于2030 年投入运营的项目中,总部位于加利福尼亚州的 EvolOH 目前所占份额最大,达到 22%。美国主要的燃料电池制造商 Bloom Energy 和 Plug Power,以及发电产品制造商(如康明斯),都已利用其在制造几种常见组件方面的专业知识,进军电解槽制造领域。2022 年 11 月,布鲁姆能源公司在特拉华州纽瓦克的工厂启用了一条新的 1 千兆瓦生产线,使其生产能力达到 2 千兆瓦/年,成为全球最大的电解槽制造商(当时)。康明斯正在明尼苏达州弗里德利建造其在美国的第一家质子交换膜 (PEM) 电解槽生产厂。同时,Plug Power 于 2021 年在纽约州罗切斯特启动了一个千兆工厂(用于燃料电池和电解槽的 500 兆瓦 PEM 电堆)。一旦全面投产,该千兆工厂的年生产能力将超过 2.5 千兆瓦。

受IRA税收抵免的吸引,欧洲制造商正在美国投资。在最近宣布的消息中,丹麦电解槽制造商托普索计划斥资 3 亿美元在美国新建一座 500 兆瓦的工厂,生产固态氧化物电解槽,并有可能最终将规模扩大到 5 GW/y(预计 2023 年底完成 FID)。挪威 Nel 公司已宣布计划在密歇根州新建一座千兆瓦级电解槽生产厂。该厂完全建成后(碱性和 PEM 电解槽年产量为 4 千兆瓦),将成为世界上最大的电解槽生产厂之一。挪威制造商 HydrogenPro 将在德克萨斯州的一家新工厂每年建造 500 兆瓦的高压碱性电解槽,该电解槽以后可扩大到数千兆瓦。

美国初创企业也在开发新技术和概念,以生产创新型低成本电解槽。EvolOH 宣布将于 2025 年在马萨诸塞州开设一家新工厂,由一条年产 3.75 千兆瓦的生产线组成,生产阴离子交换膜电解槽。EvolOH 表示,该工厂的成本和规模仅为同类 PEM 或碱性电解槽工厂的四分之一。EvolOH 将增加三条相同的生产线,在 2026 年之后将年总产能提高到 15 GW。Electric Hydrogen(EH2)将在马萨诸塞州新建一座年产能为 1.2 千兆瓦的千兆工厂,开始制造 100 兆瓦的电解槽,这是迄今为止世界上最大的电解槽。总部位于威斯康星州的 Advanced Ionics 公司已经开发出一种电解器,只需 35 千瓦时/千克二氧化氢的电力。

(二)美国氢气产能与需求具有巨大潜力

从能源禀赋来看,美国作为起步最早的氢能源开发国之一,本身拥有发展氢能经济的先发优势。美国氢源充足,不仅有丰富的工业副产氢和页岩气资源,规模化产氢优势明显,而且拥有丰富的可再生自然资源和全球领先的可再生能源装机量,适于规模化发展绿氢。波茨坦可持续发展研究所(RIFS)数据显示,美国每年生产氢超过1000万t(其中95%是通过天然气的集中重整制氢),占全球氢气总供应量的1/7,美国氯碱工业和乙烷裂解制乙烯工业副产氢年产能约120万t,拥有空气产品公司、Praxair等世界先进气体公司,同时也拥有普顿、康明斯等技术领先的电解水制氢设备制造商。美国作为航空航天强国,液氢技术和产业链完善,是全球第一大液氢生产和使用大国,液氢产能约9万t/a,占全球液氢产量的80%以上,在液氢的生产规模、成本方面都具有世界领先优势。

从需求来看,美国氢应用集中在炼油和合成氨工业中,其他新兴应用领域包括燃料电池汽车、金属精炼、备用能源等。截至2022年12月,美国燃料电池汽车保有量达到14979辆,燃料电池叉车超过5万辆,超过60辆燃料电池巴士提供公共运输服务,并已运营89个商业加氢站。2020年美国固定式燃料电池安装超过100MW,累计固定式燃料电池安装超过500MW。美国拥有世界最大的燃料电池叉车企业Plug Power,大型固定/移动式燃料电池生产商 Fuel Cell Energy、Bloom Energy 等。在发电方面,以掺氢天然气为燃料的大型涡轮机也已经进入商业化运营阶段。其最新的《氢能经济路线图》预计,到2025年,美国氢总需求量将达到1300万t,燃料电池汽车总量增长至15万辆(包括轻、中、重型FCEV),同时还有12.5万辆燃料电池叉车。到2030年底,美国氢总需求量将突破1700万t,燃料电池汽车总量将达到120万辆,燃料电池叉车应用达到30万辆,全美将有4300个加氢站投入运营。

清洁氢行业对近期美国的政策支持做出了回应,宣布生产清洁氢气、氨和氢基燃料的新项目正在以惊人的速度增长。截至 2022 年底,全美已宣布了 100 多个清洁氢气生产项目,到 2030 年总产能约为 1200 万吨氢气/年,超过了能源部设定的 1000 万吨目标。

美国正朝着绿色氢能的方向发展。IRA税收抵免政策刺激了绿色氢能投资者的兴趣,2022 年宣布的新项目中约有 70% 涉及绿色氢能生产。比如,德克萨斯州氢城(Hydrogen City, Texas)是一个集绿色氢气生产、储存和运输于一体的枢纽,其规模将达到 60 GW,年产量超过 3 百万吨氢气。SoCalGas 宣布将建立绿色氢气管道系统 Angeles Link,从 10-20 GW 的电解槽向洛杉矶地区输送清洁氢气。与此同时,蓝氢项目的规模非常大,而且仍占生产能力的主导地位(占2030 年规划生产能力的 56%,即近 700 万吨氢/年)。这些项目大多以出口市场为目标。

二、结语

然而《通胀削减法案》(IRA)的优惠政策为美国清洁氢行业带来了巨变,吸引了美国和欧洲的电解槽制造商在美国投资建厂,促进了美国清洁氢行业技术发展,有力刺激了投资者对于绿氢的投资热情。同时,美国在氢能产能与需求方面具有较大潜力,不仅氢源充足、拥有全球领先的可再生能源装机量,而且氢能应用领域较广,国内氢能需求潜力巨大。总结来看,美国清洁氢行业发展潜力较为可观,一定程度上具备发展为全球氢能产业领导者的潜力。