值得借鉴的德国汉堡氢能布局

能源革命之大势,浩浩汤汤,不容逆转。自习近平主席在联合国大会上宣布了中国3060的碳达峰碳中和目标后,一时间众人瞩目,碳中和概念在波澜不兴的资本市场都掀起了一股炒作狂潮。
 
目标虽定,具体细化却有赖多部门协调商定。更何况中国的一系列政策往往有着短期长期以及地方与中央之间的矛盾,错综复杂。路径即便明确,能否落地实施,又是另一回事。“1000多座燃煤电厂要关停吗”之问,来自于对现实缺乏认识的理想主义激进派,抑或是别有用心的国外舆论攻势。(扩展阅读:中国新闻周刊:煤电碳达峰:1000多座燃煤电厂要关停吗?)
 
如何在经济发展与远景生态目标之间达到动态均衡,是全世界各发展阶段的国家共同面临的宏观难题。法国先贤勒庞在100多年前的名著《乌合之众》中已经指出,制度本身无所谓好坏,也没有任何内在的作用。任何激进激烈的变革,能改变的只是徒劳的标签。只有渐进式的、出于即时需求、而不是纯思辨推理的缓慢改变,才能收到效果。
 
中国的能源转型之路,注定要立足于我国化石能源富足和可再生能源具备地理上的先天优势、能源需求严重地域不均、技术能力亟待升级、投资严重依赖政府驱动等多方面的现实情况,分区域分步骤地渐进式推进。
 
德国在可再生能源发展上位居世界前列。2000年即通过《可再生能源法》,历年来多次修订,通过初期的补贴扶植、产能过剩后的市场竞价体系,一路保障了可再生能源的稳步发展。2020年6月,德国联邦政府公布了酝酿已久的《国家氢能战略》。(扩展阅读:德国《国家氢能战略》中文提要)
 
这一上升到国家层面的战略计划非常值得我国重视和借鉴。虽然目前我国对储能行业已经引起一定重视,但当前以抽水蓄能和电化学蓄能为主的传统调峰储能方案有发展上限,不可能实现以波动性清洁能源大比率替代传统化石能源的长远目标(见图表1)。而氢能兼具二次清洁能源与高效储能载体的双重角色,是实现可再生能源大规模跨季节储存、运输的最佳整体解决方案。
 
 
图表1:传统调峰储能方案下未来的可再生能源功率调节缺口(源自车百智库)
 
近两年,以德国汉堡市为中心的北德地区推出了多行业、多企业、多机构联动的区域氢能发展项目,涵盖氢能的生产、运输、应用等多领域。本文试将其产业布局进行归纳梳理,可供我国借鉴,原因如下:
 
1.    清洁的可再生能源具有不稳定、能量密度低的特点,但其分布式利用不依赖大规模能源基础设施的投资,非常适合在相对较小的区域内开展试点建设和应用。区域联动在经济性和可行性上优势突出。
 
2.    氢能的产业链条长,涉及能源、化工、交通等多个领域,能够带动上下游企业,为经济增长、促进就业提供强劲动力。(见图表2)
 
3.    现有能源体系的参与者(煤电厂、工业管网、电力企业、灰氢生产企业等)都可以参与,降低能源转型的成本冲击。
 
4.    成功的项目虽然初期投入较大成本较高,但其产生的技术优势和经验优势,可在之后的全国甚至全球输出中获得长期回报。这也是德国国家氢能战略的目标之一。
 
 
图表2:氢能产业链地图(源自车百智库)
 
正文
 
以下正文内容共3766字,14图,预计阅读10分钟。
 
2019年秋,汉堡、石勒州、梅西州、下萨州和不来梅等德国北部各州同意建立绿色氢能经济,作为能源和交通运输转型的重要支柱。而汉堡作为德国氢能源版图上的重要大都市之一,正以北德氢能战略为基础,寻求港口、工业、物流和航空低碳化,发展具有竞争力的绿氢经济。
 
汉堡港口和物流股份公司(HHLA)、汉堡港务局(HPA)、空中客车(Airbus)、安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)、汉堡燃气网络公司(Gasnetz Hamburg)、GreenPlug以及汉堡城市清洁公司,联合“汉堡绿色氢能中心”(由壳牌、大瀑布电力公司、三菱重工和汉堡燃气公司组成),共同组建了“汉堡氢能网络”(Hamburg Hydrogen Network),以促进汉堡氢能块区铺设、联动发展、节能减排。
 
 
 
图表3:汉堡氢能网络布局图
 
该网络共包含以下9个项目:
 
1.    汉堡绿色氢能中心(HGHH)/ 制氢工厂
 
2.    汉堡燃气网络公司(Gasnetz Hamburg)/ 氢能管网
 
3.    安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)/ 绿色钢铁
 
4.    空中客车公司(Airbus)/ 氢能航空
 
5.    汉堡港口与物流股份公司(HHLA)
 
6.    HADAG / 客轮航运
 
7.    汉堡港务局(HPA)
 
8.    Greenplug / 船运解决方案
 
9.    汉堡市卫生局(Stadtreinigung Hamburg)
 
由汉堡燃气公司(汉堡市政供暖企业)与大瀑布电力公司(下称Vattenfall)、壳牌和三菱重工携手打造汉堡绿色氢能中心(项目1),计划在德国汉堡建造一个拥有100MW容量电解槽的全球最大制氢工厂之一。该项目将利用风能和太阳能生产绿色氢气,而全球最大的国际风能展就位于汉堡,逢双年举办。据估,该工厂每小时可生产2吨氢气,可供一辆氢能燃料电池汽车行驶20万公里。
 
 
 
图表4:莫尔堡制氢工厂核心数据(源自Vattenfall)
 
该工厂选址于由Vattenfall运营的原德国最大燃煤电厂莫尔堡(Moorburg)。继德国宣布向燃煤电厂运营商提供资金以抵消其关闭煤厂所造成的财务损失后,莫尔堡在2020年12月的德国煤炭淘汰招标中胜出,并终止商业运营。在这样一座已退役的燃煤发电厂址上改建制氢工厂,对于其他地区实现化石燃料工厂转型提供了一个极好的例子。
德国汉堡
 
 
图表5:莫尔堡航拍(Michael Lindner 摄)
 
莫尔堡背靠港口,便于海外船舶直接停靠,且与德国38万伏的输电网络及汉堡市11万伏的输电网络相连。优越的地理位置、不断完善的基础设施以及港口周边潜在的能源供给需求,是发展这个块区联动的绿色氢能中心优势所在。
 
 
 
图表6:汉堡绿色氢能中心发展时间表(源自Vattenfall)
 
根据预算,仅莫尔堡制氢工厂的投资额就将高达3亿欧元。资金除来源于投资人,更多将来自联邦政府以及欧盟的拨款。未来几年,德国将投资90亿欧元发展绿氢经济。据Global Energy News 4月28日报道,该项目已于今年4月26日正式启动向“欧洲共同利益重要计划”(IPCEI) 递交资金申请计划。根据最终的投资决定和目前的规划状态,一旦工厂改造完成,预计将在2025年开始生产绿氢。
 
作为“汉堡氢能网络”中实现绿氢制取的“大本营”,其计划接入汉堡燃气网络公司(项目2)规划的汉堡港氢能工业网络(HH-WIN),通过氢能管道输气调控,以便形成气网块区行业分布式联动。
 
 
 
图表7:汉堡氢能网络产业链
 
截至目前,除十余家大工业天然气用户外,来自下萨州和石荷州的项目也希望接入汉堡港氢能工业网络,以便通过长距离管道和运输船码头向其气网输送绿色氢气。该网络管道计划在十年内扩建,到2030年总长度将达到60公里左右,并已在建设必要的分销基础设施(如加氢站等),以便为能源密集型的钢铁、铜铝、交通、物流等行业提供绿氢燃料。
 
钢铁领域,全球最大的钢铁企业安赛乐米塔尔(下称ArcelorMittal)(项目3)投入6500万欧元在德国汉堡进行氢气-直接还原(Hydrogen-DRI)技术炼钢示范项目,这也是全球首座氢气炼钢工厂。根据可用的氢气量,使用绿色氢气将生产出多达350万吨的钢铁。与当前的高炉路线相比,可以减排超过500万吨二氧化碳。
 
 
 
图表8:ArcelorMittal钢铁减排路径
 
ArcelorMittal宣布2020年能向客户提供首批绿色钢铁(约3万吨),并在未来几年内扩大规模(到2021年达到12万吨,到2022年达到60万吨)。ArcelorMittal计划欧洲业务到2030年降低30%排放目标,并在2050年实现净零碳排放。
 
航空领域,去年9月空客公司(项目4)详细发布了代号为“ZEROe”的3款零排放商用客机概念方案,均采用氢作为主要能源。而其在德国规模最大的企业,同时也是全世界三大飞机制造中心之一的空客工厂,就位于汉堡。
 
 
 
图表9:空客氢动力商用客机概念图
 
空客认为,电池技术的发展在未来很长一段时间内都无法满足客机商业运营需求,因此转而研究氢动力技术。氢的单位质量能量密度是传统航空煤油的3倍,但是单位体积的能量密度却要低得多。空客采用液氢,通过后压力舱壁后面的储罐进行储存和分配。按照空客公布的发展计划,新型氢动力客机将于2035年投入运营。
 
 
 
图表10:空客ZEROe氢动力商用客机
 
物流领域,汉堡港口与物流股份公司(项目5)计划在汉堡码头投入使用各类燃料电池驱动重型设备,如卡车、拖拉机、叉车、装卸机、吊车等。今年五月,戴姆勒和壳牌宣布签署协议。壳牌将从2024年起,在德国汉堡、科隆及荷兰鹿特丹港的绿色氢气生产中心之间建设重型卡车加氢站。
 
 
 
图表11:位于德国的壳牌加氢站
 
该计划旨在不断扩大氢动力货运走廊,到2025年该走廊将覆盖1200公里,并在2030年交付150个加氢站和大约5000辆载重能力为25吨的梅赛德斯奔驰重型氢燃料卡车。该卡车采用液态氢,配有两个氢燃料罐。据戴姆勒称,仅用一个氢能罐就足以为燃料电池重卡提供高达1000公里甚至更长的续航里程,以满足灵活且高要求的长途运输需求。戴姆勒计划2023年交付客户测试,2025年后开始量产该车型。
 
 
 
图表12:戴姆勒氢燃料电池概念卡车梅赛德斯奔驰GenH2
 
壳牌首席执行官Ben van Beurden 表示,氢能卡车更适合用于取代传统柴油动力。据戴姆勒集团规划,电能卡车负责较短途、中小型、市区内的运输,而氢能卡车则以长途、超长途、重型、城际间的运输作业为主。至于乘用车市场,戴姆勒集团已于 2020 年宣布停止乘用车的氢能开发计划,同时将资源专注于商用卡车、重车的氢能动力系统。
 
航运领域,HADAG(项目6)作为汉堡港公共客轮运营商,计划在其船队中使用无排放船舶,并逐步发展为环保船队。HADAG于2019年末宣布招标三艘使用插电式混合动力船,计划从柴油混合动力转换为氢混合动力。
 
 
 
图表13:HADAG概念新船舶
 
新船舶的概念是尽可能完全避免排放,特别是温室气体。所以在设计时,效率也是一个优先考虑的因素。为了减少能源消耗,新的HADAG渡轮长约33米。乘客在上船时不会直接进入内部或外部楼梯,而是首先进入一个大的外部甲板,乘客可以从那里分流,帮助旅客更快上下船,从而减少燃料消耗。目前HADAG计划再增加两艘全新氢混合动力船舶。
 
而在市政层面,汉堡港务局(项目7)通过氢港应用项目(Hydrogen Port Applications)为汉堡港公路、铁路和水路向低碳转变制定基建推动计划。一方面是为火车、卡车和船舶铺设加氢站,一方面是建造使用氢动力设备。其中Greenplug(项目8)提供船运低碳解决方案。
 
汉堡卫生局(项目9)则组建了能源回收中心(ZRE),希望通过汉堡废物制氢项目(Waste to Hydrogen for Hamburg),使用非物质残留物热回收发电。获得的电力将能通过电解产生绿氢,并为电动汽车的电池充电。
 
由此,从氢的制取,到实际存储、输送与应用,上述9个项目多头并进,以期实现以汉堡港为中心的跨行业、多方位联动的分布式“汉堡氢能网络”。这之中,德国对于传统燃煤电厂关停实行招标式渐进并加以资金扶持,传统燃煤电厂改造制氢,制氢、储运、加氢等各环节的商业模式建立以及政府与企业双向积极推动氢能发展等诸多细节,都对我国氢能转型有重要借鉴意义。
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