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能源转型大势下的氢能产业新角色

氢能作为二次能源,具有来源广泛、终端低碳、应用场景丰富等优点。近年来应对气候变化成为全球共识,能源低碳转型任务日益紧迫,主要经济体高度重视氢能产

氢能作为二次能源,具有来源广泛、终端低碳、应用场景丰富等优点。近年来应对气候变化成为全球共识,能源低碳转型任务日益紧迫,主要经济体高度重视氢能产业布局,已有20多个国家发布或制定了氢能战略,谋划占领科技制高点,抢抓氢能发展先机。中国提出“双碳”目标以来,氢能产业被赋予新的历史使命,未来将助力实现工业、交通、建筑和发电部门等难减排领域的深度脱碳,成为非化石能源有效接替化石能源的关键“助手”。

能源低碳转型为氢能发展创造新机遇

近年来,全球极端气候事件发生频率增加、强度增大,气候问题成为后疫情时代全球共同关注的核心议题。自《巴黎协定》生效以来,已有数十个国家或地区以立法或政策宣示方式明确提出了碳中和目标,所涉及碳排放总量超过全球四分之三。全球能源转型步伐加快,主要国家非常重视氢能发展,为培育氢能产业提供新契机。

1.1氢能推动“碳中和”目标下能源转型由量变到质变

到本世纪中叶,全球能源行业发展态势将经历“两缩减、双超越”深刻变化。一是煤炭消费正步入平台期,在能源消费中的比重将持续下降,2060 年占比或将降至约5%。二是石油消费在2025-2026年进入平台期,之后虽仍为主导能源,但增速逐步放缓、占比下降,预计2060年需求规模较目前减少50%。三是天然气将在2025年前后超越煤炭成为第二大能源,2040年前后超越石油成为第一大化石能源。四是非化石能源正超越化石能源成为满足需求增长主力军,将在2045年前实现消费总量超越,2060年在能源消费总量中占比达70%左右甚至更高。

中国能源消费将呈现“两达峰、双赶超”显著特征。总体判断,中国能源消费总量将在2035年前达峰;碳排放总量将于2030年前达峰,届时排放强度比目前减少40%左右;2050年碳排放规模降至目前40%左右。分品种看,煤炭消费已进入平台期,石油消费将在2026年前后达峰,天然气消费则在2040年前后达峰。非化石能源消费量和比重快速提升,2025年占比超越石油成为第二大能源品种,2030年达到约25%,2037年左右占比超越煤炭成第一大能源品种,2060年占比超过80%。

无论全球还是中国的新一轮能源革命中,氢能均被认为是全球迈向碳中和时代,推动能源结构调整、产业转型升级和实现可持续发展的关键之一。绿色氢能多来自低碳足迹的可再生能源,通过代替高碳化石燃料可最大限度减少二氧化碳排放;扩大绿氢利用规模有利于促进可再生能源的开发利用;此外,绿氢还可作为新型储能载体帮助可再生能源实现跨地区、跨季节储运和利用,进一步提高现代能源系统韧性。

1.2 氢能将在构建深度脱碳能源新体系中发挥重要作用

随着全球能源体系从目前以化石能源为主体的传统体系向以非化石能源为主体的绿色低碳安全高效新体系转变,氢能可发挥其与化石能源和其他非化石能源的耦合作用,形成独特优势。预计2060年全球化石和非化石能源消费结构将从目前84%:16%转变为30%:70%。非化石能源将迎来突飞猛进的发展黄金期,风能和太阳能则成为主力军。

非化石能源尽管近年来发展势头迅猛,但由于部分能源品种,特别是风能和太阳能利用以波动性、间歇性电力为主的特点,使其无法完全接替化石能源高品位供热、稳定供电和基础原料的角色。

氢能作为二次能源,特别是基于新能源电力制得的绿氢,可在高品位供热、基础原料等方面发挥自身独特优势,成为深度替代化石能源的优秀代言者,并助力非化石能源解锁新的应用领域。换言之,氢能将既可助力降低化石能源占比,又可为非化石能源打开消费增长新空间,促进非化石能源占比上升;不仅能承担高品位供热、稳定供电的角色,还可与化石能源及其碳排深度耦合,担当绿色原料角色。

1.3 氢能将在中国“双碳”目标路径中发挥重要作用

中国是碳排放大国,碳减排压力大。煤炭是碳排放主要能源品种,电力、工业和交通是碳排放主要部门,超过一半的碳排放量来自电力和热力供应。根据测算并结合多家机构判断,我国从碳达峰到实现碳中和,短短三十年CO2年均减排增幅规模需达3亿吨,与英国目前一年的CO2排放量相当。

就碳减排路径而言,主要包括工业部门淘汰落后产能和节能减排、电力部门脱碳、终端部门电气化、发展低碳燃料及林业碳汇等。氢能特别是绿氢,在除林业碳汇以外的近乎所有重点减碳领域均能发挥作用;到2060年提供十亿吨级碳减排解决方案,届时将发挥减碳关键作用。

在碳达峰碳中和进程中,绿氢发挥的主要作用将是“一主力三助力”,一个主力就是绿氢将承担工业深度脱碳重任,是这一领域的主力军;三个助力就是绿氢将在零碳交通、零碳建筑和零碳电力体系建设中起到关键助力和支撑作用,与绿色电力等一道提供碳中和解决方案。

突破产业发展瓶颈,实现绿氢规模化发展

现阶段氢能产业总体上仍处于导入期,部分甚至处于探索阶段,尚难以有力支撑能源转型需要。中国“双碳”目标的提出将能源转型提升到更高层次,赋予氢能产业新的使命与担当。

2.1以低碳化补齐产业发展短板,供需两端共同发力打开绿氢消费新空间

2.1.1工业用氢目前碳排强度大,尚不足以支撑“双碳”目标要求

目前,全球氢能主要用于工业部门。除工业外,氢能在其他部门的应用尚处于导入期,市场规模较小。工业领域制氢用氢的高碳排问题突出,制氢原料仍以化石能源为主。全球层面,据IEA统计数据显示,2020年氢气产量约1.2亿吨。其中化石能源制氢占比60%,年消耗2千多亿方天然气和1.6亿吨煤炭,年排放CO2达9亿吨,碳排放强度约12 kgCO2/kgH2;而绿氢规模不足百万吨,占比不到1%。

中国层面,2020年氢气产量约3千万吨。其中化石能源制氢占比近80%,且以煤制氢为主,碳排放强度更高,按原料消耗约15kgCO2/kgH2,如再加上燃动消耗,将超过20kgCO2/kgH2。碳中和目标下,中国氢能产业需要立足国情“先立后破”,在安全可靠的替代基础上,推动煤炭和新能源优化组合,逐步降低工业制氢的碳排放强度,同时加大绿氢资源的开发力度,有效降低低碳足迹氢的利用成本,拓展应用领域,当好低碳转型桥梁。

2.1.2绿氢产业发展处于起步阶段,尚需突破技术和商业模式创新瓶颈

无论是全球还是中国,绿氢产业发展均处于起步阶段,需要突破资源、效率和规模等重要瓶颈。

就中国而言,一是绿电资源丰富的地区多远离氢气消费中心,绿氢资源供给不足;二是绿电制氢及储运环节受技术发展等因素制约,产业链效率有待提升;三是氢能基础设施体系尚未完善,绿氢在工业和交通等领域的应用规模尚小。绿氢产业发展仍面临不平衡、不充分和不经济的问题,如上游电解水制氢装置规模偏小,下游氢燃料电池汽车产销量较低,面向工业部门深度脱碳的氢基碳中和解决方案尚未成熟,连接生产和消费之间的氢储运环节成本较高。为此,需要通过资源耦合和产业耦合,逐步化解氢能产业发展遇到的难题。

资源耦合夯实绿氢发展基础。根据我国不同地区的资源禀赋,如三北地区的风光资源,西南地区的水电资源,东部沿海地区的风电和核能等,开发部署适合的绿氢制取工艺。目前,部分新工艺路线像质子交换膜电解槽制氢、固体氧化物电解槽制氢以及核能制氢等,仍处于规模化部署前的创新阶段,需要攻克实验、工程和应用难题。

产业耦合打开绿氢发展空间。通过将绿氢发展与能源消费部门的深度脱碳目标耦合,探索形成以绿氢为基础的工业、交通、建筑和电力部门减碳新路径。包括绿氢作为原料或燃料,用于工业部门的钢铁、炼油、化工生产环节,用于交通部门的陆海空运输环节,用于民用和商用部门的热电联产,以及在发电部门参与储能和灵活调峰服务。领先企业 正在通过技术进步,实现绿氢与这些应用场景的深度耦合,打造成功的商业模式,为绿氢创造良好的发展前景。

2.1.3供给侧大力发展绿氢制备,推动能源低碳转型

从供给侧看,“30·60”目标约束下,工业灰氢必须向蓝氢转变或逐步退出市场,绿氢逐步成为核心氢源,实现低碳发展。从目前到2030年前碳达峰阶段,通过现有氢能生产的低碳转型,在增量上减少对高碳化石能源依赖,更多采用天然气制氢、低碳足迹的工业副产氢。从目前的少量绿电制氢,到2030年实现绿氢规模达到百万吨级,届时灰氢生产消费达到峰值。

从2030年碳达峰到2060年碳中和时期,预计可分为三个阶段。一是从2030年到2040年,氢能供应增量主要依靠蓝氢和绿氢,存量煤制氢产能或配备CCS、或改天然气制氢或直接退出,期末绿氢规模可达2千万吨级。二是从2040年到2050年,氢能供应增量大部分依靠绿氢,存量灰氢产能加快去碳步伐,包括煤制氢的完全退出,天然气制氢基本配置CCS等方式,期末绿氢年供应规模达6千万吨级。三是从2050年到2060年,氢能供应增量全部依靠绿氢,存量灰氢全部去碳(配备CCS)或退出,期末绿氢规模预计达1亿吨级,详见表1。

     

2.1.4消费侧扩大绿氢应用场景,助力双碳目标落地

消费侧,氢能产业将以工业领域为应用场景基点,向交通、建筑和发电领域拓展,行业企业将加大创新力度,贡献“零碳”“负碳”解决方案。一是推动扩大工业用氢及低碳化,在冶金、煤化工、石化等领域形成氢基碳中和解决方案。二是在交通、建筑、发电等领域降低氢能成本,扩大消费规模。

从表2可知,从目前到2030年前碳达峰,工业灰氢消费达峰下行,交通用氢占比突破3%。从2030年碳达峰到2060年碳中和时期,同样可分为三个阶段:

一是从2030年到2040年,工业用低碳足迹氢超百万吨,交通用氢占比突破10%。基于绿氢的CO2减排潜力突破2亿吨级。

二是从2040年到2050年,工业用低碳足迹氢超千万吨,交通用氢突破30%,建筑和发电用氢超百万吨级。

三是从2050年到2060年,工业用氢占比降至50%以下,且全部为低碳足迹氢;交通用氢占比稳居30%以上;其他为建筑和发电用氢。就全国而言,基于绿氢的CO2减排潜力预计可达10亿吨。届时,氢能占能源终端消费的比重有望达到15%。

   

2.2以技术进步加快绿氢规模化发展步伐

绿氢发展目前面临的主要瓶颈有:绿电绿氢成本较高,氢储运设施很不完善,绿氢项目推广应用受技术经济性制约。因此,绿氢规模化发展需从供给侧和消费侧双向发力。

供给侧,以技术进步推动绿氢制备规模化。“电氢一体”成为发展绿氢的重要路径。大型风光发电与电解水制氢一体建设和协同开发,有利于加快技术突破和提高能效。行业企业要联合攻克绿氢产业发展的关键瓶颈。一是可再生能源发电,以技术进步推动光伏组件转换效率提升,推动风机大型化降低成本;二是电解水制氢,推动开发低成本高效制氢技术,主要是从目前的以碱性水电解槽为主向质子交换膜水电解槽等方向发展。

绿氢相对灰氢的竞争力将不断提升,2025年前后在部分资源条件优越的地区,绿氢工业项目将有望与灰氢开展直接竞争。一方面,风光发电的技术进步带来绿电成本降低,例如光伏组件效率提升、风机大型化等,进而推动绿氢成本下降。另一方面,碳价走高增加化石能源制氢成本。据国际能源署预测,2050年全球绿氢成本将比目前下降80%。其中电解槽成本和用电成本“双降”贡献最大,分别提供37%和30%的降幅;其他包括系统效率、制氢装置运行小时数、电解槽使用寿命的提高以及资 金成本的降低将贡献13%降幅。到2050年绿氢平均生产成本将从目前约4.8美元/kgH2降至1美元/kgH2甚至更低。我国的成本降幅预计将更大。

消费侧,氢能在冶金行业的新应用,如氢气直接还原铁、高炉富氢冶炼、氢等离子体熔融还原炼铁等,以及氢能在化工行业的新应用,如绿氢与二氧化碳制甲醇或合成气等,这些新技术的开发部 署,将会开拓绿氢在工业部门新领域的应用;而燃料电池应用成本的下降也将推动氢能加快在交通、建筑和发电等领域的应用步伐。根据彭博新能源财经数据显示,未来十年全球燃料电池的系统成本有望下降50%以上,使用寿命有望增长1.5倍,推动氢能在交通领域竞争力不断提升,与电动汽车一起在交通领域扩大应用,提供低碳解决方案。

增强跨界协同,共建绿氢新生态

面向未来,氢能产业的健康发展需要加强“政产学研金”产业链协同,多措并举构建绿氢新生态。

3.1加强政府规划与行业引导,营造良好发展环境

政府层面,建议及时出台氢能中长期规划,明确战略目标和发展愿景,出台系统性引导和支持政策,破解体制机制障碍,引领产业高质量发展。行业层面,为更好推动国家“双碳”目标落地,建议扩大氢能联盟协作圈,由行业领先企业共同协作,攻关氢能“制储运用”关键技术,培育市场。

3.2推动工业、交通等关键部门的用氢低碳发展

工业部门碳减排难度较大,特别在重化工领域。积极推进灰氢配套CCS和非化石能源制绿氢先导示范,打通“灰氢—CCS—蓝氢”和“绿电—绿氢”产业链,实现灰氢低碳转型、绿氢规模发展,形成工业级CCS、绿电制氢、氢气储存、绿氢碳中和创新解决方案。

交通部门完善氢能交通布局。氢能汽车与电动汽车是零碳交通重要发展方向。打通交通绿氢的经济制取、经济储运、经济加注三大环节,包括积极建设低碳供氢中心,开发供氢母站、分布式制氢、低成本储运等关键核心技术并推进产业化等。探索在陆路、水路和航空运输领域开展氢能交通商业示范。

电力部门打造能源储备能力。低成本规模化储能技术是高比例波动性可再生电力系统实现稳定运行的关键。氢储能技术在电能储存的规模和时长方面,相对电池储能和抽水蓄能等具有一定优势。在条件适合情况下,利用可再生能源弃电,通过电解水转化为氢能,可实现电力的长周期储存,在需要时能以电力辅助服务方式,提供灵活调峰服务。

建筑部门(也称民用/商用部门)碳排放源相对分散,难以进行集中性碳捕捉。未来,将更多使用源头治理方式控制碳排。“绿氢”与天然气掺氢、“绿氢”与建筑用氢燃料电池等技术组合,有望提供低碳解决方案。

3.3加大科技投入有效支撑

围绕产业链部署创新链,以科技研发支撑产业发展。推动建设氢能国家实验室,开展关键技术、核心装备及重要材料攻关。建立完善氢能相关标准体系,特别是安全标准体系。加强领先伙伴协作创新,引导氢能产业高质量发展。构建氢能产业链自主核心技术体系和标准体系,坚持重点突出、问题导向和分步实施原则,打通关键卡点堵点。针对氢能绿色制取和规模转存体系、氢能安全储存与输配体系、氢能改质与高效动力系统等开展科技攻关。

3.4推动氢能产融互促发展

“以产促融,以融促产”,依托产业资本和金融力量助力氢能产业链发展,在电氢一体化、绿氢项目开发、氢能供销、氢能科创等领域加大投入力度,分散风险、降低成本,扩大协同效应。支持国家或产业基金参与氢能先导示范项目建设,提供绿色融资服务。为工业级绿氢项目提供绿证交易等便利化服务,有效扩大绿电资源供应。引导金融机构加大对领先氢能科创企业的扶持力度,积极支持氢能科创企业上市发展。

展望未来,氢能产业的高质量发展需要建设两大基石,一是供给侧的氢能生产减碳降本,低碳化、低成本化和多源化是发展关键;二是消费侧的氢能应用多元高效,工业原料、工业燃料、交通燃料、电力燃料、建筑燃料和其他领域将构成主要应用方向。

未来10~15年将是绿氢产业从培育期走向商业化初期的关键阶段,绿电绿氢一体化生产、氢能基础设施和氢基碳中和解决方案等将逐步走向成熟;再用15年时间,绿色氢能在主要应用领域都将实现规模化部署。只要氢能产业链各个环节坚持协作攻关和持续创新,推动氢能在我国的能源转型进程中发挥关键“助手”作用,就能打开非化石能源发展新空间,迎接氢经济的到来。

(图片来源:veer图库) 

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