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我國氫能產業鏈現狀與發展趨勢

氫能日參發布時間:2023-10-23 11:12:45

  氫能產業鏈分別為上游制氫、中游儲運以及下游用氫。

  上游制氫工藝目前大部分還是通過化石能源作為原料制取的“灰氫”,但隨著清潔能源發電規模的提高以及技術的進步,通過電解水制取的“綠氫”將是未來主流的工藝方式。氫的儲運根據使用場景的不同,形成以長管拖車為主,液氫槽罐車、管道運輸為輔的多元化運輸體系。下游最主要的應用領域是氫能源汽車以及與之配套的加氫站等基礎設施,目前還處于快速發展階段。

  受頂層設計、政策利好驅動,氫能產業正穩步發展。預計未來 10 年內將形成完整氫能產業體系,構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。氫能最終將納入我國終端能源體系,對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。

  01 氫能技術的特點與戰略定位

  氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源,正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。國際可再生能源機構預計,在實現 1.5°目標情境下到 2050 年氫能產量達到 6.14 億噸/年,在總能源消耗中的占比達到 12%。

  (一)低碳環保,促進實現“雙碳目標”

  氫氣在氧氣中的燃燒化學方程式為:2H2+O2=2H2O,與其他化石能源的燃燒不同,氫氣燃燒不生成二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體,燃燒產物只有水,是世界上最清潔的能源之一。

  目前,我國每年的二氧化碳排放量在全球位列第一,2020 年為 98.93 億噸,2021 年為 105.23 億噸,2022 年的碳排量預計下降 0.9%,但也處于超過 100 億噸的高排放水平,高于位列二、三、四位國家碳排放量的總和。“雙碳” 目標的提出,意味著我國進入了高質量綠色發展的新階段,但我國的能源消費結構還較為依賴化石能源,原煤在能源消費結構中占比依然超過 50%,其他化石能源諸如石油、天然氣也分別占有較大的比重,為實現“雙碳”目標,如果沒有核心技術的創新,這個目標將難以實現。在我國當今的工業體系、生產模式下,通過“拉閘限電”等模式來減排是不現實的。

  氫能或將承擔這一歷史使命,氫能可以幫助人類脫碳、固碳,甚至實現負碳。對于終端用能來說,可以把氫作為主要能源,是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體,通過氫電互補體系實現工業用能領域二氧化碳排放量的減少。在交通等方面,以氫能代替柴油、汽油等能源,也可以實現減排甚至“零排”,對于促進實現“雙碳”目標具有重要作用。

  (二)熱值高、存在范圍廣泛,安全性高,未來在我國能源安全中或扮演重要角色

  氫氣的熱值為 143kj/g,約為甲烷(天然氣主要成分)的 2.4 倍,汽油的 3 倍,酒精的 3.9 倍,焦炭的 4.5 倍,是除核能以外熱值最高的燃料。并且氫元素存在廣泛,作為元素周期表排名第一位的元素,是宇宙中最豐富的元素,總質量占所有元素綜合的 75%之多,氫元素在自然界多大多以水的方式存在,取之不盡,用之不竭。

  除此之外,氫氣的安全性也相對較高。首先氫氣本身無毒無味,也不具有放射性,吸入少量氫,對人體沒有任何危害,甚至對人體有益。其次氫氣相對也不易爆炸,氫氣在開放的大氣中,很容易快速逃逸,而不像汽油蒸汽揮發后滯留在空氣中不易疏散,相對較為安全。

  我國因受“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦限制,高度依賴石油、天然氣的進口。目前全球貿易摩擦越演越烈、 俄烏沖突持續升級,在地緣政治與能源供應風險驟增的背景下,能源安全的重要性被提到了一個新的高度,因此,必須抓緊推動能源轉型,盡快實現技術突破,減少對外部能源以及傳統能源的依賴,“先立后破”,將能源安全的主動權掌握在自己手中,才能夠在動蕩的國際形勢下獨善其身,確保國民經濟平穩運行,未來,氫能或將是國家能源體系中的重要組成部分。

  (三)科技含量高,是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向

  理論上來說,液氫是氫能利用的最佳形態,它密度高,是標準狀態下氫氣密度的 850 倍,是 70MPa 高壓氫氣 1.8 倍。并且液氫易于點火,燃燒穩定且效率高,液氫的臨界壓力低,它高于熱容量,適合作為推力室中的再生冷卻器,各種動力循環方案適用,有利于發動機方案的優化和可靠性設計。但液氫的形成要求-253℃的低溫,這對制備、儲存、運輸等各個環節要求極其嚴苛。液氫的儲存和運輸一直是制約氫能源大規模應用的瓶頸。之前,國內液氫主要用于航天等尖端領域,很難進入民用領域,較難形成大規模商業化。

  未來,氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向,突破氫能核心技術和關鍵材料瓶頸,加速產業升級壯大,可實現產業鏈良性循環和創新發展。

  02 我國氫能產業鏈現狀

  (一)氫能產業鏈概況

  我國目前是世界上最大的制氫國,年制氫產量約 3300 萬噸,其中,達到工業氫氣質量標準的約 1200 萬噸。另外,我國可再生能源裝機量全球位列第一,在低碳清潔的氫能供給上具有巨大潛力。

  目前,國內氫能產業呈現積極發展態勢,已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統集成等主要技術和生產工藝,在部分區域實現燃料電池汽車小規模示范應用。

  全產業鏈規模以上工業企業超過 300 家,集中分布在長三角、粵港澳大灣區、京津冀等區域。

  氫能產業鏈分別為上游制氫企業、中游儲運商以及下游用氫企業,包括加氫站的建設運營商,氫能源汽車是目前我國氫能應用最主要的領域,或也是未來氫能產業最重要的應用發展方向。

  2022 年 11 月 16 日,第二屆氫能國際(中國·南海)主題峰會在線上舉行。在會上發布了 2022 全球氫能企業 TOP100 榜單,評分方式主要采用定性分析 和定量分析相結合的方法進行研究,最終評選出國外50家氫能、國內50家氫能企業進入“2022全球氫能企業TOP100” 榜單。

  (二)上游:化石能源制氫方式為主

  目前氫氣的生產方式主要分為三種,分別為化石燃料制氫、工業副產制氫和電解水制氫?;剂现茪渲饕?以煤炭為還原劑水蒸氣為氧化劑,在高溫下將碳轉化為 CO 和 H2為主的合成氣,然后經過煤氣凈化、CO 轉化以及 H2提純等主要生產環節,最終生成氫氣。工業副產制氫是指在生產過程中,利用富含氫氣的終端廢棄物或副產物作為原材料,采用變壓吸附法(PSA)回收提純制取氫氣。電解水制氫,顧名思義是通過對加入電解液的水通電,分解成為氫氣和氧氣。

  根據生產工藝的不同,可以把氫氣分為“灰氫”“藍氫”“綠氫”,灰氫指的是以化石能源為原料,通過燃燒或重整等方式制取的氫氣,灰氫制取成本相對較低,但在整個工藝流程中碳排放量較高,不利于“雙碳”目標的實現。

  藍氫是指在生產過程中使用了碳捕集、利用與封存(CCUS)等先進技術制成的氫氣,該技術可捕獲溫室氣體,能夠減少生產過程中的碳排放量。綠氫則是通過清潔能源發電,電解水制成的氫氣。電解水制氫的技術裝備簡單,工藝流程也較為穩定,在生產過程中幾乎沒有碳排放,但是缺點是成本較高,單位成本約為灰氫的 4-5 倍,這也是目前電解水制氫發展的最大瓶頸。

  目前全球主流的制氫方式是甲烷水蒸氣催化重整工藝(SMR),SMR 是指在一定的反應條件下, 使用催化劑促使甲烷的 C-H 鍵斷裂,并重新組合生成新的化學鍵過程,具有工藝簡單、成熟等優點,但我國因資源稟賦的特點,仍以煤制氫的方式為主,相較于 SMR 工藝排放的二氧化碳更多,而電解水低碳環保的制氫方式我國和全球其他國 家占比都不到 1%。

  (三)儲運:長管拖車為主,液氫槽罐車、管道運輸為輔多種方式齊頭并進

  根據氫的存在形態不同,儲存主要也分為三種方式,分別為氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫。氣態儲存是目前最為常見的儲存方式,具有成本低、充放速度快、能耗低、可在常溫操作等優點,但缺點也很明顯,氣態氫密度低, 會導致儲存體積過大,增加運輸難度,并且也存在儲氫容器氫氣泄漏和爆炸等安全隱患。液氫相比對氣態氫氣,具有能量密度大、體積小、加注便捷等優點,然而轉化液氫的成本較高,對絕熱的要求高,目前還主要用于航天和軍事領域。固態氫理論上來說是最為理想,具有安全性好、密度更大、純度高、運輸便利等優點,但是目前還存于技術的研發階段,并且使用起來對于工況的要求較為苛刻,未來隨著科技與技術的進步,將會有更多商業化的應用。

  運輸方面,最佳的氫運輸方式應根據運輸距離、運輸規模等多因素進行考量而后進行選擇。例如運輸場景為小規模、短距離時,高壓氣態長管拖車就是最為經濟的運輸方式,一旦運輸距離上升,就會隨著車輛的使用成本與維護成本的上升而變得不再經濟。長距離、點對點、超大規模的氫氣運輸可使用管道運輸,但運輸管道前期投入成本 較高,且建設難度大,目前還沒有實現規?;陌l展和應用,當前,我國純氫管道建設處于起步階段,規模較小,總里程約 400 公里,主要分布在環渤海灣、長江三角洲等區域,已建項目以化工園區內應用為主。大規模、中長距離的運輸可將氫氣液化后運輸液氫,液氫體積小、穩定性高,便于運輸,并且可以進行海運。

  (四)下游:氫能源汽車發展未來可期

  目前我國氫能應用最主要的領域是氫能源汽車以及與之配套的加氫站等配套基礎設施。

  相比于傳統的燃油車,氫能源車可實現真正的零排放無污染,相比于電動汽車,氫能源車在補能時間上有巨大的優勢,一次補充燃料僅需要幾分鐘,與燃油車所需時間持平。并且,氫能源汽車還具有能量轉換效率高、續航里程長等優勢。然而,因目前氫能源汽車成本較高,以及相關技術還不夠成熟,且與之配套的基礎設施建設不完善等原因,民眾使用起來并不方便,導致購買意愿不強烈,氫能源汽車在我國還沒有得到大范圍的應用。

  截至 2021 年 12 月,我國累計推廣氫燃料電池汽車 8941 輛,累計建成加氫站 205 座,其中,廣東、山東、浙江、江蘇等地區加氫站建設走在全國前列,已分別建成加氫站 45 座、22 座、19 座和 19 座。湖北、河南、河北等地也在加快推進加氫站建設。

  為了促進氫能源汽車的快速發展,多地在與之配套的基礎設施方面都提出了要求和支持措施,以北京市為例, 2022 年北京市政府發布了《北京市氫燃料電池汽車車用加氫站發展規劃(2021—2025 年)》,提出到 2025 年,建設加氫站 74 座,在制氫廠氫氣制備規模充分、運氫車投運數量充足的前提下,日加氫總能力達到 148 噸以上,滿 足 126 噸/日的車用氫能需求。

  03 我國氫能產業未來展望

  總體來看,我國氫能產業從制氫-儲運-應用,已經初步形成較完整的產業鏈條。受頂層設計、政策利好驅動,氫能產業正穩步發展。

  預計未來 10 年內將形成完整氫能產業體系,構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。

  制氫方面,為實現“雙碳”目標,優化我國能源消費結構,《規劃》中提出未來要構建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系,重點發展可再生能源制氫,嚴格控制化石能源制氫。由此可見,通過可再生能源發電電解水制取的綠氫,一定是我國未來的主流制氫方式。

  綠氫的生產成本主要由用電成本與設備成本構成,因此大力發展清潔能源發電方式,降低度電價格,以及優化電解槽技術,是我國實現規?;?、工業化制氫的關鍵。

  目前,國家能源集團、國家電投、明陽智能(15.190, 0.28, 1.88%)等多家發電企業與新能源企業布局“風、光、儲、氫”一體化項目,實現一體耦合、風光帶氫、氫促風光、產融結合的深度協同。綠氫取代灰氫,將成為我國以及全球氫能產業的發展趨勢。

  儲運方面,預計未來,我國氫的運輸還是以高壓氣態長管拖車的方式為主,管道運輸為輔的運輸方式,同時積極研發固態、深冷高壓、有機液體等儲運方式,形成高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運體系。

  用氫方面,我國推廣氫燃料汽車之路仍任重道遠、前路艱辛,但氫燃料汽車遠景美好未來可期是毋容置疑的。相信未來隨著技術的進步,氫能源汽車面臨的技術瓶頸將會得到解決,隨著基礎設施的完善,成本也會逐漸降低,氫能源汽車或有一天走進尋常百姓的生活。

  相信氫能最終將納入我國終端能源體系,與電力協同互補,共同成為我國終端能源體系的消費主體,對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。


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