國內氫能應用場景分析及發展前景預測

王 明 華

(國能經濟技術研究院有限責任公司，北京 102211)

氫能作為二次能源,在軍事、航天等領域應用廣泛而成熟。但在民用領域,各國的研究熱度時有起伏,雖然20世紀70年代已有國家提出“氫經濟”的概念,卻始終未踏入商業化應用門檻。自2015年巴黎協定簽署以來,全球節能減排的壓力越發嚴峻,減少對化石能源的依賴并大力發展清潔能源的訴求愈加高漲。在以氣候變化和“雙碳”戰略目標的大背景下,氫能再次成為關注焦點,進入發展“快車道”。與以往伴隨石油價格高漲而形成氫能研究熱潮不同,新一輪氫能產業的快速發展有3個全新的動力:氫能產業的相關技術已進入成熟期;新能源高速發展為綠氫來源提供保障;難以脫碳行業實現碳中和的可選路徑。它們的出現,很可能推動氫能正式進入商業化應用領域并形成規模化產業。

1 氫能的應用場景分析

氫能行業的發展,底層邏輯就是氫能能夠成為難以脫碳行業實現碳中和的重要解決方案之一,要突破氫能產業發展的瓶頸,最重要的就是體現在終端應用實現二氧化碳減排的潛力上。由于氫氣既是一種燃料,也是一種原料,氫能應用場景十分廣泛,按照終端能源消費形式分為四大類——交通、工業、建筑和電力,都有氫能的應用場景[1-2]。尤其是在難以脫碳的工業領域,包括氫煉鋼、煉油、合成氨、煤制甲醇/乙二醇、工業燃料等;在建筑領域,包括天然氣管網摻氫、家庭熱電聯供、集中式冷熱電三聯供等;在交通領域,包括商用車、乘用車、有軌電車、船舶、飛機等;在電力領域,包括氫燃料電池電站、燃氫輪機電廠、燃煤摻氨電廠等。圖1所示為氫能在終端能源消費中的主要應用方向。目前來看,交通領域是氫能和燃料電池下游應用市場發展的突破口,隨著碳中和戰略的深入,氫能產業正快速向工業、建筑和電力領域拓展。

圖1 氫能在終端能源消費中的主要應用方向

1.1 氫能是交通領域多元發展的動力源

氫能應用到交通領域的核心設備是氫燃料電池,是將氫氣的化學能轉化成電能。早期燃料電池的應用主要集中在航空航天等特殊領域,且技術已相對成熟[3]。受益于各國政策的支持,氫燃料電池汽車在技術上取得較大突破,以豐田、現代等為代表的氫燃料電池乘用車在全世界銷售,而氫燃料電池商用車在我國發展得更是如火如荼。但在與燃油車甚至電動車的商業競爭中,氫燃料電池車完全依靠自身力量來取得優勢是十分困難的,需要借助不同的場景進行差異化布局。譬如,以工程車、公交車、重卡等商用車為切入口,率先示范,是符合中國國情的氫能發展路線。

截至2022年底,我國在運加氫站295座,約占全球數量的40%,加氫站數量位居世界第一。氫燃料電池汽車保有量為11 033輛,我國成為全球最大的燃料電池商用車市場,如圖2所示。

圖2 中國氫燃料電池車產銷量

1.2 氫能是工業領域零碳發展的原料倉

氫能可以促進傳統化石能源的轉型升級,由燃料向原料徹底轉變。氫氣不僅可以作為反應物生產合成氨用于化肥,還能夠作為還原劑用于煉鋼;最關鍵的是,可以將化石能源中的碳與新能源制取的氫相結合,形成碳一化學的基本原料一氧化碳和氫氣,生產基本的化工原料或產品[4],并實現二氧化碳零排放,如圖3所示。

圖3 氫能在石油化工和煤化工中的基礎原料作用

從消費端看,作為化工原料,合成氨、合成甲醇、石油煉制是氫氣前三大用途,煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇、煤制乙醇也消耗原料氫氣;作為燃料,主要是煉焦過程產生的焦爐煤氣,部分為焦爐自身加熱提供熱能。結合氫能現有的應用場景,以2021年國內石油化工和煤化工行業的實際年產量,包括合成氨、合成甲醇、石油煉制與化工、煤制油、煤制氣、煤制乙二醇以及煉焦,根據理論耗氫量,計算出2021年在現有工業領域應用的氫氣消費量為37.90 Mt,如表1所示。

表1 氫氣作為化工原料和燃料在國內傳統行業的應用規模

1.3 氫能是電力領域新能源高比例發展的調制解調器

新能源的高速發展為氫能的發展提供了前所未有的新機遇。隨著新能源制氫成本的不斷下降,以及環境治理和二氧化碳排放成本的增加,化石能源制氫和工業副產氫的競爭力將變弱,氫能將逐步過渡到由新能源電解水制氫。氫能作為能源媒介,可實現大規模儲能,促進新能源在電源結構中更高比例的發展;在未來燃煤火電機組作為備用容量難以滿足電網的調峰需求時,此時響應速度快、功率負荷調節范圍寬的燃氫電廠又可成為優質電源點[5],增強電力系統靈活性。

1.4 氫燃料電池熱電聯供是建筑領域的有效模式

燃料電池熱電聯供是指利用燃料電池發電技術實現向用戶供給電能和熱能的一種能源供給技術,能源綜合利用效率可達80%以上。目前全球范圍燃料電池技術路線以及應用在熱電聯供領域主要以質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)為主。從全球發展情況看,日本、美國、韓國和歐洲在燃料電池熱電聯供領域從技術和應用方面均處于世界領先地位。我國燃料電池技術、尤其是SOFC技術和應用與國外差距相對較大;在國家政策支持和相關企業的積極推動下,燃料電池熱電聯產已實現了小規模示范應用。

2 氫能行業近中期發展趨勢預測分析

從近中期看,國內氫能需求格局基本不變,還是以煤化工和石油化工行業為主。氫能供應上,綠氫替代灰氫的規模將不斷增加,主要應用場景是合成氨、石油化工、氫燃料電池汽車和氫燃料電池熱電聯供。氫煉鋼也將有一定規模的示范,但主要基于藍氫,來源于其自身煉焦副產的焦爐煤氣。

2.1 氫能應用于交通領域熱度持續,目標更加聚焦

(1)加氫站數量不斷上升,以油氫合建等綜合服務站為主。通過梳理省級“十四五”規劃對于氫能產業的指導意見,具體提出截至2025年加氫站建設目標的省份有18個,合計數量達到951座,如圖4所示。綜合一些重點省份并未提出具體的目標,預測到2025年基本能夠實現1 000座加氫站的整體目標。

(2)氫燃料電池汽車由導入期進入成長期,重點聚焦在客車及貨車領域,乘用車較少。燃料電池技術的發展進步,將使氫能可以廣泛應用于道路交通、船舶、鐵路、航空等各種交通領域。目前國內氫燃料電池汽車仍以示范城市群項目為主,處于導入期。展望“十四五”期間,國內氫能源車有望進入量產階段,結合各地方政府的氫能規劃,提出具體推廣應用氫燃料電池汽車目標的有15個省市,合計達到7.38萬輛,如圖5所示。綜合研判,基本能夠實現《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》提出的2025年全國燃料電池車總保有量為5萬輛的目標,預計這些車輛每年消耗氫氣量在200 kt的量級。2025年之后有望開啟商業化應用階段,進入成長期,燃料電池車在2030年有望達到20萬輛的規模。

圖5 部分省份截至2025年的氫燃料電池汽車保有量發展目標

2.2 綠氫將逐步滲透到工業領域,助力重點行業碳減排

(1)合成氨是綠氫下游應用的重點方向。在碳減排和新能源消納雙重壓力下,結合氨運輸的便捷性和應用的廣泛性,綠氫合成氨(綠氨)將對煤制合成氨(灰氨)帶來挑戰,不僅助力合成氨工業碳減排,且綠氨作為載氫體,將拓展氨作為化工原料的傳統下游市場,帶來新的增量。故“十四五”期間,合成氨是綠氫下游應用的重點突圍行業,在風、光資源豐富的內蒙古、河北、吉林地區,已經有多個綠氨項目在規劃實施,預測2025年末實現綠氨產能2.0 Mt。

(2)綠氫耦合煤化工和煉化試點示范為主。“綠電-綠氫-煤化工”和“綠電-綠氫-煉化”一體化,綠電替代化石能源發電、中低位熱能供熱,綠氫替代化石能源制氫、作燃料用于高位熱能供熱,都將助力石化行業全面實現低碳化發展和綠色轉型升級。但新能源制氫成本高,且煤化工和煉化項目耗氫規模極大,綠氫項目難以與之完全匹配。故“十四五”期間,綠電、綠氫在石化領域的應用將是以相對小規模項目的試點示范為主,重點任務是打通以綠電、綠氫為主的工藝流程。

(3)氫能煉鋼技術有待持續突破。煉鋼是基于鐵礦石還原得到生鐵,氫氣和一氧化碳都具有還原性,但使用氫氣不產生二氧化碳,在碳中和戰略下,氫能煉鋼應運而生;但不同于一氧化碳還原放熱,氫還原鐵是吸熱反應,所以不論是反應原理還是工藝流程都需要再造,技術有待持續突破。目前在全球范圍內,氫能煉鋼也都是處于中試等研究狀態。故“十四五”期間,氫能煉鋼將處于技術突破、技術示范階段。

2.3 新能源制氫-儲氫-氫能發電模式初步開啟,氫燃料電池熱電聯供是建筑領域減碳的有效模式

《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》中提出要因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯供設施。北京、浙江、四川和遼寧等省市均制定了具體的目標和要求,在政策的推動下,我國燃料電池熱電聯供示范項目也在有序展開,多個項目建成投產,項目主要集中于熱電負荷比較穩定的工業園區和商建樓宇的小規模應用。

2.4 2030年前后,氫能供給中綠氫成本有望實現平價

隨著新能源發電成本逐步下降、電解水制氫技術和商業模式的逐步成熟,考慮化石能源碳捕集、利用和封存(CCUS)的成本,預計2030年前后,新能源電解水制氫成本或開始與化石能源制氫相匹敵,綠氫的成本有望實現平價。再綜合上述應用場景需求,氫能的增量將主要由新能源制綠氫提供,且規模不斷增大,產量顯著增長,2025年綠氫產量將達到0.6 Mt/a,2030年綠氫產量將達到3.0 Mt/a,主要應用在交通領域和合成氨工業。氫能產業由導入期進入成長期,到2030年,我國將構建起涵蓋交通、工業、電力等領域的多元氫能應用生態。

3 氫能行業中長期展望預測分析

本研究建立的中長期能源展望模型考慮如下兩個因素:一是通過運用能源系統量化模型,從碳中和大能源視角,推演出氫能產業中長期的發展趨勢以及在整個能源系統中的地位;二是通過電力電量平衡分析,論證氫能產業在中遠期大規模發展的可行性。

在預測過程中,為了測算氫能在應用端的數量關系,依據當前行業整體情況及發展趨勢,對氫能在不同應用領域的用氫量進行了對標分析。隨著新能源電力成本下降和氫能技術體系成熟,綠氫消費領域和規模從交通領域不斷擴大,逐步推進推動化工和冶金等傳統工業領域通過綠氫替代實現低碳轉型,助力我國減碳難度較大的傳統工業領域實現科技引領下的體系重構。

對于乘用車和商用車,單臺車輛氫氣年消耗量均十分有限,只有燃料電池汽車發展到一定數量,用氫量才能形成規模,故燃料電池汽車-運氫/加氫基礎設施-氫量三者之間需要做好規劃,優化“氫源”與“氫匯”的布局,才能穩步推進燃料電池汽車行業的發展。對于合成氨、煤化工、石油化工、煉鋼等工業化項目,單個項目消耗的氫氣量非常大,在項目周邊配套建設集中式、大規模可再生能源制氫項目,將節省大量運輸及儲存費用,是較為完美的“氫源”與“氫匯”匹配方案。

預測結果顯示,2060年國內氫氣消費總量約83.0 Mt,占終端能源消費總量的11.3%,如圖6、圖7所示(1 tCE=29.3 GJ);此時,氫氣消耗電量約3×1012kW·h,氫氣消耗電力占比17.7%,如圖8所示。

圖6 國內終端能源消費總量及品種結構

圖7 氫能在國內終端能源消費占比

預計到2060年,在我國氫氣需求結構中,工業領域和交通領域的占比將分別增長至50.0%和33.6%,其次,電力領域與建筑領域的占比分別為10.2%和4.2%,如圖9所示。隨著交通領域乘用車、商用車數量的增大,工業領域中煤化工、石油化工、鋼鐵行業的原料氫替代,以及電力領域中燃氫調峰和燃氨電廠的燃料需求,對綠氫的需求量十分巨大,屬于應用端的重點突破口。

圖9 2060年氫能在國內不同領域的消費結構

4 結論與建議

總體而言,氫能在鏈接可再生能源與傳統化石能源之間將起到紐帶作用,在化解風、光發電高比例接入電網消納問題的同時,更是難以脫碳的工業領域實現深度減排的“攻堅利器”。短期內氫能的發展或許面臨著經濟性的考驗,但是隨著氫能產業鏈商業化進程的不斷完善和成熟,制氫技術的不斷迭代升級、規模化發展使得制氫成本快速下降;氫能將與交通網、原料網、供電網、供熱網等一起,成為未來能源樞紐重要的一環。

長期來看,氫能產業未來的發展前景非常廣闊,但根據目前發展狀況判斷,未來氫能產業要立足于商業能源領域需具備幾項前提條件:第一,發展前期必須予以強力政策支持,包括資金補貼和示范項目,也包括能夠讓氫能在能源、環境質量和經濟發展上適應國家發展的社會目標;第二,在產業鏈的各個環節上,成本均具備一定競爭力,包括在供給環節上與化石能源的價格競爭,在儲運及應用環節中與鋰電池的競爭等;第三,技術安全可靠性保障,包括技術安全保障、法律規范保障和提高社會認知接受度等。在滿足以上條件的基礎上,進而提高氫能產業競爭力的核心要素是增加投資以擴大規模、擴大氫能價值鏈,需要包括政府、企業在內的社會經濟體全員參與和投入。