氫能作為一種來源豐富、綠色減碳的工業原料和新型能源,類似于石油資源,兼具能源與材料雙重屬性,在“雙碳”目標下展現出支撐綠色低碳發展的巨大優勢,是未來可再生能源高效利用的重要載體、逐步實現能源轉換替代的有效手段、推動工業制造低碳轉型的關鍵介質,有望成為搶占科技發展制高點的重點抓手,對于推動我國加快實現碳達峰碳中和戰略目標具有重要戰略意義。面向新時期全社會碳減排重大需求,氫能產業宜與新能源、新材料、新裝備產業協同共進,實現高質量突破發展。
一、氫能產業持續保持市場熱度
2020年,國家發展改革委發布年度國民經濟和社會發展計劃,提出制定國家氫能產業發展戰略規劃。2021年10月,中共中央、國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,要求加快構建清潔低碳安全高效能源體系,統籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發展;加強綠色低碳重大科技攻關和推廣應用,推進可再生能源制氫等低碳前沿技術攻關,加強氫能生產、儲存、應用關鍵技術研發、示范和規?;瘧?。國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》,提出推動鋼鐵行業碳達峰,探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點示范;推動運輸工具裝備低碳轉型,積極擴大氫能等新能源、清潔能源在交通運輸領域應用;加快氫能技術研發和示范應用,探索在工業、交通運輸、建筑等領域規?;瘧谩|h中央、國務院“雙碳”頂層設計文件發布,明確了氫能發展的主要任務。2022年,國家發展改革委、國家能源局印發《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》,明確氫能產業的定位、目標,提出系統構建高質量發展創新體系、統籌推進氫能基礎設施建設、穩步推進氫能多元化示范應用、加快完善氫能發展政策和制度保障體系等重點任務。
我國是目前世界最大的氫能生產及消費市場。據中國氫能聯盟、中國石化經濟技術研究院統計,2022年,我國氫氣產能約4000萬噸/年,產量約3300萬噸。其中煤制氫產量占比達58.9%;高溫和中低溫焦化副產氫占比約20.0%;天然氣制氫占比約16.3%;甲醇、輕質烷烴制烯烴副產尾氣含氫占比約3.3%,電解水制氫占比僅1.5%。截至2022年底,我國氫燃料電池汽車保有量約1.3萬輛,已建成加氫站380余座,規模位居國際前列。據不完全統計,全國有超過30個地方政府發布了氫氣產業發展相關規劃、實施方案、行動計劃等,計劃建設加氫站數量超1000座、燃料電池車達25萬輛,產值規模達十萬億元級。同時,有超過1/3的央企計劃進入氫能產業,借此推進綠色低碳轉型。
氫能作為石化、化工領域傳統原料和燃料,近年來在車用移動能源等應用領域熱度不斷提升,形成氫能新能源熱點應用方向。圍繞落實“雙碳”目標,氫能作為一種高熱值、高還原性、運用靈活的化學物質,不應再局限于發展氫燃料電池汽車方向,宜面向新能源、新材料,統籌推進鋼鐵、石化等工業領域高碳能源替代,二氧化碳資源化再利用,移動交通能源,建筑分布式能源等多領域創新應用,成為推動實現“雙碳”戰略目標的有力抓手。
二、“雙碳”目標下氫能應用場景不斷拓展
在交通領域,氫燃料電池汽車產銷量有所提高但仍有較大差距,氫能作為交通能源使用規模仍然受限。據中國汽車工業協會統計,2022年我國燃料電池汽車產銷分別完成3626輛和3367輛,同比分別增長105.4%和112.8%。截至2022年底,我國氫燃料電池汽車保有量約1.3萬輛。氫能目前擁有極高的市場關注度,但相應消費尚未形成規模,其內在原因是氫能相關技術儲備、企業實力,與氫能供應鏈、產業鏈、基礎設施、市場培育、政策支撐等尚不健全產生的結構性矛盾。氫能在交通領域廣泛推廣應用,尚需全產業鏈探索過程,有待科學有序引導,從資源、裝備、設施、價格等多維度逐步培育構建氫能交通體系。
在工業領域,緊扣“雙碳”戰略目標需求,氫能在工業減碳、二氧化碳資源化再利用等方面取得一系列創新示范成果,更加凸顯其戰略價值。如我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目——中國石化庫車綠氫示范項目順利產氫,制氫規模達到2萬噸/年,項目貫通“光伏發電—綠電輸送—綠電制氫—氫氣儲存—氫氣輸運—綠氫煉化”全流程,就近供應塔河煉化,替代現有天然氣制氫,每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸,對煉化企業大規模利用綠氫實現碳減排具有示范效應。我國首個純氫長輸管道項目——中國石化烏蘭察布至北京“西氫東送”輸氫管道示范工程正式啟動,并納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》,將用于替代京津冀地區現有的化石能源制氫及交通用氫,大力緩解我國綠氫供需錯配問題,擴大綠氫應用地域和場景,助力能源轉型升級。寧夏寶豐能源全球最大規模的2.4億標方/年太陽能電解水制氫儲能及綜合應用示范項目即將建成投產,直供化工系統替代化石燃料制氫裝置,生產高端化工品,每年預計減少煤炭消耗約38萬噸、二氧化碳減排約66萬噸,消減約5%裝置碳排放總量。中國科學院大連化學物理研究所設計的千噸級液態太陽能燃料合成示范項目,于2020年10月在蘭州新區建成并通過鑒定,利用可再生能源制氫,并與收集的二氧化碳催化合成甲醇,作為基礎化工原料替代煤基產品,具有變革煤基原料路線、實現穩定化學儲氫、安全運輸和二氧化碳資源化利用等多種示范意義。2022年12月,河鋼集團張宣科技在宣化建設的全球首個120萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通,采用富氫氣體(焦爐煤氣)零重整豎爐直接還原氫冶金技術,并在未來逐漸過渡至風能制氫、太陽能制氫等100%綠氫為還原氣的氫冶金技術,推動無化石能源冶煉,能夠使噸鋼碳排放降低至0.5噸,每年可減排二氧化碳80萬噸,碳減排幅度超過70%,同時生產每噸直接還原鐵可捕集二氧化碳約125千克。2021年9月,連云港斯爾邦石化啟動建設“二氧化碳捕集利用—加氫合成綠色甲醇—光伏級EVA新材料”產業鏈,二氧化碳直接減排量達15萬噸/年,間接減排量達55萬噸/年;同月,中國科學院天津工業生物技術研究所發表研究成果,利用氫氣和生物技術實現二氧化碳人工合成淀粉,推動淀粉生產由農業種植向工業規模制造加速變革,開辟二氧化碳資源化利用新領域。由此可見,氫能面向新材料、實現碳中和的發展路徑逐漸清晰,著力發展氫能在工業領域大規模應用,在“雙碳”背景下有望更加凸顯其綠色減碳的重大意義。
三、氫能產業發展尚需科學有序培育過程
(一)需關注地方政府與企業過度規劃
據不完全統計,截至2022年底,全國有超過30個地方政府發布了氫氣產業發展相關規劃、實施方案、行動計劃等,計劃建設加氫站數量超1000座、燃料電池車達25萬輛,產值規模達十萬億元級。同時,有超過1/3的央企計劃進入氫能產業,借此推進綠色低碳轉型。從目前情況看,氫氣全產業鏈培育尚需穩步推進過程,但過熱態勢持續存在,地方政府與企業過早、過度規劃,而無實際落實舉措,長遠看不利于氫氣產業科學有序發展,需予以關注,避免過熱。
(二)警惕盲目擴張煤基高碳氫源
我國目前仍以煤制氫方式為主。據測算,煤制氫生產過程中產生1噸氫氣平均消耗煤炭約6噸-8噸,排放二氧化碳15噸-20噸,火電電解制氫碳排放量則更高。目前我國碳捕捉與封存技術、廢水廢渣綜合利用技術等尚難以支撐煤制氫大規模低碳發展,短期內“兩高”(高耗能、高排放)問題不易解決,需高度警惕盲目擴增煤基高碳氫氣產能。
(三)制氫與用氫規模有待進一步協調匹配
我國氫氣消費主要在石化、化工、焦化等行業,作為中間原料生產下游化工產品,約30%作為生產合成氨中間原料,約28%用于煤制甲醇中間原料,約27%用于煉廠用氫等,少量作為工業燃料使用。過度依賴氫燃料電池汽車等應用方式,短期內消納能力有限,難以形成規?;脷溱厔?。需研究推動氫氣供給側與消費側規模相匹配,促進全產業鏈科學發展。
(四)氫氣資源來源與市場需求亟需協調布局
我國煤炭與可再生能源等資源多位于三北地區,氫氣應用場景則多分布在東部發達地區,氫氣儲存運輸環節不容忽視,“西氫東輸”是否可行有待論證。根據目前?;钒踩\輸管理規定,氫氣公路運輸一般使用傳統鋼瓶長管拖車,設置20兆帕運輸壓力要求,經濟運輸半徑一般不超過200公里,運氫成本可達30元/公斤,與10元/公斤低成本氫源難以匹配,嚴重制約了氫氣利用規模與經濟性,亟需統籌優化氫源布局,大力推動氫氣儲運技術取得突破。
四、新時期氫能產業發展的重點任務
(一)以工業副產氫為切入點,加快建設綠氫供應體系
未來,氫能有望作為主體能源,成為我國能源體系的重要組成部分,也是我國實現“雙碳”目標的重要可行路徑?!耙院畏N方式制取氫氣”首先成為焦點問題,需要從全生命周期視角來審視發展氫能經濟的能源和環境效益,將氫能的生產和消費統籌考慮、系統評估。
焦爐煤氣提氫、合成氨馳放氣、甲醇馳放氣、煉廠制氫、燒堿工業副產氫、丙烷脫氫等工藝路線主要按自身用氫需求設計,形成循環利用系統,部分副產品燃燒排空。此類氫源若要轉換為商品則需進一步挖潛,但可作為近期培育氫能產業的啟動資源。經過一定工藝優化和改造提升,生產外供氫能資源,每年商品量有望超過300萬噸,就近供應工業、交通、建筑等領域,一定程度上可發揮低碳減排和產業引導作用。
長期看,大規模太陽能、風力、水力等可再生能源及核能發電配套的電解水制綠氫將成為發展趨勢。宜盡早明確低成本、高效率、長壽命、可推廣的質子交換膜電解制氫(PEM)、高溫固體氧化物電解制氫(SOE)等成套工藝技術;探索制定綠電綠氫交易核算、碳排放抵扣、環保優先等創新政策,合理規劃產能布局,打通綠氫體系管理堵點,提高綠氫全生命周期經濟性,打開廣闊應用市場。
(二)注重工業能源領域應用,培育氫能市場規?;A
當前我國氫能消費主要在石化、化工、焦化行業,作為中間原料生產多種化工產品,少量作為工業燃料使用。從細分用途來看,最大應用領域是作為生產合成氨中間原料,消費占比約為30%;其次是生產甲醇(包括煤經甲醇制烯烴)中間原料,占比約為28%;再次是煉廠用氫,占比約為27%;第四是現代煤化工中煤間接液化、煤直接液化、煤制天然氣、煤制乙二醇中間原料用氫氣,占比約為10%;其他方式氫能利用占比約為5%。
據預測,2050年氫能在我國終端能源消費比重有望超過10%,氫能年需求量將超過1億噸。其中,氫燃料電池汽車等交通用能占比可增至25%,近期可考慮重點發展礦山重卡、大貨運輸、工程機械、公共交通方向氫燃料電池汽車,布局集中、便于管理、易于推廣,遠期經濟性提升后可逐步向小轎車方向拓展。氫化工、氫冶金、氫材料(如與二氧化碳合成甲醇等新型產業化路線)等工業用途約占65%,依然是氫能大規模應用優勢領域,也是培育氫能全產業鏈的重要市場基礎,近期宜提高技術開發和引導示范推廣力度。此外,發展綠氫儲能和家用分布式熱電聯供系統等,通過“電-氫-儲-電”“電-氫-氣”“電-氫-車”等轉換,實現可再生能源削峰平谷、平滑新型電力系統、跨能源系統耦合等重要經濟價值,也有望給整個能源系統帶來顛覆性變革。由此,可考慮將氫能作為“新能源、新材料”深入理解,類比為“綠色石油”,由此構建產業體系,賦予氫能更大的產業和經濟帶動意義。
(三)統籌兼顧推進體系建設,做大全產業鏈價值規模
經過近年來不斷探索,氫能發展焦點從最初的氫燃料電池汽車逐步拓展至能源、工業、建筑等多元化應用場景,從能源結構轉型逐步上升至“雙碳”目標實現路徑,迫切要求氫能全產業鏈加快統籌協同發展。
在制氫端,圍繞綠氫發展重點,需要協調可再生能源風光場布局和資源指標配置與制氫能力相適應;研究綠電綠氫電價政策改革,提升綠氫經濟可行性;加快推進PEM、SOE制氫技術攻關和產業化裝備制造能力提升,落實資源來源重要基礎;探索分布式制氫可行性,重新制定氫能安全屬性和管理規范,使氫能制取走出化工園區,更加靈活高效。
在儲運端,我國可再生能源等資源多位于三北地區,而應用場景多分布在東部發達地區,儲存運輸環節不容忽視。在當前?;钒踩\輸管理規定、20兆帕運輸壓力要求、傳統鋼瓶長管運輸拖車設備等條件下,30元/公斤運氫成本與最低10元/公斤制氫成本并不匹配,嚴重制約了氫能利用經濟性。制定安全經濟的氫能儲運管理規定,加速推進管道輸氫體系建設,研發液氫、固態儲氫、化學儲氫等新型長距離儲運技術,發展高性能儲運設備,成為突破氫能規模化發展“卡脖子”瓶頸的關鍵舉措。
在應用端,以交通為代表的新型應用領域快速發展。氫燃料電池成套設備研發和規模化生產已取得長足進步,整車設計制造已有部分項目順利投產,頭部企業加速成長。各地加氫站陸續啟動建設,發展形勢向好。但仍需關注燃料電池關鍵部件自主化程度、相關標準規范制定進度等問題,理順和營造良好的產業發展環境。
總體上看,氫能目前尚未達到大規模商業化臨界點,仍需推動技術與市場、供應與需求“協同并進”。要避免經濟價值預期過高、盲目追求市場擴張,應遵循“需求導向”原則,科學有序布局生產、儲運及相關基礎設施建設,推動氫能產業鏈、供應鏈各環節協同發展。