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氢能发展的预期

作者:赵作智 来源:第一财经 发布时间:2021-10-22 浏览:

一项新技术会不会被整个社会接受并被广泛应用开来,以及一个新产业会不会迅速发展,取决于众多因素:政策法规硬性的规定,初始发展阶段政府对技术或者行业的补贴,用户群对技术成熟度以及成本下降的心理预期,投资机构基于预期投资回报率对新行业的青睐程度,原始设备供应商针对产品性能提升和成本下降的研发迭代速度,以及头部领军企业在技术可行性和解决方案经济性上的大胆示范探索,都会对新技术和新行业的发展起促进作用。回看能源领域过去二十年,光伏产业的发展速度远远超过绝大数人预测,而二氧化碳捕捉封存及利用则大大落后于人们的预期,这点从近年国际能源署对光伏行业预期可见一斑。

虽然很难通过水晶球来精准预测未来,但是我们可以从能源领域技术和产业的发展来寻求一些共性的规律,从而有助于我们思考和布局氢能产业。

拿光伏产业的发展为例,德国政府于2000年通过《可再生能源法》,大肆补贴可再生能源。随后德国的光伏装机实现快速增长,从而带动了整个行业技术的快速发展。而后中国政府入场,在供给端以及需求段发力。这随即带动了项目开发商,投资机构,光伏企业,用户企业等整个生态体系的迅速发展和迭代。这是一个经典的需求拉动供给的案例。整个产业的技术迭代速度,以及规模化效应相辅相成,快速拉动了成本的下降,从而进一步推动了光伏技术的普及。

我们来看氢能产业。不出意外,氢能的发展,也将遵循需求拉动供给的规律。针对绿氢的应用,需要从端到端的全价值链来考量。绿氢的“制、储、运、用”四个环节,缺一不可。其中,“用”将起到决定性的作用。

绿氢的“用”

用氢的场景可分为既有场景和新兴场景。

既有场景很好理解,就是今天应用灰氢的行业(制氨,甲醇,原油精练,半导体等等),在双碳目标的大背景下,将来要逐步用绿氢替代灰氢的运用。国内领军企业中石化和宝丰已经吹响了号角,在化工和煤化工领域首先启动了绿氢项目。绿氢取代现有灰氢的应用,绿氢成本下降带来的经济性,以及政策的约束性和鼓励性是关键。

新兴场景,则是在双碳的背景下,用绿氢来使整个行业达到深度脱碳减排。比如,在钢铁冶炼行业,用绿氢替代焦炭来还原氧化铁。行业领军企业宝武已经在这方面做了有益的探索。

基于国际氢能委员会的报告,在碳税达到每吨100美元的前提下,对绿氢在一些行业的应用前景作出了预测。

绿氢在各行业的应用前景

无论是既有场景抑或新兴场景,要想绿氢的应用在不久的将来真正普及开来,那么整个应用场景端到端(制储运用)的经济性,要在没有政府补贴的前提下达到用户承受程度。这里规模化应用是加速新兴技术发展迭代的关键。而大型工业规模化应用绿氢,是绿氢发展不可少的场景。

谈完绿氢的“用”,接下来我们简单的从绿氢的“制、储、运”三个方面预测一下未来的发展。

绿氢的“制”

决定绿氢制取成本最主要的三个因素,是可再生能源绿电的成本,制氢设备的利用小时数,以及制氢设备的投资和运行维护成本。可再生能源经过多年的发展,风光水绿电的成本已经下降到可以和火电媲美的程度。然而绿电上网费,可再生能源以及绿氢项目融资成本,和土地成本的叠加,抬高了绿氢制取成本。如果政府能在绿氢行业发展的初期,扶持行业一把,把绿电制取绿氢的上网费用,项目融资成本,和土地成本等项目等相应减免,将会大大推动行业的发展。至于制氢设备的成本,在技术进步和规模效应的双重作用下,一定会尽快降低。

在制氢的技术路线上,目前有碱液,质子交换膜,阴离子交换膜,以及固体氧化物电解水制氢。碱液电解水制氢技术相对比较成熟。经过多年的发展,单体设备容量目前可达每小时制氢1000立方以上。设备造价低,性价比高。相比碱液制氢,质子交换膜技术和间歇性的可再生能源耦合度比较高,可以在短时间内启停,提供电网辅助服务。同时安全性和环境友好性较好,产生的气体纯度相对较高。质子交换膜在电极的催化剂中应用了贵重金属。目前大宗产品价格抬升,和碱液制氢相比,成本较高。然而目前绿氢项目的固定成本中,有三分之一属于工程设计、项目管理、风险成本,这部分成本与技术路线选择无关。剩余三分之二的硬件成本中,对于碱水电解的技术路线,大约四分之一属于电解槽的成本。也就是说整体固定成本中只有大约16%~17%由技术路线来决定。相对来说,目前质子交换膜的硬件成本则达40%到50%。随着技术研发与进步,以及随着质子交换膜燃料电池行业供应链的发展,未来有十足的成本降幅空间。阴离子交换膜集碱液和质子交换膜两种技术之长,同时规避了两者的短处。然而技术发展还在早期,离成熟规模化商业应用且有时日。固体氧化物技术走高温路线,对材料和系统设计的要求阻碍了规模化发展。

绿氢的“储,运”

氢的大规模储运目前制约着氢能产业的规模化发展。

从技术路线上,氢的储运方式有液态,高压,有机溶液,固态,管道掺氢以及基于绿氢合成的绿氨或者绿色甲醇等化合物。

液态氢可做为储存氢气的一种方式,比气态氢省空间。液态氢在常压需要保存在非常低的温度下(大约在20.268开尔文,-252.8℃)。它通常被作为火箭发射的燃料。目前基于液态氢大规模储运技术还在开发的早期,达到经济性上的可行还需要时间。我们要以发展的目光来看待液态氢储运的发展。首先它是大规模储运高纯度氢的有效方式。正如几十年前我们看待液化天然气(LNG)的发展一样,随着需求的增加,技术的进步,有朝一日液氢会是地区和地区之间大规模储运环节中不可或缺的一环。高压气罐储运氢在一定距离一定容量下也是有效的方式。目前中集安瑞科与Hexagon战略联盟,将快速引入世界领先的Type 4储氢运输装备进入中国市场。有机溶液储运氢在业界一直有争议,因为整个环节对能源消耗的需求以及后续提纯都会增加储运的成本。规模化固态储氢尚在科研验证阶段。而管道掺氢在某些应用场景下也会是可选项之一。

工业氨基础设施和专业知识的发展有一个世纪的历史。这是绿氨发展的基石。绿氨(一个氮原子三个绿氢原子)是一种无碳化学品和燃料,由可再生电力、水和空气制成,可以快速大规模部署,应用在不同的场景中,包括航运、大规模储能、分布式发电和大量输送氢气。绿氨作为能源载体的显著优势是储存和运输成本低,尤其是与绿氢相比。

基于绿氢合成绿氨/绿色甲醇在各行业的应用前景

和液氢和高压气氢相比,绿色甲醇和绿氨单位体积存储的能源更多,而且可以利用现有的基础设施,因此作为能源载体或者燃料,应用前景颇广。

基于绿氢的绿氨,绿色甲醇,以及绿色燃料合成,将会把电力和化工两个行业拉的更紧密。在将来,需要从从可再生能源,储能,制氢,以及基于氢的下游合成来进行上下游整体优化。通过考虑整体热平衡,压力分布,仪控方案,从而打造出对客户价值最高的整体解决方案。

众所周知的胡焕庸线(黑河—腾冲线),展示了中国独特的地理特性以及人口东密西疏的格局。对于绿氢产业发展来说,可再生能源集中在三北地区,即胡焕庸线的上方。而我国绝大多数人口和产业,分布在胡焕庸线的下方。面向未来,或者我们通过绿电或者绿氢的方式从西向东大规模搬送可再生能源,或者我们将新建的耗能产业搬到可再生能源和水资源丰富的地区。目前已经有企业计划或者实施将电解铝,金属冶炼,以及化工等行业在西部筹建,或者由东部向西部迁徙,由此可以大幅降低大规模储运绿电以及绿氢的需求。随着技术的进步以及成本的降低,东南沿海海上风电制氢将是一条可探讨的路径。首先东南沿海优质的风场资源不少。其次,沿海到陆上距离不远,而大湾区长三角的用能大户较为集中。相比于从三北地区大规模输运绿氢到东南沿海,对于特定地区特定应用场景海上风电制氢会是未来的可选项之一。

在探讨绿氢大规模储运方案的同时,还有两个问题需要整个生态体系加以重视,从而加快氢能产业的健康发展。

首先是氢能在连续工业过程中的应用,和可再生能源间歇性的矛盾。

上文提到的绿氢应用场景,原油精练,煤化工,金属冶炼,制氨,甲醇等等,都是24小时7天连续运转的工业流程。对于上规模连续运转的基础设施,频繁启停不可想像。

同时,一年8760小时,大多光伏工厂的运行小时数介于1000到2000之间。一般陆上风场的平均运行小时数稍好,但也就是2000到3000多小时。而且一片云,一阵风,一场雨雪,都会对可再生能源发电产生影响。水电相对风光要好的多,虽然也有枯水旺水期,但基本能保障绿电的连续供给。因此绿氢的应用场景,有条件应该从水电入手。其次,风光结合电网也比单一的光场或风场好的多。在不并网,而且只有单一光或者风的条件下,为了配合下游的连续运转,大规模储电或者储氢必不可少。而在现阶段,大规模储电或者储氢,无论从技术方案的集成以及经济性上,都不是很成熟。有条件的地方,可以考虑工业副产氢和绿氢结合运用,从而满足下游连续运转的需求。

如何针对不同行业的客户需求,提供一套从技术和经济性上都健壮而且灵活的方案,需要生态体系中的各方携起手来,共同打造经典的示范项目,可复制,可规模化。

其次是氢能应用的安全性的问题。

一说起氢能利用的安全性,大多数人脑海里会闪现百年前氢飞艇爆炸的场面。事实上,近百年来,人类一直在制储运用氢。氢的安全在技术上已经解决,并不是问题。目前在我国,氢和汽油,柴油,天然气一样,都被归为危化品一类。我们在汽油,柴油天然气等危化品的安全防范和处理上多年来积累了许多实践经验。

氢能应用潜在的安全性风险,在于新应用场景,以及规模化应用。这里技术手段依然不是根本问题。而是人的意识,以及行为习惯会带来潜在风险。目前氢能应用逐渐向规模化发展,项目开发商,投资机构,EPC整体系统集成商,关键产品部件的供应商等对大规模项目风险的认识程度不尽相同。如果在行业规模化发展的初期盲目压低价格,会造成一些供应商为了最低价中标而采用更便宜的材料和组件,并降低系统设计裕度。这里一旦发生事故,会对整个行业带来冲击,就向2011年3月福岛核电站事故,对全球核电产业的发展带来巨大的冲击和影响。因此产业内的各方对于绿氢应用安全性的重视,应该高于对绿氢应用经济性的考量。

2021年9月24日晚,联合国秘书处组织召开联合国能源高级别对话会。国家能源局局长章建华指出:“作为全球能源科技发展的推动者,中国将加快部署新型储能、氢能等关键技术的研发、推广和应用。”这样的顶层设计将推动整个生态体系,从而加速氢能产业的发展。另外一个利好消息是中国在加快有关碳税,碳资产,和碳交易的实践。我相信这些举措都将加快催生更多对绿氢规模化的需求。而规模化的需求必将拉动投资以及技术和产业更新换代的迭代速度,从而在供给端真正替代目前的化石能源方案。

(作者为西门子能源股份公司新能源业务全球首席战略官兼新能源亚太区业务负责人)

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