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我国氢能产业链现状与发展趋势

作者:中国储能网新闻中心 来源:能源日参 发布时间:2023-02-02 浏览:

中国储能网讯:氢能被国际社会誉为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源,氢能科技创新和产业发展持续得到各国青睐。美国、日本等发达国家纷纷将氢能上升为国家战略。我国氢能产业仍处于发展初期,为引导氢能产业健康有序发展,2022 年 3 月 23 日,国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,部署了推动氢 能产业高质量发展的重要举措以及产业发展的各阶段目标。

氢能低碳环保,燃烧的产物只有水,是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,助力我国实现“双碳”目标。另外,氢能在我国能源安全中也将扮演重要角色,可减少我国对于石油、天然气的进口依赖,将能源安全的主动权掌握在自己手中。同时,氢能也是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

氢能产业链分别为上游制氢、中游储运以及下游用氢。上游制氢工艺目前大部分还是通过化石能源作为原料制取的“灰氢”,但随着清洁能源发电规模的提高以及技术的进步,通过电解水制取的“绿氢”将是未来主流的工艺方式。氢的储运根据使用场景的不同,形成以长管拖车为主,液氢槽罐车、管道运输为辅的多元化运输体系。下游最主要的应用领域是氢能源汽车以及与之配套的加氢站等基础设施,目前还处于快速发展阶段。

受顶层设计、政策利好驱动,氢能产业正稳步发展。预计未来 10 年内将形成完整氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。氢能最终将纳入我国终端能源体系,对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

氢能被国际社会誉为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源,氢能科技创新和产业发展持续得到各国青睐。美国、日本等发达国家纷纷将氢能上升为国家战略,抢占产业发展先机和制高点。我国氢能产业仍处于发展初期,为引导氢能产业健康有序发展,2022 年 3 月 23 日,国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021- 2035 年)》(以下简称“《规划》”),部署了推动氢能产业高质量发展的重要举措以及产业发展的各阶段目标。

一、氢能技术的特点与战略定位

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。国际可再生能源机构预计,在实现 1.5°目标情境下到 2050 年氢能产量达到 6.14 亿吨/年,在总能源消耗中的占比达到 12%。

(一)低碳环保,促进实现“双碳目标”

氢气在氧气中的燃烧化学方程式为:2H2+O2=2H2O,与其他化石能源的燃烧不同,氢气燃烧不生成二氧化碳、二氧化硫等温室气体,燃烧产物只有水,是世界上最清洁的能源之一。

目前,我国每年的二氧化碳排放量在全球位列第一,2020 年为 98.93 亿吨,2021 年为 105.23 亿吨,2022 年的碳排量预计下降 0.9%,但也处于超过 100 亿吨的高排放水平,高于位列二、三、四位国家碳排放量的总和。“双碳” 目标的提出,意味着我国进入了高质量绿色发展的新阶段,但我国的能源消费结构还较为依赖化石能源,原煤在能源消费结构中占比依然超过 50%,其他化石能源诸如石油、天然气也分别占有较大的比重,为实现“双碳”目标,如果没有核心技术的创新,这个目标将难以实现。在我国当今的工业体系、生产模式下,通过“拉闸限电”等模式来减排是不现实的。

氢能或将承担这一历史使命,氢能可以帮助人类脱碳、固碳,甚至实现负碳。对于终端用能来说,可以把氢作为主要能源,是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,通过氢电互补体系实现工业用能领域二氧化碳排放量的减少。在交通等方面,以氢能代替柴油、汽油等能源,也可以实现减排甚至“零排”,对于促进实现“双碳”目标具有重 要作用。

(二)热值高、存在范围广泛,安全性高,未来在我国能源安全中或扮演重要角色

氢气的热值为 143kj/g,约为甲烷(天然气主要成分)的 2.4 倍,汽油的 3 倍,酒精的 3.9 倍,焦炭的 4.5 倍,是除核能以外热值最高的燃料。并且氢元素存在广泛,作为元素周期表排名第一位的元素,是宇宙中最丰富的元素,总质量占所有元素综合的 75%之多,氢元素在自然界多大多以水的方式存在,取之不尽,用之不竭。

除此之外,氢气的安全性也相对较高。首先氢气本身无毒无味,也不具有放射性,吸入少量氢,对人体没有任何危害,甚至对人体有益。其次氢气相对也不易爆炸,氢气在开放的大气中,很容易快速逃逸,而不像汽油蒸汽挥发后滞留在空气中不易疏散,相对较为安全。

我国因受“富煤、贫油、少气”的资源禀赋限制,高度依赖石油、天然气的进口。目前全球贸易摩擦越演越烈、 俄乌冲突持续升级,在地缘政治与能源供应风险骤增的背景下,能源安全的重要性被提到了一个新的高度,因此,必须抓紧推动能源转型,尽快实现技术突破,减少对外部能源以及传统能源的依赖,“先立后破”,将能源安全的主 动权掌握在自己手中,才能够在动荡的国际形势下独善其身,确保国民经济平稳运行,未来,氢能或将是国家能源体系中的重要组成部分。

(三)科技含量高,是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向

理论上来说,液氢是氢能利用的最佳形态,它密度高,是标准状态下氢气密度的 850 倍,是 70MPa 高压氢气 1.8 倍。并且液氢易于点火,燃烧稳定且效率高,液氢的临界压力低,它高于热容量,适合作为推力室中的再生冷却器,各种动力循环方案适用,有利于发动机方案的优化和可靠性设计。但液氢的形成要求-253℃的低温,这对制备、储存、运输等各个环节要求极其严苛。液氢的储存和运输一直是制约氢能源大规模应用的瓶颈。之前,国内液氢主要用于航天等尖端领域,很难进入民用领域,较难形成大规模商业化。

未来,氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向,突破氢能核心技术和关键材料瓶颈,加速产业升级壮大,可实现产业链良性循环和创新发展。

二、我国氢能产业链现状

(一)氢能产业链概况

我国目前是世界上最大的制氢国,年制氢产量约 3300 万吨,其中,达到工业氢气质量标准的约 1200 万吨。另外,我国可再生能源装机量全球位列第一,在低碳清洁的氢能供给上具有巨大潜力。

目前,国内氢能产业呈现积极发展态势,已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺,在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用。全产业链规模以上工业企业超过 300 家,集中分布在长三角、粤港澳大湾区、京津冀等区域。

氢能产业链分别为上游制氢企业、中游储运商以及下游用氢企业,包括加氢站的建设运营商,氢能源汽车是目前我国氢能应用最主要的领域,或也是未来氢能产业最重要的应用发展方向。2022 年 11 月 16 日,第二届氢能国际(中国·南海)主题峰会在线上举行。在会上发布了 2022 全球氢能企业 TOP100 榜单,评分方式主要采用定性分析 和定量分析相结合的方法进行研究,最终评选出国外50家氢能、国内50家氢能企业进入“2022全球氢能企业TOP100” 榜单。

(二)上游:化石能源制氢方式为主

目前氢气的生产方式主要分为三种,分别为化石燃料制氢、工业副产制氢和电解水制氢。化石燃料制氢主要是 以煤炭为还原剂水蒸气为氧化剂,在高温下将碳转化为 CO 和 H2为主的合成气,然后经过煤气净化、CO 转化以及 H2提纯等主要生产环节,最终生成氢气。工业副产制氢是指在生产过程中,利用富含氢气的终端废弃物或副产物作为原材料,采用变压吸附法(PSA)回收提纯制取氢气。电解水制氢,顾名思义是通过对加入电解液的水通电,分解成为氢气和氧气。

根据生产工艺的不同,可以把氢气分为“灰氢”“蓝氢”“绿氢”,灰氢指的是以化石能源为原料,通过燃烧或重整等方式制取的氢气,灰氢制取成本相对较低,但在整个工艺流程中碳排放量较高,不利于“双碳”目标的实现。蓝氢是指在生产过程中使用了碳捕集、利用与封存(CCUS)等先进技术制成的氢气,该技术可捕获温室气体,能够减少生产过程中的碳排放量。绿氢则是通过清洁能源发电,电解水制成的氢气。电解水制氢的技术装备简单,工艺流程也较为稳定,在生产过程中几乎没有碳排放,但是缺点是成本较高,单位成本约为灰氢的 4-5 倍,这也是目前电解水制氢发展的最大瓶颈。

目前全球主流的制氢方式是甲烷水蒸气催化重整工艺(SMR),SMR 是指在一定的反应条件下, 使用催化剂促使甲烷的 C-H 键断裂,并重新组合生成新的化学键过程,具有工艺简单、成熟等优点,但我国因资源禀赋的特点,仍以煤制氢的方式为主,相较于 SMR 工艺排放的二氧化碳更多,而电解水低碳环保的制氢方式我国和全球其他国 家占比都不到 1%。

(三)储运:长管拖车为主,液氢槽罐车、管道运输为辅多种方式齐头并进

根据氢的存在形态不同,储存主要也分为三种方式,分别为气态储氢、液态储氢和固态储氢。气态储存是目前最为常见的储存方式,具有成本低、充放速度快、能耗低、可在常温操作等优点,但缺点也很明显,气态氢密度低, 会导致储存体积过大,增加运输难度,并且也存在储氢容器氢气泄漏和爆炸等安全隐患。液氢相比对气态氢气,具有能量密度大、体积小、加注便捷等优点,然而转化液氢的成本较高,对绝热的要求高,目前还主要用于航天和军事领域。固态氢理论上来说是最为理想,具有安全性好、密度更大、纯度高、运输便利等优点,但是目前还存于技术的研发阶段,并且使用起来对于工况的要求较为苛刻,未来随着科技与技术的进步,将会有更多商业化的应用。

运输方面,最佳的氢运输方式应根据运输距离、运输规模等多因素进行考量而后进行选择。例如运输场景为小规模、短距离时,高压气态长管拖车就是最为经济的运输方式,一旦运输距离上升,就会随着车辆的使用成本与维护成本的上升而变得不再经济。长距离、点对点、超大规模的氢气运输可使用管道运输,但运输管道前期投入成本 较高,且建设难度大,目前还没有实现规模化的发展和应用,当前,我国纯氢管道建设处于起步阶段,规模较小,总里程约 400 公里,主要分布在环渤海湾、长江三角洲等区域,已建项目以化工园区内应用为主。大规模、中长距离的运输可将氢气液化后运输液氢,液氢体积小、稳定性高,便于运输,并且可以进行海运。

(四)下游:氢能源汽车发展未来可期

目前我国氢能应用最主要的领域是氢能源汽车以及与之配套的加氢站等配套基础设施。相比于传统的燃油车,氢能源车可实现真正的零排放无污染,相比于电动汽车,氢能源车在补能时间上有巨大的优势,一次补充燃料仅需要几分钟,与燃油车所需时间持平。并且,氢能源汽车还具有能量转换效率高、续航里程长等优势。然而,因目前氢能源汽车成本较高,以及相关技术还不够成熟,且与之配套的基础设施建设不完善等原因,民众使用起来并不方便,导致购买意愿不强烈,氢能源汽车在我国还没有得到大范围的应用。截至 2021 年 12 月,我国累计推广氢燃料电池汽车 8941 辆,累计建成加氢站 205 座,其中,广东、山东、浙江、江苏等地区加氢站建设走在全国前列,已分别建成加氢站 45 座、22 座、19 座和 19 座。湖北、河南、河北等地也在加快推进加氢站建设。为了促进氢能源汽车的快速发展,多地在与之配套的基础设施方面都提出了要求和支持措施,以北京市为例, 2022 年北京市政府发布了《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站发展规划(2021—2025 年)》,提出到 2025 年,建设加氢站 74 座,在制氢厂氢气制备规模充分、运氢车投运数量充足的前提下,日加氢总能力达到 148 吨以上,满 足 126 吨/日的车用氢能需求。

三、我国氢能产业未来展望

总体来看,我国氢能产业从制氢-储运-应用,已经初步形成较完整的产业链条。受顶层设计、政策利好驱动,氢能产业正稳步发展。预计未来 10 年内将形成完整氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。

制氢方面,为实现“双碳”目标,优化我国能源消费结构,《规划》中提出未来要构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系,重点发展可再生能源制氢,严格控制化石能源制氢。由此可见,通过可再生能源发电电解水制取的绿氢,一定是我国未来的主流制氢方式。绿氢的生产成本主要由用电成本与设备成本构成,因此大力发展清洁能 源发电方式,降低度电价格,以及优化电解槽技术,是我国实现规模化、工业化制氢的关键。目前,国家能源集团、国家电投、明阳智能等多家发电企业与新能源企业布局“风、光、储、氢”一体化项目,实现一体耦合、风光带氢、氢促风光、产融结合的深度协同。绿氢取代灰氢,将成为我国以及全球氢能产业的发展趋势。

储运方面,预计未来,我国氢的运输还是以高压气态长管拖车的方式为主,管道运输为辅的运输方式,同时积极研发固态、深冷高压、有机液体等储运方式,形成高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。

用氢方面,我国推广氢燃料汽车之路仍任重道远、前路艰辛,但氢燃料汽车远景美好未来可期是毋容置疑的。相信未来随着技术的进步,氢能源汽车面临的技术瓶颈将会得到解决,随着基础设施的完善,成本也会逐渐降低,氢能源汽车或有一天走进寻常百姓的生活。

相信氢能最终将纳入我国终端能源体系,与电力协同互补,共同成为我国终端能源体系的消费主体,对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

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