迎接綠氫時(shí)代，你準(zhǔn)備好了嗎？

昵稱8300447 2022-02-18

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綠色制氫將成為未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大受益者。根據(jù)國際氫能委員會與麥肯錫聯(lián)合發(fā)布的《氫能洞察》預(yù)測，到2030年，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的投資總量將超過3000億美元。

氫是宇宙已知元素中最輕也是最多的元素。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，圍繞碳達(dá)峰、碳中和，能源轉(zhuǎn)型的步伐進(jìn)一步加快，氫能高熱值、低污染、來源廣、轉(zhuǎn)換靈活的優(yōu)勢正在得到前所未有的關(guān)注。

近年來，氫能制取、儲存、運(yùn)輸、利用技術(shù)等方面已取得突破性進(jìn)展，氫能產(chǎn)業(yè)正處于大規(guī)模商業(yè)化爆發(fā)的前夜，有望成為未來低碳能源體系的中堅(jiān)。

作為二次能源，氫能不僅可以通過煤炭、石油、天然氣等化石能源重整或生物質(zhì)熱裂解、微生物發(fā)酵等途徑制取，還可以通過焦化、氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氣制取，也可以利用電解水制取。

其中，以可再生能源為原料制取氫能的綠色制氫，具備全過程環(huán)保、低排放、轉(zhuǎn)化靈活等特點(diǎn)，作為可再生電力的替代和補(bǔ)充，綠色制氫將在我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的道路上發(fā)揮關(guān)鍵作用。

碳中和背景下發(fā)展綠氫

逐漸成為共識

“十四五”時(shí)期，我國生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的新階段。當(dāng)前，我國碳排放主要來源于能源消費(fèi)。

從能源相關(guān)的碳排放來看，盡管大部分能源消費(fèi)能夠被光伏、風(fēng)電和水電等可再生電力替代，但在可預(yù)計(jì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)演進(jìn)過程下，仍有20%～30%的非電能源消費(fèi)需要找到可替代的零碳能源形式。

氫能相較于生物質(zhì)、CCUS/CCS等技術(shù)路徑，開發(fā)潛力更大，技術(shù)迭代更強(qiáng)，政策和產(chǎn)業(yè)更加完善，更有機(jī)會成為未來非電領(lǐng)域替代主體的解決方案。

1. 發(fā)展氫能是非電領(lǐng)域深度脫碳關(guān)鍵

從世界能源更替的趨勢來看，脫碳加氫和清潔高效是大趨勢。

氫能作為靈活高效和應(yīng)用場景豐富的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。

一方面，氫能可以從化石能源中獲取，并作為二次能源使用，有助于煤炭等一次能源清潔高效利用，提升供給側(cè)質(zhì)量。

通過電解水制取，特別是與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全生命周期綠色清潔，更拓展了可再生能源的利用方式，有助于引導(dǎo)大量可再生能源從電力部門流向交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等終端使用部門，實(shí)現(xiàn)深度脫碳。

另一方面，氫能在常見燃料中熱值最高，約是石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍，發(fā)電效率與綜合能效遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化石能源。

氫能通過燃料電池技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，既可節(jié)約能源，提高能效，還可部分替代石油和天然氣，降低對外依存度，有助于提升我國能源安全水平。

2. 綠色制氫定義和范圍正在逐漸趨同

氫能可以采用多種工藝和能源制取，為了區(qū)別不同氫能的環(huán)境和氣候友好程度（主要指氫能生產(chǎn)全生命周期的溫室氣體排放強(qiáng)度），目前國際范圍內(nèi)普遍將氫能按照顏色標(biāo)識區(qū)分為“灰氫、藍(lán)氫、綠氫”或者“灰氫、藍(lán)氫、藍(lán)綠氫、綠氫”。

同時(shí)，為了引導(dǎo)氫能實(shí)現(xiàn)降低溫室氣體排放的初衷，國際相關(guān)機(jī)構(gòu)對氫能清潔低碳認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)提出了多種規(guī)范性方案。

2020年12月，我國率先發(fā)布并實(shí)施《低碳?xì)?、清潔氫與可再生能源氫氣標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)定》，該標(biāo)準(zhǔn)由中國氫能聯(lián)盟組織編制，成為全球首個(gè)對氫能的碳排放進(jìn)行量化的正式標(biāo)準(zhǔn)。從各類標(biāo)準(zhǔn)和分類來看，國際上提出的綠氫與可再生能源制氫、清潔氫基本等同。

由此可以看出，氫能的未來發(fā)展方向一定是以可再生能源制氫為主的綠色制氫技術(shù)。氫能制取技術(shù)的分類如表1所示。

3. 國內(nèi)外發(fā)展綠氫政策導(dǎo)向日益明朗

近年來，隨著全球應(yīng)對氣候變化帶來的減排壓力，綠氫逐漸得到了各國重視。目前，美國、日本、歐盟等國家或地區(qū)陸續(xù)公布了綠色氫能發(fā)展戰(zhàn)略。

早在2002年，美國就出臺了《國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略》，目前美國加州已建成多個(gè)利用風(fēng)能或光伏制氫項(xiàng)目。

2020年12月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布了《2050年碳中和綠色增長戰(zhàn)略》，提出將通過監(jiān)管、補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠等激勵(lì)措施，支持包括海上風(fēng)電、氫能等在內(nèi)的綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展。歐盟擬定的“綠色協(xié)議”中已將“清潔氫氣”制定為“優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域”，這一定義包括了天然氣制氫以及可再生能源制氫。

2020年，歐洲提出300億歐元的2×40GW綠氫行動計(jì)劃。德國作為歐盟成員國，在2021年推出了《國家氫能戰(zhàn)略》，成立了由內(nèi)閣任命的國家氫能委員會，并計(jì)劃投資90億歐元促進(jìn)氫能的生產(chǎn)和使用，努力成為綠氫技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

我國支持綠氫和藍(lán)氫的政策日益明朗。

中國工程院院士杜祥琬在2019年中國氫能產(chǎn)業(yè)與能源轉(zhuǎn)型發(fā)展論壇上提出，用煤制氫替代燃油汽車只能實(shí)現(xiàn)燃油車排放的轉(zhuǎn)移，只有采用非化石能源制氫，才可能做到無排放。

2020年6月，工信部原部長、中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會會長李毅中提出，在目前技術(shù)條件下，要防止盲目發(fā)展煤化工、煤制氫，避免造成生態(tài)破壞、氣候變暖等新的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管國家層面的氫能頂層設(shè)計(jì)文件尚未公布，但從各地氫能規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見來看，快速限制發(fā)展灰氫、盡快由藍(lán)氫向綠氫過渡的支持方向已經(jīng)成為共識。部分省級政府對氫能供應(yīng)的相關(guān)規(guī)劃和支持政策如表2所示。

綠色制氫的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)

發(fā)展進(jìn)程加快

1. 電解水制氫技術(shù)正在走向商業(yè)化應(yīng)用

電解水制氫是一種將水分解成氫和氧的電化學(xué)過程。目前，電解水制氫技術(shù)路線主要有堿性水電解槽技術(shù)（AE）、質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)（PEM）和固體氧化物水電解槽技術(shù)（SOEC）。

其中，AE最為成熟，單臺最大產(chǎn)氣量為1000 Nm3/h，并可以通過多臺并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模制氫。PEM流程簡單，能效較高，單臺最大產(chǎn)氣量為50 Nm3/h，但因使用貴金屬電催化劑（鉑、銥）材料和膜材料，成本偏高；SOEC需要650℃以上的高溫環(huán)境，能效最高，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

電解水制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高以及副產(chǎn)氧氣等特點(diǎn)，但是按照目前的發(fā)電成本，制氫成本仍然高達(dá)20～40元/千克。

在堿性電解水技術(shù)和設(shè)備制造方面，我國技術(shù)水平與國外相近，并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備制造、工藝集成能力。

在PEM制氫技術(shù)方面，國內(nèi)尚處于研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段。

從單機(jī)能耗上看，國內(nèi)的PEM制氫裝置較優(yōu)，但在單臺設(shè)備制氫規(guī)模上與國外還有距離。在SOEC制氫技術(shù)方面，我國仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，部分研究機(jī)構(gòu)已開始研發(fā)SOEC制氫商業(yè)化裝備。此外，光解水制氫和生物制氫等新型氫能制備技術(shù)尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可再生電力電解水規(guī)模化制氫需求正在逐步釋放。

為適應(yīng)大規(guī)模電氫融合的應(yīng)用趨勢，進(jìn)一步提高重要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為政府、研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。

當(dāng)前，美國、歐洲、日本和韓國均將電解水制氫技術(shù)視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦AE規(guī)?；蚉EM產(chǎn)業(yè)化，加快研發(fā)和資本投入。

我國氫能產(chǎn)業(yè)界也初步明確重點(diǎn)圍繞“提高電解效率”“耐久性”和“設(shè)備的低成本”開展技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)。

2. 綠氫生產(chǎn)成本有望進(jìn)入快速下降軌道

綠色制氫技術(shù)的成本主要受三部分因素影響。

一是電力成本。依靠風(fēng)電、光伏等可再生能源產(chǎn)生的電力，將水電解成氫氣和氧氣。

二是投資成本。主要為電解槽系統(tǒng)成本。

三是運(yùn)維成本。從目前典型項(xiàng)目的電解水制氫成本結(jié)構(gòu)來看，電價(jià)水平及電解槽系統(tǒng)初始投資成本的高低直接影響最終綠氫成本。

2021年，全球可再生能源發(fā)展速度加快，氫能技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化共同推動綠氫生產(chǎn)成本持續(xù)降低。

一是電解水制氫技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前，普遍使用的AE電解裝置使用壽命已提高一倍，預(yù)計(jì)未來10年還將繼續(xù)延長。同時(shí)，其能源轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提升，電解設(shè)備投資成本大幅下降。

二是電解水制氫實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。未來隨著交通用氫量的大規(guī)模增長，需要電解水制取大量高純度、低硫、低氨的氫能。根據(jù)研究，通過使用多堆棧系統(tǒng)（結(jié)合多個(gè)電解槽棧來增加電解槽系統(tǒng)的總體容量），在現(xiàn)有技術(shù)下可以降低基礎(chǔ)設(shè)備投資成本20%～40%，提高制取設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)一步降低制取氫的成本。

三是可再生能源發(fā)電成本持續(xù)下降。盡管風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電成本整體仍高于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本，但已經(jīng)多年持續(xù)下降，并有望實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。根據(jù)BNEF在全球可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的跟蹤研究，預(yù)計(jì)2030年和2050年將分別下降至3.5美分/ 千瓦時(shí)（約0.24元/ 千瓦時(shí)）和2美分/千瓦時(shí)（約0.14元/千瓦時(shí)），顯著低于火力發(fā)電和天然氣發(fā)電成本。

四是對低碳?xì)涞囊螅箓鹘y(tǒng)制氫技術(shù)成本提高。隨著全國碳排放市場的逐步建立，傳統(tǒng)制氫技術(shù)產(chǎn)生的碳排放可能在未來需要通過購買碳配額或者加裝碳捕集利用設(shè)備解決。提純成本和固碳成本將使傳統(tǒng)化石能源制氫應(yīng)用于民用領(lǐng)域時(shí)喪失部分成本優(yōu)勢。

結(jié)合上述預(yù)測因素測算，到2030年國內(nèi)綠色制氫成本將較當(dāng)前下降30%～60%，其中PEM制氫技術(shù)的成本下降幅度較大。綠色制氫在經(jīng)濟(jì)性上將可以與傳統(tǒng)化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)品制氫進(jìn)行市場競爭，到2050年綠色制氫將具有明顯的競爭優(yōu)勢。不同制氫技術(shù)的成本如表3所示。

3. 三大場景將承載綠色制氫規(guī)?；l(fā)展

當(dāng)前全球每年對氫能的消費(fèi)量大約為1.2億噸，其中主要用于原油精煉及氨和甲醇的合成，但目前氫能的生產(chǎn)主要以天然氣和煤炭為基礎(chǔ)，可再生能源制氫占比不到5%。碳中和背景下，綠氫替代藍(lán)氫是必然趨勢。目前來看，綠色制氫的應(yīng)用場景主要為以下三個(gè)方面。

一是綠色制氫+大規(guī)模長時(shí)儲能。綠色制氫是可再生能源大規(guī)模、長周期儲存的最佳途徑。常見的物理儲能和電化學(xué)儲能技術(shù)只能解決短時(shí)間內(nèi)可再生能源的不均勻性，不能解決長時(shí)間如季節(jié)性的不均，采用電解水制氫解決可再生能源的儲存與再分配問題，提高可再生能源的利用率是必然趨勢。

二是綠色制氫+冶金行業(yè)深度脫碳。冶金行業(yè)減碳已成為必然趨勢，但發(fā)展碳捕集、存儲、封裝與利用技術(shù)短期存在難以大規(guī)模應(yīng)用和成本高昂等諸多問題，氫能還原冶煉是當(dāng)前冶金行業(yè)脫碳的現(xiàn)實(shí)有效路徑。

三是綠色制氫+合成燃料和材料。氫能在現(xiàn)代工業(yè)中是應(yīng)用于石油領(lǐng)域的煉油和化學(xué)工業(yè)的主要原料。未來化工部門的深度脫碳，需要以可再生能源制氫大規(guī)模替代傳統(tǒng)的空氣分離和煤化工制氫，還將大幅增加綠色制氫的需求，綠色制氫項(xiàng)目與化工的耦合也將更加緊密和常態(tài)化。

綠色制氫產(chǎn)業(yè)

在氫能發(fā)展中率先受益

綠色制氫將成為未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大受益者。根據(jù)國際氫能委員會與麥肯錫聯(lián)合發(fā)布的《氫能洞察》預(yù)測，到2030年，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的投資總量將超過3000億美元。從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)分布來看，制氫項(xiàng)目將占投資的最大份額。

1. 綠色制氫投資進(jìn)入高速增長期

根據(jù)國際氫能委員會統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈目前已有228個(gè)已建、在建及規(guī)劃項(xiàng)目。

其中，有17個(gè)是已公開的兆瓦級綠氫生產(chǎn)項(xiàng)目（即大于1GW可再生能源和大于20萬噸/年的低碳?xì)洚a(chǎn)能項(xiàng)目），主要分布在歐洲、澳大利亞、亞洲、中東、智利等國家和地區(qū)。

截至2020年年底，全球綠色制氫（實(shí)際上是水電解制氫）累計(jì)裝機(jī)規(guī)模290MW，其中超過40%在歐洲，其次是加拿大（9%）和中國（8%）。

預(yù)計(jì)到2030年，全球電解水制氫的總裝機(jī)將快速增長到54GW，如果加上早期意向性項(xiàng)目的話，全球電解水制氫的總裝機(jī)將達(dá)到91GW。

我國綠色制氫需求快速釋放。

根據(jù)預(yù)測，在2030年碳中和背景下，我國氫能的年需求量將達(dá)到4300萬噸，在終端能源消費(fèi)中的比重約5%。

其中，綠色制氫約500萬噸，部署電解槽裝機(jī)約80GW。中國的綠色制氫需求主要由交通領(lǐng)域的新增需求和化工領(lǐng)域的脫碳驅(qū)動。

中國氫能產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2021年上半年國內(nèi)氫能產(chǎn)量同比2020年增加了25%，其中利用可再生能源制氫的比例同比提高了30%。

2.兩大綠氫細(xì)分領(lǐng)域?qū)⒙氏仁芤?/span>

一是石化企業(yè)加速向綠色制氫轉(zhuǎn)型。氫能既是煉化產(chǎn)業(yè)的中間產(chǎn)品也是原材料，傳統(tǒng)石化企業(yè)是制氫和用氫的傳統(tǒng)大戶，但是傳統(tǒng)的煤制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫利用碳排放較高。

“雙碳”目標(biāo)對石化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提出了更高要求，推動藍(lán)氫和綠氫在石化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，是石化行業(yè)尋找發(fā)展新動能的必然選擇。

目前，包括“三桶油”在內(nèi)的全球石化巨頭已紛紛開展技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目示范，并宣布了自己的綠氫計(jì)劃，傳統(tǒng)石化向綠色脫碳轉(zhuǎn)型已是大勢所趨。

中國石化、中國石油、中國海油、國家能源、巴斯夫、殼牌、BP、?？松梨?、道達(dá)爾等企業(yè)已做出了相關(guān)布局，如表4所示。

二是電解水關(guān)鍵核心設(shè)備市場廣闊。電解槽是利用可再生能源生產(chǎn)綠氫的關(guān)鍵設(shè)備。其技術(shù)路線、性能水平、成本的發(fā)展是影響綠氫市場趨勢的重要因素。PEM電解水和堿性電解水技術(shù)業(yè)已商業(yè)化推廣，未來具備極強(qiáng)的商業(yè)價(jià)值。

根據(jù)預(yù)測，全球電解槽設(shè)備的市場空間到2024年將達(dá)到12億美元?？稍偕茉丛O(shè)備制造企業(yè)加速進(jìn)入電解水設(shè)備制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)市場競爭結(jié)構(gòu)正在發(fā)展重大變化。

隨著隆基股份、陽光電源等可再生能源巨頭的加入，電解水設(shè)備市場將加快發(fā)展。

例如，隆基股份在光伏設(shè)備制造和解決方案的基礎(chǔ)上提出探索綠氫解決方案，推廣“綠電+綠氫”實(shí)現(xiàn)碳中和及應(yīng)對氣候變化。

隨著光伏裝機(jī)量的不斷攀升，電力消納已經(jīng)成為光伏大規(guī)模發(fā)展的瓶頸之一，而光伏+氫正是解決光伏儲能問題的關(guān)鍵路徑之一，為光伏發(fā)電創(chuàng)造了一個(gè)新的應(yīng)用場景和廣闊的市場需求?！?/p>

作者單位中節(jié)能生態(tài)產(chǎn)品發(fā)展研究中心

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