氢能产业发展对天然气生产企业的影响及对策——以川渝地区为例

何晋越 乔玲茜 曾金华 肖 强 刘 忠 章成东

1. 中国石油西南油气田公司天然气经济研究所, 四川 成都 610051;2. 中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部, 四川 成都 610051;3. 四川华油集团有限责任公司川西北分公司德源CNG加气站， 四川 成都 611730;4. 中国石油青海油田公司, 甘肃 敦煌 736200;5. 中国石油西南油气田公司输气管理处, 四川 成都 610213

0 前言

氢能作为一种典型的绿色新能源,具有高热值、可再生、来源广、零污染、零碳排等显著特征优势,不仅可以作为新型交通能源推动新能源动力转型和保障能源供应安全,还能够作为媒介实现各种能源品种之间的高效转化,是推动传统化石能源清洁利用深度脱碳和促进可再生能源规模发展的理想能源载体[1]。越来越多的国家开始重视氢能产业发展并将之上升到国家能源战略高度[2]。中国2019年首次将氢能写入政府工作报告,2020年将氢能列入能源范畴,先后出台了系列措施为氢能产业发展助力提速,并推动制定国家氢能产业发展战略规划,也是中国实现《巴黎协定》碳减排目标、树立负责任大国形象的重要举措[3]。因此,在中国天然气大发展的黄金时期,氢能产业的快速发展已势不可挡。川渝地区作为中国天然气主要产区和消费区之一,氢能产业发展势必对川渝地区天然气生产企业带来影响。基于此,通过研判氢能产业发展现状与趋势,分析川渝地区氢能产业对天然气生产企业的影响,为川渝地区天然气生产企业参与和推进氢能产业发展提供对策建议,为中国氢能产业高质量发展提供一定参考。

1 氢能产业发展现状与趋势

1.1 中国氢能发展现状

氢能是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出,具有能源性、载体性、环保性、发展性等属性,是公认的二次清洁能源[4]。氢能产业是指以氢能及其配套设备设施为对象的企业经济活动的集合,其产业链条涵盖上游生产、中游储运和下游利用,见图1。

图1 氢能全产业链示意图Fig.1 Schematic diagram of the whole industry chain of hydrogen energy

氢能产业链上游发展呈现全球区域性分布态势,已形成亚太、北美、欧洲三大区域版图,亚太地区氢气生产量居全球首位。2019年全球氢气产量超过6 000×104t,而中国氢气产量自2009年首次突破1 000×104t以来,已经连续12年保持世界第一,2020年或已突破2 500×104t[5],见图2。

图2 2009—2020年中国氢气产量图Fig.2 Hydrogen production in China from 2009 to 2020

氢能产业链中游发展正随着氢气储运技术的进步不断提速。储存方面,目前主流的储氢方法主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机液态储氢四种,有机液态储氢尚处于研发阶段,高压气态储氢是当前应用最广泛的一种储氢方式[6],而固态储氢发展潜力巨大。运输方面,氢气的运输方式可根据氢气状态不同分为气氢运输、液氢运输和固氢运输，气氢运输是技术最成熟的运输方式,包括长管拖车运输和气氢管道运输等；液氢运输具有经济高效、安全性高等优点,包括槽罐车运输和有机载体运输,前者在欧洲、美国、日本等地发展得相对较为成熟,进入规模化应用阶段,后者尚处于试验和少量应用阶段；固氢运输目前在全球范围内都处于探索试验阶段。

氢能产业链下游发展已呈现良好态势,目前主要用于原油精炼、氨和甲醇等化工材料制备,氢燃料电池技术应用已相对广阔,未来将遍及交通运输、储能发电、工业冶金等领域[7-8]。根据中国氢能联盟举办的“十四五”氢能产业发展论坛上发布的数据,截至2020年底全球加氢站共有544座,中国建成加氢站128座,氢燃料电池汽车累计保有量达7 000多辆。2020年中国氢气消费量已突破2 500×104t[5],主要消纳途径为化工企业氢气自产自用,少部分用于交通领域示范,且已用于有色金属冶炼等冶金领域。根据国际氢能委员会、中国氢能联盟的公开资料[9]以及《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》[10]显示,全球加氢站与氢燃料电池同步增长,到2050年,氢燃料电池汽车将占全球车辆的25%,氢能在中国终端能源体系中的占比将达到10%[11]。

1.2 中国氢能产业政策

自2019年氢能首次被写入政府工作报告以来,国家各部委频繁出台支持政策,为氢能产业发展营造了良好的政策环境、提供了强力支撑,相关支持政策见表1。

表1 中国氢能产业主要支持政策列表

在国家强力推进下,地方政府也密集出台了一系列发展规划和指导政策[12]。据不完全统计,目前超过30个省、市、自治区出台了支持氢能产业发展的规划或政策,诸如北京、贵州、河北、宁夏、山东、四川、天津、浙江等出台了氢能产业发展规划或指导意见,广东、河南、江苏、重庆、上海等出台了支持氢燃料电池产业发展相关政策,安徽、福建、甘肃等20多个省、市、自治区在其“十四五”规划或其他相关政策文件中明确提出推动氢能产业建设,为氢能产业发展提供了强大的政策支撑与保障。

1.3 天然气行业参与氢能产业建设趋势

当前,全球正处于传统化石能源向氢能等新能源过渡的第三次能源转型期,天然气产业发展进入鼎盛期,预计天然气消费量将于2030年超越煤炭消费量,2040年超过石油消费量,全球将进入天然气时代;氢能作为清洁优质的可再生能源,全球氢工业发展初具规模,具有较大的产业应用潜力[13],随着技术革新和市场扩展将有望成为极具竞争力的能源种类,又可通过天然气等化石能源制取,未来一段时间将与天然气形成竞合关系。

天然气制氢是当前和今后一段时期的主流制氢方式。目前,全球48%的氢气来自于天然气重整制氢,仅4%的氢气来自于电解水制氢[14],天然气重整制氢已经存在一定的利润空间,而电解水制氢远未实现盈利。虽然电解水制氢极可能是氢能上游生产的最终答案,但天然气制氢会是过渡时期的最现实选择。

氢气和天然气同为气体燃料,在本身属性和产业链条上存在较高的相似性,一方面,氢能对天然气在终端使用上有一定替代作用;另一方面,在天然气产业中已经建成的大量输气管网、储气罐、加气站、锅炉等基础设施很容易通过改造以便氢气使用。氢气可通过管道进行大规模、长距离运输,但氢气管道的造价约为天然气管道造价的2倍。为了解决氢气管道运输基础设施不足的问题,部分先进国家在尝试一种新的氢储运手段——掺氢天然气管道输送,在天然气管网中掺混氢气(氢气含量≤20%),运输结束后对混合气体进行氢气提纯,具有良好的经济性与安全性,是未来最具有发展潜力的低成本运氢方式。近期,欧洲多国启动富氢天然气应用计划,利用现有天然气燃气设施,将氢气与天然气按一定比例混合作为家用燃气使用。2020年欧盟委员会发布的《欧盟氢能战略》、2019年澳大利亚发布的《国家氢能战略》、2020年德国发布的《国家氢能战略》都明确了天然气产业基础设施对可再生氢能的作用,天然气行业参与氢能产业建设将成为趋势。

2 氢能产业发展对天然气生产企业影响分析

2.1 SWOT分析模型

目前,中国氢能产业已初步形成“东西南北中”五大发展区域,布局最广泛的是东部区域,西部区域以川渝地区和陕西为代表。川渝地区是中国重要的天然气生产和消费区域,2019年天然气产量占全国天然气产量近三成,消费量占全国10.7%,天然气占一次能源消费比重超过15%，领先全国[15],中国石油、中国石化均将川渝地区视为其天然气上产的主力区域,布局了一批重量级的天然气生产企业,有的企业还同时负责天然气储运和销售利用。川渝地区氢能产业起步较晚,但基础扎实,政府重视,有望实现快速发展,氢能产业在川渝地区的发展势必对川渝地区天然气生产企业带来影响。基于此,以川渝地区为例,采用SWOT分析方法(又称态势分析法),从优势、劣势、机会和威胁四个维度进行分析,构建氢能产业发展对川渝地区天然气生产企业的影响模型,见图3。

图3 氢能产业发展天然气生产企业影响SWOT模型图Fig.3 SWOT model of the influence of hydrogen energy industry development on natural gas producers

2.2 优势分析

2.2.1 区域资源禀赋良好

川渝地区水电资源丰富,以四川省为例,每年丰水期产生数十亿乃至上百亿千瓦时的富余水电,2019年富余水电已降至6年来最低,但仍高达92×108kW·h,可制备约17×104t氢气,发展电解水制氢前景较好。川渝地区炼化、氯碱、合成氨等工业基础扎实,工业副产氢资源丰富。同时,四川盆地是常规气、非常规气“双富集”气区,资源量分别占全国的23%和26%[16],目前,四川盆地天然气产量占全国天然气产量近三成,未来四川盆地天然气产量占比将提至1/3[17],为天然气制氢提供了潜在的氢源保障。

川渝地区制氢核心技术已经取得突破。部分企业掌握的变压吸附提纯氢技术国内领先,已有研究院所建成了天然气等离子提裂解制氢副产炭黑中试装置,四川大学、电子科技大学正与企业联合开展电解水制氢研发,重庆大学在碳氢燃料重整制氢技术方面已有一定的基础,多个工业气体生产企业已经开始规模生产氢气。

2.2.2 制氢环节存在机遇

虽然中国氢能联盟预计到2050年中国氢能换算热值占终端能源总量的份额将由现在的2.7%提升到10%,但短期内份额并不会迅速提升,并且氢能作为一种可承载其他形式能源转换的储能载体,天然气可以转换成氢能在能源结构的不断调整改革中继续发挥作用。因此,短期内氢能不会压缩天然气上游市场。制氢方面,与化工企业合作开展工业副产气制氢、与电力公司合作开展弃水弃电制氢,以及潜在的天然气制氢市场都有望成为天然气生产企业新的业务拓展方向。

2.2.3 掺氢天然气管道带来重大利好

天然气管道掺氢技术已成德国、荷兰等国的研究热点,国内通过辽宁朝阳可再生能源掺氢示范项目已实现天然气管道掺氢示范,成都市《关于促进氢能产业高质量发展的若干意见》《成都市氢能产业发展规划(2019—2023年)》也明确提出要探索发展天然气管道掺氢技术。川渝地区的天然气生产企业配套建设了大批天然气集输配气管道,已在四川盆地内形成“三横、三纵、三环”格局,集输配气管道45 400 km,一旦天然气管道掺氢技术可行性得到充分论证肯定,天然气生产企业可以利用现有天然气管网掺输氢气,快速形成发达的氢气管输体系。

2.3 劣势分析

四川省拥有良好的制氢资源和较强的产业基础,但目前全省氢能产业发展尚处于起步阶段。目前,四川省拥有一批涉足氢能产业的龙头企业,已聚集从事氢气制备、储运、加注、燃料电池及整车研发制造等主要环节的企业及院所过百户,产业基础较为扎实,但仍面临产业链有待打通完善、关键技术受制约、基础设施不健全等主要问题。

重庆市氢能产业同样处于起步阶段。重庆市加快氢能产业招商引资,目前已有多个氢能及燃料电池汽车项目落地,中国氢能汽车工程研究院正在筹备,重庆氢能源产业布局覆盖了制氢、燃料电池系统及关键配件、燃料电池汽车等多个环节,整体框架已经基本形成,发展亟待提速。

2.3.2 中游储运技术瓶颈有待攻克

目前,川渝地区氢气储运环节产业基础较为薄弱,少数企业和研究机构掌握部分氢气储运技术,仅能满足现有小规模氢气供需的基本要求。部分本土企业在高压储氢瓶、氢气加注设备等方面具有技术优势,电子科技大学、四川大学、清华四川能源互联网研究院在钒钛基储氢合金技术等方面具备成果转化能力。

2019年，成都市出台的《成都市氢能产业发展规划(2019—2023年)》在“发展重点”章节明确提出:“探索发展低温液态储氢、有机液态储氢及合金固态储氢等材料、技术和设备,以及天然气管道掺氢技术。”然而,现有技术仅少数得到验证,科技成果转化面临困境,部分关键技术成为发展瓶颈,亟待攻克[18]。

2.4 机会分析

2.4.1 氢能产业支持政策频频出台

成渝地区双城经济圈建设提供机遇。2020年1月,中央财经委员会第六次会议提出建设成渝地区双城经济圈,在西部形成高质量发展的重要增长极,有利于加速推动川渝两地氢能产业协同发展。此外,川渝地方政府频出政策,成都市是国内对氢能产业出台政策较为积极的城市之一,四川省、重庆市也于近期发布了氢能产业发展规划和一系列补贴政策[19],见表2。

为验证案例分析的准确性，引用文献[15]的方法对此案例进行分析，得到故障模式重要度统计图,如图6所示。由图6可得到6种故障模式重要度优先级排序为：齿条断齿、齿条移动过位、齿面疲劳磨损、齿条移动不平稳、齿条移动发出异响、漏油，其结果与本文所用方法得到的结论基本一致，而且本文所用方法避免了计算机仿真所带来的误差，能够通过较少的量化评价指标快速地对故障模式等级进行决策，所得结论更加明确且具有针对性，相较于实际工程应用中许多企业采用RPN法或危害性矩阵图法确定其数控机床故障等级而言，本文方法更加客观、准确且效率较高，便于企业设计人员进行重点分析、设计改进以及维修过程控制。

表2 川渝地区地方政府氢能产业规划与支持政策列表

2.4.2 交通领域是下游利用发展重点

川渝地区在汽车工业上有着良好的基础,氢能及燃料电池汽车产业链条基本打通,国家和地区规划政策均将交通领域作为氢能示范应用最重要的领域,川渝地区具备氢能交通领域应用快速发展的条件,预计燃料电池产业将成为拉动整个川渝地区氢能产业发展的引擎。四川省高校、科研院所联合省内龙头企业已对燃料电池及整车(机)、加氢站等配套基础设施研究多年,积累了大量研发和制造经验,氢燃料电池客车已进入商业示范运行。重庆市现代化汽车工业基础较好,发展氢燃料电池汽车产业具有先天优势,多家本土车企早已布局氢能源的商用研发,招商引资获得成效,多个氢燃料电池汽车项目接连落地。

四川省本地企业已在氢能交通领域应用方面积累了一定的经验。中国东方电气集团有限公司在燃料电池和燃料电池发动机等方面掌握多项关键技术,其联合成都客车股份有限公司研发生产的第一辆氢燃料电池客车已于2017年成功下线。2018年西南地区首个加氢站——成都市郫都区氢能源加注站在郫都区现代工业港揭幕；同年依托该加氢站的氢燃料电池客车示范线进入商业示范运行,整条线路共有10辆氢燃料电池公交车,此举标志着四川省成为全国第二个开展氢燃料电池客车商业示范运行的省份。截至2020年8月,四川省共建成加氢站5座,氢燃料电池示范车辆220辆,示范规模西部第一[20]。

重庆市本地企业乘势而上加快氢能源商用进度,外地企业加紧布局重庆市场。重庆长安汽车股份有限公司持续开展氢燃料电池汽车研发已有10年,近年来长安新能源公司先后参与了3个国家级项目研究,目前正在研发增程式燃料电池SUV。此外,多个重庆本土车企透露,目前已着手或准备氢能源汽车的研发。2019年以来,多个重磅项目落地,包括两江新区的氢燃料电池发动机项目,年产3 000套车用燃料电池动力系统及核心零部件生产基地,以及拟在重庆忠县新建的氢能源汽车产业园区。此外,国内首个氢能共享汽车项目也落地重庆,中国氢能汽车工程研究院正在筹备当中。

2.5 威胁分析

2.5.1 氢气终端市场对天然气生产企业影响较大

川渝地区天然气生产企业布局了数量较多的CNG加气站、LNG加气站。随着氢气终端市场的发展，如加氢站的建设、燃料电池汽车数量的增多,首当其冲的是CNG的市场。多个网约车公司对车辆进驻平台提出了新规定,用3年时间淘汰所有非新能源车辆,此举将阻断CNG和汽油车辆在共享汽车市场领域的增长可能性。预计近3年内就会出现CNG市场压缩的现象,LNG在长途客车和载重卡车等车辆上相比燃料电池仍具有经济优势,近期内影响不大,但远期存在潜在影响。

2.5.2 加氢站建设管理相对薄弱

川渝地区氢能产业发展处于起步阶段,加氢站建设管理相对薄弱,主要体现为归口管理不清,审批过程复杂,加氢站建设制度化进程有待提升，加氢站建设用地困难,加氢站多拟址重点工业园区和都市核心区,土地成本高昂,安全环保要求高,审批困难。另外,加氢站建设所涉及的压缩机、加气机等核心设备和关键零部件多数依赖进口,国产化程度低,同时氢气制备和运输成本高,导致加氢站建设和氢气加注成本居高不下。

3 天然气生产企业参与氢能产业发展对策

3.1 参与战略规划与顶层设计

结合川渝地区氢能产业发展规划、成渝地区双城经济圈的建设等内在需求,进一步分析川渝地区氢能产业发展的基础和优势,川渝地区政府应当共同出台政策措施和创造有利条件,围绕氢能产业发展需求,强化招商引资和本土培育力度,对氢能全产业链缺失环节针对性进行补链、强链[21],完善产业链布局。天然气生产企业应当积极参与区域氢能发展规划,明确发展目标和实现路径,充分发挥天然气生产企业的优势资源,重点参与发展氢气的制备、储运、加注环节,与地方氢能产业发展互为配套,共同推进川渝地区天然气产业和氢能产业共同快速发展。

3.2 与相关企业协同合作

川渝地区天然气生产企业应当积极主动,与相关企业合作弃水弃电制氢和工业副产气制氢,储备天然气制氢技术,抢占氢能产业上游市场。

首先,积极与相关企业合作弃水弃电制氢和工业副产气制氢。根据川渝地区氢能产业发展现状和相关政策解读,目前川渝地区上游制氢将以弃水弃电电解水制氢为首选,氯碱工业为主的工业副产气制氢和天然气制氢也是重要选择。在这种背景下,天然气企业可以利用自身在中游运输和下游终端销售环节的优势,与川渝地区的水电企业合作弃水弃电制氢,与四川石化有限责任公司等化工企业合作工业副产气制氢,以抢占氢能产业上游市场。

其次,天然气生产企业应积极发展天然气制氢技术作为技术储备。目前川渝地区主张弃水弃电制氢,并给予电价优惠和政府补贴,现阶段若弃水弃电制氢发展成熟,可以完全满足市场需要。但随着氢能下游市场做大做强,氢能需求量会大幅上涨,并且随着政府补贴的逐渐退出,以及枯水期的影响,现有模式可能出现供氢不足的情况。目前制约天然气制氢在川渝地区发展的主要因素是价格劣势,但在将来出现供氢不足的情况时,天然气制氢可以作为一种很好的填谷方式和战略替代。从另一角度考虑,四川盆地现在处于天然气快速上产阶段,根据川渝两地政府规划,预计到2035年川渝地区天然气年产量将超过1 000×108m3。随着能源消费结构的逐步调整,未来天然气可能出现供大于求的情况,转换成氢能使用将会是天然气消纳的一个重要途径。再者,发展天然气制氢可以缓解天然气调峰保供问题,在天然气需求量较小的时间段,天然气生产企业可以将生产的过量天然气制取氢气,并将氢气储存或销售,或通过燃料电池转换成电能并入电网,缓解淡季天然气供大于求的问题,减小储气库建设压力,为天然气调峰保供提供更多解决方案。

3.3 充分利用天然气管网优势

川渝地区的天然气生产企业可利用现有天然气管网发展掺氢天然气管道。多家天然气生产企业已在川渝地区建立了比较发达的天然气管网,并与全国管网连接。掺氢天然气管道输送是在天然气管网中掺混氢气,运输结束后对混合气体进行氢气提纯,具有良好的经济性与安全性,是未来最具有发展潜力的低成本运氢方式。一旦天然气管道掺氢技术可行性得到充分论证肯定,天然气生产企业可以利用现有天然气管网,积极发展掺氢天然气管道,将生产的氢气输送到川渝地区乃至全国各地,抢占氢能产业中游运输市场。同样的,天然气生产企业可以利用天然气管网建设的技术优势,组织建设专门的输氢管道,成为为数不多有能力组织氢气管道运输的企业。

3.4 稳步探索加气加氢合建站及加氢站

川渝地区的天然气生产企业多数采用天然气产运储销一体化运营模式,在发展氢能产业时有望复制这一模式。天然气生产企业依托终端销售平台在川渝地区布局了相当数量的CNG加气站、LNG加气站,发展氢能产业销售业务时,可依托现有CNG加气站、LNG加气站建立加气加氢合建站,或将逐渐淘汰的CNG加气站逐步改建为加氢站,在缩减建造成本的同时迅速占领川渝地区氢气销售市场。并可根据氢能产业市场发展形势考虑新建加氢站,加密氢气销售网点。至此,天然气生产企业可以形成氢能产运储销一体化发展模式,在川渝地区氢能产业发展中掌握主动权。

4 结论

当前,不论从资源储量还是从环境友好的角度考虑,全球发达国家都十分重视氢能产业的发展,全球氢能产业发展已经向规模化发展大跨步前进,氢能产业发展机遇与挑战并存。在政策引领下,川渝地区的氢能产业将进入快速发展期,氢能产业对天然气生产企业会带来一定的影响,但总体上机遇大于挑战。天然气生产企业应密切关注氢能产业发展动态,制定相关应对措施,积极融入氢能产业,在能源转型的总体趋势下持续高质量发展。