国内氢能应用场景分析及发展前景预测

王 明 华

(国能经济技术研究院有限责任公司，北京 102211)

氢能作为二次能源,在军事、航天等领域应用广泛而成熟。但在民用领域,各国的研究热度时有起伏,虽然20世纪70年代已有国家提出“氢经济”的概念,却始终未踏入商业化应用门槛。自2015年巴黎协定签署以来,全球节能减排的压力越发严峻,减少对化石能源的依赖并大力发展清洁能源的诉求愈加高涨。在以气候变化和“双碳”战略目标的大背景下,氢能再次成为关注焦点,进入发展“快车道”。与以往伴随石油价格高涨而形成氢能研究热潮不同,新一轮氢能产业的快速发展有3个全新的动力:氢能产业的相关技术已进入成熟期;新能源高速发展为绿氢来源提供保障;难以脱碳行业实现碳中和的可选路径。它们的出现,很可能推动氢能正式进入商业化应用领域并形成规模化产业。

1 氢能的应用场景分析

氢能行业的发展,底层逻辑就是氢能能够成为难以脱碳行业实现碳中和的重要解决方案之一,要突破氢能产业发展的瓶颈,最重要的就是体现在终端应用实现二氧化碳减排的潜力上。由于氢气既是一种燃料,也是一种原料,氢能应用场景十分广泛,按照终端能源消费形式分为四大类——交通、工业、建筑和电力,都有氢能的应用场景[1-2]。尤其是在难以脱碳的工业领域,包括氢炼钢、炼油、合成氨、煤制甲醇/乙二醇、工业燃料等;在建筑领域,包括天然气管网掺氢、家庭热电联供、集中式冷热电三联供等;在交通领域,包括商用车、乘用车、有轨电车、船舶、飞机等;在电力领域,包括氢燃料电池电站、燃氢轮机电厂、燃煤掺氨电厂等。图1所示为氢能在终端能源消费中的主要应用方向。目前来看,交通领域是氢能和燃料电池下游应用市场发展的突破口,随着碳中和战略的深入,氢能产业正快速向工业、建筑和电力领域拓展。

图1 氢能在终端能源消费中的主要应用方向

1.1 氢能是交通领域多元发展的动力源

氢能应用到交通领域的核心设备是氢燃料电池,是将氢气的化学能转化成电能。早期燃料电池的应用主要集中在航空航天等特殊领域,且技术已相对成熟[3]。受益于各国政策的支持,氢燃料电池汽车在技术上取得较大突破,以丰田、现代等为代表的氢燃料电池乘用车在全世界销售,而氢燃料电池商用车在我国发展得更是如火如荼。但在与燃油车甚至电动车的商业竞争中,氢燃料电池车完全依靠自身力量来取得优势是十分困难的,需要借助不同的场景进行差异化布局。譬如,以工程车、公交车、重卡等商用车为切入口,率先示范,是符合中国国情的氢能发展路线。

截至2022年底,我国在运加氢站295座,约占全球数量的40%,加氢站数量位居世界第一。氢燃料电池汽车保有量为11 033辆,我国成为全球最大的燃料电池商用车市场,如图2所示。

图2 中国氢燃料电池车产销量

1.2 氢能是工业领域零碳发展的原料仓

氢能可以促进传统化石能源的转型升级,由燃料向原料彻底转变。氢气不仅可以作为反应物生产合成氨用于化肥,还能够作为还原剂用于炼钢;最关键的是,可以将化石能源中的碳与新能源制取的氢相结合,形成碳一化学的基本原料一氧化碳和氢气,生产基本的化工原料或产品[4],并实现二氧化碳零排放,如图3所示。

图3 氢能在石油化工和煤化工中的基础原料作用

从消费端看,作为化工原料,合成氨、合成甲醇、石油炼制是氢气前三大用途,煤制天然气、煤制油、煤制乙二醇、煤制乙醇也消耗原料氢气;作为燃料,主要是炼焦过程产生的焦炉煤气,部分为焦炉自身加热提供热能。结合氢能现有的应用场景,以2021年国内石油化工和煤化工行业的实际年产量,包括合成氨、合成甲醇、石油炼制与化工、煤制油、煤制气、煤制乙二醇以及炼焦,根据理论耗氢量,计算出2021年在现有工业领域应用的氢气消费量为37.90 Mt,如表1所示。

表1 氢气作为化工原料和燃料在国内传统行业的应用规模

1.3 氢能是电力领域新能源高比例发展的调制解调器

新能源的高速发展为氢能的发展提供了前所未有的新机遇。随着新能源制氢成本的不断下降,以及环境治理和二氧化碳排放成本的增加,化石能源制氢和工业副产氢的竞争力将变弱,氢能将逐步过渡到由新能源电解水制氢。氢能作为能源媒介,可实现大规模储能,促进新能源在电源结构中更高比例的发展;在未来燃煤火电机组作为备用容量难以满足电网的调峰需求时,此时响应速度快、功率负荷调节范围宽的燃氢电厂又可成为优质电源点[5],增强电力系统灵活性。

1.4 氢燃料电池热电联供是建筑领域的有效模式

燃料电池热电联供是指利用燃料电池发电技术实现向用户供给电能和热能的一种能源供给技术,能源综合利用效率可达80%以上。目前全球范围燃料电池技术路线以及应用在热电联供领域主要以质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)为主。从全球发展情况看,日本、美国、韩国和欧洲在燃料电池热电联供领域从技术和应用方面均处于世界领先地位。我国燃料电池技术、尤其是SOFC技术和应用与国外差距相对较大;在国家政策支持和相关企业的积极推动下,燃料电池热电联产已实现了小规模示范应用。

2 氢能行业近中期发展趋势预测分析

从近中期看,国内氢能需求格局基本不变,还是以煤化工和石油化工行业为主。氢能供应上,绿氢替代灰氢的规模将不断增加,主要应用场景是合成氨、石油化工、氢燃料电池汽车和氢燃料电池热电联供。氢炼钢也将有一定规模的示范,但主要基于蓝氢,来源于其自身炼焦副产的焦炉煤气。

2.1 氢能应用于交通领域热度持续,目标更加聚焦

(1)加氢站数量不断上升,以油氢合建等综合服务站为主。通过梳理省级“十四五”规划对于氢能产业的指导意见,具体提出截至2025年加氢站建设目标的省份有18个,合计数量达到951座,如图4所示。综合一些重点省份并未提出具体的目标,预测到2025年基本能够实现1 000座加氢站的整体目标。

(2)氢燃料电池汽车由导入期进入成长期,重点聚焦在客车及货车领域,乘用车较少。燃料电池技术的发展进步,将使氢能可以广泛应用于道路交通、船舶、铁路、航空等各种交通领域。目前国内氢燃料电池汽车仍以示范城市群项目为主,处于导入期。展望“十四五”期间,国内氢能源车有望进入量产阶段,结合各地方政府的氢能规划,提出具体推广应用氢燃料电池汽车目标的有15个省市,合计达到7.38万辆,如图5所示。综合研判,基本能够实现《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》提出的2025年全国燃料电池车总保有量为5万辆的目标,预计这些车辆每年消耗氢气量在200 kt的量级。2025年之后有望开启商业化应用阶段,进入成长期,燃料电池车在2030年有望达到20万辆的规模。

图5 部分省份截至2025年的氢燃料电池汽车保有量发展目标

2.2 绿氢将逐步渗透到工业领域,助力重点行业碳减排

(1)合成氨是绿氢下游应用的重点方向。在碳减排和新能源消纳双重压力下,结合氨运输的便捷性和应用的广泛性,绿氢合成氨(绿氨)将对煤制合成氨(灰氨)带来挑战,不仅助力合成氨工业碳减排,且绿氨作为载氢体,将拓展氨作为化工原料的传统下游市场,带来新的增量。故“十四五”期间,合成氨是绿氢下游应用的重点突围行业,在风、光资源丰富的内蒙古、河北、吉林地区,已经有多个绿氨项目在规划实施,预测2025年末实现绿氨产能2.0 Mt。

(2)绿氢耦合煤化工和炼化试点示范为主。“绿电-绿氢-煤化工”和“绿电-绿氢-炼化”一体化,绿电替代化石能源发电、中低位热能供热,绿氢替代化石能源制氢、作燃料用于高位热能供热,都将助力石化行业全面实现低碳化发展和绿色转型升级。但新能源制氢成本高,且煤化工和炼化项目耗氢规模极大,绿氢项目难以与之完全匹配。故“十四五”期间,绿电、绿氢在石化领域的应用将是以相对小规模项目的试点示范为主,重点任务是打通以绿电、绿氢为主的工艺流程。

(3)氢能炼钢技术有待持续突破。炼钢是基于铁矿石还原得到生铁,氢气和一氧化碳都具有还原性,但使用氢气不产生二氧化碳,在碳中和战略下,氢能炼钢应运而生;但不同于一氧化碳还原放热,氢还原铁是吸热反应,所以不论是反应原理还是工艺流程都需要再造,技术有待持续突破。目前在全球范围内,氢能炼钢也都是处于中试等研究状态。故“十四五”期间,氢能炼钢将处于技术突破、技术示范阶段。

2.3 新能源制氢-储氢-氢能发电模式初步开启,氢燃料电池热电联供是建筑领域减碳的有效模式

《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》中提出要因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施。北京、浙江、四川和辽宁等省市均制定了具体的目标和要求,在政策的推动下,我国燃料电池热电联供示范项目也在有序展开,多个项目建成投产,项目主要集中于热电负荷比较稳定的工业园区和商建楼宇的小规模应用。

2.4 2030年前后,氢能供给中绿氢成本有望实现平价

随着新能源发电成本逐步下降、电解水制氢技术和商业模式的逐步成熟,考虑化石能源碳捕集、利用和封存(CCUS)的成本,预计2030年前后,新能源电解水制氢成本或开始与化石能源制氢相匹敌,绿氢的成本有望实现平价。再综合上述应用场景需求,氢能的增量将主要由新能源制绿氢提供,且规模不断增大,产量显著增长,2025年绿氢产量将达到0.6 Mt/a,2030年绿氢产量将达到3.0 Mt/a,主要应用在交通领域和合成氨工业。氢能产业由导入期进入成长期,到2030年,我国将构建起涵盖交通、工业、电力等领域的多元氢能应用生态。

3 氢能行业中长期展望预测分析

本研究建立的中长期能源展望模型考虑如下两个因素:一是通过运用能源系统量化模型,从碳中和大能源视角,推演出氢能产业中长期的发展趋势以及在整个能源系统中的地位;二是通过电力电量平衡分析,论证氢能产业在中远期大规模发展的可行性。

在预测过程中,为了测算氢能在应用端的数量关系,依据当前行业整体情况及发展趋势,对氢能在不同应用领域的用氢量进行了对标分析。随着新能源电力成本下降和氢能技术体系成熟,绿氢消费领域和规模从交通领域不断扩大,逐步推进推动化工和冶金等传统工业领域通过绿氢替代实现低碳转型,助力我国减碳难度较大的传统工业领域实现科技引领下的体系重构。

对于乘用车和商用车,单台车辆氢气年消耗量均十分有限,只有燃料电池汽车发展到一定数量,用氢量才能形成规模,故燃料电池汽车-运氢/加氢基础设施-氢量三者之间需要做好规划,优化“氢源”与“氢汇”的布局,才能稳步推进燃料电池汽车行业的发展。对于合成氨、煤化工、石油化工、炼钢等工业化项目,单个项目消耗的氢气量非常大,在项目周边配套建设集中式、大规模可再生能源制氢项目,将节省大量运输及储存费用,是较为完美的“氢源”与“氢汇”匹配方案。

预测结果显示,2060年国内氢气消费总量约83.0 Mt,占终端能源消费总量的11.3%,如图6、图7所示(1 tCE=29.3 GJ);此时,氢气消耗电量约3×1012kW·h,氢气消耗电力占比17.7%,如图8所示。

图6 国内终端能源消费总量及品种结构

图7 氢能在国内终端能源消费占比

预计到2060年,在我国氢气需求结构中,工业领域和交通领域的占比将分别增长至50.0%和33.6%,其次,电力领域与建筑领域的占比分别为10.2%和4.2%,如图9所示。随着交通领域乘用车、商用车数量的增大,工业领域中煤化工、石油化工、钢铁行业的原料氢替代,以及电力领域中燃氢调峰和燃氨电厂的燃料需求,对绿氢的需求量十分巨大,属于应用端的重点突破口。

图9 2060年氢能在国内不同领域的消费结构

4 结论与建议

总体而言,氢能在链接可再生能源与传统化石能源之间将起到纽带作用,在化解风、光发电高比例接入电网消纳问题的同时,更是难以脱碳的工业领域实现深度减排的“攻坚利器”。短期内氢能的发展或许面临着经济性的考验,但是随着氢能产业链商业化进程的不断完善和成熟,制氢技术的不断迭代升级、规模化发展使得制氢成本快速下降;氢能将与交通网、原料网、供电网、供热网等一起,成为未来能源枢纽重要的一环。

长期来看,氢能产业未来的发展前景非常广阔,但根据目前发展状况判断,未来氢能产业要立足于商业能源领域需具备几项前提条件:第一,发展前期必须予以强力政策支持,包括资金补贴和示范项目,也包括能够让氢能在能源、环境质量和经济发展上适应国家发展的社会目标;第二,在产业链的各个环节上,成本均具备一定竞争力,包括在供给环节上与化石能源的价格竞争,在储运及应用环节中与锂电池的竞争等;第三,技术安全可靠性保障,包括技术安全保障、法律规范保障和提高社会认知接受度等。在满足以上条件的基础上,进而提高氢能产业竞争力的核心要素是增加投资以扩大规模、扩大氢能价值链,需要包括政府、企业在内的社会经济体全员参与和投入。