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    本刊特稿    
  碳中和背景下的绿氢洞察(2022-2)  
企业管理杂志 发布时间:22-06-20        
   

绿色制氢将成为未来氢能产业发展的最大受益者。根据国际氢能委员会与麦肯锡联合发布的《氢能洞察》预测,到2030年,全球氢能产业链的投资总量将超过3000亿美元。

文|李凯



关键词:绿色制氢   碳达峰   碳中和    “双碳”目标

      氢是宇宙已知元素中最轻也是最多的元素。随着“双碳”目标的提出,围绕碳达峰、碳中和,能源转型的步伐进一步加快,氢能高热值、低污染、来源广、转换灵活的优势正在得到前所未有的关注。近年来,氢能制取、储存、运输、利用技术等方面已取得突破性进展,氢能产业正处于大规模商业化爆发的前夜,有望成为未来低碳能源体系的中坚。
      作为二次能源,氢能不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整或生物质热裂解、微生物发酵等途径制取,还可以通过焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气制取,也可以利用电解水制取。其中,以可再生能源为原料制取氢能的绿色制氢,具备全过程环保、低排放、转化灵活等特点,作为可再生电力的替代和补充,绿色制氢将在我国实现“双碳”目标的道路上发挥关键作用。

一、碳中和背景下发展绿氢逐渐成为共识
      “十四五”时期,我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向的新阶段。当前,我国碳排放主要来源于能源消费。从能源相关的碳排放来看,尽管大部分能源消费能够被光伏、风电和水电等可再生电力替代,但在可预计的技术和经济演进过程下,仍有20%〜30%的非电能源消费需要找到可替代的零碳能源形式。氢能相较于生物质、CCUS/CCS等技术路径,开发潜力更大,技术迭代更强,政策和产业更加完善,更有机会成为未来非电领域替代主体的解决方案。
1. 发展氢能是非电领域深度脱碳关键
      从世界能源更替的趋势来看,脱碳加氢和清洁高效是大趋势。氢能作为灵活高效和应用场景丰富的二次能源,是推动传统化石能源清洁高效利用和可再生能源大规模发展的理想互联媒介,也是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。
       一方面,氢能可以从化石能源中获取,并作为二次能源使用,有助于煤炭等一次能源清洁高效利用,提升供给侧质量。通过电解水制取,特别是与可再生能源发电相结合,不仅能够实现全生命周期绿色清洁,更拓展了可再生能源的利用方式,有助于引导大量可再生能源从电力部门流向交通运输、工业和建筑等终端使用部门,实现深度脱碳。
       另一方面,氢能在常见燃料中热值最高,约是石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍,发电效率与综合能效远高于传统化石能源。氢能通过燃料电池技术应用于交通领域,既可节约能源,提高能效,还可部分替代石油和天然气,降低对外依存度,有助于提升我国能源安全水平。
2. 绿色制氢定义和范围正在逐渐趋同
      氢能可以采用多种工艺和能源制取,为了区别不同氢能的环境和气候友好程度(主要指氢能生产全生命周期的温室气体排放强度),目前国际范围内普遍将氢能按照颜色标识区分为“灰氢、蓝氢、绿氢”或者“灰氢、蓝氢、蓝绿氢、绿氢”。同时,为了引导氢能实现降低温室气体排放的初衷,国际相关机构对氢能清洁低碳认定的标准提出了多种规范性方案。2020年12月,我国率先发布并实施《低碳氢、清洁氢与可再生能源氢气标准及认定》,该标准由中国氢能联盟组织编制,成为全球首个对氢能的碳排放进行量化的正式标准。从各类标准和分类来看,国际上提出的绿氢与可再生能源制氢、清洁氢基本等同。由此可以看出,氢能的未来发展方向一定是以可再生能源制氢为主的绿色制氢技术。氢能制取技术的分类如表1所示。


3. 国内外发展绿氢政策导向日益明朗
      近年来,随着全球应对气候变化带来的减排压力,绿氢逐渐得到了各国重视。目前,美国、日本、欧盟等国家或地区陆续公布了绿色氢能发展战略。早在2002年,美国就出台了《国家氢能发展战略》,目前美国加州已建成多个利用风能或光伏制氢项目。2020年12月,日本经济产业省发布了《2050年碳中和绿色增长战略》,提出将通过监管、补贴和税收优惠等激励措施,支持包括海上风电、氢能等在内的绿色产业发展。欧盟拟定的“绿色协议”中已将“清洁氢气”制定为“优先发展领域”,这一定义包括了天然气制氢以及可再生能源制氢。2020年,欧洲提出300亿欧元的2×40GW绿氢行动计划。德国作为欧盟成员国,在2021年推出了《国家氢能战略》,成立了由内阁任命的国家氢能委员会,并计划投资90亿欧元促进氢能的生产和使用,努力成为绿氢技术领域的全球领导者。
       我国支持绿氢和蓝氢的政策日益明朗。中国工程院院士杜祥琬在2019年中国氢能产业与能源转型发展论坛上提出,用煤制氢替代燃油汽车只能实现燃油车排放的转移,只有采用非化石能源制氢,才可能做到无排放。2020年6月,工信部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中提出,在目前技术条件下,要防止盲目发展煤化工、煤制氢,避免造成生态破坏、气候变暖等新的风险。尽管国家层面的氢能顶层设计文件尚未公布,但从各地氢能规划和产业发展指导意见来看,快速限制发展灰氢、尽快由蓝氢向绿氢过渡的支持方向已经成为共识。部分省级政府对氢能供应的相关规划和支持政策如表2所示。



二、绿色制氢的技术和经济发展进程加快
1. 电解水制氢技术正在走向商业化应用
       电解水制氢是一种将水分解成氢和氧的电化学过程。目前,电解水制氢技术路线主要有碱性水电解槽技术(AE)、质子交换膜水电解技术(PEM)和固体氧化物水电解槽技术(SOEC)。其中,AE最为成熟,单台最大产气量为1000 Nm3/h,并可以通过多台并联实现较大规模制氢。PEM流程简单,能效较高,单台最大产气量为50 Nm3/h,但因使用贵金属电催化剂(铂、铱)材料和膜材料,成本偏高;SOEC需要650℃以上的高温环境,能效最高,但仍处于实验室研究阶段。电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、纯度高以及副产氧气等特点,但是按照目前的发电成本,制氢成本仍然高达20〜40元/千克。
       在碱性电解水技术和设备制造方面,我国技术水平与国外相近,并拥有完全自主知识产权的设备制造、工艺集成能力。在PEM制氢技术方面,国内尚处于研发走向工业化的前期阶段。从单机能耗上看,国内的PEM制氢装置较优,但在单台设备制氢规模上与国外还有距离。在SOEC制氢技术方面,我国仍处于实验室验证阶段,部分研究机构已开始研发SOEC制氢商业化装备。此外,光解水制氢和生物制氢等新型氢能制备技术尚未进入产业化阶段。
      随着氢能产业的发展,可再生电力电解水规模化制氢需求正在逐步释放。为适应大规模电氢融合的应用趋势,进一步提高重要技术指标已经成为政府、研究机构和生产企业的关注重点。当前,美国、欧洲、日本和韩国均将电解水制氢技术视为未来的主流发展方向,聚焦AE规模化和PEM产业化,加快研发和资本投入。我国氢能产业界也初步明确重点围绕“提高电解效率”“耐久性”和“设备的低成本”开展技术优化改进。
2. 绿氢生产成本有望进入快速下降轨道
      绿色制氢技术的成本主要受三部分因素影响。一是电力成本。依靠风电、光伏等可再生能源产生的电力,将水电解成氢气和氧气。二是投资成本。主要为电解槽系统成本。三是运维成本。从目前典型项目的电解水制氢成本结构来看,电价水平及电解槽系统初始投资成本的高低直接影响最终绿氢成本。
      2021年,全球可再生能源发展速度加快,氢能技术研发和商业化共同推动绿氢生产成本持续降低。一是电解水制氢技术的不断进步。目前,普遍使用的AE电解装置使用寿命已提高一倍,预计未来10年还将继续延长。同时,其能源转化效率进一步提升,电解设备投资成本大幅下降。二是电解水制氢实现规模经济。未来随着交通用氢量的大规模增长,需要电解水制取大量高纯度、低硫、低氨的氢能。根据研究,通过使用多堆栈系统(结合多个电解槽栈来增加电解槽系统的总体容量),在现有技术下可以降低基础设备投资成本20%〜40%,提高制取设备运行时间,进一步降低制取氢的成本。三是可再生能源发电成本持续下降。尽管风电、光伏等可再生能源发电成本整体仍高于传统化石能源发电成本,但已经多年持续下降,并有望实现平价上网。根据BNEF在全球可再生能源发电项目的跟踪研究,预计2030年和2050年将分别下降至3.5美分/ 千瓦时(约0.24元/ 千瓦时)和2美分/千瓦时(约0.14元/千瓦时),显著低于火力发电和天然气发电成本。四是对低碳氢的要求,使传统制氢技术成本提高。随着全国碳排放市场的逐步建立,传统制氢技术产生的碳排放可能在未来需要通过购买碳配额或者加装碳捕集利用设备解决。提纯成本和固碳成本将使传统化石能源制氢应用于民用领域时丧失部分成本优势。
       结合上述预测因素测算,到2030年国内绿色制氢成本将较当前下降30%〜60%,其中PEM制氢技术的成本下降幅度较大。绿色制氢在经济性上将可以与传统化石能源制氢和工业副产品制氢进行市场竞争,到2050年绿色制氢将具有明显的竞争优势。不同制氢技术的成本如表3所示。


3. 三大场景将承载绿色制氢规模化发展
       当前全球每年对氢能的消费量大约为1.2亿吨,其中主要用于原油精炼及氨和甲醇的合成,但目前氢能的生产主要以天然气和煤炭为基础,可再生能源制氢占比不到5%。碳中和背景下,绿氢替代蓝氢是必然趋势。目前来看,绿色制氢的应用场景主要为以下三个方面。
      一是绿色制氢+大规模长时储能。绿色制氢是可再生能源大规模、长周期储存的最佳途径。常见的物理储能和电化学储能技术只能解决短时间内可再生能源的不均匀性,不能解决长时间如季节性的不均,采用电解水制氢解决可再生能源的储存与再分配问题,提高可再生能源的利用率是必然趋势。
      二是绿色制氢+冶金行业深度脱碳。冶金行业减碳已成为必然趋势,但发展碳捕集、存储、封装与利用技术短期存在难以大规模应用和成本高昂等诸多问题,氢能还原冶炼是当前冶金行业脱碳的现实有效路径。
      三是绿色制氢+合成燃料和材料。氢能在现代工业中是应用于石油领域的炼油和化学工业的主要原料。未来化工部门的深度脱碳,需要以可再生能源制氢大规模替代传统的空气分离和煤化工制氢,还将大幅增加绿色制氢的需求,绿色制氢项目与化工的耦合也将更加紧密和常态化。

三、绿色制氢产业在氢能发展中率先受益
       绿色制氢将成为未来氢能产业发展的最大受益者。根据国际氢能委员会与麦肯锡联合发布的《氢能洞察》预测,到2030年,全球氢能产业链的投资总量将超过3000亿美元。从产业链各环节分布来看,制氢项目将占投资的最大份额。
1. 绿色制氢投资进入高速增长期
      根据国际氢能委员会统计,在全球范围内,氢能产业链目前已有228个已建、在建及规划项目。其中,有17个是已公开的兆瓦级绿氢生产项目(即大于1GW可再生能源和大于20万吨/年的低碳氢产能项目),主要分布在欧洲、澳大利亚、亚洲、中东、智利等国家和地区。截至2020年年底,全球绿色制氢(实际上是水电解制氢)累计装机规模290MW,其中超过40%在欧洲,其次是加拿大(9%)和中国(8%)。预计到2030年,全球电解水制氢的总装机将快速增长到54GW,如果加上早期意向性项目的话,全球电解水制氢的总装机将达到91GW。
      我国绿色制氢需求快速释放。根据预测,在2030年碳中和背景下,我国氢能的年需求量将达到4300万吨,在终端能源消费中的比重约5%。其中,绿色制氢约500万吨,部署电解槽装机约80GW。中国的绿色制氢需求主要由交通领域的新增需求和化工领域的脱碳驱动。中国氢能产业协会数据显示,2021年上半年国内氢能产量同比2020年增加了25%,其中利用可再生能源制氢的比例同比提高了30%。
2.两大绿氢细分领域将率先受益
      一是石化企业加速向绿色制氢转型。氢能既是炼化产业的中间产品也是原材料,传统石化企业是制氢和用氢的传统大户,但是传统的煤制氢和工业副产氢利用碳排放较高。“双碳”目标对石化产业转型提出了更高要求,推动蓝氢和绿氢在石化产业的应用,是石化行业寻找发展新动能的必然选择。目前,包括“三桶油”在内的全球石化巨头已纷纷开展技术研发和项目示范,并宣布了自己的绿氢计划,传统石化向绿色脱碳转型已是大势所趋。中国石化、中国石油、中国海油、国家能源、巴斯夫、壳牌、BP、埃克森美孚、道达尔等企业已做出了相关布局,如表4所示。


      二是电解水关键核心设备市场广阔。电解槽是利用可再生能源生产绿氢的关键设备。其技术路线、性能水平、成本的发展是影响绿氢市场趋势的重要因素。PEM电解水和碱性电解水技术业已商业化推广,未来具备极强的商业价值。根据预测,全球电解槽设备的市场空间到2024年将达到12亿美元。可再生能源设备制造企业加速进入电解水设备制造领域,传统市场竞争结构正在发展重大变化。随着隆基股份、阳光电源等可再生能源巨头的加入,电解水设备市场将加快发展。例如,隆基股份在光伏设备制造和解决方案的基础上提出探索绿氢解决方案,推广“绿电+绿氢”实现碳中和及应对气候变化。随着光伏装机量的不断攀升,电力消纳已经成为光伏大规模发展的瓶颈之一,而光伏+氢正是解决光伏储能问题的关键路径之一,为光伏发电创造了一个新的应用场景和广阔的市场需求。■


作者单位 中节能生态产品发展研究中心

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