王 明 華

(國(guó)能經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 102211)

氫能作為二次能源,在軍事、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛而成熟。但在民用領(lǐng)域,各國(guó)的研究熱度時(shí)有起伏,雖然20世紀(jì)70年代已有國(guó)家提出“氫經(jīng)濟(jì)”的概念,卻始終未踏入商業(yè)化應(yīng)用門檻。自2015年巴黎協(xié)定簽署以來(lái),全球節(jié)能減排的壓力越發(fā)嚴(yán)峻,減少對(duì)化石能源的依賴并大力發(fā)展清潔能源的訴求愈加高漲。在以氣候變化和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的大背景下,氫能再次成為關(guān)注焦點(diǎn),進(jìn)入發(fā)展“快車道”。與以往伴隨石油價(jià)格高漲而形成氫能研究熱潮不同,新一輪氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有3個(gè)全新的動(dòng)力:氫能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)技術(shù)已進(jìn)入成熟期;新能源高速發(fā)展為綠氫來(lái)源提供保障;難以脫碳行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的可選路徑。它們的出現(xiàn),很可能推動(dòng)氫能正式進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域并形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。

1 氫能的應(yīng)用場(chǎng)景分析

氫能行業(yè)的發(fā)展,底層邏輯就是氫能能夠成為難以脫碳行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要解決方案之一,要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸,最重要的就是體現(xiàn)在終端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的潛力上。由于氫氣既是一種燃料,也是一種原料,氫能應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛,按照終端能源消費(fèi)形式分為四大類——交通、工業(yè)、建筑和電力,都有氫能的應(yīng)用場(chǎng)景[1-2]。尤其是在難以脫碳的工業(yè)領(lǐng)域,包括氫煉鋼、煉油、合成氨、煤制甲醇/乙二醇、工業(yè)燃料等;在建筑領(lǐng)域,包括天然氣管網(wǎng)摻氫、家庭熱電聯(lián)供、集中式冷熱電三聯(lián)供等;在交通領(lǐng)域,包括商用車、乘用車、有軌電車、船舶、飛機(jī)等;在電力領(lǐng)域,包括氫燃料電池電站、燃?xì)漭啓C(jī)電廠、燃煤摻氨電廠等。圖1所示為氫能在終端能源消費(fèi)中的主要應(yīng)用方向。目前來(lái)看,交通領(lǐng)域是氫能和燃料電池下游應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展的突破口,隨著碳中和戰(zhàn)略的深入,氫能產(chǎn)業(yè)正快速向工業(yè)、建筑和電力領(lǐng)域拓展。

圖1 氫能在終端能源消費(fèi)中的主要應(yīng)用方向

1.1 氫能是交通領(lǐng)域多元發(fā)展的動(dòng)力源

氫能應(yīng)用到交通領(lǐng)域的核心設(shè)備是氫燃料電池,是將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。早期燃料電池的應(yīng)用主要集中在航空航天等特殊領(lǐng)域,且技術(shù)已相對(duì)成熟[3]。受益于各國(guó)政策的支持,氫燃料電池汽車在技術(shù)上取得較大突破,以豐田、現(xiàn)代等為代表的氫燃料電池乘用車在全世界銷售,而氫燃料電池商用車在我國(guó)發(fā)展得更是如火如荼。但在與燃油車甚至電動(dòng)車的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中,氫燃料電池車完全依靠自身力量來(lái)取得優(yōu)勢(shì)是十分困難的,需要借助不同的場(chǎng)景進(jìn)行差異化布局。譬如,以工程車、公交車、重卡等商用車為切入口,率先示范,是符合中國(guó)國(guó)情的氫能發(fā)展路線。

截至2022年底,我國(guó)在運(yùn)加氫站295座,約占全球數(shù)量的40%,加氫站數(shù)量位居世界第一。氫燃料電池汽車保有量為11 033輛,我國(guó)成為全球最大的燃料電池商用車市場(chǎng),如圖2所示。

圖2 中國(guó)氫燃料電池車產(chǎn)銷量

1.2 氫能是工業(yè)領(lǐng)域零碳發(fā)展的原料倉(cāng)

氫能可以促進(jìn)傳統(tǒng)化石能源的轉(zhuǎn)型升級(jí),由燃料向原料徹底轉(zhuǎn)變。氫氣不僅可以作為反應(yīng)物生產(chǎn)合成氨用于化肥,還能夠作為還原劑用于煉鋼;最關(guān)鍵的是,可以將化石能源中的碳與新能源制取的氫相結(jié)合,形成碳一化學(xué)的基本原料一氧化碳和氫氣,生產(chǎn)基本的化工原料或產(chǎn)品[4],并實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放,如圖3所示。

圖3 氫能在石油化工和煤化工中的基礎(chǔ)原料作用

從消費(fèi)端看,作為化工原料,合成氨、合成甲醇、石油煉制是氫氣前三大用途,煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇、煤制乙醇也消耗原料氫氣;作為燃料,主要是煉焦過(guò)程產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣,部分為焦?fàn)t自身加熱提供熱能。結(jié)合氫能現(xiàn)有的應(yīng)用場(chǎng)景,以2021年國(guó)內(nèi)石油化工和煤化工行業(yè)的實(shí)際年產(chǎn)量,包括合成氨、合成甲醇、石油煉制與化工、煤制油、煤制氣、煤制乙二醇以及煉焦,根據(jù)理論耗氫量,計(jì)算出2021年在現(xiàn)有工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的氫氣消費(fèi)量為37.90 Mt,如表1所示。

表1 氫氣作為化工原料和燃料在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模

1.3 氫能是電力領(lǐng)域新能源高比例發(fā)展的調(diào)制解調(diào)器

新能源的高速發(fā)展為氫能的發(fā)展提供了前所未有的新機(jī)遇。隨著新能源制氫成本的不斷下降,以及環(huán)境治理和二氧化碳排放成本的增加,化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫的競(jìng)爭(zhēng)力將變?nèi)?氫能將逐步過(guò)渡到由新能源電解水制氫。氫能作為能源媒介,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能,促進(jìn)新能源在電源結(jié)構(gòu)中更高比例的發(fā)展;在未來(lái)燃煤火電機(jī)組作為備用容量難以滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需求時(shí),此時(shí)響應(yīng)速度快、功率負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬的燃?xì)潆姀S又可成為優(yōu)質(zhì)電源點(diǎn)[5],增強(qiáng)電力系統(tǒng)靈活性。

1.4 氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供是建筑領(lǐng)域的有效模式

燃料電池?zé)犭娐?lián)供是指利用燃料電池發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)向用戶供給電能和熱能的一種能源供給技術(shù),能源綜合利用效率可達(dá)80%以上。目前全球范圍燃料電池技術(shù)路線以及應(yīng)用在熱電聯(lián)供領(lǐng)域主要以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)為主。從全球發(fā)展情況看,日本、美國(guó)、韓國(guó)和歐洲在燃料電池?zé)犭娐?lián)供領(lǐng)域從技術(shù)和應(yīng)用方面均處于世界領(lǐng)先地位。我國(guó)燃料電池技術(shù)、尤其是SOFC技術(shù)和應(yīng)用與國(guó)外差距相對(duì)較大;在國(guó)家政策支持和相關(guān)企業(yè)的積極推動(dòng)下,燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模示范應(yīng)用。

2 氫能行業(yè)近中期發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

從近中期看,國(guó)內(nèi)氫能需求格局基本不變,還是以煤化工和石油化工行業(yè)為主。氫能供應(yīng)上,綠氫替代灰氫的規(guī)模將不斷增加,主要應(yīng)用場(chǎng)景是合成氨、石油化工、氫燃料電池汽車和氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供。氫煉鋼也將有一定規(guī)模的示范,但主要基于藍(lán)氫,來(lái)源于其自身煉焦副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣。

2.1 氫能應(yīng)用于交通領(lǐng)域熱度持續(xù),目標(biāo)更加聚焦

(1)加氫站數(shù)量不斷上升,以油氫合建等綜合服務(wù)站為主。通過(guò)梳理省級(jí)“十四五”規(guī)劃對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見(jiàn),具體提出截至2025年加氫站建設(shè)目標(biāo)的省份有18個(gè),合計(jì)數(shù)量達(dá)到951座,如圖4所示。綜合一些重點(diǎn)省份并未提出具體的目標(biāo),預(yù)測(cè)到2025年基本能夠?qū)崿F(xiàn)1 000座加氫站的整體目標(biāo)。

(2)氫燃料電池汽車由導(dǎo)入期進(jìn)入成長(zhǎng)期,重點(diǎn)聚焦在客車及貨車領(lǐng)域,乘用車較少。燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,將使氫能可以廣泛應(yīng)用于道路交通、船舶、鐵路、航空等各種交通領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車仍以示范城市群項(xiàng)目為主,處于導(dǎo)入期。展望“十四五”期間,國(guó)內(nèi)氫能源車有望進(jìn)入量產(chǎn)階段,結(jié)合各地方政府的氫能規(guī)劃,提出具體推廣應(yīng)用氫燃料電池汽車目標(biāo)的有15個(gè)省市,合計(jì)達(dá)到7.38萬(wàn)輛,如圖5所示。綜合研判,基本能夠?qū)崿F(xiàn)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》提出的2025年全國(guó)燃料電池車總保有量為5萬(wàn)輛的目標(biāo),預(yù)計(jì)這些車輛每年消耗氫氣量在200 kt的量級(jí)。2025年之后有望開(kāi)啟商業(yè)化應(yīng)用階段,進(jìn)入成長(zhǎng)期,燃料電池車在2030年有望達(dá)到20萬(wàn)輛的規(guī)模。

圖5 部分省份截至2025年的氫燃料電池汽車保有量發(fā)展目標(biāo)

2.2 綠氫將逐步滲透到工業(yè)領(lǐng)域,助力重點(diǎn)行業(yè)碳減排

(1)合成氨是綠氫下游應(yīng)用的重點(diǎn)方向。在碳減排和新能源消納雙重壓力下,結(jié)合氨運(yùn)輸?shù)谋憬菪院蛻?yīng)用的廣泛性,綠氫合成氨(綠氨)將對(duì)煤制合成氨(灰氨)帶來(lái)挑戰(zhàn),不僅助力合成氨工業(yè)碳減排,且綠氨作為載氫體,將拓展氨作為化工原料的傳統(tǒng)下游市場(chǎng),帶來(lái)新的增量。故“十四五”期間,合成氨是綠氫下游應(yīng)用的重點(diǎn)突圍行業(yè),在風(fēng)、光資源豐富的內(nèi)蒙古、河北、吉林地區(qū),已經(jīng)有多個(gè)綠氨項(xiàng)目在規(guī)劃實(shí)施,預(yù)測(cè)2025年末實(shí)現(xiàn)綠氨產(chǎn)能2.0 Mt。

(2)綠氫耦合煤化工和煉化試點(diǎn)示范為主?！熬G電-綠氫-煤化工”和“綠電-綠氫-煉化”一體化,綠電替代化石能源發(fā)電、中低位熱能供熱,綠氫替代化石能源制氫、作燃料用于高位熱能供熱,都將助力石化行業(yè)全面實(shí)現(xiàn)低碳化發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。但新能源制氫成本高,且煤化工和煉化項(xiàng)目耗氫規(guī)模極大,綠氫項(xiàng)目難以與之完全匹配。故“十四五”期間,綠電、綠氫在石化領(lǐng)域的應(yīng)用將是以相對(duì)小規(guī)模項(xiàng)目的試點(diǎn)示范為主,重點(diǎn)任務(wù)是打通以綠電、綠氫為主的工藝流程。

(3)氫能煉鋼技術(shù)有待持續(xù)突破。煉鋼是基于鐵礦石還原得到生鐵,氫氣和一氧化碳都具有還原性,但使用氫氣不產(chǎn)生二氧化碳,在碳中和戰(zhàn)略下,氫能煉鋼應(yīng)運(yùn)而生;但不同于一氧化碳還原放熱,氫還原鐵是吸熱反應(yīng),所以不論是反應(yīng)原理還是工藝流程都需要再造,技術(shù)有待持續(xù)突破。目前在全球范圍內(nèi),氫能煉鋼也都是處于中試等研究狀態(tài)。故“十四五”期間,氫能煉鋼將處于技術(shù)突破、技術(shù)示范階段。

2.3 新能源制氫-儲(chǔ)氫-氫能發(fā)電模式初步開(kāi)啟,氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供是建筑領(lǐng)域減碳的有效模式

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》中提出要因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯(lián)供設(shè)施。北京、浙江、四川和遼寧等省市均制定了具體的目標(biāo)和要求,在政策的推動(dòng)下,我國(guó)燃料電池?zé)犭娐?lián)供示范項(xiàng)目也在有序展開(kāi),多個(gè)項(xiàng)目建成投產(chǎn),項(xiàng)目主要集中于熱電負(fù)荷比較穩(wěn)定的工業(yè)園區(qū)和商建樓宇的小規(guī)模應(yīng)用。

2.4 2030年前后,氫能供給中綠氫成本有望實(shí)現(xiàn)平價(jià)

隨著新能源發(fā)電成本逐步下降、電解水制氫技術(shù)和商業(yè)模式的逐步成熟,考慮化石能源碳捕集、利用和封存(CCUS)的成本,預(yù)計(jì)2030年前后,新能源電解水制氫成本或開(kāi)始與化石能源制氫相匹敵,綠氫的成本有望實(shí)現(xiàn)平價(jià)。再綜合上述應(yīng)用場(chǎng)景需求,氫能的增量將主要由新能源制綠氫提供,且規(guī)模不斷增大,產(chǎn)量顯著增長(zhǎng),2025年綠氫產(chǎn)量將達(dá)到0.6 Mt/a,2030年綠氫產(chǎn)量將達(dá)到3.0 Mt/a,主要應(yīng)用在交通領(lǐng)域和合成氨工業(yè)。氫能產(chǎn)業(yè)由導(dǎo)入期進(jìn)入成長(zhǎng)期,到2030年,我國(guó)將構(gòu)建起涵蓋交通、工業(yè)、電力等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。

3 氫能行業(yè)中長(zhǎng)期展望預(yù)測(cè)分析

本研究建立的中長(zhǎng)期能源展望模型考慮如下兩個(gè)因素:一是通過(guò)運(yùn)用能源系統(tǒng)量化模型,從碳中和大能源視角,推演出氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)以及在整個(gè)能源系統(tǒng)中的地位;二是通過(guò)電力電量平衡分析,論證氫能產(chǎn)業(yè)在中遠(yuǎn)期大規(guī)模發(fā)展的可行性。

在預(yù)測(cè)過(guò)程中,為了測(cè)算氫能在應(yīng)用端的數(shù)量關(guān)系,依據(jù)當(dāng)前行業(yè)整體情況及發(fā)展趨勢(shì),對(duì)氫能在不同應(yīng)用領(lǐng)域的用氫量進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。隨著新能源電力成本下降和氫能技術(shù)體系成熟,綠氫消費(fèi)領(lǐng)域和規(guī)模從交通領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,逐步推進(jìn)推動(dòng)化工和冶金等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域通過(guò)綠氫替代實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型,助力我國(guó)減碳難度較大的傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)科技引領(lǐng)下的體系重構(gòu)。

對(duì)于乘用車和商用車,單臺(tái)車輛氫氣年消耗量均十分有限,只有燃料電池汽車發(fā)展到一定數(shù)量,用氫量才能形成規(guī)模,故燃料電池汽車-運(yùn)氫/加氫基礎(chǔ)設(shè)施-氫量三者之間需要做好規(guī)劃,優(yōu)化“氫源”與“氫匯”的布局,才能穩(wěn)步推進(jìn)燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于合成氨、煤化工、石油化工、煉鋼等工業(yè)化項(xiàng)目,單個(gè)項(xiàng)目消耗的氫氣量非常大,在項(xiàng)目周邊配套建設(shè)集中式、大規(guī)模可再生能源制氫項(xiàng)目,將節(jié)省大量運(yùn)輸及儲(chǔ)存費(fèi)用,是較為完美的“氫源”與“氫匯”匹配方案。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,2060年國(guó)內(nèi)氫氣消費(fèi)總量約83.0 Mt,占終端能源消費(fèi)總量的11.3%,如圖6、圖7所示(1 tCE=29.3 GJ);此時(shí),氫氣消耗電量約3×1012kW·h,氫氣消耗電力占比17.7%,如圖8所示。

圖6 國(guó)內(nèi)終端能源消費(fèi)總量及品種結(jié)構(gòu)

圖7 氫能在國(guó)內(nèi)終端能源消費(fèi)占比

預(yù)計(jì)到2060年,在我國(guó)氫氣需求結(jié)構(gòu)中,工業(yè)領(lǐng)域和交通領(lǐng)域的占比將分別增長(zhǎng)至50.0%和33.6%,其次,電力領(lǐng)域與建筑領(lǐng)域的占比分別為10.2%和4.2%,如圖9所示。隨著交通領(lǐng)域乘用車、商用車數(shù)量的增大,工業(yè)領(lǐng)域中煤化工、石油化工、鋼鐵行業(yè)的原料氫替代,以及電力領(lǐng)域中燃?xì)湔{(diào)峰和燃氨電廠的燃料需求,對(duì)綠氫的需求量十分巨大,屬于應(yīng)用端的重點(diǎn)突破口。

圖9 2060年氫能在國(guó)內(nèi)不同領(lǐng)域的消費(fèi)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與建議

總體而言,氫能在鏈接可再生能源與傳統(tǒng)化石能源之間將起到紐帶作用,在化解風(fēng)、光發(fā)電高比例接入電網(wǎng)消納問(wèn)題的同時(shí),更是難以脫碳的工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度減排的“攻堅(jiān)利器”。短期內(nèi)氫能的發(fā)展或許面臨著經(jīng)濟(jì)性的考驗(yàn),但是隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化進(jìn)程的不斷完善和成熟,制氫技術(shù)的不斷迭代升級(jí)、規(guī)模化發(fā)展使得制氫成本快速下降;氫能將與交通網(wǎng)、原料網(wǎng)、供電網(wǎng)、供熱網(wǎng)等一起,成為未來(lái)能源樞紐重要的一環(huán)。

長(zhǎng)期來(lái)看,氫能產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展前景非常廣闊,但根據(jù)目前發(fā)展?fàn)顩r判斷,未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)要立足于商業(yè)能源領(lǐng)域需具備幾項(xiàng)前提條件:第一,發(fā)展前期必須予以強(qiáng)力政策支持,包括資金補(bǔ)貼和示范項(xiàng)目,也包括能夠讓氫能在能源、環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展上適應(yīng)國(guó)家發(fā)展的社會(huì)目標(biāo);第二,在產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上,成本均具備一定競(jìng)爭(zhēng)力,包括在供給環(huán)節(jié)上與化石能源的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng),在儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用環(huán)節(jié)中與鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)等;第三,技術(shù)安全可靠性保障,包括技術(shù)安全保障、法律規(guī)范保障和提高社會(huì)認(rèn)知接受度等。在滿足以上條件的基礎(chǔ)上,進(jìn)而提高氫能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素是增加投資以擴(kuò)大規(guī)模、擴(kuò)大氫能價(jià)值鏈,需要包括政府、企業(yè)在內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)體全員參與和投入。