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迎接綠氫時代，你準備好了嗎？

 昵稱8300447 2022-02-18

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”目標的提出，圍繞碳達峰、碳中和，能源轉(zhuǎn)型的步伐進一步加快，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注。

近年來，氫能制取、儲存、運輸、利用技術等方面已取得突破性進展，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。
　　
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，作為可再生電力的替代和補充，綠色制氫將在我國實現(xiàn)“雙碳”目標的道路上發(fā)揮關鍵作用。

碳中和背景下發(fā)展綠氫

逐漸成為共識


“十四五”時期，我國生態(tài)文明建設進入了以降碳為重點戰(zhàn)略方向的新階段。當前，我國碳排放主要來源于能源消費。

從能源相關的碳排放來看，盡管大部分能源消費能夠被光伏、風電和水電等可再生電力替代，但在可預計的技術和經(jīng)濟演進過程下，仍有20%～30%的非電能源消費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等技術路徑，開發(fā)潛力更大，技術迭代更強，政策和產(chǎn)業(yè)更加完善，更有機會成為未來非電領域替代主體的解決方案。
　
1. 發(fā)展氫能是非電領域深度脫碳關鍵
　　
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，也是實現(xiàn)交通運輸、工業(yè)和建筑等領域大規(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，有助于引導大量可再生能源從電力部門流向交通運輸、工業(yè)和建筑等終端使用部門，實現(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高于傳統(tǒng)化石能源。

氫能通過燃料電池技術應用于交通領域，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度），目前國際范圍內(nèi)普遍將氫能按照顏色標識區(qū)分為“灰氫、藍氫、綠氫”或者“灰氫、藍氫、藍綠氫、綠氫”。

同時，為了引導氫能實現(xiàn)降低溫室氣體排放的初衷，國際相關機構對氫能清潔低碳認定的標準提出了多種規(guī)范性方案。

2020年12月，我國率先發(fā)布并實施《低碳氫、清潔氫與可再生能源氫氣標準及認定》，該標準由中國氫能聯(lián)盟組織編制，成為全球首個對氫能的碳排放進行量化的正式標準。從各類標準和分類來看，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。氫能制取技術的分類如表1所示。

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3. 國內(nèi)外發(fā)展綠氫政策導向日益明朗
　　
近年來，隨著全球應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利用風能或光伏制氫項目。

2020年12月，日本經(jīng)濟產(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、補貼和稅收優(yōu)惠等激勵措施，支持包括海上風電、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，并計劃投資90億歐元促進氫能的生產(chǎn)和使用，努力成為綠氫技術領域的全球領導者。
　　
我國支持綠氫和藍氫的政策日益明朗。

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)濟聯(lián)合會會長李毅中提出，在目前技術條件下，要防止盲目發(fā)展煤化工、煤制氫，避免造成生態(tài)破壞、氣候變暖等新的風險。

盡管國家層面的氫能頂層設計文件尚未公布，但從各地氫能規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導意見來看，快速限制發(fā)展灰氫、盡快由藍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的相關規(guī)劃和支持政策如表2所示。

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綠色制氫的技術和經(jīng)濟

發(fā)展進程加快

　
1. 電解水制氫技術正在走向商業(yè)化應用
　　
電解水制氫是一種將水分解成氫和氧的電化學過程。目前，電解水制氫技術路線主要有堿性水電解槽技術（AE）、質(zhì)子交換膜水電解技術（PEM）和固體氧化物水電解槽技術（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，但仍處于實驗室研究階段。

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，但是按照目前的發(fā)電成本，制氫成本仍然高達20～40元/千克。
　　
在堿性電解水技術和設備制造方面，我國技術水平與國外相近，并擁有完全自主知識產(chǎn)權的設備制造、工藝集成能力。

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

從單機能耗上看，國內(nèi)的PEM制氫裝置較優(yōu)，但在單臺設備制氫規(guī)模上與國外還有距離。在SOEC制氫技術方面，我國仍處于實驗室驗證階段，部分研究機構已開始研發(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尚未進入產(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)?；茪湫枨笳谥鸩结尫?。

為適應大規(guī)模電氫融合的應用趨勢，進一步提高重要技術指標已經(jīng)成為政府、研究機構和生產(chǎn)企業(yè)的關注重點。

當前，美國、歐洲、日本和韓國均將電解水制氫技術視為未來的主流發(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)界也初步明確重點圍繞“提高電解效率”“耐久性”和“設備的低成本”開展技術優(yōu)化改進。
　　
2. 綠氫生產(chǎn)成本有望進入快速下降軌道
　　
綠色制氫技術的成本主要受三部分因素影響。

一是電力成本。依靠風電、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。

三是運維成本。從目前典型項目的電解水制氫成本結(jié)構來看，電價水平及電解槽系統(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的不斷進步。目前，普遍使用的AE電解裝置使用壽命已提高一倍，預計未來10年還將繼續(xù)延長。同時，其能源轉(zhuǎn)化效率進一步提升，電解設備投資成本大幅下降。

二是電解水制氫實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。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)合多個電解槽棧來增加電解槽系統(tǒng)的總體容量），在現(xiàn)有技術下可以降低基礎設備投資成本20%～40%，提高制取設備運行時間，進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，并有望實現(xiàn)平價上網(wǎng)。根據(jù)BNEF在全球可再生能源發(fā)電項目的跟蹤研究，預計2030年和2050年將分別下降至3.5美分/ 千瓦時（約0.24元/ 千瓦時）和2美分/千瓦時（約0.14元/千瓦時），顯著低于火力發(fā)電和天然氣發(fā)電成本。

四是對低碳氫的要求，使傳統(tǒng)制氫技術成本提高。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備解決。提純成本和固碳成本將使傳統(tǒng)化石能源制氫應用于民用領域時喪失部分成本優(yōu)勢。
　　
結(jié)合上述預測因素測算，到2030年國內(nèi)綠色制氫成本將較當前下降30%～60%，其中PEM制氫技術的成本下降幅度較大。綠色制氫在經(jīng)濟性上將可以與傳統(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。不同制氫技術的成本如表3所示。

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3. 三大場景將承載綠色制氫規(guī)?；l(fā)展
　
當前全球每年對氫能的消費量大約為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，可再生能源制氫占比不到5%。碳中和背景下，綠氫替代藍氫是必然趨勢。目前來看，綠色制氫的應用場景主要為以下三個方面。
　　
一是綠色制氫+大規(guī)模長時儲能。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儲能技術只能解決短時間內(nèi)可再生能源的不均勻性，不能解決長時間如季節(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、封裝與利用技術短期存在難以大規(guī)模應用和成本高昂等諸多問題，氫能還原冶煉是當前冶金行業(yè)脫碳的現(xiàn)實有效路徑。
　　
三是綠色制氫+合成燃料和材料。氫能在現(xiàn)代工業(yè)中是應用于石油領域的煉油和化學工業(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，制氫項目將占投資的最大份額。
　　
1. 綠色制氫投資進入高速增長期
　　
根據(jù)國際氫能委員會統(tǒng)計，在全球范圍內(nèi)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈目前已有228個已建、在建及規(guī)劃項目。

其中，有17個是已公開的兆瓦級綠氫生產(chǎn)項目（即大于1GW可再生能源和大于20萬噸/年的低碳氫產(chǎn)能項目），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（實際上是水電解制氫）累計裝機規(guī)模290MW，其中超過40%在歐洲，其次是加拿大（9%）和中國（8%）。

預計到2030年，全球電解水制氫的總裝機將快速增長到54GW，如果加上早期意向性項目的話，全球電解水制氫的總裝機將達到91GW。
　　
我國綠色制氫需求快速釋放。

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

其中，綠色制氫約500萬噸，部署電解槽裝機約80GW。中國的綠色制氫需求主要由交通領域的新增需求和化工領域的脫碳驅(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%。
　　
2.兩大綠氫細分領域?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”目標對石化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提出了更高要求，推動藍氫和綠氫在石化產(chǎn)業(yè)的應用，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研發(fā)和項目示范，并宣布了自己的綠氫計劃，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?、道達爾等企業(yè)已做出了相關布局，如表4所示。

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二是電解水關鍵核心設備市場廣闊。電解槽是利用可再生能源生產(chǎn)綠氫的關鍵設備。其技術路線、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業(yè)已商業(yè)化推廣，未來具備極強的商業(yè)價值。

根據(jù)預測，全球電解槽設備的市場空間到2024年將達到12億美元?？稍偕茉丛O備制造企業(yè)加速進入電解水設備制造領域，傳統(tǒng)市場競爭結(jié)構正在發(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，電解水設備市場將加快發(fā)展。

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

隨著光伏裝機量的不斷攀升，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鍵路徑之一，為光伏發(fā)電創(chuàng)造了一個新的應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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