中國儲能網(wǎng)訊：近年來,隨著全球應(yīng)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30多個(gè)國家或地區(qū)陸續(xù)公布了綠色氫能發(fā)展戰(zhàn)略。長遠(yuǎn)來看,氫能是新能源領(lǐng)域少有的兼具確定性與顛覆性的萬億級賽道,亦有可能是最大的能源變革機(jī)遇。
全球氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
一、全球氫能需求及應(yīng)用現(xiàn)狀
根據(jù)國際能源署發(fā)布的《全球氫能回顧2022》報(bào)告顯示,全球氫能需求正在增長,關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域需求正在提升。2021年,全球氫能需求增長5%,達(dá)到9400萬噸,超過2019年的9100萬噸,約占全球終端能源消費(fèi)總量的2.5%。
全球氫氣需求的增長主要來自煉油和工業(yè)等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。2021年隨著全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇,精煉石油產(chǎn)品需求恢復(fù),煉油行業(yè)氫氣需求加快恢復(fù),需求量約4000萬噸,同比增長5.3%。與此同時(shí),氫氣的應(yīng)用場景不斷拓寬,在新興領(lǐng)域的應(yīng)用飛速發(fā)展。例如,氫燃料電池除應(yīng)用在車輛上,在航運(yùn)領(lǐng)域、民用無人機(jī)領(lǐng)域也有成熟應(yīng)用。隨著氫能各種技術(shù)成本的下降,國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì),到2030年,氫氣可能成為20多種應(yīng)用場景中最具競爭力的低碳解決方案,主要包括長途卡車運(yùn)輸、航運(yùn)、煉油和鋼鐵冶金等。
二、全球氫能產(chǎn)業(yè)政策及規(guī)劃現(xiàn)狀
目前全球已有30多個(gè)國家推出氫戰(zhàn)略、制定氫能發(fā)展路線圖。日本早在2017年就推出了《基本氫能戰(zhàn)略》,計(jì)劃在2030年形成30萬噸/年的供應(yīng)能力,建設(shè)加氫站900座。之后,韓國、歐洲國家以及美國也已相繼推出氫戰(zhàn)略/氫能發(fā)展路線圖,支持氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以歐洲為例,2020年4月,荷蘭正式發(fā)布國家級氫能政策,計(jì)劃到2025年建設(shè)50個(gè)加氫站、投放15000輛燃料電池汽車和3000輛重型汽車,到2030年投放30萬輛燃料電池汽車。
2020年6月,德國政府正式通過了國家氫能源戰(zhàn)略,為清潔能源未來的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和相關(guān)創(chuàng)新,制定了行動(dòng)框架。2020年7月,歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》,希望借此為歐盟設(shè)置新的清潔能源投資議程,以達(dá)成在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo),同時(shí)在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)造就業(yè),進(jìn)一步刺激歐盟在新冠疫情后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。全球主要國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃詳見下頁表1。
綠氫經(jīng)濟(jì)性分析
目前,全球約98%的氫能是通過碳密集型方法,即使用天然氣或煤為原料生產(chǎn)的（即灰氫）。全球其余2%的氫能則通過電解水方式生產(chǎn)。綠氫的占比如此之低,主要原因是制取成本偏高。各類主要制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和碳排放情況見下頁表2。
由表2可見,利用光伏風(fēng)電等可再生能源的棄電造氫,在碳排放量方面雖然具有絕對優(yōu)勢,但綜合來看現(xiàn)階段綠氫生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性相比灰氫、藍(lán)氫并不突出。
更大的槽體、更優(yōu)質(zhì)的制造工藝,以及技術(shù)環(huán)節(jié)的精進(jìn)和材料的優(yōu)化降低電解槽的投資成本；第二,隨著電解槽年工作時(shí)間的延長,折舊和其他固定成本將攤薄,制氫成本隨之下降。當(dāng)電解槽年工作時(shí)長從2000小時(shí)提升至8000小時(shí)后,單位氫氣成本平均降低30%以上。
綠氫的運(yùn)輸、儲存、加注
除上游生產(chǎn)環(huán)節(jié),中游的運(yùn)輸、儲存、加注環(huán)節(jié)也是氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體發(fā)展的重要環(huán)節(jié),加儲運(yùn)環(huán)節(jié)是目前限制終端氫氣平價(jià)應(yīng)用的另一重要因素。以2020年中國灰氫和綠氫的終端成本為例,成本結(jié)構(gòu)如下圖所示。
由圖可見,由于光伏、風(fēng)電大多在較為偏遠(yuǎn)的地區(qū),產(chǎn)生的綠氫要加以應(yīng)用,必然需要運(yùn)輸?shù)焦I(yè)中心等氫能需求較大的地方。然而,目前各國的氫能源車載運(yùn)輸、氫能管道等基礎(chǔ)設(shè)施還不完善,加氫站數(shù)量也相對有限,氫氣的儲存和運(yùn)輸面臨如下挑戰(zhàn)。
一、氫氣存儲難度大
氫氣由于重量輕、原子半徑小、性能活潑、穩(wěn)定性差（泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸）,存儲和運(yùn)輸難度較大。按氫氣狀態(tài)可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固體3種儲存方式。目前工業(yè)上最可行的規(guī)模化儲存和運(yùn)輸方法只有高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,成本相對較低,但單位質(zhì)量儲氫密度低,運(yùn)輸成本高,有泄漏和爆炸的安全隱患。低溫液態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲存容積小等優(yōu)勢,但液化過程耗能大且儲存容器需絕熱性能良好,成本高昂。
近年來固態(tài)合金儲氫和有機(jī)液態(tài)儲氫相關(guān)技術(shù)的開發(fā)也備受關(guān)注,其中固態(tài)儲氫技術(shù)被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的一種氫氣儲存方式。固態(tài)儲氫是通過化學(xué)反應(yīng)或物理吸附將氫氣儲存于固態(tài)材料中,優(yōu)點(diǎn)突出,包括：儲氫工作壓力不高,安全性強(qiáng)使用壽命長；放氫純度高,有利于提高燃料電池的工作效率和使用壽命；系統(tǒng)體積小儲氫密度大,結(jié)構(gòu)緊湊；再充氫壓力低,充氫方便,但也存在著儲存材料價(jià)格高昂、儲存釋放條件苛刻的問題。
二、氫能運(yùn)輸制約
運(yùn)輸是氫氣從制氫廠到終端使用的重要環(huán)節(jié),也是成本的重要組成部分。氫氣可以以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種形態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸。我國主要以氣態(tài)運(yùn)輸為主,可選擇長管拖車和管道運(yùn)輸2種方式。其中長管拖運(yùn)技術(shù)成熟,通常在近距離時(shí)采用；管道運(yùn)輸則適合大規(guī)模、長距離運(yùn)輸,運(yùn)輸效率高,能耗較小,但一次性建設(shè)投入較高,國內(nèi)目前輸氫管道較少；液態(tài)采用槽車運(yùn)輸,適合中遠(yuǎn)距離和較大量運(yùn)輸,該運(yùn)輸方式在液化過程中能耗較大,設(shè)備要求也較高,國內(nèi)主要用于航天及軍事,在日、美等國應(yīng)用較為廣泛；固態(tài)氫氣通過輕質(zhì)儲氫材料可以實(shí)現(xiàn)高密度高安全運(yùn)輸,提高單車運(yùn)輸量和運(yùn)輸安全性,目前仍處于試驗(yàn)開發(fā)階段。
經(jīng)測算,在0-1000km范圍內(nèi)管道運(yùn)輸?shù)某杀咀畹?；運(yùn)輸距離在250km內(nèi),使用長管拖車運(yùn)輸成本低于液氫槽車；超過250km則使用液氫槽車更具成本優(yōu)勢。要降低氫的運(yùn)輸成本、提高氫能經(jīng)濟(jì)性,還有待相關(guān)科技創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)進(jìn)一步突破。
三、加氫站造價(jià)偏高
截至2022年底,全球共有814座加氫站,分布在37個(gè)國家和地區(qū)。在2017—2022年間,全球加氫站保有量從328座增長到814座。加氫站數(shù)量未能實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長,主要原因之一是建設(shè)成本偏高。
根據(jù)氫氣的儲存狀態(tài),加氫站可分為高壓氫氣加氫站和液氫加氫站。高壓氫氣加氫站主要由壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和加注系統(tǒng)組成,由于市場上缺乏大量成熟量產(chǎn)的加氫站設(shè)備廠商,當(dāng)前設(shè)備費(fèi)用占比較高。目前一座常見的高壓氫氣加氫站的造價(jià)約為1500萬元。據(jù)專家推測,未來加氫站仍有30%—40%的降本空間。隨著未來需求的增加和加氫站的推廣,加氫環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,氫能商業(yè)化的經(jīng)濟(jì)性將逐步提升。
綠氫發(fā)展未來趨勢
未來想要讓綠氫變得平價(jià),有以下幾種途徑。
一是電解設(shè)備成本下降。在綠氫項(xiàng)目建設(shè)的一次性投入中,電解槽成本平均都是數(shù)千萬級的投入。如果電解槽設(shè)備技術(shù)進(jìn)步,如關(guān)鍵材料的突破以及量產(chǎn)帶來的規(guī)模效應(yīng),都可以使初始設(shè)備投入成本和維護(hù)成本下降。
二是制氫電價(jià)下降。如前文所言,電解水制氫的成本有超過50%是電價(jià)。過去10年,全球光伏度電成本已經(jīng)下降超過85%,隨著風(fēng)光電產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展,發(fā)電成本在未來10年仍有下降的空間。
三是碳價(jià)上升的正外部性。在碳配額交易形成后,企業(yè)有動(dòng)力為了避免購買碳排放指標(biāo)而降低碳排放。以國外為參考,在過去10年里發(fā)達(dá)國家的碳價(jià)普遍上升了4—5倍。
四是制加氫一體的商業(yè)化運(yùn)營,在市場未完全成熟時(shí),通過內(nèi)部化降低交易成本。
隨著“雙碳”政策的不斷推進(jìn)和深化,新能源,尤其是光伏、風(fēng)電等,電力成本的降低,氫能應(yīng)用市場的逐漸成熟,市場對氫氣的需求將呈爆發(fā)式增長,雖然傳統(tǒng)的化石原料所生產(chǎn)的“灰氫”在中短期內(nèi)仍將占據(jù)市場主流,但通過綠色電力來電解水制氫將是未來低碳經(jīng)濟(jì)的主流方向,具有減碳屬性,有利于碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。“綠氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術(shù)的進(jìn)步下降到可接受的水平,電解水制氫會(huì)成為氫氣的主要來源。
據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)測,堿式和PEM的成本都將在2035年左右低于灰氫,電解水制氫成本有望在2035年左右實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià),到2050年,綠氫將具有明顯的競爭優(yōu)勢。在實(shí)現(xiàn)凈零排放的情況下,2050年氫能在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重將達(dá)22%。同時(shí),要實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo),氫能全產(chǎn)業(yè)鏈到2030年就需要有7000億美元的直接投資,這意味著未來氫能有望成為萬億美元級別的大市場。
