能源轉型大勢下的氫能產業新角色
來源：石油石化綠色低碳 2022-03-30
文 | 曹勇 程諾 羅大清
中國石化集團經濟技術研究院有限公司
氫能作為二次能源，具有來源廣泛、終端低碳、應用場景豐富等優點。近年來應對氣候變化成為全球共識，能源低碳轉型任務日益緊迫，主要經濟體高度重視氫能產業布局，已有20多個國家發布或制定了氫能戰略，謀劃占領科技制高點，搶抓氫能發展先機。中國提出“雙碳”目標以來，氫能產業被賦予新的歷史使命，未來將助力實現工業、交通、建筑和發電部門等難減排領域的深度脫碳，成為非化石能源有效接替化石能源的關鍵“助手”。
1 能源低碳轉型為氫能發展創造新機遇
近年來，全球極端氣候事件發生頻率增加、強度增大，氣候問題成為后疫情時代全球共同關注的核心議題。自《巴黎協定》生效以來，已有數十個國家或地區以立法或政策宣示方式明確提出了碳中和目標，所涉及碳排放總量超過全球四分之三。全球能源轉型步伐加快，主要國家非常重視氫能發展，為培育氫能產業提供新契機。
1.1氫能推動“碳中和”目標下能源轉型由量變到質變
到本世紀中葉，全球能源行業發展態勢將經歷“兩縮減、雙超越”深刻變化。一是煤炭消費正步入平臺期，在能源消費中的比重將持續下降，2060 年占比或將降至約5%。二是石油消費在2025-2026年進入平臺期，之后雖仍為主導能源，但增速逐步放緩、占比下降，預計2060年需求規模較目前減少50%。三是天然氣將在2025年前后超越煤炭成為第二大能源，2040年前后超越石油成為第一大化石能源。四是非化石能源正超越化石能源成為滿足需求增長主力軍，將在2045年前實現消費總量超越，2060年在能源消費總量中占比達70%左右甚至更高。
中國能源消費將呈現“兩達峰、雙趕超”顯著特征。總體判斷，中國能源消費總量將在2035年前達峰；碳排放總量將于2030年前達峰，屆時排放強度比目前減少40%左右；2050年碳排放規模降至目前40%左右。分品種看，煤炭消費已進入平臺期，石油消費將在2026年前后達峰，天然氣消費則在2040年前后達峰。非化石能源消費量和比重快速提升，2025年占比超越石油成為第二大能源品種，2030年達到約25%，2037年左右占比超越煤炭成第一大能源品種，2060年占比超過80%。
無論全球還是中國的新一輪能源革命中，氫能均被認為是全球邁向碳中和時代，推動能源結構調整、產業轉型升級和實現可持續發展的關鍵之一。綠色氫能多來自低碳足跡的可再生能源，通過代替高碳化石燃料可最大限度減少二氧化碳排放；擴大綠氫利用規模有利于促進可再生能源的開發利用；此外，綠氫還可作為新型儲能載體幫助可再生能源實現跨地區、跨季節儲運和利用，進一步提高現代能源系統韌性。
1.2 氫能將在構建深度脫碳能源新體系中發揮重要作用
隨著全球能源體系從目前以化石能源為主體的傳統體系向以非化石能源為主體的綠色低碳安全高效新體系轉變，氫能可發揮其與化石能源和其他非化石能源的耦合作用，形成獨特優勢。預計2060年全球化石和非化石能源消費結構將從目前84%：16%轉變為30%：70%。非化石能源將迎來突飛猛進的發展黃金期，風能和太陽能則成為主力軍。非化石能源盡管近年來發展勢頭迅猛，但由于部分能源品種，特別是風能和太陽能利用以波動性、間歇性電力為主的特點，使其無法完全接替化石能源高品位供熱、穩定供電和基礎原料的角色。氫能作為二次能源，特別是基于新能源電力制得的綠氫，可在高品位供熱、基礎原料等方面發揮自身獨特優勢，成為深度替代化石能源的優秀代言者，并助力非化石能源解鎖新的應用領域。換言之，氫能將既可助力降低化石能源占比，又可為非化石能源打開消費增長新空間，促進非化石能源占比上升；不僅能承擔高品位供熱、穩定供電的角色，還可與化石能源及其碳排深度耦合，擔當綠色原料角色。
1.3 氫能將在中國“雙碳”目標路徑中發揮重要作用
中國是碳排放大國，碳減排壓力大。煤炭是碳排放主要能源品種，電力、工業和交通是碳排放主要部門，超過一半的碳排放量來自電力和熱力供應。根據測算并結合多家機構判斷，我國從碳達峰到實現碳中和，短短三十年CO2年均減排增幅規模需達3億噸，與英國目前一年的CO2排放量相當。就碳減排路徑而言，主要包括工業部門淘汰落后產能和節能減排、電力部門脫碳、終端部門電氣化、發展低碳燃料及林業碳匯等。氫能特別是綠氫，在除林業碳匯以外的近乎所有重點減碳領域均能發揮作用；到2060年提供十億噸級碳減排解決方案，屆時將發揮減碳關鍵作用。在碳達峰碳中和進程中，綠氫發揮的主要作用將是“一主力三助力”，一個主力就是綠氫將承擔工業深度脫碳重任，是這一領域的主力軍；三個助力就是綠氫將在零碳交通、零碳建筑和零碳電力體系建設中起到關鍵助力和支撐作用，與綠色電力等一道提供碳中和解決方案。2突破產業發展瓶頸，實現綠氫規模化發展現階段氫能產業總體上仍處于導入期，部分甚至處于探索階段，尚難以有力支撐能源轉型需要。中國“雙碳”目標的提出將能源轉型提升到更高層次，賦予氫能產業新的使命與擔當。
2.1以低碳化補齊產業發展短板，供需兩端共同發力打開綠氫消費新空間
2.1.1工業用氫目前碳排強度大，尚不足以支撐“雙碳”目標要求
目前，全球氫能主要用于工業部門。除工業外，氫能在其他部門的應用尚處于導入期，市場規模較小。工業領域制氫用氫的高碳排問題突出，制氫原料仍以化石能源為主。全球層面，據IEA統計數據顯示，2020年氫氣產量約1.2億噸。其中化石能源制氫占比60%，年消耗2千多億方天然氣和1.6億噸煤炭，年排放CO2達9億噸，碳排放強度約12 kgCO2/kgH2；而綠氫規模不足百萬噸，占比不到1%。中國層面，2020年氫氣產量約3千萬噸。其中化石能源制氫占比近80%，且以煤制氫為主，碳排放強度更高，按原料消耗約15kgCO2/kgH2，如再加上燃動消耗，將超過20kgCO2/kgH2。碳中和目標下，中國氫能產業需要立足國情“先立后破”，在安全可靠的替代基礎上，推動煤炭和新能源優化組合，逐步降低工業制氫的碳排放強度，同時加大綠氫資源的開發力度，有效降低低碳足跡氫的利用成本，拓展應用領域，當好低碳轉型橋梁。
2.1.2綠氫產業發展處于起步階段，尚需突破技術和商業模式創新瓶頸
無論是全球還是中國，綠氫產業發展均處于起步階段，需要突破資源、效率和規模等重要瓶頸。就中國而言，一是綠電資源豐富的地區多遠離氫氣消費中心，綠氫資源供給不足；二是綠電制氫及儲運環節受技術發展等因素制約，產業鏈效率有待提升；三是氫能基礎設施體系尚未完善，綠氫在工業和交通等領域的應用規模尚小。綠氫產業發展仍面臨不平衡、不充分和不經濟的問題，如上游電解水制氫裝置規模偏小，下游氫燃料電池汽車產銷量較低，面向工業部門深度脫碳的氫基碳中和解決方案尚未成熟，連接生產和消費之間的氫儲運環節成本較高。為此，需要通過資源耦合和產業耦合，逐步化解氫能產業發展遇到的難題。
資源耦合夯實綠氫發展基礎。根據我國不同地區的資源稟賦，如三北地區的風光資源，西南地區的水電資源，東部沿海地區的風電和核能等，開發部署適合的綠氫制取工藝。目前，部分新工藝路線像質子交換膜電解槽制氫、固體氧化物電解槽制氫以及核能制氫等，仍處于規模化部署前的創新階段，需要攻克實驗、工程和應用難題。產業耦合打開綠氫發展空間。通過將綠氫發展與能源消費部門的深度脫碳目標耦合，探索形成以綠氫為基礎的工業、交通、建筑和電力部門減碳新路徑。包括綠氫作為原料或燃料，用于工業部門的鋼鐵、煉油、化工生產環節，用于交通部門的陸海空運輸環節，用于民用和商用部門的熱電聯產，以及在發電部門參與儲能和靈活調峰服務。領先企業 正在通過技術進步，實現綠氫與這些應用場景的深度耦合，打造成功的商業模式，為綠氫創造良好的發展前景。
2.1.3供給側大力發展綠氫制備，推動能源低碳轉型
從供給側看，“30·60”目標約束下，工業灰氫必須向藍氫轉變或逐步退出市場，綠氫逐步成為核心氫源，實現低碳發展。從目前到2030年前碳達峰階段，通過現有氫能生產的低碳轉型，在增量上減少對高碳化石能源依賴，更多采用天然氣制氫、低碳足跡的工業副產氫。從目前的少量綠電制氫，到2030年實現綠氫規模達到百萬噸級，屆時灰氫生產消費達到峰值。從2030年碳達峰到2060年碳中和時期，預計可分為三個階段。一是從2030年到2040年，氫能供應增量主要依靠藍氫和綠氫，存量煤制氫產能或配備CCS、或改天然氣制氫或直接退出，期末綠氫規模可達2千萬噸級。二是從2040年到2050年，氫能供應增量大部分依靠綠氫，存量灰氫產能加快去碳步伐，包括煤制氫的完全退出，天然氣制氫基本配置CCS等方式，期末綠氫年供應規模達6千萬噸級。三是從2050年到2060年，氫能供應增量全部依靠綠氫，存量灰氫全部去碳（配備CCS）或退出，期末綠氫規模預計達1億噸級，詳見表1。
2.1.4消費側擴大綠氫應用場景，助力雙碳目標落地
消費側，氫能產業將以工業領域為應用場景基點，向交通、建筑和發電領域拓展，行業企業將加大創新力度，貢獻“零碳”“負碳”解決方案。一是推動擴大工業用氫及低碳化，在冶金、煤化工、石化等領域形成氫基碳中和解決方案。二是在交通、建筑、發電等領域降低氫能成本，擴大消費規模。從表2可知，從目前到2030年前碳達峰，工業灰氫消費達峰下行，交通用氫占比突破3%。從2030年碳達峰到2060年碳中和時期，同樣可分為三個階段，一是從2030年到2040年，工業用低碳足跡氫超百萬噸，交通用氫占比突破10%。基于綠氫的CO2減排潛力突破2億噸級。二是從2040年到2050年，工業用低碳足跡氫超千萬噸，交通用氫突破30%，建筑和發電用氫超百萬噸級。三是從2050年到2060年，工業用氫占比降至50%以下，且全部為低碳足跡氫；交通用氫占比穩居30%以上；其他為建筑和發電用氫。就全國而言，基于綠氫的CO2減排潛力預計可達10億噸。屆時，氫能占能源終端消費的比重有望達到15%。
2.2以技術進步加快綠氫規模化發展步伐
綠氫發展目前面臨的主要瓶頸有：綠電綠氫成本較高，氫儲運設施很不完善，綠氫項目推廣應用受技術經濟性制約。因此，綠氫規模化發展需從供給側和消費側雙向發力。
供給側，以技術進步推動綠氫制備規模化。“電氫一體”成為發展綠氫的重要路徑。大型風光發電與電解水制氫一體建設和協同開發，有利于加快技術突破和提高能效。行業企業要聯合攻克綠氫產業發展的關鍵瓶頸。一是可再生能源發電，以技術進步推動光伏組件轉換效率提升，推動風機大型化降低成本；二是電解水制氫，推動開發低成本高效制氫技術，主要是從目前的以堿性水電解槽為主向質子交換膜水電解槽等方向發展。
綠氫相對灰氫的競爭力將不斷提升，2025年前后在部分資源條件優越的地區，綠氫工業項目將有望與灰氫開展直接競爭。一方面，風光發電的技術進步帶來綠電成本降低，例如光伏組件效率提升、風機大型化等，進而推動綠氫成本下降。另一方面，碳價走高增加化石能源制氫成本。據國際能源署預測，2050年全球綠氫成本將比目前下降80%。其中電解槽成本和用電成本“雙降”貢獻最大，分別提供37%和30%的降幅；其他包括系統效率、制氫裝置運行小時數、電解槽使用壽命的提高以及資 金成本的降低將貢獻13%降幅。到2050年綠氫平均生產成本將從目前約4.8美元/kgH2降至1美元/kgH2甚至更低。我國的成本降幅預計將更大。
消費側，氫能在冶金行業的新應用，如氫氣直接還原鐵、高爐富氫冶煉、氫等離子體熔融還原煉鐵等，以及氫能在化工行業的新應用，如綠氫與二氧化碳制甲醇或合成氣等，這些新技術的開發部 署，將會開拓綠氫在工業部門新領域的應用；而燃料電池應用成本的下降也將推動氫能加快在交通、建筑和發電等領域的應用步伐。根據彭博新能源財經數據顯示，未來十年全球燃料電池的系統成本有望下降50%以上，使用壽命有望增長1.5倍，推動氫能在交通領域競爭力不斷提升，與電動汽車一起在交通領域擴大應用，提供低碳解決方案。
3增強跨界協同，共建綠氫新生態
面向未來，氫能產業的健康發展需要加強“政產學研金”產業鏈協同，多措并舉構建綠氫新生態。
3.1加強政府規劃與行業引導，營造良好發展環境
政府層面，建議及時出臺氫能中長期規劃，明確戰略目標和發展愿景，出臺系統性引導和支持政策，破解體制機制障礙，引領產業高質量發展。行業層面，為更好推動國家“雙碳”目標落地，建議擴大氫能聯盟協作圈，由行業領先企業共同協作，攻關氫能“制儲運用”關鍵技術，培育市場。
3.2推動工業、交通等關鍵部門的用氫低碳發展
工業部門碳減排難度較大，特別在重化工領域。積極推進灰氫配套CCS和非化石能源制綠氫先導示范，打通“灰氫—CCS—藍氫”和“綠電—綠氫”產業鏈，實現灰氫低碳轉型、綠氫規模發展，形成工業級CCS、綠電制氫、氫氣儲存、綠氫碳中和創新解決方案。
交通部門完善氫能交通布局。氫能汽車與電動汽車是零碳交通重要發展方向。打通交通綠氫的經濟制取、經濟儲運、經濟加注三大環節，包括積極建設低碳供氫中心，開發供氫母站、分布式制氫、低成本儲運等關鍵核心技術并推進產業化等。探索在陸路、水路和航空運輸領域開展氫能交通商業示范。
電力部門打造能源儲備能力。低成本規模化儲能技術是高比例波動性可再生電力系統實現穩定運行的關鍵。氫儲能技術在電能儲存的規模和時長方面，相對電池儲能和抽水蓄能等具有一定優勢。在條件適合情況下，利用可再生能源棄電，通過電解水轉化為氫能，可實現電力的長周期儲存，在需要時能以電力輔助服務方式，提供靈活調峰服務。建筑部門（也稱民用/商用部門）碳排放源相對分散，難以進行集中性碳捕捉。
未來，將更多使用源頭治理方式控制碳排。“綠氫”與天然氣摻氫、“綠氫”與建筑用氫燃料電池等技術組合，有望提供低碳解決方案。3.3加大科技投入有效支撐圍繞產業鏈部署創新鏈，以科技研發支撐產業發展。推動建設氫能國家實驗室，開展關鍵技術、核心裝備及重要材料攻關。建立完善氫能相關標準體系，特別是安全標準體系。加強領先伙伴協作創新，引導氫能產業高質量發展。構建氫能產業鏈自主核心技術體系和標準體系，堅持重點突出、問題導向和分步實施原則，打通關鍵卡點堵點。針對氫能綠色制取和規模轉存體系、氫能安全儲存與輸配體系、氫能改質與高效動力系統等開展科技攻關。
3.4推動氫能產融互促發展“以產促融，以融促產”，依托產業資本和金融力量助力氫能產業鏈發展，在電氫一體化、綠氫項目開發、氫能供銷、氫能科創等領域加大投入力度，分散風險、降低成本，擴大協同效應。支持國家或產業基金參與氫能先導示范項目建設，提供綠色融資服務。為工業級綠氫項目提供綠證交易等便利化服務，有效擴大綠電資源供應。引導金融機構加大對領先氫能科創企業的扶持力度，積極支持氫能科創企業上市發展。展望未來，氫能產業的高質量發展需要建設兩大基石，一是供給側的氫能生產減碳降本，低碳化、低成本化和多源化是發展關鍵；二是消費側的氫能應用多元高效，工業原料、工業燃料、交通燃料、電力燃料、建筑燃料和其他領域將構成主要應用方向。
未來10~15年將是綠氫產業從培育期走向商業化初期的關鍵階段，綠電綠氫一體化生產、氫能基礎設施和氫基碳中和解決方案等將逐步走向成熟；再用15年時間，綠色氫能在主要應用領域都將實現規模化部署。只要氫能產業鏈各個環節堅持協作攻關和持續創新，推動氫能在我國的能源轉型進程中發揮關鍵“助手”作用，就能打開非化石能源發展新空間，迎接氫經濟的到來。
