国内氢能应用场景分析及发展前景预测.pdf
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1、石油炼制与化工综述PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS2023年9 月第54卷第9 期国内氢能应用场景分析及发展前景预测王明华(国能经济技术研究院有限责任公司,北京10 2 2 11)摘要:基于在难以脱碳行业中利用氢能是实现碳中和的重要解决方案之一,分析了氢能在交通、工业、建筑和电力四大领域的应用场景;以2 0 2 1年国内石油化工和煤化工行业产品的实际年产量,推导出2 0 2 1年在现有工业领域应用的氢气消费量约为37.9 Mt。从近中期看,国内氢能需求格局仍以煤化工和石油化工行业为主,绿氢将逐步渗透到工业领域,绿氢成本有望在2 0 30 年实现平价
2、。基于构建的中长期能源展望模型,预测到2060年氢气消费总量约8 3.0 Mt,占终端能源消费总量的11.3%。关键词:氢能应用场景燃料电池碳中和预测氢能作为二次能源,在军事、航天等领域应用广泛而成熟。但在民用领域,各国的研究热度时有起伏,虽然2 0 世纪7 0 年代已有国家提出“氢经济”的概念,却始终未踏入商业化应用门槛。自2015年巴黎协定签署以来,全球节能减排的压力越发严峻,减少对化石能源的依赖并大力发展清洁能源的诉求愈加高涨。在以气候变化和“双碳”战略目标的大背景下,氢能再次成为关注焦点,进人发展“快车道”。与以往伴随石油价格高涨而形成氢能研究热潮不同,新一轮氢能产业的快速发展有3个全
3、新的动力:氢能产业的相关技术已进入成熟期;新能源高速发展为绿氢来源提供保障;难以脱碳行业实现碳中和的可选路径。它们的出现,很可能推动氢能正式进人商业化应用领域并形成规模化产业。1氢能的应用场景分析氢能行业的发展,底层逻辑就是氢能能够成为难以脱碳行业实现碳中和的重要解决方案之一,要突破氢能产业发展的瓶颈,最重要的就是体现在终端应用实现二氧化碳减排的潜力上。由于氢气既是一种燃料,也是一种原料,氢能应用场景十分广泛,按照终端能源消费形式分为四大类一一交通、工业、建筑和电力,都有氢能的应用场景 1-2 。尤其是在难以脱碳的工业领域,包括氢炼钢、炼油、合成氨、煤制甲醇/乙二醇、工业燃料等;在建筑领域,包
4、括天然气管网掺氢、家庭热电联供、集中式冷热电三联供等;在交通领域,包括商用车、乘用车、有轨电车、船舶、飞机等;在电力领域,包括氢燃料电池电站、燃氢轮机电厂、燃煤掺氨电厂等。图1所示为氢能在终端能源消费中的主要应用方向。目前来看,交通领域是氢能和燃料电池下游应用市场发展的突破口,随着碳中和战略的深入,氢能产业正快速向工业、建筑和电力领域拓展。分布式电源集中电站燃烧掺氨电力商用车乘用车有轨电车船舶无人机/飞机图1氢能在终端能源消费中的主要应用方向1.1氢能是交通领域多元发展的动力源氢能应用到交通领域的核心设备是氢燃料电池,是将氢气的化学能转化成电能。早期燃料电池的应用主要集中在航空航天等特殊领域,
5、且技术已相对成熟 3。受益于各国政策的支持,氢燃料电池汽车在技术上取得较大突破,以丰田、现代收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 8;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 5-2 0。作者简介:王明华,博士,高级工程师,研究方向为氢能及能源经济发展战略。通讯联系人:王明华,E-mail:17 2 30 0 32 c h n e n e r g y.c o m.c n。基金项目:国家能源集团科技项目(GJNY-22-154)。氢炼钢石油化工煤制甲醇/交通氢能建筑天然气管家庭热园区热网掺氢电联产电联供工业乙二醇合成氨工业燃料/高品位热第9 期等为代表的氢燃料电池乘用车在全世界销售,而氢燃料电池商用车
6、在我国发展得更是如火如茶。但在与燃油车甚至电动车的商业竞争中,氢燃料电池车完全依靠自身力量来取得优势是十分困难的,需要借助不同的场景进行差异化布局。如,以工程车、公交车、重卡等商用车为切入口,率先示范,是符合中国国情的氢能发展路线。截至2 0 2 2 年底,我国在运加氢站2 95座,约占全球数量的40%,加氢站数量位居世界第一。氢燃料电池汽车保有量为110 33辆,我国成为全球最大的燃料电池商用车市场,如图2 所示。30002.5002.00015001000500020152016201720182019202020212022前三季度年份图2 中国氢燃料电池车产销量一产量;一销量1.2氢能
7、是工业领域零碳发展的原料仓氢能可以促进传统化石能源的转型升级,由燃料向原料彻底转变。氢气不仅可以作为反应物生产合成氨用于化肥,还能够作为还原剂用于炼钢;最关键的是,可以将化石能源中的碳与新能源制取的氢相结合,形成碳一化学的基本原料一氧化碳和氢气,生产基本的化工原料或产品 4,并实现二氧化碳零排放,如图3所示。70%成品油乙烯丙烯原20%T二烯合成油苯甲苯出纤维三甲苯工10%润滑油沥青图3氢能在石油化工和煤化工中的基础原料作用从消费端看,作为化工原料,合成氨、合成甲醇、石油炼制是氢气前三大用途,煤制天然气、煤王明华.国内氢能应用场景分析及发展前景预测2021年项目产量/Mt合成氨59.09合成甲
8、醇78.16石油炼制与化工703.6煤制油8.23煤制天然气44.53X108m3煤制乙二醇3.23炼焦464.46合计1)生产单位质量产品所消耗的氢气质量。2)单位为m。3)单位为m3/t;焦炉煤气50%回炉燃烧,氢体积分数55%。1.3氢能是电力领域新能源高比例发展的调制解调器新能源的高速发展为氢能的发展提供了前所未有的新机遇。随着新能源制氢成本的不断下降,以及环境治理和二氧化碳排放成本的增加,化石能源制氢和工业副产氢的竞争力将变弱,氢能将逐步过渡到由新能源电解水制氢。氢能作为能源媒介,可实现大规模储能,促进新能源在电源结构中更高比例的发展;在未来燃煤火电机组作为乙炔备用容量难以满足电网的
9、调峰需求时,此时响应乙烯焦炭C塑料丙烯橡胶合成19制油、煤制乙二醇、煤制乙醇也消耗原料氢气;作为燃料,主要是炼焦过程产生的焦炉煤气,部分为焦炉自身加热提供热能。结合氢能现有的应用场景,以2 0 2 1年国内石油化工和煤化工行业的实际年产量,包括合成氨、合成甲醇、石油炼制与化工、煤制油、煤制气、煤制乙二醇以及炼焦,根据理论耗氢量,计算出2 0 2 1年在现有工业领域应用的氢气消费量为37.90 Mt,如表1所示。表1氢气作为化工原料和燃料在国内传统行业的应用规模理论耗氢量1/氢气消(kg kg-1)耗量/Mt0.17610.430.1259.770.014 610.270.1251.031.19
10、0.1290.42423)4.7937.90速度快、功率负荷调节范围宽的燃氢电厂又可成甲醇为优质电源点 5,增强电力系统灵活性。乙醇CO煤乙二醇H2F-T合成直接液化H2合成氮1.4氢燃料电池热电联供是建筑领域的有效模式燃料电池热电联供是指利用燃料电池发电技术实现向用户供给电能和热能的一种能源供给技术,能源综合利用效率可达8 0%以上。目前全球范围燃料电池技术路线以及应用在热电联供领域主要以质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)为主。从全球发展情况看,日本、美国、韩国和欧洲在燃料电池热电联供领域从技术和应20用方面均处于世界领先地位。我国燃料电池技术、尤其是SOFC技
11、术和应用与国外差距相对较大;在国家政策支持和相关企业的积极推动下,燃料电池热电联产已实现了小规模示范应用。2氢能行业近中期发展趋势预测分析从近中期看,国内氢能需求格局基本不变,还是以煤化工和石油化工行业为主。氢能供应上,绿氢替代灰氢的规模将不断增加,主要应用场景是合成氨、石油化工、氢燃料电池汽车和氢燃料电池热电联供。氢炼钢也将有一定规模的示范,但主要基于蓝氢,来源于其自身炼焦副产的焦炉煤气。2.1氢能应用于交通领域热度持续,目标更加聚焦(1)加氢站数量不断上升,以油氢合建等综合服务站为主。通过梳理省级“十四五”规划对于氢能产业的指导意见,具体提出截至2 0 2 5年加氢站建设目标的省份有18
12、个,合计数量达到9 51座,如图4所示。综合一些重点省份并未提出具体的目标,预测到2 0 2 5年基本能够实现10 0 0 座加氢站的整体目标。250200150100500东庆西北?海沽江苏东宁徽州北夏南津江广動陕河北蒙浙江辽安贵湖宁湖天龙长省份图4部分省份截至2 0 2 5年累计建设加氢站的发展目标(2)氢燃料电池汽车由导入期进人成长期,重点聚焦在客车及货车领域,乘用车较少。燃料电池技术的发展进步,将使氢能可以广泛应用于道路交通、船舶、铁路、航空等各种交通领域。目前国内氢燃料电池汽车仍以示范城市群项目为主,处于导人期。展望“十四五”期间,国内氢能源车有望进入量产阶段,结合各地方政府的氢能规
13、划,提出具体推广应用氢燃料电池汽车目标的有15个省市,合计达到7.38 万辆,如图5所示。综合研判,基本能够实现氢能产业发展中长期规划(2 0 2 1一2 0 35年)提出的2 0 2 5年全国燃料电池车总保有量为5万辆的目标,预计这些车辆每年消耗石油炼制与化工氢气量在2 0 0 kt的量级。2 0 2 5年之后有望开启商业化应用阶段,进入成长期,燃料电池车在2 0 30 年有望达到2 0 万辆的规模。12.00010.00080006 0004.0002.0000海东北西西南沽?东宁庆州津夏南广山陈河蒙北山辽重贵天宁湖长省份图5部分省份截至2 0 2 5年的氢燃料电池汽车保有量发展目标2.2
14、绿氢将逐步渗透到工业领域,助力重点行业碳减排(1)合成氨是绿氢下游应用的重点方向。在碳减排和新能源消纳双重压力下,结合氨运输的便捷性和应用的广泛性,绿氢合成氨(绿氨)将对煤制合成氨(灰氨)带来挑战,不仅助力合成氨工业碳减排,且绿氨作为载氢体,将拓展氨作为化工原料的传统下游市场,带来新的增量。故“十四五”期间,合成氨是绿氢下游应用的重点突围行业,在风、光资源丰富的内蒙古、河北、吉林地区,已经有多个绿氨项目在规划实施,预测2 0 2 5年末实现绿氨产能2.0 Mt。(2)绿氢耦合煤化工和炼化试点示范为主。“绿电-绿氢-煤化工”和“绿电-绿氢-炼化”一体化,绿电替代化石能源发电、中低位热能供热,绿氢
15、替代化石能源制氢、作燃料用于高位热能供热,都将助力石化行业全面实现低碳化发展和绿色转型升级。但新能源制氢成本高,且煤化工和炼化项目耗氢规模极大,绿氢项目难以与之完全匹配。故“十四五”期间,绿电、绿氢在石化领域的应用将是以相对小规模项目的试点示范为主,重点任务是打通以绿电、绿氢为主的工艺流程。(3)氢能炼钢技术有待持续突破。炼钢是基于铁矿石还原得到生铁,氢气和一氧化碳都具有还原性,但使用氢气不产生二氧化碳,在碳中和战略下,氢能炼钢应运而生;但不同于一氧化碳还原放热,氢还原铁是吸热反应,所以不论是反应原理还是工艺流程都需要再造,技术有待持续突破。2023年第54卷第9 期目前在全球范围内,氢能炼钢
16、也都是处于中试等研究状态。故“十四五”期间,氢能炼钢将处于技术突破、技术示范阶段。2.3新能源制氢-储氢-氢能发电模式初步开启,氢燃料电池热电联供是建筑领域减碳的有效模式氢能产业发展中长期规划(2 0 2 1一2 0 35年)中提出要因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施。北京、浙江、四川和辽宁等省市均制定了具体的目标和要求,在政策的推动下,我国燃料电池热电联供示范项目也在有序展开,多个项目建成投产,项目主要集中于热电负荷比较稳定的工业园区和商建楼宇的小规模应用。2.42030年前后,氢能供给中绿氢成本有望实现平价随着新能源发电成本逐步下降、电解水制氢技术和商业模式的逐步成熟,考虑化石能源碳
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