能源低碳转型赋予氢能产业新使命

  [中国石化新闻网2023-05-22]
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  中国提出“双碳”目标以来，氢能产业被赋予新的历史使命，未来将助力实现工业、交通、建筑和发电部门等难减排领域的深度脱碳，成为非化石能源有效接替化石能源角色的关键“助手”。氢能作为二次能源，特别是基于新能源电力制得的绿氢，可在高品位供热、基础原料等方面发挥自身独特优势，成为深度替代化石能源的“新秀”，并助力非化石能源解锁新的应用领域。
  □程诺曹勇中国石化集团经济技术研究院产业发展研究所
  无论是在全球还是中国新一轮能源革命中，氢能均被认为是全球迈向碳中和时代，推动能源结构调整、产业转型升级和实现可持续发展的关键之一。
  中国提出“双碳”目标以来，氢能产业被赋予新的历史使命，未来将助力实现工业、交通、建筑和发电部门等难减排领域的深度脱碳，成为非化石能源有效接替化石能源角色的关键“助手”。
  能源低碳转型为氢能发展创造新机遇
  到本世纪中叶，全球能源行业发展态势将经历“双平台、双超越”深刻变化。一是煤炭消费正步入平台期，在能源消费中的比重将持续下降，2060年占比或将降至5%。二是石油消费在2025~2026年进入平台期，虽仍为主导能源，但消费增速逐步放缓、占比下降。三是天然气将在2025年前后超越煤炭成为第二大能源，2040年前后超越石油成为第一大化石能源。四是非化石能源正超越化石能源成为满足需求增长的主力军。
  全球能源体系从目前以化石能源为主体的传统能源体系，向以非化石能源为主体的绿色低碳安全高效新体系转变。预计2060年全球化石和非化石能源消费结构将从目前的8.4∶1.6转变为3∶7。非化石能源将迎来突飞猛进的发展黄金期，而风能和太阳能在其中发挥了重要作用。尽管近年来发展势头迅猛，但由于部分非化石能源品种，特别是风能和太阳能利用以波动性、间歇性电力为主的特点，使其无法直接替代化石能源高品位供热、稳定供电和基础原料的角色。
  氢能作为二次能源，特别是基于新能源电力制得的绿氢，可在高品位供热、基础原料等方面发挥自身独特优势，成为深度替代化石能源的优秀代言人，并助力非化石能源解锁新的应用领域。换言之，氢能将既可助力降低化石能源占比，又可为非化石能源拓展消费增长新空间，促进非化石能源占比提升；不仅能承担高品位供热、稳定供电的角色，而且可与化石能源及其碳排深度耦合，担当绿色原料角色。随着全球能源低碳转型步伐加快，氢能可发挥其与化石能源和其他非化石能源的耦合作用，迎来发展新机遇。
  就中国而言，碳减排压力大，煤炭是碳排放主要能源品种，电力、工业和交通是碳排放主要部门，超过一半的碳排放量来自电力和热力供应。根据测算并结合多家机构判断，我国从碳达峰到实现碳中和，短短30年，二氧化碳年均减排增幅规模需达3亿吨，与英国目前一年的二氧化碳排放量相当。氢能特别是绿氢，可在除林业碳汇以外的近乎所有重点减碳领域都能发挥作用，到2060年提供10亿吨级碳减排解决方案，届时将发挥减碳关键作用。在碳达峰碳中和进程中，绿氢发挥的主要作用将是“一主力三助力”，一个主力就是绿氢将承担工业深度脱碳的重任，是这一领域的主力军，三个助力是绿氢将在零碳交通、零碳建筑和零碳电力体系建设中起到关键助力和支撑作用，与绿色电力等共同提供碳中和解决方案。
  供需两端共同发力实现绿氢规模化发展
  现阶段，氢能产业总体上仍处于导入期，部分甚至处于探索阶段，产业发展存在瓶颈，尚难以有力支撑能源转型的需要。中国“双碳”目标的提出将能源转型推到更高层次，需要氢能，尤其是绿氢在我国的能源转型进程中发挥关键“推手”作用，为非化石能源发展拓展新空间。未来氢能产业需要从供需两端共同发力以突破产业发展瓶颈实现规模化发展，一是供给侧的氢能生产减碳降本，二是消费侧的氢能应用多元高效。同时，技术进步将在其中发挥重要推动作用。
  供给侧需大力发展绿氢制备推动能源低碳转型。“双碳”目标约束下，工业灰氢必须向蓝氢转变或逐步退出市场，绿氢逐步成为核心氢源，实现低碳发展。从目前到2030年前碳达峰阶段，通过现有氢能生产的低碳转型，在增量上减少对高碳化石能源的依赖，更多采用天然气制氢、低碳足迹的工业副产氢。从目前的少量绿电制氢，到2030年实现绿氢规模达到百万吨级，届时灰氢生产消费将达到峰值。从2030年碳达峰到2060年碳中和时期，预计可分为三个阶段：一是从2030年到2040年，氢能供应增量主要依靠蓝氢和绿氢，存量煤制氢产能或配备CCS、或改天然气制氢、或直接退出，期末绿氢规模可达2000万吨级；二是从2040年到2050年，氢能供应增量大部分依靠绿氢，存量灰氢产能加快去碳步伐，包括煤制氢的完全退出，天然气制氢基本配置CCS等方式，期末绿氢年供应规模达6000万吨级；三是从2050年到2060年，氢能供应增量全部依靠绿氢，存量灰氢全部去碳（配备CCS）或退出，期末绿氢规模预计达1亿吨级。
  消费侧需扩大绿氢应用场景助力“双碳”目标落地。通过将绿氢发展与能源消费部门的深度脱碳目标耦合，探索形成以绿氢为基础的工业、交通、建筑和电力部门减碳新路径，包括绿氢作为原料或燃料，用于工业部门的钢铁、炼油、化工生产环节，用于交通部门的陆海空运输环节，用于民用和商用部门的热电联产，以及在发电部门参与储能和灵活调峰服务。行业企业将加大创新力度，贡献“零碳”“负碳”解决方案。一方面推动扩大工业用氢及低碳化，在冶金、煤化工、石化等领域形成氢基碳中和解决方案。另一方面在交通、建筑、发电等领域降低氢能成本，扩大消费规模。从目前到2030年前碳达峰阶段，工业灰氢消费达峰将下行，交通用氢占比将突破3%。从2030年碳达峰到2060年碳中和时期，同样可分为三个阶段，一是从2030年到2040年，工业用低碳足迹氢超百万吨，交通用氢占比突破10%。基于绿氢的二氧化碳减排潜力突破两亿吨级。二是从2040年到2050年，工业用低碳足迹氢超千万吨，交通用氢突破30%，建筑和发电用氢超百万吨级。三是从2050年到2060年，工业用氢占比降至50%以下，且全部为低碳足迹氢，交通用氢占比稳居30%以上，其他为建筑和发电用氢。就全国而言，基于绿氢的二氧化碳减排潜力预计可达10亿吨。届时，氢能占能源终端消费的比重有望达到15%。
  技术进步将从供需两侧加快绿氢规模化发展步伐。
  供给侧，以技术进步推动绿氢制备规模化。“电氢一体”成为发展绿氢的重要路径。大型风光发电与电解水制氢一体建设和协同开发，有利于加快技术突破和提高能效。一是可再生能源发电，以技术进步推动光伏组件转换效率提升，推动风机大型化降低成本；二是电解水制氢，要推动开发低成本高效制氢技术，主要是从目前以碱性水电解槽为主，向质子交换膜水电解槽等方向发展。在技术进步助力下，叠加碳价走高增加化石能源制氢成本，绿氢相对灰氢的竞争力将不断提升，2025年前后，在部分资源条件优越的地区，绿氢工业项目有望与灰氢开展直接竞争。据国际可再生能源署预测，2050年全球绿氢成本将比目前下降80%。其中，电解槽成本和用电成本“双降”贡献最大，分别提供37%和30%的成本降幅，其他包括系统效率、制氢装置运行小时数、电解槽使用寿命的提高，以及资金成本的降低，将贡献13%的成本降幅，到2050年绿氢平均生产成本将从目前约4.8美元/公斤降至1美元/公斤，甚至更低。我国的成本降幅预计将更大。
  消费侧，氢能在冶金行业的新应用，如氢气直接还原铁、高炉富氢冶炼、氢等离子体熔融还原炼铁，以及氢能在化工行业的新应用，如绿氢与二氧化碳制甲醇或合成气等，这些新技术的开发部署，将会开拓绿氢在工业部门应用的新领域，而燃料电池应用成本的下降也将推动氢能加快在交通、建筑和发电等领域的应用步伐。根据彭博新能源财经数据显示，未来10年，全球燃料电池的系统成本有望下降50%以上，使用寿命有望延长1.5倍，推动氢能在交通领域竞争力不断提升。
  跨界协同共建绿氢新生态
  面向未来，氢能产业的健康发展需要加强“政产学研金”产业链协同，多措并举构建绿氢新生态。
  一是加强政府规划与行业引导，营造良好发展环境。政府层面，建议出台系统性引导和支持政策，消除体制机制障碍，引领产业高质量发展。行业层面，为更好地推动国家“双碳”目标落地，建议扩大氢能联盟协作圈，由行业领先企业共同协作，攻关氢能“制储运用”关键技术，培育市场。
  二是推动工业、交通等关键部门的用氢低碳发展。工业部门积极推进灰氢配套CCS和非化石能源制绿氢先导示范，打通“灰氢—CCS—蓝氢”和“绿电—绿氢”产业链，实现灰氢低碳转型、绿氢规模发展，形成工业级CCS、绿电制氢、氢气储存、绿氢碳中和创新解决方案。交通部门完善氢能交通布局。打通交通绿氢的经济制取、经济储运、经济加注三大环节，包括：积极建设低碳供氢中心，开发供氢母站、分布式制氢、低成本储运等关键核心技术并推进产业化等。探索在陆路、水路和航空运输领域开展氢能交通商业示范。电力部门打造能源储备能力。低成本规模化储能技术是高比例波动性可再生电力系统实现稳定运行的关键。氢储能技术在电能储存的规模和时长方面，相对电池储能和抽水蓄能等具有一定优势。在条件适合情况下，利用可再生能源弃电，通过电解水转化为氢能，可实现电力的长周期储存，在需要时能以电力辅助服务方式，提供灵活调峰服务。建筑部门（民用/商用部门）碳排放源相对分散，难以进行集中性碳捕集。未来，将更多使用源头治理方式控制碳排。“绿氢”与天然气掺氢、“绿氢”与建筑用氢燃料电池等技术组合，有望提供低碳解决方案。
  三是加大科技投入有效支撑。围绕产业链部署创新链，以科技研发支撑产业发展。推动建设氢能国家实验室，开展关键技术、核心装备及重要材料攻关。建立完善氢能相关标准体系，特别是安全标准体系。加强领先伙伴协作创新，引导氢能产业高质量发展。构建氢能产业链自主核心技术体系和标准体系，坚持重点突出、问题导向和分步实施原则，打通关键卡点堵点。针对氢能绿色制取和规模转存体系、氢能安全储存与输配体系、氢能改质与高效动力系统等方面开展科技攻关。
  四是推动氢能产融互促发展。依托产业资本和金融力量助力氢能产业链发展，在电氢一体化、绿氢项目开发、氢能供销、氢能科创等领域加大投入力度，分散风险、降低成本，扩大协同效应。支持国家或产业基金参与氢能先导示范项目建设，提供绿色融资服务。为工业级绿氢项目提供绿证交易等便利化服务，有效扩大绿电资源供应。引导金融机构加大对领先氢能科创企业的扶持力度，积极支持氢能科创企业上市发展。