探索能源新格局，揭秘氢能多元场景应用
2023-05-26 08:54:27   来源： ()　   评论：0 点击：

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，寻找一种清洁、高效、可持续的能源形式变得越来越重要。

氢能作为一种新型的能源形式，因其具有高能量密度、零排放、易于储存和使用等优点，备受关注。本文将从多个角度分析氢能在多元场景中的应用。

一、氢能在化工领域的应用展望

石油化工领域，氢气是合成氮、合成甲醇、石油精炼和煤化工行业中的重要原料，是我国氢能应用的重要方向，一方面石油化工行业氢气需求巨大，能够以规模效益来降低氢气供应链成本，另一方面氢气可作为燃料和化工原料帮助工业实现减碳。

中国氢能联盟数据显示，2019年合成氨、甲醇、石油炼化与化工、农化等其他领 域所需氢气分别占比32%、27%、25%和16%。

目前，化工行业用氢主要依赖化石能源、工业副产物制取，未来通过低碳绿氢替代应用潜力巨大。

图表：2019年化工行业氢能消费领域分布

资料来源：中国氢能联盟

目前，中国的化工行业仍然属于化石燃料为主的高耗能高碳排放行业。

石油炼化与化工对氢气的需求量巨大，大型炼化厂几乎都在厂区建设了制氢设备，采取天然气重整或煤气化制氢；合成氨、甲醇的生产在中国则以煤化工为主要路径，工厂大多采用煤气化制氢的传统方式获取氢气。

未来，随着工业脱碳要求的提高，配备CCUS技术生产的蓝氢将作为向绿氢过渡阶段的主要氢源，后续随着可再生能源制氢成本的下降，传统炼化、化工生产用氢气将逐步替代为绿氢，实现化工领域的深度脱碳。

随着可再生能源发电价格持续下降，到2030年国内部分地区有望实现绿氢平价，绿氢将进入工业领域，逐渐成为化工生产常规原料；同时，在政策引导下，灰氢、蓝氢的碳排放成本不断提升，可再生能源生产绿氢的成本优势也将不断凸显。

二、氢能在钢铁领域的应用展望

2021年，我国粗钢产量10.33亿吨，碳排放总量超过18亿吨，占工业碳排放的20%、全国碳排放总量的15%，是制造业31个门类中碳排放量最大的行业。

2022年2月，工信部、国家发改委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，指出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。

从长期发展趋势来看，利用可再生氢的低碳冶炼技术将成为钢铁行业完全脱碳最关键、最具前景的解决方案之一。

氢冶金技术利用氢作为还原剂代替碳还原，是减少长流程炼钢CO2排放，助力钢铁行业从“炭冶金”走向“氢冶金”，实现绿色可持续发展。

资料来源:根据公开资料整理

 根据《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》分析，根据氢冶金成本变化、技术成熟度及氢资源可用性等因素影响，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73亿-2.02亿二氧化碳减排任务由氢冶金完成。

 预计到2050年氢治金钢产量为0.96亿-1.12亿吨，占全国钢铁行业年生产总量的14%-16%，基于氢冶金的氢气需求约为852万-980万吨。

三、氢能在储能领域的应用展望

在新能源体系下，氢能被视为与电能互补的优质二次能源。通过“可再生能源（风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等）发电→多余电量电解水制氢→氢气多种介质形态储运→氢能发电”完整的能源转换链条，氢作为能量储存的载体，是实现可再生能源大规模、跨季节存储及运输的最佳方案。

根据《电力行业碳达峰碳中和发展路径研究》显示，2019年我国电力占终端能源消费比重为26%，据国网能源研究院预测，2050年电力在终端能源消费比重将达到50%，同时2050年我国能源清洁化率（非化石能源占一次能源的比重）也将达到50%，可再生能源发电的长期空间巨大。

平价后行业发展将由政策驱动转变为消纳驱动，电网消纳能力将成为制约行业发展的首要因素，同时可再生能源发电存在波动性，也导致可再生能源得不到充分利用。可再生能源发电产生的波动性和消纳问题需依靠储能来解决。

随着可再生能源发电装机规模的扩大，传统电力系统调峰储能方式将遭遇天花板，储能需求将应运提高，到2030年可再生能源功率调节缺口将达到1200GW，到2050年将扩大至2600GW。

国家能源局、科学技术部《“十四五”能源领域科技创新规划》明确提出“推动氢能与可再生能源融合发展”，与其他新型储能技术相比，氢能与电能同属二次能源，更容易耦合电能、热能、燃料等多种能源并与电能一起建立互联互通的现代能源网络。更为重要的是，氢能可实现不连续生产和大规模储存，这将显著增加电力网络的灵活性。

电氢耦合能源网络将成为构建现代能源体系的重要途径。电氢能源体系将为开发我国丰富的可再生能源提供可靠的载体并培育适合的产业生态，氢能有望成为我国重要的出口能源重构世界能源格局。

四、氢能在发电领域的应用展望

纯氢气、氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力，从而实现发电行业的脱碳，氢能发电主要有两类应用方向，分别为大型固定式氢燃料电池发电站、分布式氢能发电。

-大型固定式氢燃料电池发电站：通过磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等技术实现电解水的逆反应发电，美国、韩国、日本等国正大力推进固定式燃料电池发电站项目建设，目前韩国六家发电公司已部署了超过300兆瓦的燃料电池发电项目。

-分布式氢能发电：主要可应用于固定或移动式电站、氢能充电站、备用峰值电站、备用电源、热电联供系统等发电设备。2021年天能电池推出的“天安”系列甲醇燃料电池发电机，能实现>95%甲醇水催化转换效率，氢气纯度99.99%，一氧化碳含量低于2ppm，可以作为备用、应急电源应用于国内外通信基站、边防哨所、海岛灯塔、数据中心、医院工厂等场所。

这两种氢能发电均存在成本较高的问题。目前，燃料电池发电成本大约在2.5-3元/度，而中国传统发电方式的电价都在1元/度以下，例如，风电发电成本约为0.5元/度，太阳能发电成本最低约0.25元/度，而火电发电成本大约在0.25元-0.5元/度，核电发电成本大约在0.5元/度。

五、氢能在交通领域的应用展望

交通作为引领氢能产业快速发展的重要领域，正在成为各国布局氢能应用率先启动的场景，以氢能车辆落地最为迅速，在轨道交通、船舶、航空等交通细分领域也在不断拓展。

1、氢能在汽车领域应用展望

我国氢燃料电池汽车的发展采取先商用车后乘用车路线，发改委《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》中提出，到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆。

氢燃料电池汽车主要以客车、重型卡车和牵引车、城市物流车为切入领域，重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广应用。相对于发展趋于成熟的纯电动汽车，氢燃料电池汽车适合固定路线、中长途干线(400-800公里左右)、高载重场景。

中国提出于2030年实现“碳达峰”，力争于2060年前实现“碳中和”。“3060”目标的提出推动了以氢能及氢燃料电池为代表的新能源技术的应用，交通领域的碳减排也成为大势所趋。商用车碳排放占据全部车辆碳排放的比例接近77%，其中中重型货车碳排放占比达61%，是未来新能源替代的关键车型。

2022年我国商用车保有量为3328.6万辆，其中重卡保有量约800万辆。据中国汽车工业协会数据显示，2022年我国重卡累计销售量为67.19万辆，同比大幅下滑51.8%；氢燃料重卡销售量为2382辆，同比上涨215%，但渗透率仅为0.35%。

重卡更新迭代周期平均为7-8年，迭加“双碳”与氢能源产业政策、氢燃料电池技术成熟与成本、加氢站配套建设速度等因素，综合预测，2030年氢燃料电池重卡销售可达6万辆，渗透率超过5%。

2、氢能在海运船舶领域应用展望

随着航运业迅速发展，柴油机动力船舶引发的环境问题日益显现。2020年我国航运业的二氧化碳排放量占交通运输领域排放量的12.6%。氢能作为清洁能源有望在航运领域减碳中发挥积极作用。

氢及氨基燃料是航运领域碳减排方案之一。通过氢燃料电池技术可实现内河和沿海船运电气化，通过生物燃料或零碳氢气合成氨等新型燃料可实现远洋船运脱碳。我国部分企业和机构基于国产化氢能和燃料电池技术进步已经启动了氢动力船舶研制。

现阶段，氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，作为小型船舶的主动力或大型船舶的辅助动力。预计到2030年我国将构建氢动力船设计、制造、调试、测试、功能验证、性能评估体系，建立配套的氢气“制储运”基础设施，扩大内河/湖泊等场景的氢动力船舶示范应用规模，完善水路交通相关基础设施；到2060年完成我国水路交通运输装备领域碳中和目标，在国际航线上开展氢动力船舶应用示范，提升我国氢动力船舶产业的国际竞争力。

图表:我国氢能动力船舶发展路线图

资料来源:根据公开资料整理

在全球船舶领域，2021年10月28日，国际可再生能源署(IRENA)发布报告称，氨在海运领域将成为清洁燃料的主力军，挪威化肥巨头雅苒国际出资建造的全球第一艘用氨能驱动的货船雅苒·伯克兰号，已于2021年11月22日下水首航。

3、氢能在航空领域应用展望

随着能源加速向低碳化、无碳化演变，航空业也面临能源体系变革带来的新挑战。

氢能源为低碳化航空提供了可能，氢能可以减少航空业对原油的依赖，减少温室及有害气体的排放。相比于化石能源，燃料电池可减少75%-90%的碳排放，在燃气涡轮发动机中直接燃烧氢气可减少50%-75%的碳排放，合成燃料可减少30%-60%的碳排放。

氢动力飞机可能成为中短距离航空飞行的减碳方案，但在长距离航空领域，仍须依赖航空燃油。预计2060年氢气能提供5%左右航空领域能源需求。

氢能为航空业提供了可能的减碳方案，美国、英国、欧盟等发达国家和地区纷纷出台涉及氢能航空发展的顶层战略规划。

从发达国家发布的规划可以看出，氢能航空的发展是一个异常漫长的过程。从现在到2035年主要是发展基础性技术，开展航空试验，小范围展开核心氢能组件应用和验证；到2050年完成远程客机验证机和大规模的氢燃料加注基础设施建设，在航空领域实现更大规模应用。

图表：全球氢能动力飞机发展路线图

资料来源:根据公开资料整理

六、氢能在建筑供热领域的应用展望

以具备电、热、冷等供能需求且适合氢能应用推广的区域、公共设施或建筑为典型场景，开展多种先进燃料电池技术与储供氢技术的融合示范，建设热电联供、固定式发电等分布式能源示范项目。

在住宅建筑领域，75%的传统能源用于空间供暖、热水和烹饪。氢可与天然气混合(氢气掺混比例为0~20%)，通过基于燃气轮机或燃料电池的CHP技术，利用现有建筑和能源网络基础设施提供灵活性和连续性的热能、电力供应，从而取代化石燃料CHP。

国内正推进“氢能进万家”示范运行，全国首个“氢能进万家”智慧能源示范社区——丹青苑于2021年11月在在佛山市南海区丹灶镇投运。

来源：氢启未来网