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2030年电解槽装机量将达102GW!中国氢能联盟发布重磅报告

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近日,落基山研究所(RMI)与中国氢能联盟研究院联合发布了《开启绿色氢能新时代之匙:中国2030年“可再生氢100”发展路线图》。报告提出了绿氢在不同领域的发展路径。到2030年,全国电解槽装机量达到102GW,全国可再生氢总需求达到770万吨/年。化工行业对可再生氢的需求量最大,其次是交通和钢铁行业。西北、华北地区本地应用需求旺盛,成为装机规模最大的区域,

绿氢发展模式展望

氢能的发展将遵循需求拉动供给的一般规律,其供需格局演变受产业布局演变、技术经济进步、安全保障约束、资源统筹优化等多方面因素驱动。“区域为主”统筹发展、“大基地”规模化开发、“先立后破”逐步替代将是未来十年可再生氢发展的重要特征,最终实现氢能乃至整个能源系统的跨区域、跨品类统筹规划、协调发展。

到2030年,全国电解槽装机量达到102GW,全国可再生氢总需求达到770万吨/年。化工行业对可再生氢的需求量最大,其次是交通和钢铁行业。在可再生氢发展初期,由于行业用户端对于使用的成本和便利性敏感程度较高,且储运的成本瓶颈在短期内无法得到显著突破,因此,区域内可再生氢产销结合的经济性优势较为明显。西北、华北地区本地应用需求旺盛,成为装机规模最大的区域,其次为华东和华南。(区域划分参照全国七大自然地理分区,即华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北七大行政地理分区,其中内蒙古全部划归为西北地区。)

到2030年,可再生氢预计将在化工、钢铁、交通等部门得到规模化示范应用。其中化工领域的氢能应用场景仍主要集中在合成氨、合成甲醇、炼厂炼化等高耗氢过程;钢铁领域主要集中在头部钢企对氢能炼钢项目的广泛布点;交通领域在重型货运、轻中型物流车、公交车、矿山机械、港口机械、清洁车等多场景均得到一定比例的应用,同时可再生氢在不同行业的应用将呈现显著的空间差异。

与其他原本就有用氢需求的部门相比,目前能源尤其是电力部门对氢能的应用尚未大规模开展,替代或补充现有能源在技术和经济性方面挑战巨大,在未来十年内仍将处于示范探索期,大规模商业化应用难以实现。因此,能源电力部门用氢将不会对2030年可再生氢的需求量产生显著影响。

氢能作为储能的应用,缺少可靠的氢储运解决方案,且与其他更为成熟的储能(传统抽水蓄能和电化学储能等)方案可行性差距较大。氢能发电尤其是燃氢轮机适合天然气发电设施转型,但中国本身气电比例极低,而且受限于设备成熟度,因此综合氢电成本极高,因此氢能发电在中国的应用潜力低;氢燃料电池发电则适用于规模极小的分布式应急电源需求,或偏远地区的供电,应用场景和规模都极为有限。

化工行业

本领域聚焦与氢能供需关联最紧密的三个上游化工细分领域:石油炼化、合成氨、甲醇。目前,中国的化工行业仍然属于以化石燃料为主要能源基础和原料的高耗能高碳排放行业。石油炼化作为石油化工行业的主要生产环节,对氢气的需求量大,大型炼化厂几乎均有场内制氢设备,采取天然气重整或煤气化做为主要氢气供给方式。合成氨、甲醇的生产在中国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。

化工行业氢能利用路径

随着环保、准入等政策的出台和实施,氢基绿色化工将成为产能转型的重要突破口。“十三五”以来,在能耗和碳排放“双控”等目标的促进下,山东、内蒙古和陕西等传统能源化工大省,均开始逐步收紧对新增高耗能化工项目的审批和管理。2022年2月,国家发展和改革委员会、工业和信息部、生态环境部和国家能源局联合发布《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》,针对炼油、煤化工、合成氨等化工行业出台了具体的实施指南,提出引导工艺和技术绿色化水平的升级改造、相关前沿技术加强攻关并加快淘汰不符合绿色低碳转型要求的落后设备和技术。相关政策为以可再生氢为基础的清洁化工产业发展奠定了基础。

未来,可再生氢能在化工行业的应用将主要包括既有传统工艺流程的可再生氢替代和新型化工生产的可再生氢利用两种模式。由于现代化工项目工艺复杂、投资大且周期长,可再生氢作为原料在化工生产中大规模利用需要进行较多产线的升级改造,短期内成本较高且风险较大,因此未来十年可再生氢将主要在既有传统工艺流程中发挥对传统化石能源制氢的替代作用,并在条件相对成熟的少部分可再生氢新型化工项目中逐步开展试点应用。新型化工路径采取的工艺技术不同于现有传统生产路径,已有项目进行改造的难度大,因而仅适用于新建项目。

首先选定炼化(炼厂用氢)、合成氨、甲醇为研究对象,根据对各区域2030年用氢需求和可再生氢替代可行性的综合研判,分析化工行业可再生氢需求。炼化的产品包括汽油柴油等多种产品的组合,炼厂用氢量与炼厂产品结构和总产量相关,而合成氨和甲醇的单位用氢需求较明确。同时,考虑细分行业技术经济性和区域可再生氢可及性,可再生氢在细分行业和不同区域的替代和增量发展模式各有差异。通过综合研判产品产量和发展模式,分析2030年可再生氢在化工行业的用氢和装机需求。

化工行业2030年用氢量分析框架

各区域可再生氢2030年需求量

根据测算,2030年,化工行业总可再生氢消费量将达到376万吨,是中国最大的可再生氢需求市场。其中,西北地区由于具备化工产业及可再生电力资源优势,将成为最大的化工可再生氢消费地,其次分别是华东、东北和西南地区。

考虑到生产工艺流程、原料、技术和成本经济性等因素,可再生氢具备在炼化、合成氨和甲醇这三类产品生产过程中作为重要的低碳替代化工原料的潜力。根据落基山研究所的分析,到2030年,化工行业中可再生氢应用量最多的是甲醇,其次是合成氨和炼化。

2030年化工行业可再生氢需求占比

甲醇领域,到2030年,产业整2030年化工行业可再生氢需求占比体保持增长并逐渐饱和,可再生氢需求量预计达到165万吨/年,全国甲醇产业平均可再生氢应用率有望达到20%。目前国内甲醇产业整体供过于求且各区域差异大,原料结构对煤炭的依赖度高,易受国外低成本甲醇的冲击。未来预计甲醇下游消费增长将以MTO/MTP(甲醇制烯烃)、甲醇燃料等新兴下游带动,政策引导下优胜劣汰产能整合升级以提高竞争力。考虑煤制甲醇新项目难以获批,可再生氢制绿色甲醇将成为未来增加甲醇产能的突破口,相关项目逐渐在西北、西南等地区开展(例如“液态阳光”等新型工艺示范项目)。2030年,西北将成为甲醇行业最大的生产基地。

合成氨领域,到2030年,相关产能集中度增强、装置替换升级,并进一步向可再生资源富集地区转移,可再生氢需求预计达到138万吨/年。目前国内合成氨产能分布受煤炭资源和工业基础等因素影响,主要集中在山东、河南、山西、湖北、江苏等省份。尿素等下游市场需求整体增长缓慢,导致北方市场供需情况相对饱和,但安徽、湖北、河南、福建等地近年来新增产能规划相对较多。未来,预计西南、西北等地区合成氨企业将率先响应政策引导,进行技术改造和兼并重组,通过可再生氢替代等方式降低行业能耗水平,加快产业优化调整。同时,合成氨有潜力作为更安全和便于运输的储氢媒介,从而扩大应用范围7。东北等具备合成氨出口条件的地区,将推动合成氨规模扩大并成为可再生资源规模化消纳的重要手段。

炼化领域,到2030年,炼厂总产量预计与目前持平,可再生氢需求预计达到73万吨/年。受到上游原料供应来源、工业基础以及下游消费市场等因素影响,目前炼厂的区域布局以东部沿海地区为主。至2030年,随着“双碳”和相关行业政策的推进8,交通领域加速新能源替代,石化产品市场总需求增长不显著,未来大型炼化一体化装置的投产将增长部分产能,同时部分规模较小的独立炼厂将面临淘汰或兼并重组,炼厂总产量预计与目前水平持平。尽管目前炼油厂采用可再生氢的成本高于化石燃料制氢的成本9,但随着中国整体石化行业升级转型和愈发明确的政策信号,考虑产能替换减碳、重大项目落地和可再生氢成本下降增快等因素,未来西南、西北、东北等地区炼厂可再生氢渗透率稳步提升。

钢铁行业

钢铁行业是碳排放密集程度最高、脱碳压力最大的行业之一,碳排放约占全球排放总量的7.2%。钢铁行业迅速脱碳在中国尤为重要,2021年中国粗钢年产量为10.3亿吨,占到全球粗钢总产量的约53%。由于中国钢铁生产中用于提供高温的燃料燃烧造成的排放和以焦炭为主要还原剂的反应过程排放,难以通过电气化的方式实现完全脱碳,且能效提升和废钢利用等方式的减排潜力有限,对因此利用可再生氢替代焦炭进行直接还原铁生产并配加电炉炼钢的模式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。

氢冶金技术分类及优缺点

钢铁行业对可再生氢的利用集中在新增产能生产工艺流程,行业领先企业占据先发地位。根据不同炼铁工艺,氢冶金的主要应用场景可分为三类。通过统筹考虑钢铁企业2030年前新增产能、氢冶金技术发展意愿,以及各企业产能分布、技术基础、行动规划、地方性属性等因素,氢冶金的产能主要来自于中国钢铁行业领先企业,并在将形成数个规模化的氢冶金基地。基于上述考虑,对氢冶金项目产能的规模和区域位置进行估算,并结合不同地区电解槽的利用小时和工业副产氢供给等因素确定各地区的可再生氢消耗量和电解槽装机需求。

近期已宣布的氢能炼钢试点项目信息

钢铁行业2030年用氢量分析框架

根据测算,2030年中国氢冶金产能的规模约为4347万吨,约占到全国总产能的4.5%左右,全行业的氢气消耗量约为174万吨,其中可再生氢94万吨,约占54%,其他为工业副产氢。在空间分布上,氢能炼铁产能和现有炼铁产能存在差异。目前中国钢铁企业区位布局主要与铁矿石和焦炭资源的分布、运输条件、市场需求、劳动力和产业基础等要素密切相关,产能主要集中在华北和华东地区,例如河北、江苏、辽宁、山东和山西等地。未来,各个钢铁企业在氢能炼铁项目选址时会倾向于选择可再生氢资源丰富的地区,降低氢能储运成本,以降低总体成本。西北地区将成为氢能炼铁发展最为重要的基地,2030年氢冶金产能占到整个西北地区产能的46%,华南地区也具有发展氢冶金的相对优势。而华东地区和华北地区的钢铁产业特别是可再生氢冶金产业将一定程度上向西北地区进行转移。

2020年全工艺炼钢产能分布

2030年中国氢能炼钢耗氢量分布

交通行业

受技术突破和规模化推动带来的降本影响,氢燃料电池汽车在部分场景可实现加速渗透,交通用氢规模逐渐提升。新能源替代(包含纯电动和氢燃料电池)是中国道路交通行业未来实现碳中和的最重要措施之一。由于动力电池技术已经实现了一定的商业规模化应用,且随着技术迭代、能量密度提升和成本降低,它在乘用车和部分商用车领域具备了较强的适用性和竞争力,已取得一定商业化规模发展。与之相比,氢燃料电池汽车推广面临更大的竞争压力。氢燃料电池更多聚焦于重型卡车、冷链物流、城际巴士、公交车和港口矿山作业车辆等对续航里程稳定性要求较高的使用场景中进行推广。

2030年交通行业耗氢分布图

考虑到交通行业分散程度较高且运输范围较广,氢燃料电池汽车在不同地区的可再生氢应用需求可通过各省车辆保有量进行计算。通过选定包括乘用车(包括出租车和公务用车)、公交车、城市物流车、清洁车、重型卡车、矿山机械和港口机械在内的七种交通领域应用场景,以省份为单元,以市场空间、场景技术经济性分析为基础,分析2020-2030年不同地区各车型销量及氢燃料电池汽车的渗透情况。在此之后,再综合考虑行驶里程、单位耗氢量、工业副产氢供给、机动车报废率和电解槽利用小时数等因素,分析各区域2030年交通领域用氢需求以及电解槽装机需求。

2030年交通行业用氢量分析框架

根据测算,2030年中国氢燃料电池汽车保有量将达到62万辆,总耗氢量为每年434万吨,其中可再生氢为301万吨,其余为工业副产氢。在各应用场景中,氢燃料电池重卡的发展速度最快,预计在2030年将达到28万辆。从区域来看,氢燃料电池汽车发展较为均衡,初期华东、华北和华南等地区发展较快,与区域经济发展水平、运输需求以及地方对氢燃料汽车和氢能产业的支持力度呈现出较强的相关性;后期西北、东北等地区加速发展,与氢燃料电池对高寒、重载等场景的适用性相一致。

编辑:敬之