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把握低碳氢产业机遇,氢能源行业前景分析与洞察

时间:  2021-05-20 16:36   来源:  普华永道    作者:  网络转载

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概述

未来十年将是应对气候变化的关键时期。目前,全球每年脱碳速度约12%。根据《巴黎协定》设定的1.5℃温控和净零排放目标,截止2030年前,需要提高五倍脱碳速度,方可实现。打造低碳氢经济可以加速能源行业转型,在整个节能减排过程中发挥至关重要作用。

氢可以代替碳氢化合物,特别是能应用在难以实现减排目标的场景和领域中。因此,公众将氢视为通向未来绿色能源的钥匙:氢分子可用于储能,接收可再生能源产生的间歇性能流;在无法电气化或电气化成本效益不高的情况下,氢气可作燃料使用;在发电和需要高温的工业加工领域(例如炼钢),氢气还可用作进料。

然而,整个氢行业和供应链仍处于发展起步阶段,要实现氢这种绿色能源的巨大潜力,建立低碳氢经济仍有很长的路要走。其中包括推动终端行业的应用、效仿天然气领域建立氢气全球贸易市场等。政府也需要通过强有力的监管体系提供支持,以实现低碳氢经济的目标

一、氢市场的现状与潜力

低碳氢被广泛认为是一种蕴藏丰富、用途广泛、清洁方便的能源载体,已被视为能源行业转型的关键一环。数十年来,人类一直在考虑将氢气作为燃料源的可能性,但仍对其开发有限。近年,各国政府和国际组织对减排和实现净零排放的承诺、可再生能源装机容量的不断增长,以及可再生能源成本的不断下降,为大规模应用带来了可能性。

根据国际能源署可持续发展情景预测,到2070年,全球对氢气的需求预计将在2019年7,000万吨的基础上增长7倍,达到5.2亿吨(见下图)。如果化石燃料相应减少,叠加氢气的低碳化生产因素,全球能源行业和工业加工领域有望在2070年时实现碳中和。

目前,氢气的年产量为7,000万吨,市场规模约为千亿美元(见下图)。亚洲是最大市场(48%),美洲(22%)和欧洲(18%)紧随其后,而工业企业则是最大的使用群体,八成以上的需求来自炼化和化工行业。炼油厂使用氢气来降低柴油中的硫含量。全球范围内较高的柴油消耗量,加之更严格的硫含量法规要求,一直维系着市场对氢气的需求。

目前的难题在于,如今消耗的氢气95%来自化石燃料,通过两种最常见的方法——煤炭气化和蒸汽甲烷,进行重整生产。在生产过程中,化石燃料(即煤或天然气)进料与蒸汽反应,生成一氧化碳、二氧化碳和氢气。每生产1公斤氢气将释放约10公斤二氧化碳。如果不能及时捕获、利用或封存生产过程中产生的二氧化碳,此类传统的制氢方法将对环境造成巨大影响。

因此,只有在生产环节中尽可能减少碳排放,氢气才有助于全球经济实现可持续脱碳的目标。实现这一目标的主要途径有:利用风能、太阳能、水能等可再生能源以及沼气和核能,或是采用常规的化石燃料能源加上碳捕获与封存技术,从而实现低碳氢的大规模生产。而刺激需求和应用则是发展氢经济的首要任务之一。

发展要素一:刺激低碳氢需求

随着越来越多的国家和行业将低碳氢视为燃料源和原料,氢的用户群体有望更加多样化。基于低碳氢生产技术的成熟度、与现有工艺结合的复杂性,以及现行法规和经济鼓励政策,不同行业有各自的脱碳路径和时间表。各国政府在发展低碳氢经济的过程中,需要集中精力、遵循主体原则,而不是试图覆盖众多行业:

聚焦脱碳难、有规模效应(规模大的多元化企业)、可利用现有基础设施(例如管网)的产业集群;

产业集群如果位于港口和海岸线附近,则能更好地对接不断增长的国际氢气物流终端;

希望建立氢能力、共同承担投资成本和风险的企业,可建立合作伙伴关系;地方政府也可为推动氢解决方案赋能,发挥作用。

发展要素二:刺激低碳氢供应

为加快低碳氢的发展,推动高能耗行业中低碳氢替代碳氢化合物,在成熟的碳排放技术与更清洁的新型氢技术之间,如何缩小两者的价格差是当务之急。目前,电力成本占绿氢可变成本的60%-70%。因此,获得成本低廉、供应充足的可再生能源为电解槽提供电力显得至关重要。在普华永道思略特访谈中,专家表示,当可再生能源的成本降至20美元/兆瓦或以下时,绿氢将具有成本竞争力。随着世界各国加大对可再生能源投资力度,以及平准化能源成本的降低,规模效应有望于2030年实现。

与此同时,电解槽制造商正在努力提高电解槽的效率并实现规模效应,从而降低可变成本。普华永道思略特预计,聚合物电解质膜(PEM)技术的效率将高于碱性(ALK)技术,从而更进一步降低成本。

绿氢需求的激增将有力推动可再生能源装机容量的增长。到2030年,以电解方式生产1000万吨氢气将消耗约550太瓦时的可再生能源(以目前生产1公斤氢气约消耗55千瓦时的电力计算)。水是电解所需的另一个重要资源。生产1公斤氢气需要大约22升水,因此用水需求量巨大。在密集的工业区中,获得足够的水资源用于电解并满足工业需求较有难度。

尽管以可再生能源生产清洁氢气是市场供应的终局,但蓝氢的重要作用也不容忽视:在绿氢实现大规模生产前,蓝氢将作为过渡技术,生产足量的低碳氢。

发展要素三:拉通供需

氢气输配是拉通供需的关键环节。利用现有的天然气基础设施输配氢气是方案之一。根据欧洲天然气输配系统运营商的估测,可以在没有任何技术挑战的情况下,将10%的氢气混入天然气进行输配。如果对输配管网进行小幅调整,氢气混合的比例最高可达20%,但建设氢气专用基础设施的成本效益将会更高。

考虑到今后天然气用量可能减少,用天然气管网输配氢气可防止输配系统运营商陷入资产搁浅的困境。欧洲11家天然气输配系统运营商联合发布了一篇欧洲氢气主干网络研究,展望氢气输配基础设施的发展:在氢枢纽周边区域管网的基础上,逐步发展到2040年总长度2.3万公里的泛欧洲管网,其中约75%由现有的天然气基础设施改造而成,另外25%为新建的氢气专用管网,建设总成本约为640亿欧元。

除运输外,氢气也需要存储,以确保大批量、不间断地供应工业用户。氢可以通过氨、液态有机氢载体或液态氢的形式存储为液态,但成本远远高于以气态形式储存。岩盐溶腔和枯竭的气田是大批量储存的最佳方案,成本分别不高于0.30美元/公斤和2美元/公斤。但这些储存点地理位置偏远,并不是匹配供需最有效的方法。目前,含水层存储之类的替代方案仍在研究中,但面临着气体体积损失、与细菌的化学和微生物反应导致井眼腐蚀等技术和操作层面的难题。

发展要素四:监管框架为市场提供支撑

尽管供应、需求、输配储存是氢经济的核心支柱,但这些支柱需要建立在强有力的政策和监管框架内。各国政府应该发挥关键作用,确保制定目标明确的氢战略,配合战略性投资和财政鼓励,从而释放正确的市场信号,鼓励民营投资参与。

欧盟的氢发展路线图是确保充分发挥绿氢市场潜力的重要一环,为市场提供长期可预见性,使得供需两侧的利益相关方都能开展必要的投资。各国之间的合作与协调对于确保公平竞争至关重要。

政府也需要为处于起步阶段的绿氢市场提供财政支持,为生产商和用户提供适当的激励,鼓励其转为使用低碳氢技术。激励可采取多种形式,或是对资本性支出及运营性支出提供直接财政补贴,或是采取补偿机制。在国家层面,新冠疫情期间用于刺激经济的资金将成为强有力的经济杠杆,为项目示范、氢技术开发、刺激供需提供资金支持。在2030年绿氢的成本优势形成前,这种支持需要不断继续。

监管也是推动向绿氢转型的关键。增加碳税、设定工业过程中使用氢的约束性目标或强制性配额,都将有助于创造大量氢需求并实现支撑市场高速发展的目标。

二、对中国的借鉴意义

2021年,碳达峰和碳中和在全国两会上作为中国的战略目标,首次被写入政府工作报告,彰显中国坚持走低碳发展道路的决心。氢能作为一种绿色环保能源也面临着前所未有的发展机遇。中国氢能联盟数据显示,2018年中国氢气产量约为2,100万吨,占终端能源总量的2.7%;预计到2030年和2050年,需求量分别将达到3,500万吨和6,000万吨,终端能源占比分别达5%和10%以上。

尽管发展前景光明,但氢能的技术路线仍不够成熟,许多技术难题有待解决,离大规模市场化还有很长一段路。为促进市场在未来十年真正起飞,中国需要借鉴欧洲市场的经验,在以下多个方面采取行动:

战略引领:尽快推出国家层面的氢战略和路线图,以实现碳中和、碳达峰为原则,确立氢能在长期能源战略中应发挥的作用,设定明确的阶段性目标,引导和鼓励氢能源的广泛应用和可持续发展,加快中国能源结构调整的步伐,实现市场起飞。

降本增效:提高低碳氢的成本竞争力,一方面鼓励和推进光电风储示范项目建设,加大可再生能源在氢气生产中的比重,从而实现制氢的规模效益,降低低碳氢的生产成本;另一方面,加大公共资金对氢能技术研发的投入,同时鼓励和吸引企业积极开展创新,实现燃料电池、氢燃料、电解槽和配套设备等的降本增效。

需求挖掘:积极探索炼化、钢铁、交通运输等重点行业内的脱碳机会,并通过创新刺激需求;同时鼓励在能源生产和工艺流程转型过程中逐步加大以蓝氢或低碳氢作为燃料和原料的占比,为实现低碳氢的广泛应用奠定基础。

协作共赢:推进跨行业协作和国际合作,尤其是在标准体系建设、先进技术和最佳实践分享、基础设施建设等领域,实现氢能源产业链的不断发展和完善;同时通过融资模式创新,以风险共担、利益共享的形式,打消先行者的顾虑,鼓励私营领域加大对氢能源领域的投资。

在正确的引导和扶持下,刚起步的低碳氢市场有望在2030年迎来爆发和腾飞,并在十年内展现出成本竞争力。全球许多国家都制定了雄心勃勃的绿氢计划,而中国凭借丰富的可再生能源、水资源等独特优势,具备引领低碳氢经济的机会。通过抓住绿氢产业机遇,中国政府和企业能够在脱碳大趋势下奠定经济增长的基础,并在低碳发展领域内建立起持续影响力。
 

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