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《氢能产业趋势研究》:发展氢能的三个理由

时间:  2021-05-26 18:44   来源:  产业观察者    作者:  网络转载

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这世界到底发生了什么?氢为什么突然火起来?技术成熟吗?能走多远?对于这些市场普遍关心的问题,我想说的是这个世界上的第一元素只因为可再生能源成本变得便宜才可以从奢侈品走向贫民化。而恰恰就在这个时候,与氢能相关的各项技术如燃料电池、四型瓶等技术变得成熟,而产业链各项技术的聚合正在成就“可再生能源+氢能”的新能源体系,“碳达峰、碳中和”又刚好成为建立这一体系的重要契机。

发展氢能的三个理由:1.能源发展的一般性规律;2.碳达峰碳中和下的能源体系选择;3.摆脱资源约束。

巴黎协定以来,可再生能源替代化石能源成为世界各国减碳的共识,由于可再生能源的电气化和波动性属性,使得储能和电动装备成为关注的焦点,特别是交通领域的电动化趋势正在被越来越多的人所接受。只是,在未来到底是属于锂离子电池还是燃料电池的问题上,市场存在较大的分歧。

氢气以其来源广泛,热值高,清洁无碳,可储能、发电、发热,灵活高效,应用场景丰富,被认为是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展理想的能源载体;而锂电则因为结构简单、能源转换销量更高、基础设施灵活、以及技术更加成熟、成本较低、政府政策推动而先行一步。

十多年前,中国在“弯道超车”和跟随美国路线上选择了纯电动汽车。2009年中国出台“十城千辆“的政策推动了世界纯电动车的发展,氢电路径受冷落,直到2018年5月,李克强总理到日本访问丰田,燃料电池技术路线再一次受到关注。

氢能因为“碳达峰,碳中和”更加受到重视,但本质上,它是能源发展规律、科技进步以及资源优化配置的一个集中选择。在未来能源中,氢将扮演着原料、燃料及储能等多重角色,越来越成为能源结构中不可忽视的力量。

《氢能产业趋势研究》:发展氢能的三个理由

1、世界能源朝着减碳加氢的方向发展

世界能源发展的趋势要从历次能源革命开始说起,人类最初得以生存的能源显然就是太阳能,或者还有风能。在农耕社会里,人类的祖先依靠空气、水、食物和阳光而生存,空气、水和食物是人体能量的来源,而阳光和水则是所有生物得以生存的能源。

我们今天说到的能源是指支撑人类活动的集中能源,每一次能源革命都伴随着工业革命的巨大变化:柴薪时代支持了人类基础的烹饪需求和原始的冶炼;煤炭时代是机械化的基础,对应的是蒸汽机与火车;而石油时代使得汽车产业得到了空前的发展;那么,能源的变化伴随着怎样的趋势呢?

从木材——煤炭——石油——天然气——太阳能、风能,能源发展的趋势是碳强度越来越少,而氢的比例越来越高。从形态上看,能源从固体(木材和煤炭)-液体(主要是石油)-气体(天然气和氢),罗伯特A.赫夫纳认为终点是“能源的气体时代”,过程中伴随着碳原子的减少和氢的增加。

能源从大规模的、集中的能源消费模式,向可持续性越来越强,分散度越来越高、获取难度越来越大,资本密集度越来越高的技术转变。

能源演变的趋势不是出于单一的目的,但其中脱碳确实一条非常清晰的路线。从木材——煤炭——石油——天然气——可再生能源,几乎每一步都在降低C的比例,增加H的比例:

木材中每个分子包括1个H原子和10个C原子;

煤炭中每个分子包括1个H原子和2个C原子石油中每个分子包括2个H原子和1个C原子;

天然气中每个分子包括4个H原子和1个C原子;

风能、光伏C为零,如果加上H储能,就可以形成零排放的能源系统。

如果我们不考虑其他成分,木材、煤炭、石油、天然气、“可再生能源+H储能”可以分别表达为:C10H、C2H、CH2、CH4,H,人类能源一直致力于获取更多清洁的能源,氢被视作是人类的终极能源。

2、“可再生能源+氢能”是“碳达峰、碳中和”的选择

去年9月22日习近平提出中国30/60双碳目标之后,紧接着美国重返巴黎协定在欧洲宣布2050年零排放,目前,占全球能源版图70%的、120几个国家先后宣布本世纪中叶实现碳中和。可以预见,碳中和已经在全世界形成一种“人类命运共同体”的环境共识,也将是未来几十年经济发展的驱动力。

当前我国仍保持以煤炭为主,石油、天然气和非化石能源为辅的能源供应体系,应对气候变化、减少碳排放已成为国际社会的共同课题。根据联合国环境规划署《2019年排放差距报告》,中国是全球最大的二氧化碳排放大国,2018年排放量占到全球的四分之一以上,2060年“碳中和”目标的下达正是我国给出国际社会的承诺,也为我国融入国际社会、实现双循环提供支持。

但不得不说,在承担碳达峰、碳中和最大任务的能源部门将遭遇众多的约束:被节能,被去碳,都将是现有能源部门即将要受到的约束,也就是说,现有的能源将被减少。近期化石能源价格上涨,而且预计未来一段时间还会保持上涨趋势,但本轮价格上涨不是因为需求上升,而是因为过去几年化石能源特别是煤炭和石油行业资本开支减少,供给下降所致。

人类对能源的需求持续增长,被约束的能源需要低碳能源来替代,交通能源虽然迎来了电动汽车的大发展,但如果不改变电力结构,电动汽车本质上只是排放的转移,将更多石油的排放转移到煤炭的排放而已。

显然支持双碳目标增量的将是可再生能源,但自然能源具有波动的天性,必须大规模发展储能,并从源头上解决能源的无碳化。氢,而且是绿氢的参与给予了可再生能源更加广阔的前途,也成为双碳目标重要的担当者。

按照中国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提出2030年-2035年,加氢站将达到5000座,氢燃料汽车达到100万辆。预计到2050年氢气在能源中的比例将达到10%(国际市场预计达到18%)。预计这一规模将是目前天然气规模的两倍左右,超过目前石油消费的50%。

隆基股份董事长李振国将碳中和目标分为四个阶段:

第一个阶段是通过非物理性的政策面形成与现有灵活调节能力市场化需求侧响应非物理侧的调整,最大限度接纳清洁能源。

第二个阶段大力发展抽水蓄能以及改造,这个是让渡出10到15年空间。

第三个阶段是新能源+储能以及早期的水电还有抽水蓄能调节,形成新型电力系统,形成脱碳。

第四个阶段是氢的引入,除了电力系统是碳排放是一个因素,非电体系占的碳排放更大,不引入氢没办法进入到深度脱碳。

3、能源安全性考虑:摆脱资源约束

氢经济(Hydrogen economy)是将氢作为一种低碳燃料使用,特别是用于取暖、氢汽车、季节性能源储存和远距离能源运输。

本轮氢气产业的推动并非首次。1839年英国物理学家威廉·葛洛夫制作了首个燃料电池,现有质子交换膜燃料电池是经历了多次产品迭代后,到上世纪50年代被科学界和产业界所接受的一条技术路线,燃料电池的首次应用是在美国国家航空航天局1960年代的太空任务当中,为探测器、人造卫星和太空舱提供电力。

上世纪70年代第一次石油危机后,氢能就一度被视为交通能源的替代品。1970年John Bockris和Lawrence W. Jones提出氢经济(Hydrogen economy)概念(由John Bockris 在美国通用汽车公司(General Motors)技术中心演讲时提出)。当时主要提出的是描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后,整个氢能源生产、配送、储存及使用的市场运作体系。

从上世纪70年代到现在,美国、加拿大、欧洲、日本、韩国、中国等主要国家从来没有停止对氢的研究,但受制于成本约束,很长时间都没有大的突破。2011年日本福岛核电站事故成为日本政府推动氢社会的一次契机,主要的目的就是为了摆脱能源资源的约束,在这一点上,日本、韩国、中国、欧洲都有着明显的动机,虽然加拿大、美国在氢能研究方面有较多的储备,但在产业化推动上,亚洲和欧洲等能源进口国显然要更积极。

关于资源约束这件事情需要比较一下煤炭、油气资源以及锂离子电池的(锂、钴、镍)资源和燃料电池用到的铂资源。

显然,这是一个静态的比较数据,石油天然气资源对应的是全球8000万辆车用部分基数,锂电的锂、钴、镍资源对应的是200-300万辆的基数,而铂资源对应则是3万辆的燃料电池基数。重要的是,随着化石能源产量的降低,可开采的时间将被延长,而随着锂电和燃料电池的快速增长,其资源可利用时间将会大大缩短。而最关键的问题是,这些资源是一次性耗尽还是可以重复利用,我们是否可以真正摆脱资源约束呢?显然,油气是消耗品,而金属资源最大的优势是可以循环利用。现在看起来,如果锂电的回收利用不能解决的话,已探明镍和钴储量的动态可使用年限可能只有20-30年,而铂的安全度要高得多。一份来自英美资源的报告显示:2019年全球开采的铂金产量约185吨,2019年从汽车和珠宝行业回收的铂金约70吨。假设未来十年的开采量和回收量保持现有的水平,则2020至2030年期间铂金的累计供应量可达到2500吨。按照全球2030年1000万辆乘用车、400万辆商用车进行预测,预计届时催化剂用铂量152.1-438.5吨,此供应量大约是来自电解水制氢和燃料电池汽车领域累计的铂金需求量的6倍。

对于更远的2050年和更高比例的燃料电池汽车带来的需求,预计将达到186吨,但扣除回收供应后的铂金的净需求在2038年就达到了124吨的峰值水平,之后净需求量随着铂金回收供应的增加而下降,这就是循环经济的概念,铂金使用存量达到高峰后回收量将大于净需求 。
 

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