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3300万吨年产量、超过300家公司!中国氢能产业如何引领世界?

日期:2022-06-23    来源:国际能源网/氢能汇

能源资讯中心

2022
06/23
08:31
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关键词: 氢能产业 氢气产量 电解水制氢 加氢站

目前,中国已经制定了“双碳”目标,经济转型和能源转型势在必行,其中氢能发展成为热点,备受各级政府、众多企业和广大公众的关注。

中国氢能产业目前发展形势如何呢?发展路径中面临的困境有哪些?对外经济贸易大学国际经贸学院董秀成教授和前瞻经济研究院徐文强院长对此做出了回答。董秀成指出,2021年我国氢气产能产量超过3300万吨,电解水制氢技术已经相对成熟,每年可以达到9亿立方米的制氢能力,氢能全产业链规模以上工业企业已经超过了300家。已是妥妥的氢能大国。

徐文强认为,目前我国氢能产业发展面临着能源效率转化、基建、应用场景三大问题。氢能总体能量使用效率只有约40%,远远落后于纯电路线,导致竞争力不强。就另外,应用的场景很多,“没有氢就不行的”却很少。徐文强认为,对氢能产业应该加大政策扶持力度。

现状:名副其实的全球氢能大国

总体来看,我国氢能产业发展初具规模。目前,氢能除了在中国传统化工、钢铁等工业领域应用外,已经开始能源、交通、建筑等其他领域稳步推进,并且不断进行扩大应用试点应用。

中国是世界上最大的制氢国,年制氢产量约为3300万吨,其中达到工业氢气质量标准的约1200万吨。董秀成教授认为,中国已经成为名副其实的全球氢能大国。

制氢能力与氢气产能

根据中国煤炭工业协会数据,2012年,中国氢气产量1600万吨,整体呈现稳步增长趋势。从 2018 年开始,中国氢气年产量超过两千万吨,2020 年达到2500万吨。2021年产量超过了3300万吨。

目前,中国电解水制氢技术已经相对成熟,每年可以达到9亿立方米的制氢能力,而且随着成本逐渐区域下降,预计制氢能力还会继续上升。

目前,在全球范围内,制氢的主要途径还是依靠传统化石能源的化学重整,其中天然气重整制氢的占比约为48%,而真正通过绿色途径的电解水制氢的占比仅占4%。不过,个别国家制氢途径与大多数国家存在差异,比如日本在电解水制氢方面发展较快,其盐水电解水制氢的产能已经占其总产能的63%,因此受到全球瞩目。

中国制氢则主要依赖煤气化制氢及工业副产氢的方式,电解水制氢能力很有限,产量占比很小,仅仅占制氢总产量的1%,这与日本相比,差距甚大。

中国能源结构与整个世界相比,具有极其特殊的特点,那就是能源界一直公认的说法,也就是所谓的“富煤少气”。对于化石能源产业来说,目前传统化石能源公司已经拥有比较成熟的制氢、用氢、气液储运经验和危化品储运管理资质及完善的销售系统,同时也具备一定的氢能消纳能力,发展氢能产业具有比较好的基础。

在氢能制备方面,可再生能源制氢项目在华北和西北等地积极推进,而电解水制氢的成本也出现稳中有降的态势。在氢能市场上,中国在应用方面具有全球最大的潜在市场,如果绿氢技术一旦成熟以后,那么便可以在市场上进行大规模布局和利用,通过规模效应来尽快降低成本。

氢能汽车与加氢站

当前,氢燃料汽车产业发展仍然处于起步阶段,客观上需要政府政策支持,比如政府财政补贴和政府采购政策等。根据某机构预算,推广1000辆氢燃料汽车需要高达30-40亿元的资金投入,这需要政府有较为富裕的财力。

在交通领域,中国现阶段氢能利用以商务客车和重型卡车为主,正在运营的以氢燃料电池为动力的车辆数量超过了6000辆,约占全球运营总量的12%,已成为全球最大的氢燃料电池商用车生产和应用市场。

当前,中国氢能车辆构成主要以非乘用车为主,比如氢能巴士和轻型/中型氢能卡车等,氢能乘用车基本上处于起步阶段。

在氢能加注方面,据今年5月的数据,中国目前已经累计建成加氢站超过了250座,约占全球加氢站总数的40%,加氢站数量已经居于世界第一,其中广东和上海占据数量优势,走在全国氢能加注领域的前面。

在加氢技术领域,中国也不甘落后,目前35兆帕智能快速加氢机和70兆帕一体式移动加氢站技术已经获得重大突破。

在氢能储存和运输领域,目前为了提高储存运输效率,使用较多的储氢技术是高压气态储氢、液态储氢和固态储氢等,而氢能运输方式主要包括陆上运输、海上运输以及管道运输等。

从加氢站数量来看,目前中国加氢站保有数量与国外相比没有落后,但是国内加氢站基本上采用高压气态氢气,由于受制于相关政策和技术问题的约束,中国尚未采用在技术上比较具有优势的液氢加氢站,不过也已经开始起步。

市场预期

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》估算,2030年中国氢气年需求量3715万吨,在终端能源消费中占比约5%,其中可再生氢产量约500万吨,部署电解槽装机约80GW。预计到2050年,氢能在中国终端能源体系中的占比将达到10%,氢能产业产值将达到1万亿元,进而是氢能成为终端能源体系的消费主体。到2060年,中国氢气年需求量将增加到约1.3亿吨,在终端能源消费中占比达到约20%左右。

在氢能市场主体方面,中国发展也十分迅速,目前氢能全产业链规模以上工业企业已经超过了300家,这些企业主要集中分布在长三角、粤港澳大湾区和京津冀等经济发达区域,而且企业数字还在继续快速增加。

在氢能产业区域布局来看,发达地区与欠发达地区相比,发展势头更加迅速,目前长三角、粤港澳大湾区、环渤海三大区域氢能产业呈现了“集群化”的发展态势,氢能相关产业处于同步协调发展阶段。

唯有政策强力推进  摆脱卡脖子困境

目前遇到哪些困境?前瞻产业研究院院长徐文强对此做出了回答。他认为,氢能存在几个难以回避的问题,这三个问题严重卡氢能产业的脖子,如果不能解决,中国氢能源发展将道阻且长。

效率问题

氢能的转化形式多样,较为成熟,可通过氢燃机直接转化为机械能,氢燃烧转化为热能,氢燃料电池转化为电能,是相对比较方便应用的一种能源。但是能做到这几点的,并不止氢能。于是,氢能利用在发展中就面临其他路线的竞争。尤其在和纯电路线的竞争中,氢能几乎是全方位落于下风。

首先是效率问题,氢的使用需要多层转化,综合效率低。以当前氢电竞争最直接、最热门的领域——新能源汽车为例。纯电动汽车的能源是从电到电,虽然在储能过程中会经历电能和化学能之间的转化,但转换形式简单,能量损失小。综合下来,锂离子电池的能量效率可以达到80%以上,即便考虑电能从发电厂转化为电池组输出过程中的消耗,总体效率也能达到70%以上。

而氢能的使用,要经历电到氢,氢再到电的复杂转化,能量损失较大。燃料电池的使用,理论上发电效率可以达到85%-90%,但受制于现有的技术水平,目前的发电效率一般在40%-60%,通常按照50%效率计算,比起锂离子电池已经落了下风。再算上制氢过程中消耗:如果采用传统的蒸汽重组或者电解法制氢,能量损失超过30%,虽然最新的离子膜电解法可将能效提升至80%,但总体能量使用效率只有约40%,远远落后于纯电路线。

如果再考虑到为了方便运输而需对氢气进行加压或降温液化处理,能量效率还要大幅下降。加压是用790倍大气压把氢气压缩到高压罐中,过程中的能量损耗约为13%;液化的话,将降温至-253℃,氢气会凝结,过程中的能量损耗极大,约为40%。

基建问题

目前国内氢能产业的基础设施还相当落后。在中游运输环节,想要大规模且广泛地使用氢能,使用管道网络是最合适的运输方案。我国现有所有氢气管道,加起来只有约400公里。

假使氢能成为主流能源,燃料电池汽车全面取代燃油车和电动车,中国一共需要多少加氢站?根据前瞻产业研究院的数据,截至2020年,中国境内加油站总量达11.9万座。考虑到氢能源汽车在续航上和充能时间(续航1000公里,加氢需5-8分钟)上,相较燃油车都没有数量级上的质变,加氢站的需求也不会差很多,至少也是数以万计。而目前我国加氢站已建和在建在一起还没有达到四位数,离五位数还远。

应用问题

氢能可以应用的场景很多,“没有氢就不行的”却很少。

在交通领域,乘用车已经被纯电路线抢占了先机,唯独在叉车、卡车等商用车领域应用比较受看好。但以商用车市场的体量,显然难以说服各方为其单独建设一套社会性的能源工程。

而在工业领域,除了传统炼化环节的应用外,最被看好的是提供中低档工业热能的能力。然而,随着工业热泵技术的发展,这一前景也遭到挑战。

由于不具备独特的优势和应用场景,前期高昂的投资缺少明确的回报前景,社会各方不免望而却步,先观望为妙。这样一来,产业发展又会愈加迟缓。

政策必须出手

徐文强和前瞻网的建议是:在当前情况下,唯有靠外力,强行撕开突破口。在当前氢能产业发展阶段,政府的力量不可或缺。政府应该充分发挥引导作用,推动技术创新应用,并在行业多个关键环节发力。

这也是为什么此前业内一直翘首期盼,希望能有重磅扶持政策出台。

好的地方是,氢能终于有了国家级定位和目标,向行业释放了积极信号。不足之处在于,相关描述依然略显宽泛,发展重点还不明确,同时在目标制定上具体量化指标较少且稍显保守。

徐文强建议,政府应为氢能产业发展提供更大力度的支持。在资金方面,部分发达国家提出数十亿甚至百亿美元规模的资金支持,而中国的氢能规划中仅表示要发挥好中央预算内投资引导作用,希望未来提出明确的资金支持计划。

此外,参考过去政策引导纯电动汽车产业发展的经验,各地政府可以效仿当时强制在公共交通领域推广电动汽车的举措,在氢能源的优势领域加大推广力度,建立健康、良性的商业模式。

除了政策助力以外,技术方面的突破,也有助于氢能产业获得竞争优势。

电解水技术的低效率和设备的高成本,也是制约氢能发展的主要原因之一。在主流的电解技术中,传统碱性(ALK)电解技术存在效率低、产氢纯度低、强碱腐蚀性、沉淀堵塞降低性能以及动态响应速率慢等诸多致命问题,质子交换膜(PEM)电解、阴离子交换膜(AEM)电解等技术是未来的主要方向。

PEM电解技术的主要障碍在于,由于要用到昂贵稀缺的铂族金属作为氧化物,成本居高不下。不过,对于减少相关金属使用量或者寻找替代物的研究,业内已经在持续推进,未来可期。

在氢能储运方面,除了潜液式液氢泵等在液氢运输方面相当有前景的技术以外,徐文强院长认为,新兴的固态储氢技术以其的体积储氢密度高、安全性更好的特性,也值得研究和关注。

其中,依托于我国丰富的镁资源,国内团队对于镁基固态储氢的研究取得了相当程度的突破,产业化也实现落地。

除此以外,其他各个环节的关键技术研究,也都在稳步推进当中。但这仍然需要国家政策的大力扶持。

来源:董秀成个人公众号、前瞻网


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