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《全球氢能观察2021》系列研报之四:全球氢能应用发展趋势观察

2021-08-03 10:18:29 氢能促进会

随着全球产业技术快速发展,氢能应用正从化工原料向交通、建筑及储能领域快速渗透,未来还将在氢冶金、绿氢化工、氢储能、混合能源系统、智慧能源系统中得到全面应用。根据国际能源署可持续发展情景预测,到2030年,全球氢能终端应用对氢气的需求预计将达到9000万吨左右,如此庞大的氢能需求,如何在世界各领域内更为有效的运用,又有哪些应用能从综合成本、碳减排、需求竞争力等因素中脱颖而出?本篇将以氢能应用技术情况、多种应用方式成本对比及各情景下氢能应用的竞争力为视角,对未来全球氢能应用发展趋势进行梳理,同时关注国内氢能应用场景的布局,让我们一起开启氢能新视野。

氢能将在多领域成为最具竞争力的碳减排解决方案

在国际氢能委员会(Hydrogen Council)在《氢能洞察》报告中,梳理预测了未来各领域氢能应用与传统能源和低碳替代能源的竞争力对比。从总体拥有成本(TCO)的角度来看,在全球制氢、储运、配送成本快速下降的趋势下,氢能在各领域的应用潜力将逐步凸显,到2030年,氢能可在22种终端应用中成为最具竞争力的减碳解决方案,包括炼油、化肥、商用车、长途卡车运输、航运和氢冶炼等应用领域。(见图1)。

 

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图1 未来各终端氢能应用的竞争力预测

其中四种终端应用拥有附加成本驱动因素:全球控制碳排放的背景下,绿氢应用为传统化工、炼油等领域深度脱碳;通过氢能直接还原铁和废钢的绿色技术路线,助力冶炼领域降低碳排压力及提高成本竞争力;随着燃料电池技术的改进,提高氢在交通运输领域的传统能源替代率;以及氢或氢基燃料的新型应用。这些应用随着未来各国对环境要求的提高、政府目标、能源安全、终端应用客户的需求(无碳方案重视的提高)、ESG投资、和能源的“绿色溢价”等因素都将影响各领域具体的投资和购买决策。例如,在新冠疫情背景下全球航空、游轮、集装箱运输和钢铁行业正在努力推动更为环保的市场重启。

应用成本下降助力氢能在各领域加速推广

根据2030年各领域中传统技术与氢应用成本对比预测(见图2),可以看到,以1.6-2.3美元/千克的氢能终端应用成本计算,在不考虑碳排成本的情况下,氢能仅在大型公路运输应用(不包括乘用车)方面具有竞争力。若增加各领域碳排放成本(以100美元/吨CO2计算),氢能将在大多数道路运输和工业应用中具有显著的成本优势(见图3)。

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图2 2030年传统技术与氢应用成本优势对比预测(无碳成本)

 

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图3 2030年传统技术与氢应用成本优势对比预测(碳成本:100美元/吨)

工业应用方面,氢的制、储、运成本下降对其应用竞争力的提升尤为重要。其中在炼油领域,未来十年内氢原料将逐步转向以绿氢供应;对于肥料生产,到2030年,欧洲生产的灰色氨每吨二氧化碳的成本将达50美元,届时使用可再生能源生产的绿色氨将具有非常大的成本竞争力;钢铁是最大的工业二氧化碳排放源之一,亦可能通过应用氢能成为成本最低的脱碳应用之一,到2030年,经氢冶炼的粗钢成本仅为515美元/吨,同时每吨节省碳排成本45美元。

交通运输方面,到2030年,燃料电池汽车(FCEV)可在不考虑碳排成本的情况下比多数传统运输方案有竞争优势,特别是在重型卡车和远程运输领域。在重载长距离运输中,如果加氢端价格达到4.5美元/千克(包括制氢、储运和加氢成本),FCEV方案可在2028年实现与柴油车同价。此外,燃料电池在功率和续航时间要求非常高的领域(如重型矿用卡车等)提供了一种可行的替代方案。

同样,氢能在列车、海运和航空领域也在不断发展。预计到2030年,清洁氨作为运输燃料将是集装箱运输脱碳的最具成本效益的方式,可与重质燃油(HFO)实现平价,同时每吨节省碳排成本85美元。航空领域可以通过氢和氢基燃料实现具有竞争力的脱碳。中短程飞行航线可以通过使用液氢燃料替代原有燃油,每吨节省碳排成本90-150美元。远程飞行航线可根据具体情况,使用氢合成燃料,每吨节省碳排成本可达200-250美元。

氢能在建筑和电力等其他终端应用将需要更高的碳成本才能具有成本竞争力。然而,为了永久解决全球的大规模天然气管网脱碳问题,天然气掺氢应用也将快速发展;因氢能储运的机动性,还可以建立分布式能源网络,做到区域或城市电力、热能和冷能的联合供应;同时,氢能作为一种备用电源解决方案,尤其是在数据中心等高功率场景下,也越来越受到重视。

氢能在我国未来能源体系中有丰富的应用场景

当前我国各地氢能发展方向多局限于燃料电池汽车领域,示范应用主要集中在以公交车为主要应用场景的交通领域,应用场景单一,产业同质化突出。实际上,对于燃料电池技术路线更具优势的中重型卡车的示范运营尚未真正开展,而化工、冶炼、轨道交通、航空航天、分布式发电、热电联供等其他领域仍需全面挖掘氢能价值和潜力。

石油及化工领域是我国氢能发展的催化剂,一方面是因为用氢需求大,能够以规模效益来降低氢气供应链成本,另一方面是企业相对集中,可在基础设施等方面率先行动,并带动全社会氢能发展。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。

钢铁行业碳排放占全国碳排放的18%,仅次于电力行业,是碳中和的重要责任主体,而氢冶金技术可助力钢铁行业深度脱碳。氢冶金是将氢气代替焦炭作为高炉的还原剂,以减少乃至完全避免冶炼生产中的二氧化碳排放。随着氢冶金成本的逐步下降,同时传统冶炼在碳中和背景下需叠加碳税等成本,预计到2030年氢冶金成本对比传统炼钢将拥有成本和减排优势,氢冶金总量将实现规模化增长。

目前随着国家燃料电池汽车示范城市政策的出台,未来会极大促进燃料电池汽车产业的发展,各地会加大示范运行,提升企业技术创新能力,加强基础设施建设。预计到到2030年,国内燃料电池汽车年产量达到40万辆,销售量达到38.9万辆,国内保有量达到108万辆,商用车平均成本达到50万元,乘用车平均成本达到20万元,交通领域氢气需求量达到256.9万吨左右。

根据我会预测,到2030年,我国氢气年均需求量将达到4800万吨,其中在能源方面的需求总量2000万吨,在国内能源需求体系中占比将达到2.3%。2030年,以绿氢和蓝氢为主的氢能应用将极大助力碳达峰目标的实现,在预测的氢能供应规模下,通过可再生能源电解水或配备碳捕获、利用与封存(CCUS)技术获取低碳氢替代电网电力和传统化石能源生产,将产生至少1.8亿吨/年的碳减排效应。在我国能源转型的过程中,氢能将作为重要的清洁能源和良好的能源载体,实现跨能源网络协同优化,并助力工业、能源、交通、建筑等主要终端应用领域实现低碳化转型。




责任编辑: 李颖

标签: 氢能应用 发展趋势

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