渡向綠色能源時代的楫—綠氫的市場布局和發(fā)展思考
“人類有識之士在上世紀就提出氫能利用和氫能時代的大目標,然而研發(fā)道路上種種困難,始終使人們感到氫能的利用若隱若現(xiàn),氫能時代如同一幅美麗的海市蜃樓離我們還很遙遠!”是的,很多人看氫都是霧里看花,而他當時就到具體的企業(yè)去調研,看到“氫能利用的成本中,有90%來自于氫的壓縮、儲存和運輸”,看到科學家探索氫能應用的實踐。
—2015年徐錠明《中國有可能率先跨入氫能時代》
一、渡向綠色能源時代的楫
身處巨變時代洪流中,有人致力于探索虛擬現(xiàn)實,相信未來隱藏在《頭號玩家》中,虛擬和現(xiàn)實世界將會實現(xiàn)融合發(fā)展;有人致力于智能數(shù)字化的技術變革,互聯(lián)網模型的快速更新迭代,不斷探索精彩的網絡世界;有人致力于太空探索,航天飛機、長征火箭的升空,載著人們的想象走向星際時代。
環(huán)境意識和環(huán)境質量,是衡量一個國家和民族文明程度的重要標志;工業(yè)革命和環(huán)境資源,成為一個國家和民族偉大復興的根本基石。當我們從仰望星空回到現(xiàn)實世界,不管是怎么樣的未來,離不開的還是這顆藍色星球的資源和環(huán)境。然而隨著人類社會的迅猛發(fā)展,世界正走向一條不可持續(xù)發(fā)展的道路之上,中國亦是如此。在這個過程中,加速化石能源替代過程,推廣使用清潔能源,構建新型國家能源體系,是值得長期關注和堅持的未來。
氫能在能源體系中并不是一個新東西,從1785年英國化學家、物理學家亨利·卡文迪許發(fā)現(xiàn)了氫之后,人類以各種方式用氫已經過去了100多年,也爭論了50多年。隨著氣候變化問題的日益嚴重,全球正加速推進能源轉型和尋找永續(xù)能源。綠氫作為清潔、高效的能源載體,在全球新能源轉型中的地位日益凸顯。
全球綠氫產業(yè)正處于飛速發(fā)展之中,各國政府、企業(yè)紛紛提出了一系列發(fā)展目標和戰(zhàn)略規(guī)劃,以推動綠氫產業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。隨著技術進步、成本降低和政策支持,綠氫產業(yè)有望將在能源領域、工業(yè)生產和交通運輸?shù)榷鄠€領域發(fā)揮重要作用,為全球實現(xiàn)碳中和提供強有力的支持。
1、綠氫時代:篳路藍縷,繁花方興未艾
全球綠氫產業(yè)蓬勃發(fā)展,基于國際能源署IEA全球氫能項目統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫分析,全球規(guī)劃2024/25年投產且當前已進入最終投資決策/建設階段的綠氫項目總規(guī)模達到295萬噸,主要分布于亞洲和中東(53%)、北美(29%)、歐洲(16%),具體來看:
中國方向,發(fā)改委、能源局于《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》中提出到2025年可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年的產業(yè)目標,結合項目規(guī)劃,預計2024-2025年國內電解水制氫產能建設將繼續(xù)加速。其中, 2023年已招標的項目如吉電股份吉林大安18萬噸風光制綠氫合成氨一體化項目、中能建松原綠色氫氨醇一體化項目一期年產4.5萬噸綠氫/20萬噸綠氨/2萬噸綠色甲醇、中石化鄂爾多斯2萬噸風光融合綠氫化工示范項目有望于2024年推進建設和落成。
中東方向,已進入最終投資決策階段的兩個項目系沙特NEOM Green Hydrogen Project 和阿曼Green Hydrogen and Chemicals SPC,phase I(former ACME-Scatec Oman),均為綠電制氫轉氨項目,對應制氫規(guī)模為33.9萬噸/年、5.54萬噸/年,項目單體規(guī)模全球領先。其中,由ACWA Power 和Air Products合資的沙特NEOM項目計劃于2026年底投入生產,屆時將實現(xiàn)600噸/天制氫能力,將項目生產的綠氨銷往全球各地用于工業(yè)和交通領域脫碳;ACME/Scatec合資的阿曼Duqumu特許經濟區(qū)制氨項目已落實,首期全部氨產出(2027年實現(xiàn)10萬噸/年產能,遠期潛力為120萬噸/年制氨能力)用于綠色尿素生產以及向全球船運、電力、鋼鐵行業(yè)脫碳提供綠氨產品。
歐洲方向,根據(jù)統(tǒng)計有66個(合計 45.9萬噸)綠氫項目將會于2024/2025年投產。歐洲是全球綠氫投資的領跑者,已公布的規(guī)劃項目數(shù)超過400個,總裝機近150GW。歐洲擁有較強的技術基礎和產業(yè)優(yōu)勢,也制定了相應的政策措施和行動計劃,以支持綠氫的研發(fā)、生產、儲運、應用和市場化,旨在實現(xiàn)能源轉型,提高能源安全和競爭力,促進經濟增長和就業(yè)創(chuàng)造。
展望中長期,2023年全球已投產氫項目總產能為1530萬噸/年,2030年預計產能將提升至3700萬噸/年,增長136%。從項目區(qū)域分布看,2030年歐洲規(guī)劃低排放氫項目產能最大,預計歐洲總量將達1200萬噸/年,澳洲與新西蘭計劃產能幾乎均為電解水項目,而美國則以結合碳捕捉技術的化石燃料制藍氫為主。
2、綠氫時代:技術與設備產能的相輔相成
電解技術持續(xù)創(chuàng)新,不同路線邊界趨向模糊,未來技術路線取決于電解設備的成本與場景適配兩個主要因素。
氫氣是通過電解水來制備,該技術是利用水在電場作用下分解為氧氣和氫氣的原理,將電能轉化為化學能。目前綠氫制備主要有四種技術:水電解技術(AWE,Alkaline Water Electrolysis)、質子交換膜電解槽(PEM,Proton Exchange Membrane Electrolysis)、固體氧化物電解槽(SOE,Solid Oxide Electrolysis)、陰離子交換膜電解槽(AEM,Anion Exchange Membrane Electrolysis)。相比其他電解技術,水電解技術(AWE)的成本較低,而且非常適合長期穩(wěn)定運行的項目。
得益于全球更大規(guī)模的綠氫項目,電解槽裝機規(guī)模迎來前所未有的增長。根據(jù)國際能源署的凈零排放情景、已公布的綠氫項目裝機總量以及各國政府設定目標,項目總體需要的電解槽裝機規(guī)模約為1400GW。然而,目前在運行的項目電解槽容量尚不足1GW,與發(fā)展目標尚存在較大差距。
3、綠氫時代:困難重重,卻勢在必行
全球綠氫需求中心目前尚無法實現(xiàn)自給自足,因此運輸成為解鎖全球綠氫經濟的關鍵環(huán)節(jié)。盡管綠氫運輸困難且成本高昂,但隨著技術的突破相信綠氫必將扮演更加重要的角色。目前氫氣運輸主要有現(xiàn)場生產、區(qū)域供應鏈和全球供應鏈三種不同的氫氣供應鏈模式,各具特點和優(yōu)勢。
現(xiàn)場生產模式主要適用于小規(guī)模項目,主要集中在產業(yè)或交通領域。由于現(xiàn)場生產,運輸成本較低。項目規(guī)模通常在10-100 MW,每年可生產數(shù)百噸氫氣。該模式的主要應用場景為區(qū)域清潔氫氣中心或氫氣谷,不僅能成為區(qū)域能源核心,同時可驅動各地從清潔能源投資、高薪工作和改善能源安全中受益,刺激綠氫的商業(yè)需求,并為氫燃料創(chuàng)造可持續(xù)的市場。
區(qū)域供應鏈模式主要適用于中等規(guī)模的項目,多個氫氣谷鏈接共享或建設區(qū)域管道網絡。項目規(guī)模通常在100 MW - 2 GW,每年可生產數(shù)萬噸氫氣。該模式主要應用場景為連接多個氫谷并建立區(qū)域管道網絡,形成鏈接共享的區(qū)域能源核心。
全球供應鏈模式主要適用于大規(guī)模項目,項目規(guī)模通常在千兆瓦,每年可生產數(shù)十萬噸氫氣。該模式應用場景建設能源氫氣倉,為氫氣谷或氫氣能源中 心輸送源源不斷的氫氣,同時可作為可再生能源的儲能介質。
在大規(guī)模、長距離的氫氣運輸中,技術選項包括管道和靈活載體,具有不同的運營和成本特點。為了促進氫能產業(yè)的發(fā)展,需要通過優(yōu)化并進行技術創(chuàng)新,降低氫氣運輸?shù)碾y度和成本。此外,政策支持和國際合作也將在推動氫氣產業(yè)發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用,例如制定有利于氫氣運輸和應用的政策、鼓勵跨國合作以及推動全球氫氣市場的整合和發(fā)展。
政策賦予氫能產業(yè)新起點,成本是綠氫產業(yè)的核心驅動因素。目前氫能產業(yè)的發(fā)展邏輯尚未完全明確,政策對于綠氫的定義將會直接影響綠氫技術路線的發(fā)展和綠氫市場應用規(guī)模。雖然市場上出現(xiàn)了相對成熟的大型電解設備產品,項目也在持續(xù)推動中,但由于成本偏高、商業(yè)化應用難,整體市場規(guī)模仍然較為有限。
4、綠氫時代:工業(yè)先導,航運和航空燃料不分伯仲
液氫作為氫能利用的中間儲運環(huán)節(jié)解決方案,以能源介質使用是其首要的應用場景。
綠氫在能源儲存領城,可作為儲能介質,解決可再生能源的問歇性和波動性問題,提高電網的穩(wěn)定性和靈活性,促進能源結構的優(yōu)化。綠氫可為氫燃料電池車供應氫氣,適用于行駛里程長和比儲氫重量要求高的重型卡車、大巴 車、無人飛行器、火車等應用場合。
綠氫在工業(yè)領域如鋼鐵生產,可以作為合成氨、甲醇、甲烷等燃料或原材料的氣源,替代傳統(tǒng)工藝中的灰氣,降低工業(yè)過程巾的碳足跡,提高產品的附加值。綠氫在建筑領域,可以作為供暖、制冷、熱水等的能源,替代天然氣或電力,降低建筑物的能耗和碳排放,提高建筑物的舒適度和節(jié)能性。
綠氫可為半導體、電真空材料、電子元器件、硅晶片、光導纖維等工業(yè)企業(yè)生產提供超純氫氣作為保護氣,替代目前的高壓氫氣供氫方式,可確保氫氣純度要求,同時可減少供氫系統(tǒng)切換次數(shù),保障氫氣供應量。
綠氫在航運和航空領域逐漸受到關注,特別是氫基合成燃料。氫基合成染料是利用捕獲的二氧化碳或一氧化碳與低碳氫氣生產的合成燃料。此種合成染料可以幫助減少交通運輸?shù)臏厥覛怏w排放,而交通運輸是全球碳排放的重要來源之一。
綠氫是是未來零碳能源主要組成部分,作為能源互聯(lián)媒介和儲能媒介,為構建現(xiàn)代能源互聯(lián)網,發(fā)揮重要的作用。未來綠氫將會逐步構建氫能生態(tài),數(shù)字能源技術是解決中國經濟諸多問題的必由之路,改變生產關系,塑造新生產力,改變社會結構,打造數(shù)字經濟,而數(shù)字能源是數(shù)字經濟的基礎。能源數(shù)字化將全面優(yōu)化資源體系、提高整體效率、創(chuàng)新商業(yè)模式、重構能源市場,實現(xiàn)價值最大化,助推新時代的數(shù)字經濟,為新智慧經濟奠定基礎。
二、越不可越之山,則登其巔
縱觀社會文明發(fā)展史,文明的每次進步,都伴隨著能源的改進更替,人類文明得益于能源環(huán)境,又受制于能源環(huán)境,氣候變化、能源戰(zhàn)爭、地質災害、城市發(fā)展使得千百年來的化石能源成為文明進化的火種也成為可持續(xù)發(fā)展的掣肘。近百年來,人類致力于擺脫碳基能源與有限資源的約束,尋求清潔可持續(xù)能源的解決方案。
能源的發(fā)展與轉換過程中,人經歷了從無意識到有意識、被動到主動的思考過程,我們可以清晰地看到,能源正沿著高碳到低碳、低效到高效、污染到清潔的軌跡轉變,一步一步向前發(fā)展。當今世界氫能的利用和發(fā)展,充分展示科學視野無盡的前沿,人的認知在逐步進化。
綠氫商業(yè)化應用目前最大的阻力來源于政策、標準、技術的前瞻性,氫能是否作為能源體系的核心底層猶未可知。氫能的發(fā)展路徑取決于一系列的選擇,供應技術、政府傾向、生產技術、消納路徑、能源貿易路線等都存在很大不確定性。因此,制定前瞻性的國家和區(qū)域戰(zhàn)略以提高氫能發(fā)展前景的可信度,建立穩(wěn)定的共享清潔氫認證程序,保持氫能發(fā)展的長期韌性。
氫能帝國的構建必然是可再生能源必定要替代化石能源,在可再生能源主導下,能源走向分布式和微電網模式。分布式能源并不是孤立的能源,而是要通過能源與信息等領域新技術深度融合,統(tǒng)籌能源與通信、交通等基礎設施,建設協(xié)調發(fā)展、集成互補的能源互聯(lián)網,使得智能化能源系統(tǒng)可以滿足多元化 需求,提高供需之間的交互響應能力。
“科學無盡的前沿,視野無盡的擴展,人類的進化,認識無盡的未來與氫能的明天,我們不要說不可能,昨天的不可思議,今天的理所當然;今天的不可思議,明天的理所當然。”未來真正改變世界的不是某項技術,而是擁抱氫能時代的人,可以預見的是,我們最終會到達那個理想中的氫能帝國。