氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖譜
氫能作為二次能源,必須從一次能源轉(zhuǎn)換得到,再運(yùn)輸至用能終端,轉(zhuǎn)化為電力、熱能或機(jī)械動(dòng)力。因此,氫能主產(chǎn)業(yè)鏈可概括為“氫能制取、氫能儲運(yùn)、氫能加注、氫能源能量轉(zhuǎn)化、氫能使用”等環(huán)節(jié)。其中,上游制氫、中游儲運(yùn)氫和加氫、下游多元化應(yīng)用場景,主要分布于交通、工業(yè)、發(fā)電以及建筑領(lǐng)域。氫能源主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域和交通領(lǐng)域中,建筑、發(fā)電等領(lǐng)域仍然處于探索階段。
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氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)概況
從制氫市場規(guī)模來看,中國已成為全球最大的制氫國,總規(guī)模保持快速增長。2022年中國制氫產(chǎn)值規(guī)模達(dá)到4833億元,隨著國家對制氫產(chǎn)業(yè)的不斷支持及投入,預(yù)計(jì)到2026年我國制氫產(chǎn)值規(guī)模將達(dá)到7825億元。依托化石能源資源優(yōu)勢,西北和華北地區(qū)是制氫生產(chǎn)主要區(qū)域。其中,內(nèi)蒙和山東產(chǎn)量超過400萬噸,達(dá)到最大;新疆、陜西和山西產(chǎn)量超過300萬噸,而長三角、珠三角制氫產(chǎn)量較少。
從制氫結(jié)構(gòu)來看,我國制氫以化石原料和工業(yè)副產(chǎn)氫為主,電解水制氫規(guī)模小,可再生能源制氫將成主導(dǎo)。2022年化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、電解水制氫的產(chǎn)值規(guī)模分別為3271億元、1120億元、435億元;占比分別為68% 、23%、9%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測,中短期中國氫氣來源仍以化石能源制氫為主,以工業(yè)副產(chǎn)氫作為補(bǔ)充,可再生能源綠氫制取占比將逐年升高;到2050年,由可再生能源綠氫約占70%、化石能源制氫占20%、生物制氫等占10%。
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從制氫技術(shù)來看,質(zhì)子交換膜、電解槽等核心技術(shù)尚未突破,高速率制氫設(shè)備還在研發(fā)階段。目前國內(nèi)電解水制氫路線以堿性電解槽為主,主要是堿性電解槽技術(shù)路線成熟,成本具有顯著優(yōu)勢。PEM電解槽由于成本高,商業(yè)推廣依然需要時(shí)間,且技術(shù)優(yōu)勢不明顯。固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解,高溫環(huán)境下工作,能效最高,但尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。目前,電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板等核心組件技術(shù)國內(nèi)外差距較大,大量依賴外國進(jìn)口。其中,質(zhì)子交換膜作為PEM制氫技術(shù)的核心材料被國外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo),全球市場占有率超過90%。國內(nèi)的質(zhì)子交換膜制造企業(yè)面臨技術(shù)、市場、人才和資金的四大壁壘,目前山東東岳集團(tuán)已研制出接近杜邦Nafion性能的產(chǎn)品,陽光電源與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作推出SEP50PEM電解槽,功率為250kW,是目前國內(nèi)具備量產(chǎn)能力的PEM電解槽。
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在高壓氣態(tài)儲運(yùn)氫方面,由于成本低、使用方便、儲存條件易滿足等優(yōu)勢成為目前儲運(yùn)氫的主流方式。國內(nèi)由于高端碳纖維技術(shù)不夠成熟,無法規(guī)模化生產(chǎn)且復(fù)合材料成本較高,目前主要以35MPaIII型瓶為主,所以低成本高壓臨氫環(huán)境用新材料將是研發(fā)的重點(diǎn)。
在低溫液態(tài)儲運(yùn)氫方面,歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)液氫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟,液氫儲運(yùn)等環(huán)節(jié)已進(jìn)入規(guī)�;瘧�(yīng)用階段。我國液氫技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域,民用領(lǐng)域尚處于起步階段,氫液化系統(tǒng)的核心設(shè)備(氫透平膨脹機(jī)與低溫閥門等)仍然依賴于進(jìn)口,液氫儲罐制造技術(shù)與裝備與國外也有一定的差距。因此,如何降低液化與貯存成本是低溫液態(tài)儲氫產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。
在固態(tài)金屬氫化物儲運(yùn)氫方面,由于其安全性、穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)成為我國未來發(fā)展的重點(diǎn)。目前,國內(nèi)金屬氫化物儲氫應(yīng)用還較少,正處于研發(fā)與示范階段,提高金屬氫化物的儲氫量、降低材料成本、提高金屬氫化物的可循環(huán)性等將是未來的研究重點(diǎn)。
在管道儲運(yùn)氫方面,管道儲運(yùn)氫氣可以分為純氫管道運(yùn)輸和利用現(xiàn)有天然氣管道摻氫運(yùn)輸兩種模式。低壓純氫管道適合大規(guī)模、長距離的運(yùn)氫方式。目前,美國、歐洲已分別建成2400km、1500km的氫管道,而我國氫氣管道里程約400km,在用管道僅有百公里左右。在運(yùn)行的管道有:濟(jì)源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km、巴陵—長嶺輸氫管道全長42km、烏海—銀川焦?fàn)t煤氣輸氣管線管道全長為216.4km、金陵—揚(yáng)子氫氣管道全長超過32km。
表2:三種氫儲運(yùn)比較
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從關(guān)鍵技術(shù)來看,當(dāng)前中國氫氣儲運(yùn)仍處于發(fā)展初期,相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較國外水平落后,固態(tài)儲運(yùn)和化學(xué)液態(tài)儲運(yùn)方式發(fā)展亟需技術(shù)突破,產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間較大。
從市場競爭格局來看,國內(nèi)加氫站市場集中度較高。從加氫站擁有數(shù)量來看,以中石化、中石油、厚普股份三家企業(yè)為主,中石化已建成74座,中石油為8座,厚普股份在建加氫站78座。從加氫站設(shè)備制造商來看,國富氫能、液空厚普、舜華新能源、海德利森、上海氫楓等五大設(shè)備集成商市場占有率占達(dá)90%。其中,國富氫能市場占有率為28.4%,居全國第一。
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從分布區(qū)域來看,我國加氫站主要涉及華北、華東和華南地區(qū),呈現(xiàn)出明顯的產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)。其中,廣東依托政府的支持,加氫站布局遙遙領(lǐng)先其他省市,數(shù)量超過60座,其次為上海,建設(shè)數(shù)量44座。
在交通領(lǐng)域,以氫燃料為動(dòng)力,可以實(shí)現(xiàn)車輛使用端的零碳排放,應(yīng)用主要包括汽車、航空和海運(yùn)等,其中氫燃料電池汽車是交通領(lǐng)域的主要應(yīng)用場景。
從市場規(guī)模來看,整體保持加快增長態(tài)勢,市場空間大。2022年,我國氫燃料電池汽車產(chǎn)銷累計(jì)分別完成3626輛和3367輛,同比分別增長127.2%和88.1%。目前,國內(nèi)的氫燃料電池車輛購置成本遠(yuǎn)高于燃油車和電動(dòng)車,中短期內(nèi)需依賴國家補(bǔ)貼。但隨著技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)累積與規(guī)模擴(kuò)大,燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)成本將逐步下降,氫燃料電池汽車將保持增長態(tài)勢,預(yù)計(jì)到2025年,全國氫燃料汽車保有量約5萬輛。
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在工業(yè)領(lǐng)域,氫氣主要作為化工原料。目前全球約55%的氫需求用于氨合成、25%用于煉油廠加氫生產(chǎn)、10%用于甲醇生產(chǎn),10%用于其他行業(yè)。鋼鐵領(lǐng)域,用氫氣代替焦炭作為還原劑,大幅度降低碳排放量,促進(jìn)清潔型冶金轉(zhuǎn)型。目前全球已有少數(shù)國家發(fā)布了氫冶金技術(shù)案例,國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規(guī)劃,建設(shè)示范工程并投產(chǎn),但有關(guān)示范工程尚處于工業(yè)性試驗(yàn)階段,基礎(chǔ)設(shè)施不完善、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)空白、成本較高、安全用氫等問題依然存在。但在“雙碳”目標(biāo)的背景下,利用氫能進(jìn)行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳目標(biāo)的必行之路。
在建筑領(lǐng)域,氫氣可代替或摻入天然氣燃燒供熱,也可通過氫燃料電池實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。以北京為例,目前終端居民天然氣價(jià)格約為2.63元/標(biāo)準(zhǔn)立方米,提供1標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣等值熱量需要2.82標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣。因此當(dāng)氫氣價(jià)格低于10元/千克時(shí),燃?xì)涔岱侥芘c天然氣形成競爭力。小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)目前已在歐美、日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,而中國小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)仍處于試點(diǎn)階段,千瓦級系統(tǒng)的度電成本超過2元/千瓦時(shí),在經(jīng)濟(jì)性方面具有很大的進(jìn)步空間。在建筑領(lǐng)域,氫能不具備經(jīng)濟(jì)性,但仍是備用電源的良好選擇�?蛇x擇逐漸由氫和天然氣混合用氫逐步向純氫轉(zhuǎn)變。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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