氢能对中国能源转型和双碳目标实现的重要意义.docx
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1、氢能对中国能源转型和双碳目标实现的重要意义一、氢能对中国能源转型和双碳目标实现的重要意义1.氢能是中国未来低碳能源体系中的重要组成要素2020年9月,中国政府提出了双碳发展目标,为能源转型和应对气候变化开创了新纪元,中国的能源结构和体系继续向清洁化、低碳化、安全化深度转型。其中,可再生电力的大规模供给和消费侧全面电气化进程将加速,与此同时,重工业和船运、航空等高排放行业对化石能源存在一定的依赖,在技术可行性和成本的角度看,难以实现大规模可再生电力替代,其转型路径将依靠以氢能、生物质、合成燃料为代表的新型清洁燃料。根据课题组研究,零碳情景下,上述几种新型清洁能源在终端能源需求中的占比将达到30%
2、-35%,其中氢能约占15%-20%o这意味着中国在实现碳达峰、碳中和的进程中,各类新型清洁能源特别是氢能将发挥重要作用。SB表1零IMI下答行业时不同豌A星龄线求占比作为一种用途广泛的二次能源,氢能可以在多个生产和消费环节作为替代能源进行使用,在重工业、交通、建筑、电力行业中均有不同的应用场景(见图表2),其中最主要的用途包括燃料用氢、原料用氢以及储能用氢三类。 燃料用氢:主要场景包含重型道路交通、船运、航空、发电等领域。氢气易燃且热值高,燃烧产物仅为水,不排放二氧化碳等温室气体,与传统的化石燃料(石油、天然气、煤炭)相比,氢是终端零排放的清洁能源,可作为供热或供电的燃料。目前燃料用氢的应用
3、在全球范围内尚为有限,主要限制因素是燃氢轮机等设备设施的技术成熟度低、经济性不高,相应的基础设施和政策标准尚不完善。 原料用氢:主要场景包含钢铁、化工等领域。氢气是重要的工业气体,氢元素的强还原性被用于多种化学反应,是众多化合物的基础元素之一。化工行业需要用氢制备甲醇、合成氨等多种产品,冶铁需要利用氢气作为还原剂,多种高端材料的制造在生产流程中均需要使用氢气进行加工。 储能用氢:主要场景包含电力储能领域。作为储能的一种形式,在一定的环境条件和容器中储存液态氢或气态氢,或将氢转换为化合物(如合成氨),增强氢能用于燃料/原料的灵活性。Wl结合应用场景、技术成本和未来中国零碳转型的需求,在2060年
4、碳中和情景下,氢能将在化工、钢铁、重型交通领域将发挥关键的减碳作用,并在船运、航空、其他重工业和电力储能领域逐步拓展其应用场景(如图表3)o课题组预测,到2060年,氢能需求量较2020年将增长2-3倍,达约1-1.3亿吨/年,其中可再生氢占比约75%-80%,即0.75-1亿吨/年,即氢能供应格局将以低碳清洁的技术路径为主,仅有少量的化石燃料制氢为小规模特定场景使用。由于技术路线的差异,氢能在各个行业中能够发挥的作用以及需求增长的速度各不相同,但总体上将以技术和成本为导向,有望在2030年之前完成铺垫和布局,在2035年之后进入快速增长期。SS39WMWXt302.不同来源的氢能将在转型不同
5、阶段发挥作用氢能很难从自然界中直接大量获取,需要依靠不同的技术路径和生产工艺进行制备。目前,主要制氢路径包括煤气化、天然气重整、工业副产氢和电解水制氢四种。迄今,氢作为化工生产的原料和中间产品,通常会通过煤炭焦化气化、天然气重整以及甲烷煤炭合成气等化工生产的方式进行制取。以焦炉煤气、轻烧裂解副产氢气和氯碱化工尾气等为主的工业副产氢由于产量相对较大且相对稳定,也成为现阶段氢气的供给来源之一。相比上述两种方式,电解水制氢的原料和生产过程都以清洁能源为主,使用过程可以实现完全的零排放(在使用100%可再生电力进行电解水的情况下),为实现零碳转型,则电解水制氢应当作为需要大力发展的最重要的制氢技术路线
6、。目前,电解水制氢技术成熟度较低、产业尚未完全规模化,成本远高于其他几种氢能生产方式,还处在初级阶段。行业内通常会根据氢气的不同制取来源进行种类的划分,主要包括: 灰氢:制取自化石燃料的氢,如来源于煤炭和天然气的氢,排放相对较高,但成本更低; 蓝氢:制取自化石燃料且配备CCS装置的氢,可以实现相对低碳排放; 绿氢:通过光伏发电、风电、水电等可再生电力供能的电解槽制取的氢,可以实现零排放,但目前成本较高且尚未规模化;绿氢即可再生氢;粉氢通过核电供能的电解槽制取的氢通常可以实现近零排放,但规模化发展较依赖于核电的技术和发展。要实现碳中和的宏伟目标,需要氢能本身的大规模推广应用,并在重工业等领域充分
7、实现可再生氢对化石能源的替代。经过分析零碳图景下氢能在各行业的利用规模和能源结构,在2020-2060年间通过应用氢能有望实现超过200亿吨的累计减排量其中交通行业累计减排量最大,约为156亿吨,钢铁行业累计减排量约为47亿吨,化工行业累计减排量约为38亿吨,而可再生氢将在交通、钢铁、化工等领域成为主要的零碳原料。不仅如此,氢能产业链的建立也能充分带动经济增长和产业的发展,创造约L6万亿的市场产值和超过1万亿的基础设施投资空间(根据固定成本投资和运营费用加总计算)。KS4mo2M00(mSBM1 .“区域为主统筹发展长距离、大规模储运氢气的成本瓶颈在短期内难以得到突破,同时制氢资源分布以及用氢
8、场景技术经济性等方面存在较大差异。内蒙古、河北、河南等地陆续发布发布2021年度风光制氢一体化示范、电力源网荷储一体化和多能互补试点等项目清单,自主化探索本地制氢用氢区域化发展模式。2030年之前,氢能发展将呈现区域化为主、近距离点对点为辅的格局。(1)氢能储运成本影响初期跨区规模化联动考虑前期需求仍存在较强不确定性,长距离、大容量的管道难以规划落地,而运输距离超过500km后,其他技术路线储运成本则大多超过10元/kg。对于工业应用场景而言,考虑相关储运成本,只有制氢电价低于0元、设备成本低于4000元kW时才能具备替代可行性,对资源条件和技术水平的要求近乎苛刻。对于交通应用场景而言,考虑到
9、其成本接受程度高,资源优势地区较低的制氢成本叠加近距离储运成本,将具备一定经济性,如乌兰察布、张家口等风光资源富集地区制氢并运输到京津冀地区。图表8线或用SJNtt馀水平1N*3/5kW(7Mit)20000、(2)可再生资源条件差异推动区域发展分化三北、西南等地区可再生资源丰富,可再生氢与传统制氢路径成本差异较小,多种应用场景具备经济性。东部和中部地区资源相对匮乏,同时电力需求旺盛导致绿电溢价,海上风电成本尚处于准平价阶段,使得可再生氢成本与传统制氢路径成本差距较大,影响区域需求释放。(3)能源系统灵活性需求促进区域内部耦合现代能源系统统筹发展、可再生能源基地深度开发,进一步强化了区域氢电耦
10、合需求。从单个新能源基地看,电制氢(制电)可做为就近组织平抑功率波动的可选措施;从全网来看,电制氢(制电)也可作为大范围、长时间尺度、高比例的供电负荷平衡手段。随着技术成熟度和经济性提升,远期电制氢(制电)可代替部分煤电承担新能源电源配套调节电源,与更大范围更多电源的互补特性将发挥全网性供需平衡作用。S9MMiBff10*MMMMM4*IVM*MI4lfl2 .“大基地规模化开发从长远发展来看,氢能在生产端和应用端的技术突破和成本下降是实现大范围推广的关键,而2030年之前这一启动阶段更依赖于规模化的成本下降。考虑到中国氢能产能的分布和相关产业的布局模式,以大基地形式规模化开发应用可再生氢,不
11、仅能够充分利用地方资源、增强可再生氢能发展的保障,也能够从全价值链的角度在各个环节为氢能的发展赋能。国家发改委、能源局发布以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案,能源局印发关于开展全国主要流域可再生能源一体化规划研究工作有关事项的通知,支撑风光水火储大基地开发,也为氢能规模化发展提供方案。(1)现有产业格局为大基地开发奠定基础从现有产能分布看,当前西北、华北、东北和西南等可再生能源优势地区产能合计占比接近65%,有潜力和空间实现规模化氢源替代。新能源体系不仅会带来能源系统变局,还将重构工业体系。相关地区凭借丰富的可再生能源资源,将会成为绿色化工、氢冶金等零碳新工业的策源地。
12、通过零碳工业大基地等形式,将可再生能源、储能、氢能充分协同,将绿色能源的生产和使用有机结合,能够打造以绿色、稳定、可靠的能源系统为支撑的新型产业模式。(2) 大基地模式最大化氢能安全开发保障大基地模式有利于整体提升项目开发企业、设计机构、EPC整体系统集成商、关键产品部件供应商等对项目风险的重视程度,也有助于本地监管部门对相关安全规范进行有效探索,形成相关经验,持续有序放大示范规模。11avxasM(3)大基地为产业发展提供多价值链支撑从世界范围看,随着氢能产业成熟度的提高,氢能示范项目呈现综合性趋势,并覆盖了越来越多的价值链环节。一方面,在可再生氢的产地就地进行消纳的大基地模式有利于充分获得
13、额外的政策、融资等资源支撑,另一方面,也可建立更大范围的伙伴关系和合作网络,并依此保障氢能供给和利用渠道的畅通,为项目开发提供确定性。国际能源署(IEA)也提出氢能产业发展的多个价值链,一个价值链的发展将有利于其他价值链实现成本削减口创新。同时,在同一区域内的价值链有机会发挥彼此之间的协同作用,例如在工业集群和运输走廊上的卡车车队可以依托更大规模优势降低总体成本。图表12通过“大基地”探索氢能安全开发技术性能SB13*W*V*VM*1t.aM3.先立后破加速氢源结构低碳化随着双碳战略的提出,氢能供应链清洁化发展成为大势所趋,但氢源结构优化仍需遵循市场规律,先立后破,初期以工业副产氢为过渡、后期
14、逐渐由可再生能源制氢进行替代。氢能产业发展初期,部分工业副产氢资源富集地区,将以成本低、运输方便、稳定性等优势成为有效过渡支撑。随着技术的进步和清洁电力资源成本的下降,可再生能源制氢将在2030年之前逐步成为的最主要新增制氢路径。(1)可再生氢初期仍难以完全独立满足需求可再生能源发电的间断性和波动性是限制可再生氢能稳定持续供给的重要因素之一。原油炼化、化工、金属冶炼等应用场景为连续运转工业流程,需保证每年8000小时以上的氢能连续供应。而目前单个光伏电站运行小时数大多介于1000到2000之间,陆上风电场也仅有2000到3000多小时,且波动性较大,即便考虑风光互补,也需结合电网电力制氢才能提
15、供更高的稳定性,保障电解水制氢连续供给,否则需要大规模储电或储氢,将导致经济性大幅降低。Sl*14jdtMMB9M3nTW(2)工业副产氢可发挥重要过渡和支撑作用在多元化的供应格局中,技术路线选择取决于不同发展阶段的适用性、经济性、能源效率和环境效益。工业副产氢的数量庞大、分布广泛,在氯碱工业、乙烷裂解、丙烷脱氢等生产过程中有复产高纯度氢气,具有利用潜力,可为氢能产业发展初期提供低成本高效益的分布式氢源,尤其在化工行业基础较好的东部地区。根据氯碱产能测算,可利用副产氢气约85万吨,虽然部分氯碱企业加以回收利用,但仅利用60%左右,每年仍剩余副产氢气近30万吨。(3)技术成本下降逐步推动可再生氢
16、成主流可再生能源经过多年的发展,风光发电成本已与火电平价并持续下降。同时,电解制氢技术仍有较大的进步空间,碱性电解水成本降幅潜力预计为20%左右,质子交换膜成本降幅有望达到40%,相关制氢设备成本在技术进步和规模效应的双重作用下将加速降低,提高在不同应用场景下的经济竞争力。随着发电成本下降和技术逐步迭代,可再生能源制氢将逐步拓宽其市场应用范围,成为未来制氢体系中的主流技术路线。四.可再生氢100行业及区域发展路径考虑中国幅员辽阔,且不同行业产业以及可再生氢能资源禀赋存在区域差异,在研究2030年氢能发展总体模式的基础上,对各重点行业可再生氢消费需求以及各区域可再生氢装机需求进行具体研判,识别需
17、求特点及重点发展区域,辅助政策和产业提前进行布局。考虑到产业适用性,本研究将重点针对化工、钢铁、交通三个部门及华北、华东、华中、华南、东北、西1侨口西南7大区域3进行分析。到2030年,全国电解槽装机量达到102GW,全国可再生氢总需求达到770万吨/年。化工行业对可再生氢的需求量最大,其次是交通和钢铁行业。在可再生氢发展初期,由于行业用户端对于使用的成本和便利性敏感程度较高,且储运的成本瓶颈在短期内无法得到显著突破,因此,区域内可再生氢产销结合的经济性优势较为明显。西北、华北地区本地应用需求旺盛,成为装机规模最大的区域,其次为华东和华南。1.各行业可再生氢需求规模分析到2030年,可再生氢预
18、计将在化工、钢铁、交通等部门得到规模化示范应用。其中化工领域的氢能应用场景仍主要集中在合成氨、合成甲醇、炼厂炼化等高耗氢过程;钢铁领域主要集中在头部钢企对氢能炼钢项目的广泛布点;交通领域在重型货运、轻中型物流车、公交车、矿山机械、港口机械、清洁车等多场景均得到一定比例的应用,同时可再生氢在不同行业的应用将呈现显著的空间差异。(1)化工行业本领域聚焦与氢能供需关联最紧密的三个上游化工细分领域:石油炼化、合成氨、甲醇。目前,中国的化工行业仍然属于以化石燃料为主要能源基础和原料的高耗能高碳排放行业。石油炼化作为石油化工行业的主要生产环节,对氢气的需求量大,大型炼化厂几乎均有场内制氢设备,采取天然气重
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