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“碳中和”目标下长三角氢能产业发展路径探析

北极星氢能网 来源:现代化工  作者:朱松强 孙士恩 李想 王涛 许好好 吴舒琴 厉劲风  2021/4/26 11:30:57 我要投稿

北极星氢能网讯:我国能源供给安全、能源结构性缺陷、碳排放居高不下等问题日益凸显,而长三角作为中国经济发展的引擎动力,高质量利用和发展氢能是当前首要任务之一。重点对目前我国能源面临的问题、全球能源发展趋势及特点等进行了分析,并通过对长三角氢能产业优劣势进行比较,分析现阶段长三角氢能发展存在的问题,从完善法律法规、构建氢能资源保障体系、构建长三角氢能生态圈、氢能应用安全保障体系等方面提出建议,为进一步促进长三角氢能发展提供了一条新的思路。

中国已经是世界能源最大的生产国和消费国,同时也是世界上最大的碳排放国,随着中国经济的进一步持续发展,中国的能源发展问题将面临严峻挑战。党的十九大报告中,习近平总书记从保障国家能源安全的全局高度,提出“四个革命、一个合作”的能源安全新战略,推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。2020 年 9 月,习近平总书记在第七十五届联合国大会上表示:中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取2060 年前实现碳中和。能源高质量发展将关系到能源行业全局深刻变[1],可以预见,低碳、高效、清洁是世界能源发展的必然趋势!

长三角使用了全国17%的能源消费总量,支撑了全国超过23%的经济总量,且90%的能源都来自于外省市的支援。通过对我国能源发展问题、“碳中和”实现路径问题、国内外氢能发展现状等问题进行分析,为长三角氢能发展路径提供思路。

1. 能源高质量发展的挑战

1.1 我国能源发展面临严峻挑战 (1)供给安全问题日益突出推动我国能源高质量发展是确保能源安全的前提和基础[2]。在世界油气产业发展风险和不确定因素增多的背景下,我国能源供应安全问题日益突出。近年来,中国的石油和天然气

对外依存度一直在上升。到2019年,中国原油对外依存度和石油对外依存度均超过70%,其中原油为72.4%,石油为70.8%,同时,天然气对外依存度达到43%[3]。详见图1

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(2)现有能源体系仍存在结构性缺陷[4] 我国的资源禀赋一直是“富煤缺油少气”。根据国家统计局数据,2019 年,中国煤炭消费占能源消费总量的 57.7%;水电、核电、风电等可再生能源消耗占比 14.9%,详见表 1。从 发展趋势来看,中国能源结构呈现多元化趋势,其中低碳能源的份额逐渐增加。总体上,尽 管清洁能源消费占比持续提升,但煤炭在未来很长一段时间内仍将处于主体性地位,“碳中 和”目标的实现仍将面临巨大挑战。

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(3)能源需求和化石能源消费仍持续增长 

目前,中国仍处于工业化和城市化加速发展阶段,未来能源需求增长与其他国家和地区 相比仍然较为强劲。2019 年,中国能源消费总量达到 48.6 亿 t 标准煤,比上年增长 3.3%, 其中化石能源为 41.4 亿 t 标准煤,占比 85.1%。据估计,到 2025 年,中国能源消费需求将 为 55 亿至 56 亿 t 标准煤[5],详见图 2,其中化石能源占比将降低至 82%。未来较长时期内, 在能源结构持续转型过程中,化石能源消费总量仍呈增长态势。

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(4)生态环境压力加大,碳排放问题异常突出 

过去 10 年,全球碳排放量持续上涨,详见图 3。2019 年全球 CO2排放量达到 368 亿 t, 其中,我国 CO2排放量为 98 亿 t,约占世界总量的 28.8%,是世界上温室气体排放量最大的国 家。中国承诺在 2030 年左右达到碳排放峰值,并将非化石能源在一次能源消费中的比例提高 到 20%,还有很长的路要走。总体看,我国仍将长期面临巨大减排压力。

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1.2 全球能源结构转型加速

(1)世界能源清洁绿色转型正在加速 

近年来,全球一次能源消费稳步增长,详见图 4。2019 年,全球一次能源消费同比增长 1.3%,其中,可再生能源消费增长占比 41%。全球可再生能源装机容量达 25.37 亿 kW,在电 力总装机中占 34.7%,占电力新增装机的 72%[6]。从整体趋势看,世界能源正在朝着清洁绿色 方向转型加速,其中可再生能源占比也在稳步提升,将成为未来电力增量的主体,详见表 2。

(2)低碳转型促使全球能源体系发生根本性变化 

2020 年 9 月,BP 发布了《BP 世界能源展望》(2020)。从能源的整体发展趋势来看:第一, 油气煤在全球能源体系中的比重将下降,可再生能源比重将上升;第二,风能、太阳能主导 的可再生能源将是未来 30 年增长最快的能源;第三,到 2050 年,石油、天然气和煤炭在一 次能源中的比例将从 2018 年的 85%下降到 65%~20%,而可再生能源将增加到 20%~60%,详 见图 5。可以预见,低碳转型将导致全球能源体系发生根本性变化。

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1.3 大国担当下的“碳中和”承诺 

根据联合国环境规划署 2019 年碳排放差距报告,当前仅 G20 国家的碳排放量就占到全球 总排放量的 78%。截至 2020 年 11 月,G20 成员国中有 9 个国家已出台时间表来承诺实现净 零排放目标:中国、加拿大、法国、德国、日本、韩国、南非、英国和欧盟。习近平总书记 在第七十五届联合国大会上向全球首次明确中国实现碳中和的时间点,是向世界传递中国未 来绿色发展的决心和毅力。 

2. 氢能——推动能源高质量发展的必然选择 

2.1 氢能是“碳中和”目标下的解决方案 

(1)氢能有望成为下一个“主体能源”

 2015 年国际能源署(IEA) 根据能源的应用形式将能源分为热、电和交通工具燃料三类。 对于目前能够规模化应用的能源而言,只有石油是能够同时用作热、电和交通工具燃料这三 类的能源。氢是宇宙中最为丰富的元素,能量密度高,可储存,无碳。国际能源署(IEA)认 为,未来的能源中,氢气将和石油一样,是能够同时用作热、电和交通工具燃料的能源。因 此,在“碳中和”发展目标框架下,氢能有望成为下一个“主体能源”[7]。 

(2)氢能是实现“碳中和”发展目标的最优解 

要实现“碳中和”的目标,就必须在能源结构上进行调整,增加清洁能源比重。而氢能 是 100%的清洁能源,是实现“碳中和”目标的重要途径,具有以下不可比拟的优势:一是零 碳排放,其能量转化后的最终产物只有水;二是可以实现能源互补,可以作为电、热、气转 换的媒介,是在可预见的未来实现跨能源网络协同优化的有效途径[8];三是应用场景广泛,可应用于交通、工业、民生、发电等众多领域;四是储能优势明显,其具有储能密度高、周 期长、环保无污染、电能质量高等特点。 

(3)蓝氢是同时实现煤炭高效转化与碳捕集的有效途径 

世界能源理事会把伴有大量二氧化碳排放制得的氢称为“灰氢”;把将二氧化碳通过捕 集、埋存、利用,避免了大量排放制得的氢称为“蓝氢”;把以可再生能源发电获得的清洁 电力进行电解,全程没有碳排放制得的氢称为“绿氢”。 绿氢是氢能利用的理想形态,但现在距离真正绿氢的实现仍有较远距离,目前的主流制 氢手段是化石燃料制氢,得到的是“灰氢”。从长远看,灰氢不可取,未来的氢能制取将以 蓝氢为过渡措施,同时,积极向绿氢发展。结合 CCUS 技术的制氢,化石燃料的 CO2排放量能 降低 90%。

 2.2 当前国外氢能发展的现状及趋势 

(1)全球氢能发展趋势 随着全球能源消费结构向低碳转型的加速,氢能作为一种清洁的二次能源再次受到各方 关注。日本、美国、欧盟、韩国等国家和地区逐步明确了氢能在国家能源体系中的战略地位, 制定了与氢能相关的多元化政策,并结合自身的资源禀赋和产业技术现状,引导其氢能产业 健康发展[9],详见图 6。

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(2)欧美日等国氢能发展路径 

如表 3 所示,美国采用融合氢能模式,提出大规模融合氢能的能源系统概念,推动氢能 的大规模生产和应用。美国更注重氢能产业技术优势的确立和前瞻性技术的控制,注重氢能 整个产业链的发展,并积极推动商业应用。

日本选择的是自下而上的氢能发展模式,是目前全球氢能发展的积极推动者。其希望在 前期普及氢能和燃料电池的下游应用,不断扩大下游市场规模,大力推进家用燃料电池热电 联产、燃料电池商业化等氢能项目,并致力于建设氢能社会,实现能源供应多元化,提高能 源自给率[10]。 

德国选择自上而下的氢能发展模式,重点发展电转气(P2G)模式,大力发展可再生能源电 解水制氢,尽快为下游氢能应用提供便利基础设施,进而激活下游应用场景。

 欧盟建立一体化能源系统模式,结合风能、太阳能生产可再生氢能,实现能源密集产业 规模化应用。欧盟将氢能作为能源转型和低碳发展的重要保障,并将绿色氢作为未来发展的 重点。欧盟计划建立一个一体化综合能源系统,让氢支持整个欧洲的工业、交通、发电和建 筑的脱碳,将氢能的潜力转化为现实。

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3. 长三角氢能发展的优劣势分析 

3.1 优势明显 

(1)长三角政策环境优越 持续加快推进氢能发展是推动长三角地区能源供给侧结构性改革的重大战略举措,也是落 实推进长三角区域一体化战略、打造世界级先进制造集群的重要突破口。长三角地区对推动 氢能发展已达成基本共识,纷纷出台了相关政策规划,如表 4 所示。

表 4 长三角氢能相关政策及规划

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(2)长三角工业副产氢富裕,先发优势明显 

氢能发展初期最可靠、最经济的来源就是工业副产氢,而长三角区域拥有大量的氯碱、 乙烷裂解、丙烯脱氢(PHD)等工业副产氢资源,可利用的工业副产氢产能在 33 万 t 以上, 可供 150 万辆以上燃料电池乘用车使用。 

(3)长三角有良好的氢能制造业基础 

长三角区域氢能产业技术实力雄厚,聚集了大量氢能产业优势企业,如上游制氢的上海 启元空分、淳华氢能、苏州竞立等企业;中游储运的上海浦江特种气体、液化空气(上海)、 林德气体(上海)、富瑞特种装备、浙江巨化等;下游应用的上海重塑能源、上燃动力、明天 氢能、宁波索福人等。特别是氢燃料电池技术产业链齐全,居国内领先地位。 

(4)长三角科技研发能力强 

长三角区域拥有一批国内顶尖的科研院所,同时,许多实力企业拥有自己的科研机构, 研发实力强劲,如浙大、同济大学、东南大学、杭氧、舜华、爱德曼等高校和企业,共同为 长三角区域氢能产业发展奠定科研创新基础,日益缩小在氢能高端装备制造和燃料电池基础 研究领域与欧美日差距。 

3.2 存在的瓶颈 

(1)发展目标不明确,政策落地难 

2019 年 5 月,中国汽车工程学会发布《长三角氢能走廊建设发展规划》,加快长三角氢 能产业一体化进程。但目前上游、中游、下游仍缺乏统一规划和具体目标,各城市乃至各单 位间存在缺乏协作、单打独斗等问题,尚未有效达成站车协调、互通联动、互利共赢的局面。 同时,还存在以下问题:①基础设施不足,不同地区间加氢站缺乏协作;②操作过程中仍把 氢作为危化品,政策落地难;③氢能汽车规模小、运营范围小,运营成本高;④合作模式相 对比较单一,主要集中在氢基础设施与氢燃料电池汽车。

(2)长三角发展绿氢资源少,制氢成本高

近期来看,工业副产氢气将是长三角氢能的主要来源。中长期来看,由于产业结构调整 和节能减排压力的双重作用,长三角化学工业的发展将进一步受到限制,电解制氢等新的制 氢路线将成为一个重要的发展方向。同时,主要依靠可再生能源水解制氢的绿氢也是实现“碳 中和”发展目标的最佳方式。但长三角地区的可再生能源并不丰富,基本上不存在“三弃” 问题,且电解水制氢成本高昂,详见图 7。

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(3)商业化推广模式尚未建立 

氢能发展还存在的一个问题就是商业化推广模式尚未建立。仍需加强氢能在各个领域的 规模化应用,开展重点地区的商业化示范运营,拉伸整个产业链的支撑能力,提高整个产业 的成熟度,实现商业化运营.

4. 长三角氢能发展建议 

(1)明确氢能发展目标,完善政策标准法规体系

长三角氢能生态圈的建设,需要逐步推进以下几点:①明确氢能发展目标,完善政策标 准法规体系;②在保障安全的前提下,放开制氢场所限;③明确加氢站主管部门,加强规划 管理;④制定可落地的加氢站补贴政策;⑤因地制宜给予电解水制氢电价优惠政策;⑥积极 推动长三角氢能团体标准建设,为促进行业、国家标准的建立打好“前哨战”。 

(2)统筹构建氢能资源保障体系 

未来的氢源将主要表现为大规模集中供氢和小规模分散式供氢,而现阶段仍处于小规模 分散式供氢,氢源比较分散。为合理利用长三角区域丰富的氢资源,需完善顶层设计和跨省 联动,在发展初期充分利用长三角灰氢资源,同时发展蓝氢,突破 CCUS 技术并大幅降低 CCUS 成本;并布局绿氢降低可再生能源电解水成本。根据各地的资源优势以及氢能市场情况合理 布局和使用氢资源,缩短氢源补给距离,防止各地盲目开展重复建设,并进一步优化氢源产 业布局。 

(3)长三角氢能一体化生态圈建设 

为应对不同市场和地区需求,降低氢气销售价格,实现区域协同发展,长三角一体化供 氢、储运系统建设必不可少,力争形成与现有汽柴油供应“无差异”的加氢网络,形成短距离高压气态氢储运、长距离低温液氢储运为主的运输方式。同时,开展天然气管道掺氢关键 技术研究,探索管道运输可行性。 

(4)氢能应用安全保障体系 

氢气在制备、储存、运输、充装和使用过程中的安全性非常重要,一旦发生灾难性事故, 就可能会损害公众对氢能和燃料电池的看法。在氢能产业的全产业链发展中,安全必然是首 位。具体措施建议如下:①加强氢的制、储、运各环节安全技术研究,确保技术装备安全可 靠;②加强行业监管,完善氢能应用的安全标准体系和安全管理规范;③建立长三角地区各 城市认可的氢能产业质量和产品检测平台。 

参考文献

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[5] 谢和平,吴立新,等.2025 年中国能源消费及煤炭需求预测[J].煤炭学报, 2019,07 :1949-1960. 

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