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隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，尋找一種清潔、高效、可持續(xù)的能源形式變得越來越重要。
氫能作為一種新型的能源形式，因其具有高能量密度、零排放、易于儲存和使用等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。本文將從多個角度分析氫能在多元場景中的應(yīng)用。
一、氫能在化工領(lǐng)域的應(yīng)用展望
石油化工領(lǐng)域，氫氣是合成氮、合成甲醇、石油精煉和煤化工行業(yè)中的重要原料，是我國氫能應(yīng)用的重要方向，一方面石油化工行業(yè)氫氣需求巨大，能夠以規(guī)模效益來降低氫氣供應(yīng)鏈成本，另一方面氫氣可作為燃料和化工原料幫助工業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳。
中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2019年合成氨、甲醇、石油煉化與化工、農(nóng)化等其他領(lǐng)域所需氫氣分別占比32%、27%、25%和16%。
目前，化工行業(yè)用氫主要依賴化石能源、工業(yè)副產(chǎn)物制取，未來通過低碳綠氫替代應(yīng)用潛力巨大。
圖表：2019年化工行業(yè)氫能消費(fèi)領(lǐng)域分布
資料來源：中國氫能聯(lián)盟
目前，中國的化工行業(yè)仍然屬于化石燃料為主的高耗能高碳排放行業(yè)。
石油煉化與化工對氫氣的需求量巨大，大型煉化廠幾乎都在廠區(qū)建設(shè)了制氫設(shè)備，采取天然氣重整或煤氣化制氫；合成氨、甲醇的生產(chǎn)在中國則以煤化工為主要路徑，工廠大多采用煤氣化制氫的傳統(tǒng)方式獲取氫氣。
未來，隨著工業(yè)脫碳要求的提高，配備CCUS技術(shù)生產(chǎn)的藍(lán)氫將作為向綠氫過渡階段的主要?dú)湓矗罄m(xù)隨著可再生能源制氫成本的下降，傳統(tǒng)煉化、化工生產(chǎn)用氫氣將逐步替代為綠氫，實(shí)現(xiàn)化工領(lǐng)域的深度脫碳。
隨著可再生能源發(fā)電價(jià)格持續(xù)下降，到2030年國內(nèi)部分地區(qū)有望實(shí)現(xiàn)綠氫平價(jià)，綠氫將進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，逐漸成為化工生產(chǎn)常規(guī)原料；同時，在政策引導(dǎo)下，灰氫、藍(lán)氫的碳排放成本不斷提升，可再生能源生產(chǎn)綠氫的成本優(yōu)勢也將不斷凸顯。
二、氫能在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用展望
2021年，我國粗鋼產(chǎn)量10.33億噸，碳排放總量超過18億噸，占工業(yè)碳排放的20%、全國碳排放總量的15%，是制造業(yè)31個門類中碳排放量最大的行業(yè)。
2022年2月，工信部、國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出將制定氫冶金行動方案，加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。
從長期發(fā)展趨勢來看，利用可再生氫的低碳冶煉技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)完全脫碳最關(guān)鍵、最具前景的解決方案之一。
氫冶金技術(shù)利用氫作為還原劑代替碳還原，是減少長流程煉鋼CO2排放，助力鋼鐵行業(yè)從“炭冶金”走向“氫冶金”，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。
圖表：氫冶金技術(shù)分類及優(yōu)缺點(diǎn)
資料來源:根據(jù)公開資料整理
根據(jù)《碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究》分析，根據(jù)氫冶金成本變化、技術(shù)成熟度及氫資源可用性等因素影響，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73億-2.02億二氧化碳減排任務(wù)由氫冶金完成。
預(yù)計(jì)到2050年氫冶金鋼產(chǎn)量為0.96億-1.12億噸，占全國鋼鐵行業(yè)年生產(chǎn)總量的14%-16%，基于氫冶金的氫氣需求約為852萬-980萬噸。
三、氫能在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用展望
在新能源體系下，氫能被視為與電能互補(bǔ)的優(yōu)質(zhì)二次能源。通過“可再生能源（風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿龋┌l(fā)電→多余電量電解水制氫→氫氣多種介質(zhì)形態(tài)儲運(yùn)→氫能發(fā)電”完整的能源轉(zhuǎn)換鏈條，氫作為能量儲存的載體，是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲及運(yùn)輸?shù)淖罴逊桨浮?/span>
根據(jù)《電力行業(yè)碳達(dá)峰碳中和發(fā)展路徑研究》顯示，2019年我國電力占終端能源消費(fèi)比重為26%，據(jù)國網(wǎng)能源研究院預(yù)測，2050年電力在終端能源消費(fèi)比重將達(dá)到50%，同時2050年我國能源清潔化率（非化石能源占一次能源的比重）也將達(dá)到50%，可再生能源發(fā)電的長期空間巨大。
平價(jià)后行業(yè)發(fā)展將由政策驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橄{驅(qū)動，電網(wǎng)消納能力將成為制約行業(yè)發(fā)展的首要因素，同時可再生能源發(fā)電存在波動性，也導(dǎo)致可再生能源得不到充分利用。可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的波動性和消納問題需依靠儲能來解決。
隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)峰儲能方式將遭遇天花板，儲能需求將應(yīng)運(yùn)提高，到2030年可再生能源功率調(diào)節(jié)缺口將達(dá)到1200GW，到2050年將擴(kuò)大至2600GW。
國家能源局、科學(xué)技術(shù)部《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出“推動氫能與可再生能源融合發(fā)展”，與其他新型儲能技術(shù)相比，氫能與電能同屬二次能源，更容易耦合電能、熱能、燃料等多種能源并與電能一起建立互聯(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)。更為重要的是，氫能可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)生產(chǎn)和大規(guī)模儲存，這將顯著增加電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性。
電氫耦合能源網(wǎng)絡(luò)將成為構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的重要途徑。電氫能源體系將為開發(fā)我國豐富的可再生能源提供可靠的載體并培育適合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，氫能有望成為我國重要的出口能源重構(gòu)世界能源格局。
四、氫能在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用展望
純氫氣、氫氣與天然氣的混合可以為燃?xì)廨啓C(jī)提供動力，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電行業(yè)的脫碳，氫能發(fā)電主要有兩類應(yīng)用方向，分別為大型固定式氫燃料電池發(fā)電站、分布式氫能發(fā)電。
-大型固定式氫燃料電池發(fā)電站：通過磷酸燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電解水的逆反應(yīng)發(fā)電，美國、韓國、日本等國正大力推進(jìn)固定式燃料電池發(fā)電站項(xiàng)目建設(shè)，目前韓國六家發(fā)電公司已部署了超過300兆瓦的燃料電池發(fā)電項(xiàng)目。
-分布式氫能發(fā)電：主要可應(yīng)用于固定或移動式電站、氫能充電站、備用峰值電站、備用電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)等發(fā)電設(shè)備。2021年天能電池推出的“天安”系列甲醇燃料電池發(fā)電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)>95%甲醇水催化轉(zhuǎn)換效率，氫氣純度99.99%，一氧化碳含量低于2ppm，可以作為備用、應(yīng)急電源應(yīng)用于國內(nèi)外通信基站、邊防哨所、海島燈塔、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院工廠等場所。
這兩種氫能發(fā)電均存在成本較高的問題。目前，燃料電池發(fā)電成本大約在2.5-3元/度，而中國傳統(tǒng)發(fā)電方式的電價(jià)都在1元/度以下，例如，風(fēng)電發(fā)電成本約為0.5元/度，太陽能發(fā)電成本最低約0.25元/度，而火電發(fā)電成本大約在0.25元-0.5元/度，核電發(fā)電成本大約在0.5元/度。
五、氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用展望
交通作為引領(lǐng)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要領(lǐng)域，正在成為各國布局氫能應(yīng)用率先啟動的場景，以氫能車輛落地最為迅速，在軌道交通、船舶、航空等交通細(xì)分領(lǐng)域也在不斷拓展。
1、氫能在汽車領(lǐng)域應(yīng)用展望
我國氫燃料電池汽車的發(fā)展采取先商用車后乘用車路線，發(fā)改委《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》中提出，到2025年，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛。
氫燃料電池汽車主要以客車、重型卡車和牽引車、城市物流車為切入領(lǐng)域，重點(diǎn)在可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫豐富的區(qū)域推廣應(yīng)用。相對于發(fā)展趨于成熟的純電動汽車，氫燃料電池汽車適合固定路線、中長途干線(400-800公里左右)、高載重場景。
中國提出于2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，力爭于2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。“3060”目標(biāo)的提出推動了以氫能及氫燃料電池為代表的新能源技術(shù)的應(yīng)用，交通領(lǐng)域的碳減排也成為大勢所趨。商用車碳排放占據(jù)全部車輛碳排放的比例接近77%，其中中重型貨車碳排放占比達(dá)61%，是未來新能源替代的關(guān)鍵車型。
2022年我國商用車保有量為3328.6萬輛，其中重卡保有量約800萬輛。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2022年我國重卡累計(jì)銷售量為67.19萬輛，同比大幅下滑51.8%；氫燃料重卡銷售量為2382輛，同比上漲215%，但滲透率僅為0.35%。
重卡更新迭代周期平均為7-8年，迭加“雙碳”與氫能源產(chǎn)業(yè)政策、氫燃料電池技術(shù)成熟與成本、加氫站配套建設(shè)速度等因素，綜合預(yù)測，2030年氫燃料電池重卡銷售可達(dá)6萬輛，滲透率超過5%。
2、氫能在海運(yùn)船舶領(lǐng)域應(yīng)用展望
隨著航運(yùn)業(yè)迅速發(fā)展，柴油機(jī)動力船舶引發(fā)的環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。2020年我國航運(yùn)業(yè)的二氧化碳排放量占交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放量的12.6%。氫能作為清潔能源有望在航運(yùn)領(lǐng)域減碳中發(fā)揮積極作用。
氫及氨基燃料是航運(yùn)領(lǐng)域碳減排方案之一。通過氫燃料電池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)河和沿海船運(yùn)電氣化，通過生物燃料或零碳?xì)錃夂铣砂钡刃滦腿剂峡蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船運(yùn)脫碳。我國部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)啟動了氫動力船舶研制。
現(xiàn)階段，氫動力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場景，作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。預(yù)計(jì)到2030年我國將構(gòu)建氫動力船設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、測試、功能驗(yàn)證、性能評估體系，建立配套的氫氣“制儲運(yùn)”基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)大內(nèi)河/湖泊等場景的氫動力船舶示范應(yīng)用規(guī)模，完善水路交通相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施；到2060年完成我國水路交通運(yùn)輸裝備領(lǐng)域碳中和目標(biāo)，在國際航線上開展氫動力船舶應(yīng)用示范，提升我國氫動力船舶產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。
圖表:我國氫能動力船舶發(fā)展路線圖
資料來源:根據(jù)公開資料整理
在全球船舶領(lǐng)域，2021年10月28日，國際可再生能源署(IRENA)發(fā)布報(bào)告稱，氨在海運(yùn)領(lǐng)域?qū)⒊蔀榍鍧嵢剂系闹髁姡餐示揞^雅苒國際出資建造的全球第一艘用氨能驅(qū)動的貨船雅苒·伯克蘭號，已于2021年11月22日下水首航。
圖表：航運(yùn)燃料中不同能源使用量占比預(yù)測
資料來源:英國勞氏船級社
3、氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用展望
隨著能源加速向低碳化、無碳化演變，航空業(yè)也面臨能源體系變革帶來的新挑戰(zhàn)。
氫能源為低碳化航空提供了可能，氫能可以減少航空業(yè)對原油的依賴，減少溫室及有害氣體的排放。相比于化石能源，燃料電池可減少75%-90%的碳排放，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中直接燃燒氫氣可減少50%-75%的碳排放，合成燃料可減少30%-60%的碳排放。
氫動力飛機(jī)可能成為中短距離航空飛行的減碳方案，但在長距離航空領(lǐng)域，仍須依賴航空燃油。預(yù)計(jì)2060年氫氣能提供5%左右航空領(lǐng)域能源需求。
氫能為航空業(yè)提供了可能的減碳方案，美國、英國、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛出臺涉及氫能航空發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃。
從發(fā)達(dá)國家發(fā)布的規(guī)劃可以看出，氫能航空的發(fā)展是一個異常漫長的過程。從現(xiàn)在到2035年主要是發(fā)展基礎(chǔ)性技術(shù)，開展航空試驗(yàn)，小范圍展開核心氫能組件應(yīng)用和驗(yàn)證；到2050年完成遠(yuǎn)程客機(jī)驗(yàn)證機(jī)和大規(guī)模的氫燃料加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大規(guī)模應(yīng)用。
圖表：全球氫能動力飛機(jī)發(fā)展路線圖
資料來源:根據(jù)公開資料整理
六、氫能在建筑供熱領(lǐng)域的應(yīng)用展望
以具備電、熱、冷等供能需求且適合氫能應(yīng)用推廣的區(qū)域、公共設(shè)施或建筑為典型場景，開展多種先進(jìn)燃料電池技術(shù)與儲供氫技術(shù)的融合示范，建設(shè)熱電聯(lián)供、固定式發(fā)電等分布式能源示范項(xiàng)目。
在住宅建筑領(lǐng)域，75%的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合(氫氣摻混比例為0~20%)，通過基于燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池的CHP技術(shù)，利用現(xiàn)有建筑和能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性和連續(xù)性的熱能、電力供應(yīng)，從而取代化石燃料CHP。
國內(nèi)正推進(jìn)“氫能進(jìn)萬家”示范運(yùn)行，全國首個“氫能進(jìn)萬家”智慧能源示范社區(qū)——丹青苑于2021年11月在在佛山市南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)投運(yùn)。
