电力设备与新能源行业：电氢耦合多能联结，寻找能源三角平衡

电氢耦合将助力我国能源转型中的三角平衡：中国的“能源不可能三角指数”在过去十年中不断改善，其中的主要原因之一是可再生能源的快速发展和巨大投资；但这没有改变我国能源资源中心和能源需求中心背离的状况，同时风光能源的波动性和随机性对建设新型电力系统提出了不小的挑战；为了满足高比例可再生能源电力的需求，顺应终端消费电气化比例不断提升的趋势，利用电氢耦合，突出氢的能源属性，实现多能联结，是平衡“能源不可能三角”的重要途径。 氢气需求将不断增长，产氢结构将不断优化：我国已连续多年成为全球氢气生产和消费第一，2021年已超3000万吨，生产结构和消费结构与全球情况类似；主要通过化石能源制氢，可再生能源电力电解制氢不足1%，主要作为化工原料用于合成氨与合成甲醇，作为能源使用的占比还非常小。中国氢能联盟预测，到2060年碳中和情景下，我国氢气需求将达到1.3亿吨，其中70%将由可再生能源电力制氢，在终端能源消费中氢能将占比20%，氢的能源属性大大凸显。 两类电解水制氢设备，国内外各有优势：目前比较成熟的两种电解水制氢技术路线为碱性水溶液电解槽（ALK/AWE）和质子交换膜电解槽（PEM），前一种技术发展时间更久，国内外设备水平差别不大，国产设备具有明显的成本优势，部分指标达到国际领先水平；后一种技术路线国外厂商具有较大技术优势，国产设备容量较小，且部分核心部件需要进口；一些国内厂商在2021年实现了兆瓦级PEM产品开发，但尚无成熟稳定的商业应用。 电解槽市场增长迅速但目前体量仍较小：分别根据彭博新能源财经和高工产研氢电研究所的统计分析，全球电解槽设备出货量由2020年的200MW增长到2021年的458MW，预计2022年将达到1.8-2.5GW；中国2021年的市场规模为350MW，预计2022年将实现一倍增长达到730MW，2025年将超过2GW。根据2021年国内350MW，9亿市场规模测算，2025年国内市场规模为52亿以上。国内多个不同类型的示范项目已经落地或投运，包括源端可再生能源消纳，负荷侧调峰调频辅助服务，微电网系统多能联供等，随着后续示范项目效果的显现，将积极促进电氢耦合的应用，将有力支撑新型电力系统的建设。 风险提示：碳达峰碳中和相关鼓励政策实施不达预期；国内相关氢示范项目进度不及预期；可再生能源电力成本下降不及预期；技术进步和关键部件国产化不及预期。 1.能源不可能三角 1.1概念及评价指数 中国人民大学国家发展与战略研究院教授郑新业曾于2016年提出“能源不可能三角”，即能源的安全、绿色和廉价三个要素，在某种程度上很难同时达到安全稳定，绿色环保并且经济廉价。 世界能源理事会(World Energy Council)每年针对世界及127个国家和地区的能源状况发布能源不可能三角指数，该量化指标包含类似的三个衡量要素，即能源安全性、能源公平性和环境可持续性，并适当考虑相应国家或地区的经济情况、政策稳定性、投资吸引力等。想要平衡能源不可能三角具有很大的挑战性，该系数在一定程度上从能源的视角衡量各国维持长远繁荣发展的潜力。 能源安全性：能源管理有效，可满足发展需求；基础设施可靠，能承受系统性扰动。 能源公平性：能源供给是稳定的、丰富的、易得的、并且成本普遍可承受。 环境可持续：能源系统是高效的，尽量避免或降低对环境的影响。 图1：能源不可能三角指数评价框架 2021年，世界能源理事会对中国能源不可能三角的评价结果是BBDb，排名全球第51位。 主要因为我国尚处于快速发展阶段，年碳排放量连续多年位列世界第一并仍在增长，拉低了总体评价结果，排名不高；但在过去十年中，中国该评价指标是不断上升的，主要贡献因素为： 能源供给较好满足了经济增长的需求，我国已成为世界第二大经济体； 建设了安全高效的输电网络，电力的广泛普及和电气化率的不断提升； 在可再生能源领域持续投入，成为全世界最大的风力和太阳能发电投资者； 承诺了2030年前碳达峰2060年前碳中和的雄伟目标，显示出强烈的信心和决心。 1.2我国的能源结构 在我国十多年的高速发展过程中，传统化石能源占据着主要地位，尤其是煤炭对我国能源安全起着定海神针的作用，国家能源局局长章建华在2022年能源工作会议中也提出，在能源绿色低碳转型的过程中，需要继续发挥煤炭保障我国能源安全“压舱石”的作用。 过去十年我国能源消费结构中，清洁能源（天然气、核电、水电、风电、太阳能等）消费占比在不断提升，2021年已达25.5%，但煤炭消费占比依然超过50%。在“碳达峰碳中和”总的战略方向指导下，清洁能源消费占比将继续提升，对煤炭、石油等传统化石能源逐步替代。按照国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，到2060年非化石能源消费比重将达到80%以上。 图2：我国能源消费结构 中电联《中国电气化年度发展报告2021》提出，电气化发展是实现碳达峰、碳中和的有效途径。2020年，全国电能占终端能源消费比重约26.5%，在电气化加速情景下，电能占终端能源消费比重将稳步提升，2025年、2030年和2060年将分别提高到31.6%、35.7%和66.4%。 图3：全国终端能源消费总量测算 受政策鼓励和产业驱动，我国可再生能源建设成效显著，截止2021年末风电装机容量达3.3亿千瓦，年发电量达5667亿千瓦时；太阳能发电装机容量达3.1亿千瓦，年发电量达1837亿千瓦时；风光装机容量占比及年发电量占比继续稳步提升。中电联《中国电气化年度发展报告2021》研究指出特高压输电对清洁能源资源优化配置作用明显，2020年特高压线路输送电量5318亿千瓦时，其中可再生能源电量占比为45.9%，在电气化加速情景下，新能源电量渗透率近、中期稳步提高，远期加快提升并成为发电量主体，2025年、2030年和2060年将分别达到19.2%、27.4%和60.3%。 图4：全国风光发电装机及发电量变化 图5：全国发电量构成测算 1.3能源变革的奇点 我们认为大力发展可再生能源，提升可再生能源的消费占比，将有效提升能源三角中的“环境可持续”，也有助于我国“能源安全性”的提升，但对“能源公平性”提出了更大的挑战。不论是传统化石能源还是风光可再生能源，都没有改变我国能源供给中心和需求中心背离的格局，能源资源中心在三北地区而能源需求中心在东南地区。我们需要有某种途径补强“能源公平性”，以达到能源三角的平衡。 目前，凭借先进的特高压输电技术，依托加快扩建特高压输电网络，以确保风光新能源发电量的消纳，我们认为这只是建设新型电力系统的初级阶段。根据国家电网电科院的研究，构建新型电力系统面临着“五大变化”，需应对“三大挑战”。 五大变化： 电源结构变化——由可控连续出力的火电装机占主导，向不确定性和弱可控性出力的风光新能源装机占主导转变。 负荷特性变化——电能替代的深度和广度不断拓展，由传统的纯消费型刚性负荷向生产与消费兼具的柔性负荷转变。 电网形态变化——由传统单向逐级输电为主，向包括交直流混联、微电网、局部直流电网和可调节负荷的能源互联网转变。 技术基础变化——由同步发电机为主导的机械电磁系统，向由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统转变。 运行特性变化——由源随荷动的实时平衡模式、大电网一体化控制模式，向源网荷储协同互动的非完全实时平衡模式、大电网与微电网协同控制模式转变 三大挑战： 电力电量平衡——风光资源非连续和强波动的固有属性，用电负荷日益尖峰化，给特定时段的电力电量平衡带来巨大挑战。 系统安全稳定——高比例的风光新能源容量对电力系统支撑性弱，系统频率电压支撑调节能力降低，给系统安全稳定带来巨大挑战。 新能源高效利用——如缺少相应规模的可调节资源支撑，电力系统将不足以维持高比例风光发电量消纳，给新能源高效利用带来巨大挑战。 图6：新型电力系统面临的“五大变化” 图7：新型电力系统需应对的“三大挑战” 我们认为2030年之前实现碳达峰，就是能源结构转型的“奇点”，届时某种媒介与电力系统良好耦合，实现多能联结，新型电力系统也会迎来全新发展的“奇点”。我们认为高占比的风光装机容量是新型电力系统的显著特点，尽可能的消纳风光发电量是新型电力系统的根本目的，安全稳定的可靠运行是新型电力系统的基本要求，区域消纳和多能联结是新型电力系统的实现途径。 目前，风力发电、光伏发电主要采用效率较高的蓄电池储能，但是能量密度低、储存时间短等劣势限制了蓄电池储能的进一步发展应用。而氢能是一种质量能量密度高、储存期长的高效储能方式。参考西门子提出的PowertoX模型，通过电氢耦合，实现能量的储存和转化，多种能量和物质高效联结，实现多层级电网电力电量平衡，提高风光新能源利用效率，可以较好实现能源不可能三角的平衡。在该模型中，氢充分体现出在发电与储能、建筑供热和制冷、交通运输、钢铁冶炼等领域中丰富的应用场景，也始终围绕着净零碳排放，可以说氢能的桥梁作用体现的淋漓尽致，氢能或许将成为连接新能源与多种能源应用消费端的桥梁。 图8：多种储能技术路线对比 图9：PowertoX模型 图10：氢能价值链及场景 2022年3月，由国家发改委、国家能源局联合发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，文件指出氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。文件强调了氢气的能源属性，有利于改变氢气管理模式，从危化品管理逐渐转变为能源管理；文件明确了氢能的发展路径，坚持绿色低碳技术路线，构建绿氢供需体系；文件指引了氢能的行业前景，打通制储输用各环节，并拓展氢能在交通、储能、分布式发电、工业等各领域的多元化示范应用，并应给予政策支持。 2.氢气供需 2.1氢气的生产 我国作为全球氢气利用大国，自2009年产量首次突破1000万吨以来，一直稳定保持世界第一。根据中国氢能联盟与石油和化学规划院的统计，截止2020年末，我国氢气产能约为4100万吨/年，产量约为3342万吨。其中，氢气纯度达99%以上的工业氢气质量标准的产量约为1270万吨。从生产原料和方式来看，煤制氢达到2124万吨，占比63.6%； 工业副产氢为708万吨，占比21.2%；天然气制氢为460万吨，占比13.8%。可再生能源制氢占比不足1%。 根据国际能源署(IEA)的统计，2020年全球氢气需求超过9000万吨，几乎全部由化石燃料制氢满足。天然气制氢产量占比为约60%，煤制氢产量占比为约19%；低碳制氢产量占比极小，其中电解制氢产量约3万吨，占比约0.03%，配备碳捕捉的化石燃料制氢约70万吨，占比约0.7% 图11：中国氢气生产情况 图12：全球氢气生产情况 业界通常将不同原料及工艺制备的氢气产品以灰氢、蓝氢、绿氢等加以区分，但这种表征方式并不能严格区分和量化各种氢气生产过程的环境可持续程度。随着各国碳中和目标的提出，基于生命周期温室气体（GHG）排放方法客观量化定义不同制氢方式逐步为业界所认可。2020年12月，中国氢能联盟提出的团体标准《低碳氢、清洁氢与可再生氢标准及认定》正式发布，标准指出了在单位氢气碳排放量方面的阈值。 表1：中国低碳氢、清洁氢及可再生氢标准 简单来说，可再生氢与清洁氢与通俗意义上的“绿氢”大体相当，低碳氢与“蓝氢”大体相当。以电解水制氢为例，如果电力来源全部为可再生能源则为可再生氢，如果要达到清洁氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于87.5克 CO2 /kWh，如果要达到低碳氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于259克 CO2 /kWh。因此，从碳排放角度对氢进行量化分类，一方面有助于还原氢作为低碳甚至零碳能源的属性，另一方面有助于打通碳市场和请市场，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变。 表2：不同原料及工艺制备氢气目前经济性与碳排放强度参考 目前情况下，电解水制氢工艺路线对比传统工艺路线尚不具备经济优势，但在可再生能源蓬勃发展的大背景下，电解水制氢成本的大幅降低是可以预期的