中国远期氢储运格局和技术展望

中技国术氢展储望运中长期布局图景和 2024.10 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(RockyMountainInstitute,RMI)是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库，与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所着重借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市及华盛顿特区和尼日利亚设有办事处。 作者与鸣谢 作李婷者 谭光瑀王喆张博雅 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。 联王喆系，z方wa式ng@rmi.org 引李rm婷i用.o，rg谭建.c光n议/瑀in，si王gh喆ts，/lo张n博g-t雅er，m中-o国ut氢lo储ok运-o中n-长hy期d布ro局ge图n-景st和or技ag术e-展an望d，-tr落an基sp山o研rta究ti所on，-l2a0n2d4s，cahptetp-asn:/d/- technology-evolution-in-china/ 落基山研究所重视合作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过知识共享CCBY-SA4.0许可参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。 鸣特别谢感谢儿童投资基金会对本报告的支持。 目录 执行摘要5 1.氢储运发展背景7 2.中远期氢储运需求规模分析8 2.1氢能供需规模预测8 2.1.1全国氢能供需规模8 2.1.2分省氢能供需规模预测10 2.2运输场景及规模预测12 2.3存储场景及规模预测13 3.氢储运技术比较分析14 3.1运氢技术对比14 3.1.1技术特性和适用场景14 3.1.2技术经济性15 3.2储氢技术对比17 3.2.1技术特性和适用场景17 3.2.2技术经济性18 4.综合场景需求、技术特性和成本经济性的中远期储运氢模式20 4.1大规模储运管网模式20 4.2具体应用场景氢储运方案21 4.2.1工业园区储运氢方案22 4.2.2交通加氢站储运氢方案23 5.政策及产业发展建议24 参考文献25 执行摘要 在2060年碳中和情景下，氢能作为我国未来的低碳能源体系中的重要组成部分，其需求规模预计将成倍增长，绿氢比例也将大幅提高。我国绿氢产业正处于快速发展初期，供需在时间和空间尺度上均存在一定程度的错配，氢储运环节成为突破产业瓶颈的关键。当前，氢储运技术仍处于起步阶段，产业的发展潜力、未来规模以及技术发展路线是政策方、投资方和企业方所关心的核心，对于促进和加强氢储技术的政策指引和行业布局十分关键。 本报告从储运规模和技术经济性两个角度出发，基于对远期氢能产业规模的预测，确定氢能运输和存储场景，计算各场景的氢能储运需求规模，从而尝试展望我国2060年氢能储运的整体格局，结合当前市场主流氢能储运技术的发展现状及趋势，预测了2060年各类技术的适用场景及成本效益，并提出了推动氢能储运产业发展的相关建议。 预计我国氢能总需求将从当前的3500万吨/年增长至2060年的9000万吨/年，年氢能运输需求7250-7600万吨，年储氢需求4050-4150万吨。短距离运氢、短时储氢是最为主要的储运氢场景，仅有少部分用氢需求需要通过长距离运输、长时存储来满足，其规模的大小取决于未来产业布局。与当前百万吨级别的储运体量相比，远期氢能储运需求将大幅扩大，储运市场在整体氢能市场中的占比也将大幅提升，具有极大发展潜力。 作为未来的关键能源之一，氢能资源分布将在一定程度上决定未来产业布局，进而影响储运格局。为更准确地了解资源分布对储运格局影响的不同程度，我们设置了工业无搬迁、大规模搬迁两种情景，分别对应产业格局不发生变化、产业格局以绿氢资源为核心考虑因素重新布局两种假设，进行了模型量化分析。结果表明，工业无搬迁情景下，有1540万吨氢能需要跨省长距离运输以缓解供需错配，占总氢能规模的17%；工业大规模搬迁情景下，各省氢资源可基本满足本省用氢需求，无需跨省长距离运氢，但工业搬迁至可再生资源丰富地区，则受到季节性波动影响增大，相应产生100万吨以上长时储氢需求。在实际产业发展过程中，产业搬迁方向、规模还会受到政策引导、供应链配套、需求侧等多方面因素影响，最终形成氢储运整体格局。 从不同储运需求类型的技术选择上看，短距和长距运氢、短时和长时储氢均适用不同技术路线： •运氢：在短距离运氢中，除氢衍生品转化运输（仅单次转化）外，管道和输电经济性较强，但前期投入较大；前期投入较小、更灵活的运输方式还可考虑气氢和液氢运输，相比液氢，气氢长管拖车在200km运距以下更具优势。在长距离运氢中，氢衍生品转化运输（仅单次转化）经济性最佳；此外管道和输电也为适用方案，经济性接近，输电成本介于不同管径大小管道成本之间。 •储氢：在短周期（周以内）储氢中，气罐储氢为常见选择，以制氢侧、公路交通和工业为代表性需求的使用场景中，气氢储罐储氢成本随着储氢压力增加而增加。在长周期（月以上）储氢中，以电力为代表性需求的使用场景（亦有少量交通和工业需求）中，地质储氢为主要的储氢技术选择，岩洞成本最低，盐穴最高，枯竭油气田居中。 在应用场景中，氢储运环节紧密联系、互相影响，需要用全面系统的视角对比和形成不同的组合方案。从宏观视角看，大规模氢储运管网的建设可以最大程度实现跨区域和周期的氢资源互补，提高氢能供应的稳定性、安全性，并降低整体储运环节成本。从微观视角看，以工业、交通等为代表的具体储运氢应用场景中，一般而言存在不同的可选氢储运方案，需要结合项目实际情况，因地制宜做出最佳选择。 为了推动氢能储运体系布局，引导产业良性发展，助力技术研发突破，报告提出了以下政策及产业发展建议： •持续研究全球和国内的氢产业技术进展、市场需求和政策趋势，定期评估氢能产业链各环节的发展状况与整合程度，研判产业发展方向，提早布局发展资源； •根据区域资源禀赋和工业需求，进一步科学规划工业产业的总体布局，引导氢能产业分布格局的逐步形成，并支持因地制宜规划建设氢能管网等大型基础设施； •重视支持氢能储运主流技术路线中的关键技术环节的研发，提升重要材料和零部件的国产化水平，推动技术的部署成本持续优化，并推动储运示范项目落地； •在氢储运产业规划和研判中需注重与上游制氢端和下游用氢端的充分协同，避免产能投资不足或者过剩，并基于行业的新动态与新需求对规划与实施进行提升。 1.氢储运发展背景 在能源转型与“双碳”目标的引领下，我国正在加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进能源高质量发展和经济社会发展全面绿色转型。在我国未来的低碳能源体系中，氢作为一种用途广泛的二次能源，将在化工、钢铁、交通、电力等众多行业的深度减排中发挥关键作用。根据预测，到2060年，我国氢需求量将在当前3500万吨/年的基础上增长2–3倍，达到近亿吨/年，在整体能源体系中的占比达到15-20%。氢能供应将采用低碳清洁的技术路径，其中，通过可再生电力电解水制取的绿氢可以实现近零排放，是远期最主要的氢能来源，占比达到总量的70%以上。1 到2060年，随着氢产业的扩大化和低碳化，受到可再生资源的时空分布特征影响逐渐加深，空间、时间尺度的双重错配将成为影响产业发展的核心问题。在空间上，随着绿氢规模与比例的提升，供给侧将逐渐向可再生资源丰富的西北地区集中，然而主要氢能需求却集中在东南经济发达地区的工业、交通等领域，形成了“西北制氢、东南用氢”的空间错配格局。在时间上，绿氢生产受到可再生资源不稳定性的影响，短期内具备间歇性、波动性，长期存在季节性的差异，难以满足需求侧对于氢能长期稳定供应的需求，导致时间错配问题。为解决时空错配问题，发展氢能的存储与运输环节至关重要。氢能运输、存储环节分别在空间、时间上连接了供给侧与需求侧，通过储运设施的大规模建设、高效运营，可以为解决时空错配问题提供重要的调节与缓冲空间。建立安全、高效、经济的储运体系对氢产业的整合发展具有直接且深远的影响。 然而在当前，氢储运体系仍处于发展初期，距离2060年的需求规模还具有较大差距。首先，我国氢能储运的未来格局与布局方式尚不明确。由于氢能产业转型刚刚起步，未来的发展时间长、影响因素多，氢能储运的整体格局仍然存在较大不确定性，目前尚未具有对于远期氢能储运规模及场景的全面预测，导致储运产业发展缺乏远期目标指导。其次，当前氢能产业链对于储运环节的需求相对较少。目前氢的主要来源仍是灵活性高的化石能源，可以即用即生产，就近消纳，储运需求低。尽管绿氢产业链各环节已开始规模化，但整体体量仍然较小，绿氢制取-储运-利用的产业链条也尚未完全打通，商业模式尚未建立。最后，氢能储运技术成熟度低，成本较高，仍不具备大规模商业化条件。受到氢气的物理化学特性影响，氢能储运技术研发难度高。氢气密度低、重量轻、液化温度低，气态运输需要大规模提高密度增加储运效率，液态运输也面临液化过程耗能高、储运环节易蒸发损失等问题。此外，氢能原子半径小易逃逸，性质活跃易爆炸、易与金属反应，对于储氢容器的材料要求很高。多种具有潜力的储运技术仍处于市场化初期，目前尚未出现完全成熟、经济性优的规模化储运氢技术。 为解决以上问题，我们开展了储运中长期布局图景与技术研究，明确了碳中和情景下氢储运的总体规模和需求，讨论了储运技术的适用场景及经济性，希望可以通过对远期储运需求的合理评估，为储运行业的规划布局提供有效参考，为政策制定和投资选择提供科学依据，从而支持氢能产业链的高效、可持续发展。 2.中远期氢储运需求规模分析 为预测氢能储运的核心规模和场景，我们首先预测了碳中和情景下全国氢能供需规模，细化得出分省、分行业的氢能供给及需求规模，然后基于供需的空间、行业分布分析得出省际地理错配格局及应用场景限制（如图表1所示）。为排除产业发展不确定性的影响，我们基于工业产能是否向自然禀赋优越、氢资源富集的地区转移设置了两个情景，分别代表氢能地理错配程度最高和最低的情况，并对比了两种情景下的储运场景与规模差异。 图表1储运需求预测方法 运氢需求 储氢需求 省间长途运输省内长途运输省内短途运输 短时储氢长时储氢 应用场景限制 省间氢能供需差异 2060年氢能总体规模、来源及行业分布 （由资源分布决定） 各省、各来源氢能供给能力 （考虑工业产能转移不确定性） 各省、各行业氢能需求量的上下限 2.1氢能供需规模预测 2.1.1全国氢能供需规模 氢能储运规模取决于氢能产业的整体规模及其分布格局。因此，我们首先以《中国2030年“可再生氢100”发展路线图》报告为基础，按行业和部门细化估算了2060年我国氢能供需规模。基于需求拉动供给的产业发展规律，我们首先确定了碳中和情景下各行业需氢技术种类及规模。具体而言，我们以各行业现有产能为基础，结合社会经济发展趋势和零碳转型要求，预测了2060年的需氢行业规模，结合氢能相关技术在全部产品生产技术中的渗透率，预测了2060年各行业氢能需求总规模。其中，航空、船运行业仅包括直接应用氢能的技术路线。对于使用甲醇、合成氨等氢基燃料的技术路线，其氢能需求量归入对应工业部门统计。具体需氢行业及估算方式如图表2所示。 图表2氢能需求行业及需求量估算方式 工业 钢铁 随着我国工业化发展进入新阶段，钢铁需求量稳步下降，循环利用率大幅提升。到2060年，初级钢生产需求将下降至3亿吨以下，氢气直接还原铁技术成为最主要的初级钢生产技术。2 炼化 随着经济发展，炼化产品需求将持续扩大，逐渐趋于稳定。氢能作为炼化产业重要原料，需求量也将随之扩大。3 合成氨 合成氨需求量总体先减后增，近期，随着化肥效率提升，农业用氨需求逐步降低；中远期，燃料需求成为合成氨的快速增长点。作为合