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氢能,人类的“唯一终极能源”?

氢能产业链电解水制氢氢燃料电池
发布时间:2021-12-21


2021年,“碳达峰”和“碳中和”在两会上作为中国的战略目标,首次被写入政府工作报告,彰显了中国坚持走低碳发展道路的决心。


在加速能源行业转型的背景下,氢能凭借零污染、能量高、资源丰富、用途广泛等优点,又一次迎来了“涨声一片”,很多人甚至将氢能视为通向未来绿色能源的钥匙。


根据中国氢能联盟数据显示,2018年中国氢气产量约为2100万吨,占终端能源总量的2.7%;预计到2030年和2050年,需求量分别将达到3500万吨和6000万吨,终端能源占比分别达5%和10%以上。氢能的光明未来似乎就在眼前。


然而从1869年俄国人将氢元素放在周期表的首位开始,人们就从未停止过对氢的研究和利用,但氢能的终极理想至今仍然仅停留在设想之中。


被称为人类的“唯一终极能源”的氢真的有那么厉害吗?在当下节点,从产业链视角来看,氢能发展的契机与痛点又是什么呢?


从0到1,氢能真那么强?

人类工业化进程的重大节点,总是伴随着对能源的大规模利用。


首先是从煤炭开始的,之后随着勘探、开采技术的进步和能源革命,原油、天然气等能量密度更高、污染物排放更少的化石能源逐步开始替代煤炭。


但在这些能源燃烧转化的过程中,二氧化碳的排放始终如影随形。


近年来,人们越来越重视能源和环境问题。在碳中和背景下,如何选用更清洁的能源成为各国面临的现实问题。


与传统的煤炭、化石能源相比较,氢能在转化过程中,几乎是零碳排放的。


除此之外,氢能也有多方面的优势:

燃烧性能好:氢气与空气混合时有广泛的可燃范围,且燃烧速度快。

储量丰富:氢是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,不过主要以化合态的形式出现,分离提纯需要一定的成本。

热值高:除核燃料外,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的;汽油的3倍,乙醇的近4倍,煤炭的5~6倍。

多种形态:可以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应多种贮运及应用环境的不同要求。

也正是因为这些优势,氢能已被视为能源行业转型的关键一环。


全球各级政府,包括美国、欧盟、日韩和中国,都发布了对未来氢能应用的规划。政策的倾斜也带来氢能产业的蓬勃发展,预计未来氢能将越发成为能源领域的主战场。


然而因技术不成熟,或者未达到规模化使用的经济性,氢能当前的使用成本依然居高不下。


制氢端:氢能从哪来?

可能绝大多数人都不清楚,我国是世界第一大产氢国,2020年中国氢气产量突破2500万吨,已连续多年位列世界第一。那为什么还要为氢气的来源发愁呢?


主要是因为,目前国内的制氢技术依然是以化石能源制氢为主,占比超过99%。

以煤、天然气等化石能源为原料的制氢手段相对比较成熟,但是制氢过程产生二氧化碳排放,产生的氢被称作“灰氢”,并不是真正意义上的清洁能源。

除化石燃料制氢外,电解水制氢是另一重要途径,制取的就是业内常说的“绿氢”,具有绿色环保、生产灵活、纯度高(通常在99.7%以上)以及副产高价值氧气等特点。


目前电解水制氢占全球制氢规模的4%,而在中国尚且不足1%。主要还是因为生产成本太高了。


电解水制氢的单位能耗约在4-5千瓦时/立方氢,电价占到总成本的70%以上。如果采用现有电力生产,制氢成本大约为30-40元/公斤。当电价低于0.3元/千瓦时,电解水制氢才具备较好经济性。


同时,现阶段国内火电占比较大,依旧会面临碳排放问题。


不过,未来随着可再生能源发电平价上网,电解水制氢成本会持续下降,电解水制氢将成为未来制作绿氢的主流方式。


转型升级的核心关注点

储运氢是氢气供应链的难点,也是导致氢气终端价格居高的重要原因。


氢是元素周期表中的首位元素,气体状态下密度极小,还脾气暴躁,稍有不慎,就分分钟原地爆炸给你看。


因此在大规模运输过程中,必须加以压缩储存,让氢呈现高密度气态或者固态、有机态的形式。


根据氢气状态不同,氢气运输可以分为气态氢气输送、液态氢气输送和固态氢气输送。


气态氢气通常采用长管拖车和管道运输;液态氢气通常用槽车运输;固态氢气运输可直接运输储氢金属。

从技术上来说,气氢拖车是目前国内最主要,也是更成熟的运氢方式,适用于短途运输。


液氢槽车运输能力虽然是气氢拖车的10倍,但液化过程成本较高,更适合中长距离运输。


根据中信证券的预测,到2050年,液态储运氢成本在运输距离为500km时将降至6~8元/kg。随着低温液态储氢技术逐渐程度成熟,液态储运的成本会逐渐降低,液氢槽车运输将逐渐取代气氧拖车。


另外,类似天然气的管道运输方式也是输配氢气的方案之一。而且利用管道运输的氢气是在低压的状态下,相比高压运氢的成本更低廉。运输距离为500km时,成本约在3~3.1元/kg。


但不要以为利用管道运输就能轻松解决储运氢的高成本问题,因为现有的天然气管道不能直接用于运输氢气。


一般天然气都是使用钢管运输,而氢分子会溶于钢中产生氢脆,超出钢的强度极限。所以要采用管道运输氢,需要采用含碳量极低的材料,成本一般是天然气管道材料的两倍。


也可以采用天然气和氢气混合运输的方式,但对氢气的含量占比要求严格,不得超过20%。另外,将昂贵的氢气混入廉价的天然气也会造成价值的损失。


伴随长距离运氢需求的增加,管道运输将成为未来长距离运输的最优选择,但初期投入巨大、设备的利用率也较低,将液化气管道用来输送氢气,管道的腐蚀性和强度变化还有待进一步研究。


应用端:氢能给谁用?

从当前需求结构来看,氢能应用场景的工业色彩依然很浓,氢气主要应用于合成氨、石油炼化等领域。而民用氢气比例极低,目前可以想象的最大的应用场景便是氢燃料电池车。

氢燃料电池车是比动力电池车更便捷、续航更远的一类车,相比于燃油车又具备清洁环保的特性,但技术水平的限制依然是“硬伤”:

首先,化石燃料制取的氢气是灰氢,内部含杂质较多,因此需要进一步提纯方可作为燃料电池的原料使用,这提高了氢气的使用成本;

其次,氢能尽管在液化状态下的能量密度高于燃油,远远高于锂电池,但氢气液化难度大,成本高,当前车用氢气仍主要是气态,需要极高的注射压力以及强度极高且能防止氢逃逸的储氢瓶材料;

此外,氢燃料电池的发展仍相对滞后,国内自制的氢燃料电池的寿命较短,仅能满足数千小时的行驶,且包括膜电极等材料严重依赖进口;

最后,氢燃料电池车主要为物流车、公交车等商用车,乘用车比例极少,这主要归因于加氢站的网络仍不够普及,因此当前氢燃料电池车更适用于具有固定路线,且具备一定商业性质以冲减高成本的车型。

尽管未来乘用车成本会下降到与锂电池车近似的水平,但制约乘用车推广的重要因素在于氢燃料电池车最初的推广便是车规级的,缺少其他低层级消费品的消费铺垫,也缺少加氢站等基础设施的支撑。


因此未来氢能源燃料汽车的增长虽是大势所趋,但其渗透率的提高可能相对缓慢。


此外,氢能源在工业减排、储气储能、能源供应和热电联供等方向也都存在应用空间,未来需求还是十分可观的。


伴随氢能的补贴与鼓励政策逐渐被提上日程,从制氢到储运氢再到应用,有望迎来大范围更新与成长。


氢能的技术路线仍不够成熟,许多技术难题有待解决,距离大规模市场化,还有很长一段路要走。





参考研报





【中信证券】能源化工行业氢能系列报告之一:“氢”装上阵,赛道可期

【民生证券】电力设备新能源行业氢能产业链深度研究:好风凭借力,送我上“氢”云

【国信证券】氢能专题研究之一:氢能重点产业链介绍

【普华永道】氢能源行业前景分析与洞察:借鉴欧洲经验,打造低碳氢经济

【平安证券】氢能系列报告(一)制氢篇:副产氢已占先机,绿氢有望开新局

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