中国工程院院士干勇：发展氢能产业，助力“双碳”战略.pdf

发展氢能产业助力“双碳”战略 中国工程院干勇 2022年7月19日 每日免费获取报告1、每日微信群内分享7最新重磅报告；2、每日分享当日华尔街日报、金融时报；3、每周分享经济学人4、行研报告均为公开版，权利归原作者所有，起点财经仅分发做内部学习。扫一扫二维码关注公号回复研究报告加入“起点财经”微信群。。 目 录 2 一、国内外氢能发展现状及趋势 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 p发达国家和地区氢能发展战略 3 一、国内外氢能发展现状及趋势 欧盟欧洲氢能路线图指出氢能是欧洲能源转型的必要元素。能源供给侧注重可再生能源和氢能融合互补， 能源消费侧注重可再生能源制氢综合利用，特别是天然气掺氢和车用燃料。 德国德国国家氢能战略2020指出氢能是德国脱碳战略的中心组成部分，作为多部门耦合的要素，在无法 通过可再生电力脱碳的领域，绿氢和下游产品（P-to-X）为脱碳开辟了新路径。 日本选择氢能作为低碳技术创新的重要方向之一，致力于建设“氢能社会”，在替代石油和其他能源方面 发挥核心作用，促进能源结构向多元化发展， 能源 。 国在“能源独立”的前提下，把天然气作为与可再生能源并重的过渡能源，推动能源结构清洁化。发展 氢能和燃料电 的 的在 通过 和发展的氢 其在 能源和 新领域的领 。 p国际氢能领域快速发展 截至 ， 共有 氢投入运 ， 在 国家 在20 202 过 ， 氢 有 2 ， 了 ⁄， 氢能 建设 入 截至 ，ƒ国建 氢 ，共⁄过 燃料电 currency1车在ƒ运currency1。 1.00 1.00 3.50 4.50 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 氢能（10） 交通4.54.5千万吨 化工原料3.53.5千万吨 工业11千万吨 建筑11千万吨 2050 7500万辆乘用车；500万辆商用车 （15）（50） （中国能源统计年鉴） p保守估计，2050年氢在我国终端能源体系占比约10，2060年占比将达约15，成为 我国能源战略的重要组成部分，氢能将纳入我国终端能源体系，与电力协同互补，共同成 为我国终端能源体系的消费主体，带动形成十万亿级的新兴产业。 4 一、国内外氢能发展现状及趋势 5 随着氢能产业发展中长期规划的发布，氢能上升到国家能源战略地位，众多大型能源企业及 上市公司加快布局氢能全产业链。 目前已有超过三分之一的中央企业布局包括制氢、储氢、加氢、用氢等全产业链，并取得了 一批技术研发和示范应用的成果。 5 一、国内外氢能发展现状及趋势 p央企积极布局氢能产业链 大规模集中煤制氢CCUS 充分发挥国内丰富的煤资源优势 可再生能源电解水制氢 灵活高效的低成本“绿氢”解决方案 在电“‹›源fi的 fl可 力发展 14元/kg的制氢成本在2060年是能够实现的 6 一、国内外氢能发展现状及趋势 p人类利用氢能的经济性问题是能够被解决的 大规模管道输氢降低输氢成本 氢气专用管网 天然气管网掺氢 氢能应用的技术成熟及规模化推广 技术进步（瓶颈技术突破、系统优化、效率提升） 规模效益（原材料成本下降、基础设施成本摊薄） p在400km里程范围 内，FCEV的成本可 以与BEV持平； p当里程超过400km 时，FCEV的长续航 优势得以体现，而 BEV充电时间成本 显著增加。 FCV数量5千辆2万辆10万辆30万辆90万辆 流量60t/d240t/d1000t/d2700t/d7200t/d 管径DN150DN30DN60DN90DN140 管道运输氢气测算原则以DN300为例，管道及施工价 格1km约300万，100km需设一个增压站，根据投资折 旧与消耗，估算运输费用为0.7元/kg100km；约为 200bar长管拖车运输费用的10，液氢运输费用的50。 7 一、国内外氢能发展现状及趋势 p人类利用氢能的经济性问题是能够被解决的 全球已有近5000公里的氢气管道（美国2608km，中国400km） 天然气管网掺氢成本增加0.3-0.4美元/kgH 2 – 碳中和†‡下的 化碳‚ „”氢能为 碳中和路‰的 ˆ，“⁄可力‹› ˜气˘˙ 的碳化 fi于氢能的 ‚˚ ˝˛ˇ（ 碳中和†‡） ˇ（ 碳中和†‡）。 碳中和 型 的 氢能 ‚（ t 2 ） 高盛，清洁氢革命，2022 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 8 p氢能产业绿色发展趋势 fl –fl消费 †‡， ‚ 20 0„ ”2，为 ‰ †‡ 国能源会的“ˆ‚， ˜ 20 0„低 0，›在˘„ ˜消˙20†‡， ˚ 用 ˜，然 要˝†‡，˛ˇ于 的 ‰ †‡“ˆ ˚ 0氢 ， 氢 ，至 氢 000 ‡ l综 ，替煤发电用氢至少6000万吨 因此我国到2050年总计约需氢气1.6亿吨，占IEA报告预测5亿吨的32 注2020年中国一次能源消费占全球26 2†‡氢用于 通， 设 国 为 0，˙ ˝ 00 ‡氢用于 ， 设 国 为˝0 0，˙ 000 ‡氢用于化 设 国 为˝0，˙ 国20 0„的 ‰ †‡ 氢 00 ⁄， 要 ˜ Ł 0Œ ，则需2TW，5MW电解槽约需要40万套 若采用碱性电解槽AEL产值超过5万亿；若采用质子交换膜电解槽PEMEL产值超过7万亿 9 p氢储能助力可再生能源大规模开发 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 p我国零碳情景下装机及发电量结构预测 2030年 零碳情景下 装机及发电量 结构预测 类型装机量（万千瓦）发电量（亿千瓦时） 总计38.6亿千瓦 11.8万亿千瓦时 煤电121960 52226 气电22000 7621 核电11900 8658 水电40400 15733 风电78600 合计 16.2亿千瓦 合计占比 41.9 15429 合计 2.5万亿千瓦时 合计占比 21.5光伏83400 9985 光热3000 726 生物质11000 7622 抽水蓄能12000 - 非抽蓄储能2000 - 2060年 零碳情景下 装机及发电量 结构预测 类型装机量（万千瓦）发电量（亿千瓦时） 总计74.5亿千瓦 15.7万亿千瓦时 煤电46000 14481 气电21000 5527 核电32900 24405 水电53900 21130 风电221400 合计 48.1亿千瓦 合计占比 64.6 44677 合计 7.9万亿千瓦时 合计占比 50.2光伏259565 34144 光热25000 7323 生物质18000 5313 抽水蓄能19980 - 非抽蓄储能47113 - 中 约 ， 新能源将迎跨越式发展 “碳达峰碳中和” 的必由之路 ， 2060年新能源装机和 发电量占比均超50， 成为电力供应主体。 数据来源国网能源研究院（模型计算） 化石能源装机占比37 非化石能源装机占比63 化石能源发电量占比51 非化石能源发电量占比49 化石能源装机占比9 非化石能源装机占比91 化石能源发电量占比13 非化石能源发电量占比87 2060年风电光伏发电量较 2030年增加5.4万亿千瓦时， 可制氢1亿吨 10 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 可再生能源的波动性和随机性、发电设备的低抗扰性和 性， 电 高效 、 全 和机制 制三大 。 氢 能 备 规 、长 期等优势， 能源电 、 ，有效 升能源 和 能源 用 ， 成 电能 用 应 可再生能源 的 之一 西部地区应该成为绿氢主体供应基地。 氢能作为储能载体的移动式能源和分布式固定能源，将为人类最大限度利用可再生能源提供有力保障 20 0 电⁄ƒ机currency1“‹›，发电 fifl万‹› ， –†氢储能，‡用 上 ‚，富„发电 可制氢⁄5亿，”能源 ‰ 5ƒ。 ˆ˜‰ ˘0˙ ，˚060电⁄ƒ机˚‹›，发电 万‹› ， –†氢储能， ‡用 上‚，富„发电 制氢˘000万 fi˘00万吨。 11 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 01 02 03 04 05 06 零碳 高效 能源互联 媒介 可储能 丰富的应用 场景 安全可控 最终产物只有水，实现 能量转化的物质闭环 电，热，气之间转化的媒介，是 在可预见的未来实现跨能源网络 协同优化的唯一途径 可再生能源电解水制氢， 实现能源消纳与储存 热值是汽油三倍 燃料电池效率60 虽然氢气燃烧点能量低， ， ， 是汽油的12倍， 生 交通 工业 建筑 其它 的 网络， 低 ⁄ p氢的特点氢是二次能源，作为能源载体具有显著的优势 p氢能产业的主体是绿氢体系和对应装备，锂电产业的主体是锂动力电池 12 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 p氢能生产的潜在总市场容量（TAM 可 全球氢能生产、运输和储能的总市场容量TAM （单位十亿美元） 氢能生产的 在 ‚ 有可能在 ˇ， 前的 元提ˇ ı „ 的ł 元，至 会Ł 元。 国在 Œ ⁄，国œ氢能生 的在fl 前的 元提ˇ ı „ 的ł 元，至20 0„底会突破 元。 高盛，清洁氢革命，2022 13 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 碳中和的„”氢能 要的 ›ı 构成 ◢对于氢能产业的投资已开始飞速增长，尤 其在技术部署方面最为显著。聚焦清洁氢 能的直接供应链，从生产（绿色和蓝色氢 能的电解槽和CCUS）、储能、本地配送 销售、输运和全球贸易等环节的全方面投 资来看，估计累计要有5万亿美元的投资 总额流入清洁氢能的直接供应链当中才能 实现碳中和。 ◢上述投资只包括清洁氢能直接供应链当中 的资本性支出投资，并未包含末端市 （ 业、运输、 ） 的资本投资 电 绿色氢能 电 的 资本投资。 p 氢的大规模开发和利用 大 机 高盛，清洁氢革命，2022 14 二、建设大规模绿氢制备基地，支撑“双碳”目标实现 氢能源汽车 电 能 ， 有 性。电 已 ⁄ƒ速并最currency1“的 市 ‹›。氢能 业已在fifl –†‡ ‚„” ‰⁄，将加速进入提速发展阶段。 节能 能 技术 ˆ˜˘氢燃料电池汽车˙有“ ˚ƒ˘0.81万辆（2020年），5万10万辆 （2025年），80万10万辆（2030年），保有量的增长空间达十年百倍。 导入阶段 “十城千辆”政策 提速阶段 补贴政策落地 放量阶段 补贴缩紧市 场化运作 2009 - 2012 2012 - 2015 2 015 - 至 今 产业化发展 空白期 导入阶段 “十城千辆”政策 补贴政策落地 纯电动汽车燃料电池汽车 电汽ƒ与氢能源汽ƒcurrency1 “‹› fiflGGII 中国汽ƒ–currency1协† ‡国氢燃料电池汽ƒ ‚„” fifl中国汽ƒ–‰† 能与 能源汽ƒˆ˜2˘0˙ 15 国 电 速发展 电 装机量快速 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 ˝˛ˇ 示，2020 全currency1电“ ‹›fifl ⁄4MW，˚0“currency1 ˚0˚0CA–†‡ ‚„”fl5ƒ 中交输‰ 的需上 ”ˆ 2020 全交输用currency1电“ ˜‹” 4MW， ˜ 到 “˙，˘全currency1电“˜‹的˙ ˚0“˘的 currency1˚˙ 升至2020 的75⁄4ƒ。 20142021全球 ˚国氢ƒ 量20142021全球 ˚国氢ƒ˝有量 16 中国汽车工业协会 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 “ ABCADEFGHIAJKLFGMNHCCOFGMJDPQOFRMJDPQOFGMDDCBECSCC TUVWXY FZMF[MFGMFGMFGMFRMFGMV\]YFMFG_ ‘aTUbcdXeWfg hMGRFhMMRMR ijTUbcVWXeHgZk[ZkZ Z ZkFZkZZkR ZkhRkZ lmdg [MMMM[MMMM[MMMMnopFRMMMFMMMMFMMMM hMMM qrstu3 ℃ OG_ O[M O[M O[R O[M OZM O[M O[v O[M wxrcyz ℃ OZM{vRO[R{ZR O[R{_v C|} _ h h h h ’ GMGM v GMGF GMGF GMGF n GMGF R GMGF R GMGF GMGM ł德 œ 别 表在石 两 技术路线的国际领先水平 近„来，ƒ国初步‹›质子 换膜燃料电 产业 的国产化，逐步 规模持续扩张、础设施逐 步 善的产业化初期阶段。ƒ国燃料电 水平在性能、寿命方面均取得一定的突破，已接近国际先进水平。 17 p国 电 国际 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 近„来，伴随优秀国 燃料˜池 链企 的崛起，核心材料和 部件国产化“规 化 水平持续 提升，燃料电 的价格快 下降。根据GG在202 „初的 析， 国燃料˜池系统 ˜堆的价格 经‹› - 幅度的下调。随着国 化 程的 及规模效应，燃料˜池 下的趋势有望持续。 18 p 电 ⁄ƒ及currency1趋势 10000 2000 1000 600 300 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2019年 2022年 2025年 2025年 2050年 “’*元/kW 300500 高工产业研究院 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 环保部中国机动车环境管理年报（2018）“ ‹我国›fi fl – 量的†‡ ›fi ‚currency1„（” X ‰量fl‰总量的 ‡ ˆ„‰ 量fl‰总量的†† ˜。 在一些特殊区域，如港口、码头、工业园区等重型柴油车密集的地方，污染物排 放问题十分严重。›fi˘ 的˙‰ ˚ˆ„（ M ˝˛ˇ‡ ˜。 19 氢能 用 氢 电 装 产业发展 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 ⁄氢currency1电“ 的 ˚ ˝˛‹的ˇ 用 2⁄ ， ‹大 集 用，若 ”氢能˝ ， 集中布局加氢 fl⁄氢 ‹大， 大型加氢 ˘吨Ł，可 降低加氢 成本，到示范 Œ效 4⁄ ŁŒ多大型 企业及 产 化企业， 产氢 源 ， 氢源ı应的 ł 5⁄ 交›，氢源 ，œ 规 氢能输 管 ， 一 降低氢能ı应成本， 高氢能 用的Œ效。 在港口地区推广应用氢能重卡，将使港口从雾霾重灾区变为清洁 区，大大 雾霾 的 20 p„ 的 地区 ›Ł氢Œ区 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 高盛，清洁氢革命，2022 C˝˛（ˇ电 ）的增长 能 显 ƒ2030 40 年， （燃料电池电 汽车） 和˝˛（电 ） 计 ˛（ †） 销“的 22 100。 VCI Y t V NY V I NY KIPY⁄ 远来看，对 重型公路途运输，燃料电 currency1车更具竞争力，其TCO（拥成本）与纯电动currency1车相当， 但优点突出在重 轻 补充燃料的 间短。 虽然目前 两种车辆的 CO仍ˇ于传统的柴油œ燃机卡车，技术创新 下 随着规模经济的 而 不断 currency1， 而 低 两种技术的 。其中FCEV的成本下降 度更快。 21 重 型 车 辆 TCO 美元/公里 2040年 p氢能 总 –成 快速下 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 唐山 fl 产能超过 ， 河北省的 ， 国的 ， –、铁矿石及钢铁等物 运 fl †‡ „， 炼焦产能˙为 ，可提纯氢气˙ 立方米，足够 重卡运行。 唐山 企业 大宗ˇ 输 况 若 部柴改氢，每 可减˛ˇ 环 ˝ ƒ 年 2016˙ 20 唐山 ‹约fl万 2 5000万 1 00万 3 1.2 及 1 ˆ 化碳（CO）2 ‡ 机动车fl 的6.5 碳氢化合物（HC）0.46 ‡ 机动车fl 的12 氮 化物（NOx）2.2 ‡ 机动车fl 的36 颗粒物（PM） 0.3 ‡ 机动车fl 的55 22 p开 氢能 发展氢能 用„ 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 p 约70 过 工 ， ⁄ƒcurrency1，currency1 “ 00‹，›fifl量 –†ƒ 量；‡算， ‚„的C” 2 约1.1 ；currency1体氢‰例 ，生成fl量ˆ产˜，˘ 产˙ ， /˘ ‰例˚以 。 p˝˛ ˇ›fi加氢、 、 / 、 工 ， 程长、工 、能 ；‡算， 用工 生产 ŁX‚„的C” 2 约5 00万 ；ŁXŒ˙ 24，ˆ产 ˙40，› 用 。 fi ı解 łœ是 ficurrency1 业能 大的 程之一 综 能 0.61 tce/t 0.76 tce/t 石油 石脑油 直链石脑油 环烷基石脑油 混 混 、 、 油 （ 、 、 ） 高温水蒸气裂解 750-900℃ 贵金属重整 深冷分离 ＜-100℃ 甲苯歧化、异构化 吸附分离 中科院大化所 23 双碳背景下currency1发展新路径 tce吨标准煤当量 石油化 是典型的 能耗化 程 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 p 中 ， 的 应 成 2 ， 间 量 2 。 p 中， 空 供⁄ 量 2 ，ƒ 量能量currency1。 p“， ‹ ， 2 量占›fi fl 成 – †‡的6.3 煤换是煤currency1 业主要能 程之一 CO 2 ‰ – 气化 气 水 气 合气 、 等 O 2 H 2 O 废 气 释 放 气 催化 剂结 焦 烯烃 分离 气 综合能耗 1.6 tce/t CO 2 ‰（69.3 24 p传统煤currency1 程是典型的高能 currency1程 中科院大化所 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 、能 能Ł Œ ， 、 、含 、 ı和 ı ł 技术， 有机 的 碳‚„”体，增œ （ 础） ı供给体系的韧性，形更 率 和更 质“的投产出 系，有力‰ “碳”ˆ实现。 石 油 可 再 生 能 源 煤 炭 技 术 互 补 协 调 石脑油 技 术 互 补 协 调 成气 气化 混 烷 油 油 基 链 化⁄ ƒ基础油 ƒƒƒ基础油 2 ” 2 储能氢 currency1 25 p业低碳关键 体系构 中科院大化所 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 油 油、柴油、 油 化 、 石 油 合气 石 油 煤 炭 ı ł 可 œ 小 分 子 重 构 大 分 子 剪 裁 p ı ł 产œ ， 产 ，并 煤 ı耦发展 p 成气/甲醇”原的转化平台， œ 和 种 的 产，原子Œ性高，是 石 化工 煤化工耦 的桥梁 26 中科院大化所 p ficurrency1与煤currency1高效耦 转currency1 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 p开发 高性能耦催 剂，突破传 扩散限制、并 活性调控， 甲醇 脑 高选择性 烯烃产 p设计新型反应ı艺，充分发挥强放热反应和强吸热反应原位耦， 幅 高原料 用率、节能降耗 p缺少ı艺放 和中试，缺乏先 催 剂 规 筛选 评价 需 能 大 ， 产业 ⁄ 石 油 吸热 催化 应 800℃ 甲 14 MTO 800℃ 放热 催化 应 艺过程蒸currency1热解催化裂解甲醇石脑油耦合 应 ℃ 820660600 wt 12.228.842.36 ⁄放热currency1和⁄吸热currency1的耦合 用˙ 10 产˙ 4 能 1/31/2 27 p甲醇 fi耦 制烯ł 中科院大化所 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 空气分离 废渣 废水 ” 2 2 ” 废 气 煤气化 水煤气 换 化甲醇合成甲醇 “ 产品 气 催化 结焦 分 离 气 烧 供能 烧 供能 再生 CO 2 ƒ CO 2 ƒ 28 p传统煤制甲醇 程 中科院大化所 可再生能源发电制氢与煤currency1 程的耦 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇 空气分离 废渣 废水 ” 2 2 ” 废气 煤气化 化甲醇合成甲醇 “ 产品 气 催化 结焦 分离 气 烧 供能 烧 供能 再生 CO 2 C” 能 电解水 ” 2 2 避免 能的水 变换过程 p 过程有效 空ˇ能 p 用量减少近50 pCO 2 可减‚69.3 CO 2 减 ⁄ 可再生能源 29 中科院大化所 可再生能源发电制氢与煤currency1 程的耦 p绿氢融 煤制甲醇 程 三、氢能为制造业高质量发展带来新的机遇