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氢能产业化进程加速, 主流制氢路径有哪些优缺点?

来源:东吴证券 2022-04-22

我国对于氢能产业的相关扶持政策密集出台,加速氢能产业化进程。国内现阶段氢气主要由化石能源制氢或副产氢获得,为实现碳减排和化石能源替代的目标,后续主要有两种发展路径,一是发展蓝氢,二是发展绿氢,这些路径各有各的优缺点。

如今,国家层面的氢能产业扶持政策密集出台,氢能地位不断提升。多省市发布氢能及燃料电池车产业规划,加速氢能产业化进程。自2019年以来,北京、山东、河北、浙江等省市相继出台氢能及燃料电池车发展规划或扶持政策,并从产业规模、企业数量、燃料电池汽车、加氢站等方面明确阶段目标。

氢能产业化进程加速, 主流制氢路径有哪些优缺点?

至2050年,氢能年需求量有望达6000万t

据中国氢能产业联盟与石油和化学规划院的统计,2019年我国氢气产能约4100万t/年,产量约为3342万t。按照能源管理,换算热值占终端能源总量份额仅2.7%。

至2050年,氢能在交通运输、储能、工业、建筑等领域广泛使用,氢气年需求量将提升至6000万t,在我国终端能源体系中占比达10%,产业产值达到12万亿元。至2060年,为实现碳中和目标,氢气年需求量将增加至1.3亿t左右,在我国终端能源体系中占比达到20%。至2050年,氢能年需求量达6000万t,可减排7亿t CO2。其中,交通运输、工业领域、建筑及其它领域用氢占比分别达41%、57%、2%。

产业基础较为成熟的主流制氢路径

氢气目前主要有三种主流制取路径:以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢,以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢,以及电解水制氢。

我国氢能的生产利用已较为广泛,制成的氢气主要应用在工业原料或生产供热中。此外还有其它制氢方式,包括生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢、核能制氢等,但仍然处于试验和开发阶段,尚未形成工业化应用。

我国主要以煤炭为原材料,煤气化制氢占据主导地位。中国氢能联盟及车百智库数据显示,2019年中国氢气产量约3342万t,其中,煤制氢产量为2124万t,占比64%;工业副产氢708万t,占比21%;天然气制氢460万t,占比14%;电解水制氢50万t,占比1%。据不完全统计,全球制氢产量中,48%来自天然气重整制氢,30%来自石油制氢,18%来自煤制氢,4%为电解水制氢。

主流制氢路径的优缺点比较

国内现阶段氢气主要由化石能源制氢或副产氢获得,为实现碳减排和化石能源替代的目标,后续主要有两种发展路径:一是发展蓝氢,即在灰氢制作过程中结合CCUS降低碳排放,但化石能源制氢及工业副产氢最多只能降低80%碳排放,更多是向绿氢转变中的过渡阶段;二是发展绿氢,即待可再生能源占比提升电价成本下降后,全面推广电解水制氢。

化石能源制氢以煤制氢和天然气制氢两种主要制氢方式为代表,是国内最主流的制氢方式。煤制氢技术路线稳定高效,制备工艺成熟,也是成本最低的制氢方式。经测算,在原料煤价格在800元/t时,制氢成本约为12.64元/kg。

天然气制氢为国外主流应用,国内天然气制氢经济性低于海外。其中,蒸汽重整制氢较为成熟。经测算,在天然气价格为0.838元/m3时,天然气制氢的成本约为12.83元/kg,天然气原料成本占据总成本的70%以上。中国天然气资源供给有限且含硫量高,预处理复杂,制氢经济性远低于国外。

工业副产氢为生产化工产品的同时所得氢气,主要有焦炉煤气、氯碱化工、轻烃利用、合成氨醇等工业副产氢。目前我国排空的工业副产氢产量约为450万t。其中,PDH及乙烷裂解副产氢约为30万t,氯碱副产氢约为33万t,焦炉煤气副产氢约为271万t,合成氨醇等副产氢约为118万t。国内工业副产氢呈现向下游利用发展的趋势,实现下游产品多元化。

电解水制氢成本主要包括设备成本、能源成本(电力)、原料费用(水)及其它运营费用等。能源成本即电力成本占比最大,一般为40%~80%。设备成本包括以下几个方面:电解槽(电解电堆)是电解水制氢系统的核心部分,成本占比约40%~50%,包含电池、PTL、双极板、端板和其它小部件,其中最核心的部分为膜电极组件。

系统辅机包括整流器、水净化单元、氢气处理(压缩和存储)和冷却组件,成本占比约50%~60%。

据不完全统计,截至2021年上半年,中国累计建成146座加氢站(不含3座已拆除加氢站),其中已投运加氢站136座,已建成待投运加氢站10座,在建加氢站71座,规划建设加氢站

117座。

从历史数据来看,2016-2020年,我国建成加氢站数量迎来快速增长阶段。2016-2019年建成的加氢站数量均呈现翻倍增长态势,2020年我国新建成加氢站51座,2021年上半年建成加氢站20座。

通过山东、河北等地区的“氢进万家”及2022年北京冬奥会等项目的带动,加氢站布局速度加快,同时,其它非氢燃料电池汽车城市群示范的省市亦开始布局加氢站基础设施,氢能产业发展提速。

燃料电池的示范应用集中在商用车领域

根据燃料、载流子、电解质化学成分物理形态等多种因素不同,燃料电池分为多种类型。质子交换膜燃料电池是研究和应用热点,主要用于燃料电池车,固体氧化物燃料电池也有相当前景,主要用于分布式发电。当前氢燃料电池的示范应用主要集中在物流、客车等商用车领域。

新能源汽车国家监测与管理平台采集的数据显示,在产业补贴和国家政策的支持下,截至2019年年底,国内已接入平台的氢燃料电池汽车共计3712辆,其中,物流车占比60.5%,客车(公共客车、公路客车、通勤客车)占比达39.4%。乘用车仅用于租赁,占比为0.1%。

中国汽车工程学会提出,对于乘用车燃料电池系统,2020-2025年技术性能持续提升,2030-2035年技术达到规模化应用水平。对于商用车燃料电池系统,2025年性能持续提升、系统成本持续下降、可靠性大幅提升、实现大规模推广应用,2030-2035年全面达到产业化要求。

商用车用电池堆在耐久性、成本方面比乘用车要求更高,乘用车用电池堆在体积功率密度方面比商用车的目标要求高。根据我国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划,到2025年,新能源汽车销量占总销量的20%左右,氢燃料电池汽车保有量达到10万辆左右;2030年,新能源汽车销量占总销量的40%左右;

到2035年,新能源汽车成为主流,占总销量的50%以上,氢燃料电池汽车保有量达到100万辆左右。