中国工程院院士干勇：发展氢能产业，助力“双碳”战略.pdf-solarbe文库

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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 Ø截至，共有氢¡投入运，在国家 Ø在20 202 过¢ ，氢有 2 ，£ 了 ⁄¥，氢能建设入 ¡¢ Ø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 Ø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。 Ø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/kg·100km；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¶‚ Ø„”氢能 £为 »碳中和路‰的 ¿ ´ˆ，“⁄可«力‹› ˜¯气˘¶˙ ¥的¢碳化 Øfi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 Ø fl –fl消费 †‡，· ¶‚ 20 0„ ”2»，为 ‰ †‡ Ø ¿ 国能源´会的“ˆ‚， ˜ 20 0„¯低 0»，›在˘„ ˜消˙¨20†‡， ˚ 用 ˜，¸然要˝†‡，˛ˇ于· ¶的 ‰ †‡“ˆ Ø ˚ 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 00Æ ⁄ª，¨ 要 ˜ ŁØ 0»Œº ，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 Ø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。 Ø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 Ø20 0 ¡¢电£⁄¥ƒ机§currency1 “«‹›，发电 fi fl万«‹› ， –†氢储能，‡用· 上¶ ‚，富„发电可制氢¢£¢⁄5亿¥，”»能源 ‰ ¿ ¢5ƒ。 Ø´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） Ø氢能生产的在Æ ª ‚ ¶ 有可能在 ˇ£¸， æ前的元提ˇ ı „ 的ł¨ 元，至 ø会ŁØ 元。 Ø 国在 Œº ¥⁄ª，国œ氢能生的ß在fl ¶ æ前的元提ˇ ı „ 的ł¨ 元，至20 0„底ø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æ »¨要的 ›Æı 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 Ø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。 Ø 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ƒ§currency1 “«‹› 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ƒ´ˆ˜¯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“« ‹›fi¢fl¢ ⁄4MW，˚0“currency1 ˚0˚0¸CA–†‡ · ¶‚„”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。 2014¨2021全球 ˚国¸氢ƒ 量2014¨2021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 Ø ł德 øœ 别表在石ß 两技术路线的国际领先水平 Ø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 Ø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†† ˜¯。 Ø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⁄ Æ ª ， ‹大集用，若 ”氢能˝ ，集中布局加氢 fl⁄氢 ‹大， Æ 大型加氢 ˘吨Ł，可ª 降低加氢成本，¿到示范Ø Œ效º 4⁄ ŁØŒº多Æª大型企业及产化企业，产氢源ªæ ，氢源ı应的 ł 5⁄ 交»ø›，氢源，œ 规ßÆ 氢能输管，一降低氢能ı应成本，高氢能 æ 用的ØŒ效º。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Æ ª ›Ł氢ØŒº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£⁄ Ø¸远来看，对重型公路¸途运输，燃料电 currency1车更具竞争力，其TCO（Æ拥成本）与纯电动currency1车相当，但优点突出在重 ø轻补充燃料的间ø短。 Ø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¯ æª‹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 æ ¢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 ¡¢， £⁄¥ƒ§currency1，§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Æ工 ª生产 ŁXØ‚„的C” 2 约5 00万；ŁXŒ˙¨ º24Ø，ˆ产 ˙40Ø，› 用 æ 。 fi ı解 łøœ是 ficurrency1ß 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Ø背景下currency1ß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currency1ß 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currency1ß 程是典型的高能 currency1ßß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 Æ ª 、能能Ł ØŒ ， º 、、含æ 、 ı和 ı ł 技术，ø 有机的 ¶碳‚„”»体，增œß （础） ı供给体系的韧性，形¡更 Ø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 pß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 łø 可 œ 小分子重构大分子剪裁 p ı łø 产œß æÆ， æ 产，并煤 ı耦æ发展 p 成气/甲醇”原的转化平台， æœß æÆ和种的产，原子ØŒ性高，是石化工煤化工耦 ø 的桥梁 26 中科院大化所 p ficurrency1ß与煤currency1ß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æ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æ，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 Ø ß 用˙ 10 ´产˙ 4Ø Ø能 ¨1/3º1/2 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currency1ß 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currency1ß 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