氢能源行业专题报告电氢耦合多能联结寻找能源三角平衡

氢能源行业专题报告-电氢耦合多能联结寻找能源三角平衡1.能源不可能三角1.1概念及评价指数中国人民大学国家发展与战略研究院教授郑新业曾于2016年提出“能源不可能三角”，即能源的安全、绿色和廉价三个要素，在某种程度上很难同时达到安全稳定，绿色环保并且经济廉价。世界能源理事会(WorldEnergyCouncil)每年针对世界及127个国家和地区的能源状况发布能源不可能三角指数，该量化指标包含类似的三个衡量要素，即能源安全性、能源公平性和环境可持续性，并适当考虑相应国家或地区的经济情况、政策稳定性、投资吸引力等。想要平衡能源不可能三角具有很大的挑战性，该系数在一定程度上从能源的视角衡量各国维持长远繁荣发展的潜力。能源安全性：能源管理有效，可满足发展需求；基础设施可靠，能承受系统性扰动。能源公平性：能源供给是稳定的、丰富的、易得的、并且成本普遍可承受。环境可持续：能源系统是高效的，尽量避免或降低对环境的影响。2021年，世界能源理事会对中国能源不可能三角的评价结果是BBDb，排名全球第51位。主要因为我国尚处于快速发展阶段，年碳排放量连续多年位列世界第一并仍在增长，拉低了总体评价结果，排名不高；但在过去十年中，中国该评价指标是不断上升的，主要贡献因素为：能源供给较好满足了经济增长的需求，我国已成为世界第二大经济体；建设了安全高效的输电网络，电力的广泛普及和电气化率的不断提升；在可再生能源领域持续投入，成为全世界最大的风力和太阳能发电投资者；承诺了2030年前碳达峰2060年前碳中和的雄伟目标，显示出强烈的信心和决心。1.2我国的能源结构在我国十多年的高速发展过程中，传统化石能源占据着主要地位，尤其是煤炭对我国能源安全起着定海神针的作用，国家能源局局长章建华在2022年能源工作会议中也提出，在能源绿色低碳转型的过程中，需要继续发挥煤炭保障我国能源安全“压舱石”的作用。过去十年我国能源消费结构中，清洁能源（天然气、核电、水电、风电、太阳能等）消费占比在不断提升，2021年已达25.5%，但煤炭消费占比依然超过50%。在“碳达峰碳中和”总的战略方向指导下，清洁能源消费占比将继续提升，对煤炭、石油等传统化石能源逐步替代。按照国务院发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，到2060年非化石能源消费比重将达到80%以上。中电联《中国电气化年度发展报告2021》提出，电气化发展是实现碳达峰、碳中和的有效途径。2020年，全国电能占终端能源消费比重约26.5%，在电气化加速情景下，电能占终端能源消费比重将稳步提升，2025年、2030年和2060年将分别提高到31.6%、35.7%和66.4%。受政策鼓励和产业驱动，我国可再生能源建设成效显著，截止2021年末风电装机容量达3.3亿千瓦，年发电量达5667亿千瓦时；太阳能发电装机容量达3.1亿千瓦，年发电量达1837亿千瓦时；风光装机容量占比及年发电量占比继续稳步提升。中电联《中国电气化年度发展报告2021》研究指出特高压输电对清洁能源资源优化配置作用明显，2020年特高压线路输送电量5318亿千瓦时，其中可再生能源电量占比为45.9%，在电气化加速情景下，新能源电量渗透率近、中期稳步提高，远期加快提升并成为发电量主体，2025年、2030年和2060年将分别达到19.2%、27.4%和60.3%。1.3能源变革的奇点我们认为大力发展可再生能源，提升可再生能源的消费占比，将有效提升能源三角中的

“环境可持续”，也有助于我国“能源安全性”的提升，但对“能源公平性”提出了更大的挑战。不论是传统化石能源还是风光可再生能源，都没有改变我国能源供给中心和需求中心背离的格局，能源资源中心在三北地区而能源需求中心在东南地区。我们需要有某种途径补强“能源公平性”，以达到能源三角的平衡。目前，凭借先进的特高压输电技术，依托加快扩建特高压输电网络，以确保风光新能源

发电量的消纳，我们认为这只是建设新型电力系统的初级阶段。根据国家电网电科院的研究，构建新型电力系统面临着“五大变化”，需应对“三大挑战”。三大挑战：电力电量平衡——风光资源非连续和强波动的固有属性，用电负荷日益尖峰化，给特定时段的电力电量平衡带来巨大挑战。系统安全稳定——高比例的风光新能源容量对电力系统支撑性弱，系统频率电压支撑调节能力降低，给系统安全稳定带来巨大挑战。新能源高效利用——如缺少相应规模的可调节资源支撑，电力系统将不足以维持高比例风光发电量消纳，给新能源高效利用带来巨大挑战。我们认为2030年之前实现碳达峰，就是能源结构转型的“奇点”，届时某种媒介与电力系统良好耦合，实现多能联结，新型电力系统也会迎来全新发展的“奇点”。我们认为高占比的风光装机容量是新型电力系统的显著特点，尽可能的消纳风光发电量是新型电力系统的根本目的，安全稳定的可靠运行是新型电力系统的基本要求，区域消纳和多能联结是新型电力系统的实现途径。目前，风力发电、光伏发电主要采用效率较高的蓄电池储能，但是能量密度低、储存时间短等劣势限制了蓄电池储能的进一步发展应用。而氢能是一种质量能量密度高、储存期长的高效储能方式。参考西门子提出的PowertoX模型，通过电氢耦合，实现能量的储存和转化，多种能量和物质高效联结，实现多层级电网电力电量平衡，提高风光新能源利用效率，可以较好实现能源不可能三角的平衡。在该模型中，氢充分体现出在发电与储能、建筑供热和制冷、交通运输、钢铁冶炼等领域中丰富的应用场景，也始终围绕着净零碳排放，可以说氢能的桥梁作用体现的淋漓尽致，氢能或许将成为连接新能源与多种能源应用消费端的桥梁。2022年3月，由国家发改委、国家能源局联合发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，文件指出氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。文件强调了氢气的能源属性，有利于改变氢气管理模式，从危化品管理逐渐转变为能源管理；文件明确了氢能的发展路径，坚持绿色低碳技术路线，构建绿氢供需体系；文件指引了氢能的行业前景，打通制储输用各环节，并拓展氢能在交通、储能、分布式发电、工业等各领域的多元化示范应用，并应给予政策支持。2.氢气供需2.1氢气的生产我国作为全球氢气利用大国，自2009年产量首次突破1000万吨以来，一直稳定保持世界第一。根据中国氢能联盟与石油和化学规划院的统计，截止2020年末，我国氢气产能约为4100万吨/年，产量约为3342万吨。其中，氢气纯度达99%以上的工业氢气质量标准的产量约为1270万吨。从生产原料和方式来看，煤制氢达到2124万吨，占比63.6%；

工业副产氢为708万吨，占比21.2%；天然气制氢为460万吨，占比13.8%。可再生能源制氢占比不足1%。根据国际能源署(IEA)的统计，2020年全球氢气需求超过9000万吨，几乎全部由化石燃料制氢满足。天然气制氢产量占比为约60%，煤制氢产量占比为约19%；低碳制氢产量占比极小，其中电解制氢产量约3万吨，占比约0.03%，配备碳捕捉的化石燃料制氢约70万吨，占比约0.7%。业界通常将不同原料及工艺制备的氢气产品以灰氢、蓝氢、绿氢等加以区分，但这种表征方式并不能严格区分和量化各种氢气生产过程的环境可持续程度。随着各国碳中和目标的提出，基于生命周期温室气体（GHG）排放方法客观量化定义不同制氢方式逐步为业界所认可。2020年12月，中国氢能联盟提出的团体标准《低碳氢、清洁氢与可再生氢标准及认定》正式发布，标准指出了在单位氢气碳排放量方面的阈值。简单来说，可再生氢与清洁氢与通俗意义上的“绿氢”大体相当，低碳氢与“蓝氢”大体相当。以电解水制氢为例，如果电力来源全部为可再生能源则为可再生氢，如果要达到清洁氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于87.5克CO2/kWh，如果要达到低碳氢的标准则需要单位电力的碳排放不高于259克CO2/kWh。因此，从碳排放角度对氢进行量化分类，一方面有助于还原氢作为低碳甚至零碳能源的属性，另一方面有助于打通碳市场和请市场，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变。目前情况下，电解水制氢工艺路线对比传统工艺路线尚不具备经济优势，但在可再生能源蓬勃发展的大背景下，电解水制氢成本的大幅降低是可以预期的，同时还具有碳排放强度低的显著优势。根据河北建投风电制氢项目的实践，依托张家口丰富的风光资源，市发改委表示“十四五”期间力争可再生能源电解水制氢成本由30元/kg下降至14元/kg。可再生能源电力的平价在赋予电解水制氢经济性的同时也赋予了其“环境可持续性”，而可再生能源电力对电力系统的挑战，将由“电氢耦合”提供更佳的包容性。2.2氢气的需求根据石油和化学工业规划院的统计分析，我国目前氢气利用与需求主要来自化工产业，主要用于合成氨和合成甲醇，占比一半以上。根据国际能源署的统计分析也呈现出同样的特点，2020年全球几乎所有需求都来自炼化（约4000万吨）和工业（超过5000万吨）。氢作为绿色能源在新领域的应用，包括燃料电池、天然气掺氢等，占比还非常小。根据中国氢能联盟预测，我国在2030年碳达峰愿景的情景下，氢气年需求预期达3715万吨，在终端能源消费中占约5%，其中可再生氢产量占比显著增长约为500万吨。到2050年氢能将在我国终端能源体系中占比至少达10%，氢气需求约6000万吨，其中工业领域用氢3370万吨，交通运输领域用氢2458万吨。在2060年碳中和愿景的情境下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，其中70%以上将来自可再生氢，氢在终端能源消费中占比约为20%，其中工业领域用氢占比仍最大。国际能源署根据全球各国承诺减排情景和2050年达到净零排放的情形分别进行测算，未来需求同样将来自炼化与工业以外的领域，如交通运输、电力能源等。同样凸显氢的能源属性，包括燃料电池汽车、合成燃料、建筑供暖等。根据目前在建或筹划的电解水项目情况，到2030年将提供800万吨低碳氢；在承诺减排情景和2050年净零排放情景中，到2050年由电解水供给的低碳氢分别占总量的50%和60%。2.3电解槽2.3.1四种技术路线各有优劣中国和全球要构建清洁低碳，经济高效的制氢体系，重点在于发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。电解槽是低碳可再生氢制备的关键设备，其技术路线、性能和成本是影响氢能源市场走势的重要因素。目前，主要有碱式水溶液电解槽（ALK/AWE）、质子交换膜电解槽（PEM）、固体氧化物电解槽（SOEC）和阴离子交换膜电解槽（AEM）四种技术路线。自从1800年威廉·尼克尔森和安东尼·卡莱尔发明了电解槽技术以来，这项技术已经取得了长足的进步。目前碱式水溶液电解槽（ALK）和质子交换膜电解槽（PEM）已投入商业化应用。碱式水溶液电解槽技术更加成熟，应用更加普遍，国内外技术差别较小，设备成本也较低，国内企业业绩较多，国内最大制氢可达1500Nm3/h，但其电解液泄漏有污染环境的风险，且动态响应性稍差，不能与风光电源直接匹配；质子交换膜电解槽技术门槛稍高，国内技术水平与国际先进水平还有一定差距，设备成本明显更高，国内企业还缺乏成熟商业应用，国内最大制氢可实现275Nm3/h，动态响应迅速匹配风光电源波动性特点，但其催化剂使用铱和铂贵重稀有金属，大规模使用可能存在资源瓶颈。2.3.2装机较少但增长迅速根据国际能源署的统计，2020年全球电解水制氢只占氢总产量的0.03%，主要用于能源和化工原料，全球电解槽装机总容量为290MW，欧洲拥有