2021年碳中和目标发展愿景下氢能源产业发展趋势分析

2021年碳中和目标发展愿景下，氢能源产业发展趋势分析一、概念“十年半导体，百年碳中和”。2020年9月22日，在第75届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”那么究竟什么是“碳中和”呢?字面意思来看,“碳”即二氧化碳，“中和”即正负相抵，综合起来说就是排出的二氧化碳或温室气体被植树造林，节能减排等形式抵消，但这并不代表着“零”排放，而是说使用清洁能源减少碳的排放和加大碳的吸收，做到碳排放和吸收的均衡，从而起到环保的目的，这就是所谓的“碳中和”。二、发展“碳中和”这个概念早在1997年就已经在美国问世，后来经过发展，实现了从“前卫”到“大众”的转变。2006年，《新牛津美国字典》将“碳中和”评为当年年度词汇；2013年7月，国际航空运输协会提出的航空业“2020年碳中和”方案浮出水面；2018年10月，联合国政府间气候变化专门委员会发布报告，呼吁各国采取行动，为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。三、原因碳排放过量是海洋生态系统破坏严重、海洋酸化、海平面上升、冰川退缩等现象的导火索。近年来，我国地表平均温升速率接近全球的2倍，海平面上升速度也高于全球平均水平。根据第三次《气候变化国际评估报告》，本世纪以来由于气候变化造成的直接经济损失平均占国内生产总值的1.07%，超过同期全球平均水平（0.14%）的7倍。显然，气候变化已对我国粮食安全、水安全、生态安全、能源安全、基础设施安全以及人民生产财产安全构成了较为严重的威胁。《巴黎协定》确立了2020年后，国际社会合作应对气候变化的基本框架。提出把全球平均气温，较工业化前水平升高幅度控制在2℃之内，并为把升温控制1.5℃之内而努力。世界气象组织的报告显示，2019年全球平均温度比工业化前水平高出1.1℃。面对持续增长的碳排放，从而导致的温度提升，实行“碳中和”刻不容缓。四、各方举措1.中国2018年8月1日，四川省举行了“碳中和”项目启动仪式，计划于2018年10月在成都龙泉山城市森林公园建设500亩“碳中和”林。用20年时间增加碳汇，用以完全抵消本次会议产生的921吨碳排放总量。2019年10月，第一期全国A级旅游景区质量提升培训班在陕西举办，并成为全国首个“碳中和”景区培训班。2020年12月24日，中国第一家从事“碳中和”基础研究的机构“中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心”在北京正式挂牌成立。2021年1月，全国首个“碳中和”垃圾分类站落地四川成都，居民可以投放自己日常产生的可回收物，通过回收抵消碳排放量，还能获得收益。2021年3月5日，国务院政府的工作报告中指出，扎实做好“碳达峰”、“碳中和”各项工作，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构。2021年3月15日，召开中央财经委员会第九次会议，这次会议明确了“碳达峰”、“碳中和”工作的定位，尤其是为今后5年做好“碳达峰”工作谋划了清晰的“施工图”。2.美国2007年1月22日，几家大型企业敦促美国总统布什，要求美国政府采取行动限制二氧化碳等温室气体的排放。2014年11月，中美双方达成协议，承诺到2025年前将美国的温室气体排放在2005年的基础上减少26至28个百分点。中国也承诺在2030年前达到碳排放峰值后开始逐步减少二氧化碳排放，并会努力尽早实现。2015年3月19日，美国要求联邦政府部门在2025年之前削减40%的温室气体排放。3.欧盟2018年11月28日，欧盟委员会发布一项长期愿景，目标是到2050年实现“碳中和”，即将净碳排放量降至零。4.北欧2019年11月，北欧国家芬兰、瑞典、挪威、丹麦和冰岛在芬兰首都赫尔辛基签署一份应对气候变化的联合声明。五国在声明中表示，将合力提高应对气候变化的力度，争取比世界其他国家更快实现“碳中和”目标。五.作用1.经济发展的信号，决定未来经济的走向和面貌比如，可再生能源行业将会迎来大发展机遇。而煤炭采掘、煤炭燃烧发电等行业会逐渐被淘汰，国民经济会受到全面的影响。2.对空气质量改善也会产生深远影响“绿水青山就是金山银山”，“碳中和”目标的提出，实际上就是提出了更高的空气质量改善目标。3.驱动能源新旧转换，提升国家能源安全工业化阶段，煤炭、石油、天然气等传统化石能源，其能量释放伴随大量二氧化碳的排放，是全球碳排放增量的重要来源。而“碳中和”战略则鼓励新型清洁可再生能源对传统化石能源的逐步替代，这将从根本上转变经济发展动力的“碳排放”需求。在逆全球化趋势下，能源安全重要性不言而喻。而“碳中和”战略，有望推动我国的能源安全战略从渠道端向源头端延伸，在根本上提升能源安全，增强经济发展确定性与稳定性。4.倒逼产能提效降耗，加速产业转型升级近20年工业部门能源消耗比例一直维持在65%以上，这直接决定了工业部门的“碳瘦身”成为我国“碳减排”的重要环节。一方面，“碳中和”战略将进一步倒逼低效产能的升级换代和落后产能的淘汰，另一方面还将推动国内工业制造效能的全面提升，通过加速电气化，互联化和智能化等多个维度切实推进工业部门的生产效能。5.从供给侧改革到经济转型，产业升级向各个行业不断渗透“碳中和”目标中单位增加值对应的碳排放，实际上是一个对各行业均适用的效能评价指标。而且这种指标更有利于推动产业各环节的全面升级，进一步推动中国制造从“高质量”走向“绿色高质量”。6.发掘中国优势，进一步提升中国影响力我国可再生能源优势显著，“零碳”新能源产能丰富。2013年以来，我国可再生能源总产能加速攀升。截至2019年底，我国可再生能源产能约75.86万兆瓦，同期欧盟和美国产能仅分别约为49.68万兆瓦和26.45万兆瓦，优势明显。从水能、风能和太阳能等“零”碳排放的能源产能看，我国太阳能和风能产能分别在2017和2018年超越欧盟，产能优势全球领先，而这些产能储备都将是我国“碳中和”目标实现的重要支撑。此外，我国采取行动积极应对气候变化，尽早达峰迈向近零碳排放，这不仅是国际责任担当，也是美丽中国建设的需要和保障。“碳中和”六大实现路径一、源头减量压减落后产能，限制高耗能产品，降低能耗进而减少二氧化碳排放。源头减量是实现碳减排的首要途径，也是短期内行之有效的措施之一。我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，是国内碳排放量最高的制造业行业，目前钢铁行业源头减量最可能的方式有两种：1.压降粗钢产量；2.提高全废钢短流程工艺占比。压降粗钢产量短期见效快，但可能会给市场供需关系特别是普钢供需带来阶段性错配，进而形成供给缺口。对于煤炭行业，煤炭的高碳属性是没有办法改变的，但是可以通过技术手段加以清洁低碳利用，比如强化煤层气高效开采技术，通过煤制气等技术进行能源转化，从而解决部分高碳排放问题。2019年，煤炭占中国能源消费的58%，占全国二氧化碳总排放的80%；煤电装机高达10.4亿千瓦，占全球煤电总装机的50%。这要求中国严控新增煤电，淘汰落后产能。碳排放总量位居全国第三的江苏省，为了应对气候变化，按下低碳发展加速键。把降碳作为源头治理的“牛鼻子”，严格控制煤炭总量，持续压减低端落后化工、水泥、钢铁、玻璃产能，强化温室气体与大气污染物协同治理。二、能源替代即清洁替代，也就是说由清洁能源（如可再生能源）替代高碳能源，在源头上减少碳排放。发展新能源，推动能源结构转型是实现“碳中和”的关键。新能源的主要类型有太阳能、风能、氢能、核能，新材料储能等，与煤炭、石油，天然气等传统含碳化石能源相比，新能源在理论技术、利用成本、环境影响，管理方式等方面有显著不同。随着新能源技术快速发展和互联网+、人工智能，新材料等技术不断进步，新能源产业处于突破期，逐渐进入黄金发展期，已成为全球能源增长新动力，并将逐步替代化石能源，在“碳中和”进程中发挥关键作用。碳排放问题的根源是化石能源大量开发和使用，治本之策是转变能源发展方式，加快推进清洁替代和电能替代，彻底摆脱化石能源依赖。实现能源生产清洁化和能源消费电气化，是实现“双碳”目标最根本的措施。电能具有清洁、高效、安全、便捷等优势，是利用效率最高、经济效率最高的终端能源品种。能源消费环节加快电能替代、提升电气化率十分必要。随着工业、交通、建筑等领域电能替代推进，电能在全社会终端能源消费占比将从目前的27%提升至66%，这将带动电力需求快速增长，达到14-15万亿千瓦时。三、回收利用再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放，如废钢利用，塑料回收，动力电池回收以及垃圾分类。“碳中和”背景下，金属资源的循环利用不仅可以解决未来可能面对的资源短缺问题，也可以有效地实现节能减排，减少对环境的污染，是助力我国减碳的一条路径。我们知道电解铝是高耗能、高碳排放行业，生产一吨电解铝的碳排放为钢铁的6.2倍。2019年，我国电解铝碳排放量达4.3亿吨，约占全国总碳排放量的5%。限制电解铝，严控电解铝新增产能，支持再生铝应得到广泛应用。与此同时，对垃圾分类回收也是一个很不错的举动。2021年1月14日，全国首创“碳中和”垃圾分类站在成都落地使用，群众通过绿豆芽APP参与日常减碳行动，了解更多的“碳中和”知识，实实在在地参与到“碳中和”的环保行动中，为实现“碳中和”贡献自己的绵薄之力。四、节能提效能源再利用，提高公共建筑能效水平。改革开放以来，我国能源结构不断改善，能效明显提高，但仍不够革命性。产业偏重、能效偏低、结构高碳等瓶颈，使我国环境问题日趋尖锐。近年来，虽然我国已将能源强度、碳强度列入考核指标，能源弹性系数逐步下降，但目前能源强度依然是世界平均水平的1.5倍，这显然是不可持续的。如果这一数字提升至1.0，就意味着同等规模的GDP可节省十几亿吨标煤。因此，节能提效应为我国能源战略之首，成为绿色、低碳的第一能源，保障国家能源供需安全和能源环境安全的要素。特别是在当前以化石能源为主的能源结构下，节能提效应是减排的主力。“十四五”期间，能源行业要走上高质量发展新征程。化石能源要尽可能适应能源转型需要，如煤炭要实现清洁高效利用，石油行业仍要“稳油增气”，且要大力发展非化石能源。五、工艺改造工业过程中对生产工艺进行优化、升级、改造，主要集中在对电池技术升级、智慧电网、能源互联网等方面。面对碳排放总量大、高碳发展惯性强的严峻形势，中国要用不到10年的时间实现“碳达峰”，再用30年左右的时间实现“碳中和”，任务非常艰巨。因此需要在生产过程中对生产工艺进行优化、升级、改造。比如中国能源互联网实质是“智能电网+特高压电网+清洁能源”，加快发展特高压电网是构建中国能源互联网的关键。没有特高压电网，我国清洁能源无法大规模开发利用，雾霾、酸雨等环境问题不能根本解决，“碳中和”目标将难以实现。在电池技术方面，纯电动汽车的续航一直是大家最后诟病的。因此制造商可以改进技术，研发出更高容量密度的同类型电池，从而增加车辆的续航里程。六、碳捕集、利用与封存将高碳企业排放的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存（地质封存、海洋封存）以避免排放到大气中的一种技术。我国能源系统规模庞大、需求多样，从兼顾实现“碳中和”目标和保障能源安全的角度考虑，碳捕集、利用与封存（CCUS）是我国实现“碳中和”目标技术组成的重要构成部分，是目前实现大规模化石能源零排放利用的较好技术选择，是“碳中和”目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。综合考虑CCUS技术在电力系统、工业部门的应用及其负排放潜力，研究显示，预计到2050年，CCUS技术科提供减排贡献为11亿-27亿吨二氧化碳。以上6种路径中，在其他减排路径经济技术较为一般或时间成本较高的情况下，短期压减产能或许是一条行之有效的措施。我们这里主要想分析的是能源替代，是因为无论从需求端还是供给端来看，能源替代符合战略性新兴产业发展规划，同时也是对“十四五”规划的很好践行。实现“碳中和”的能源替代一、供给侧：光伏、风电近年来，为了促进战略性新兴产业的发展，国家出台了多项扶持政策。在新能源产业方面，3月份，国家能源局等5部门联合发布了《关于引导加大金融支持力度促进风电和光伏发电等行业健康有序发展的通知》，通过加大金融政策支持，聚焦市场企业关注的补贴拖欠问题，稳定市场预期。据估算，到2020年末，光伏、风电项目累计补贴缺口将达到4000亿元左右。本次通知的下发，从多个方面缓解风、光电项目在资金上的紧张局面，有利于在平价上网时代，风，电项目的平稳运营，明确了政府支持可再生能源发展的信心和决心。在《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》中，国家能源局相关负责人表示，为加快推动“碳达峰”、“碳中和”工作，将加快清洁能源开发利用，制定更加积极的新能源发展目标，推进陆上风电和光伏发电全面实现平价无补贴上网。据专家测算，2030年风电、光伏新增装机量分别为1.53、1.88亿千瓦。2060年风电、光伏新增装机量进一步达到为2.19、2.7亿千瓦。光伏、风电单位投资成本保持下降趋势，到2030年分别达到0.371元/瓦、5.63元/瓦。到2060年分别达到1.35元/瓦、4.5元/瓦。预测“碳中和”将为可再生能源发电领域累计增加约84万亿元人民币的新增投资，其中光伏、风电装机建设投资规模约60万亿元。二、需求侧：终端电气化由于能源供给侧向绿色电力转变，所以需求侧的脱碳首先意味着终端电气化。根据国网能源研究院2019年12月的研究成果，终端电气化率在2050年达到50%以上，其中工业、建筑，交通部门分别达到52%、65%，35%。1.工业电气化2019年我国钢铁行业90%以上的产能采用高炉（BOF）技术，而电炉技术（EAF）仅占生产总量的9%，特别是以废钢为原料的短流程炼钢技术，碳排放量仅0.4吨二氧化碳/吨钢，若使用绿色电力为电炉供能，则碳排放量可降为0。2.建筑电气化制冷、照明、家电已经实现了100%电气化，供暖和烹饪的电气化推进较为缓慢。我国北方城镇普遍实行集中供暖，主要热源为燃煤热电联产和燃煤锅炉。建筑部门电气化需综合考虑公共部门与居民住宅，也要考虑南北方气候差异。随着人民生活水平提高，家用电器的数量和使用强度呈上升趋势。未来采暖电气化应逐步替代燃煤锅炉，炊事电气化应重点关注餐厅电气化和住宅炊事习惯引导。3.交通电气化发展新能源汽车是我国实现“碳中和”目标、应对气候变化、推动绿色发展的重要国策。2020年中国新能源汽车产销量双双突破130万辆，全国新能源汽车累计保有量已经超过500万辆。2021年是“十四五”的开局之年，从政府工作报告中可以看出，随着新能源汽车后市场基础设施建设的加速，政府不断在消费端释放利好信号，为稳定新能源汽车消费市场发展建立更多长效机制。增加停车场、充电桩、换电站、电池回收等设施，将进一步完善新能源汽车产业链结构，加快推进新能源汽车代替传统汽车的进程。氢能源汽车和电动汽车同属于新能源汽车赛道，电动汽车的快速发展，对于氢能源汽车来说是一个良好的势头，具有一定的发展共性。氢能源汽车的发展将有望推动其上游氢燃料电池的发展。氢燃料电池产业链介绍一、上游：氢能供应商（制氢、储氢、运氢、加注）和组件供应商中国制氢规模居世界第一，2019年全年氢能源产量超过2100万吨，目前主要包括煤制氢、天然气重整、甲醇重整制氢和化学工业副产制氢、电解水制氢等方法。其中，东中部地区能源相对紧缺，环境约束要求高，经济承受力强，以工业副产氢、甲醇制氢为主；西北地区有大量的煤化工工厂、焦化工厂、氯碱工厂；西南地区有大量的天然气合成氨、天然气甲醇工厂，也有煤化工工厂，均可成为氢源。总的来说，中国的制氢技术处于较成熟的阶段，产氢形式比较多，氢能产能充分。目前使用比较广泛的储氢手段有高压储氢、液态储氢、金属氧化物储氢、碳基材料储氢以及化学储氢等。电池组件包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等，其中电堆又可划分为双极板、电解质、催化剂、气体扩散层。目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜，国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力。燃料电池催化剂主要生产商国内大连化物所具备小规模生产的能力；制备气体扩散层的炭材料，我国对炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等，上海和森公司已有小批量碳纸产品。总的来说，在组件供应方面，我国自己具备了自己生产的能力。二、中游：氢燃料电池产业链中游是燃料电池系统的组装部分，即将上游的材料和部件进行组装，集成到燃料电池系统。燃料电池系统分为燃料电池电堆和辅助子系统两大部分。目前我国氢燃料电池系统集成技术比较成熟，但冷启动温度一般为-20℃，与丰田的-30℃还有差距。三、下游：燃料电池应用氢能是公认的最洁净的燃料，所以交通领域渐成核心场景。2019年中国氢能源汽车保有量为6459辆，我国氢燃料电池汽车目前确定的发展目标为：到2020年，实现氢燃料电池汽车技术规模化示范运行，示范车辆达到5000辆；到2025年，实现氢燃料电池汽车技术的推广应用，商用车达到万辆规模，乘用车规模达到4万辆。到2030年，实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用，氢燃料电池汽车产销规模达到50万辆。在技术方面，氢能源汽车的续航里程，使用寿命都有一定的提高，氢燃料加注时间也明显缩短。比如宇通第3代氢燃料电池客车采用350MPa铝内胆碳纤维全缠绕储氢系统，实现了氢燃料加注时间仅需10分钟，单次加氢续驶里程达600公里；还结合了宇通睿控3.0技术，将电池舱体温度控制在15-35℃，满足氢燃料电池26℃左右的适宜工作状态，使其寿命也达到了5000小时。氢燃料电池未来发展前景通过上述对氢燃料电池产业链的分析，其上游氢能源行业符合能源转型需求，下游新能源汽车市场规模增长迅速，有望共同驱动氢燃料电池行业向好发展。一、产业链上的可能性在产业链的上游，制氢、储氢、运氢都已经相对成熟，比较薄弱的是加气环节，目前我国从事加氢核心设备研发的企业较少，主要依赖进口，自主产品发展不成熟，导致了我国加氢站建设成本较高。《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》提出了2020年建设100座加氢站，2030年建设1000座加氢站的目标，与此同时，国家也出台了相应的政策扶持氢能的发展。在电池组件中，催化剂是关键材料之一，常用的催化剂是Pt/C，由于世界上仅有少数国家生产铂金属，使得铂价格昂贵，此外还存在耐久性问题，所以目前的一些研究专注于开发寻找可以替代铂的、低成本的、资源丰富的催化剂。常用的质子交换膜是全氟磺酸膜，但由于成本高，不耐高温等缺点，各研究机构也在研究其他类型的膜，比如复合膜、高温膜、碱性膜等，这样就使得催化剂可选择的范围更宽泛。在产业链的下游，和其他燃料电池相比，氢燃料电池工作温度低、响应速度快和