集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究

2024.09hRMl集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/2作者姓名按姓氏首字母顺序排列。/insights/transitioning-chinas-industrial-sectors-creating-clusters-for-large-scale-本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议：陈学谦中国产业发展促进会氢能分会刘毅清华四川能源互联网研究院王洪建北京市煤气热力工程设计院有限公司赵吉诗佛山环境与能源研究院本报告所述内容不代表以上专家和所在机构的观点。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/3前言 5 7 7 8 集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/4工业是目前氢气消费量最大的领域，也是未来绿氢规模化应用的重点领域。从国内情况看，2020年共计消费氢预计增长2.5倍以上，达7500万吨到1亿吨。其中工业仍将是氢气需求最大的领域，总消费量占比接近60%，意的总共两期120万吨的氢冶金示范，和宝武在湛江的100万吨氢基竖炉直接还原铁示范等。在化工集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/5加速工业场景中绿氢的规模化发展。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/6大规模应用工业场景中实现绿氢大规模应用的解决方案。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/7在各类应用场景中，工业生产对氢气供应的规模化、连续稳定性有更高的要求。图表2对比了多能和用氢规模。从规模化要求看，单个典型规模的工业场景的氢气需求量显著更大。例如，交通行业用氢多呈单位用氢量*（吨氢气/吨产量）较大规模0.33**较大规模需氢量典型规模0.18***典型规模需氢量5.4*单位用氢量在加氢站中指氢气，在工业中指单位工业产品生产所需的氢气量。钢铁的单位用氢量基于氢气直接还原铁工艺路线。甲醇的单位用氢量取决于不同的工艺路线，在Power-to-X制甲醇路线中为0.19，在绿氢耦合煤制甲醇路线中为0.09；**加氢站的较大规模参照山西某钢铁企业的重卡加氢站规划，单站用氢量是9.0吨/天；***加氢站的典型规模参照大兴国际氢能示范区，单站用氢量是4.8吨/天。然而，国内绿氢制取潜力较大的区域和需求集中区域存在一定地理错配，不仅为实现绿氢的大规模连续稳定供吨，占全国工业绿氢需求的40%，具有较强的地理聚集性。到2050年，氢冶金的进一步发展推升了钢铁大省的参照山西某钢铁企业重卡加氢站规划中的单罐储氢量。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/8在此基础上，本研究结合各省风、光可利用小时数以及电解水应潜力。其中，内蒙古的绿氢的供给潜力高于其他省份，且在2030年2030年供需差值(万吨/年)暂无数据A注：此示意图仅假设未来各省工业产能以目前规模和相关政策为依据，随全国总产能变化的变化情况，并基于利用绿氢的生产路径的发展情况续研究上述各因素影响下的绿氢供需的不确定性。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/9实现连续稳定的绿氢供给可有多种方案（图表4例如：在尽可能利用风、光资源就地制取并利用绿氢的基础济性最佳的方案组合。下文第二章将具体分析适配工业场景的绿氢“制-储-运-用”各环节的经济性及其影响因电力输送氢气输送储氢储电运氢可再生能源发电电解水制氢绿氢制取绿氢储存&运输绿氢应用电力输送氢气输送储氢储电运氢可再生能源发电电解水制氢钢铁用氢化工用氢炼化用氢交通用氢在工业的低碳、零碳转型过程中，可实现“集群化发展”的区域的典型布局如图表5所示，既包集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/10海上风电港口光伏发电氢基燃料卡车运输甲烷蒸汽重整工业产能氢气储存可调节发电机组二氧化碳封存海上风电港口光伏发电氢基燃料卡车运输甲烷蒸汽重整工业产能氢气储存可调节发电机组二氧化碳封存氢气二氧化碳天然气工业尤其是重工业的深度碳减排通常成本较高，这容易导致应该先发展更低碳的工业生产路径以创造绿氢需绿氢供给方要力求保障足够规模、成本较优的供给；与储、运相关的基础设施要足够到位以匹配供给和需求；集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/11单台最大规模/启停速度/启停慢发展阶段已商业化应用商业化初期技术研发阶段技术研发阶段优点-设备成本低-技术成熟-电流密度高-间歇性电源适应性高-运维成本低-材料成本低-可采用非贵金属催化剂-理论效率高-可采用非贵金属催化剂缺点-电流密度低-间接性电源适应性低-电解液有腐蚀性-运维成本高-设备成本高-贵金属催化剂成本高且稀缺-阴离子交换膜量产难度大-技术仍处于研发阶段-高温环境下反应，场景有限-技术仍处于研发阶段集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/12主要假设参数：电解槽年利用小时数为3500h，设计运行时长为50,000小时或25年；2023、2030、2050年电价分别为0.25、0.18、0.1元/。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/13集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/14在小规模场景的灵活性更高，其余大部分化学储氢适用于中大储氢集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/15从经济性看，图表12对比了目前不同储氢技术在适宜周期下的平准化成本。其中，低压、高压储罐的经济性较洞储氢在欧洲已有用于工业场景的成功案例，例如，瑞集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/16运输状态运输方式载氢量发展阶段适用场景气态长管拖车**~350kg/车成熟短运距纯氢管道**/大规模、长距离的纯氢管道处于起步阶段，未来采用更高钢级的材料，仍需开展相关研究点对点天然气管道掺氢/处于工程示范验证阶段，可满足掺氢比在10%以内的技术和安全要求，实现更高掺氢比例、解决氢脆等问题仍有待研究多用与城市燃气管网掺氢和天然气常熟官网掺氢液态液氢罐车**~2500kg/车较为成熟，当前在国内仅应用于航天及军事领域短中运距船舶（以液氨为载已有商业化运营，以液态合成氨为载体进行运输超远距离货车研发阶段/**为报告重点分析的运氢方式集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/17液氢罐车输氢管道针对我国绿氢需求和供给集中区域存在地理错配的特点，纯氢管道有望成为大规模、远距离氢气输送的主要途10月，我国已建成投入使用的纯氢管道总里程约为100公里v。自国家《石油天然气“全国一张网”建设实施方3)输氢管道：假设可实现100%的利用率，管道运输的单位成本为三种方式中最低。当输送距离为200公里本文选取200公里的氢气运输距离，以风光资源较为丰富的内蒙古鄂尔多斯为起点，运送氢气至陕西榆林为用氢地的距离作为参考。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/18为满足未来大规模的运氢需求，各运氢方式将向单次运输承载量更大的方向发展。长管拖车可通过提升管束运2～3万吨/年的设计运量、短途运输较为常见，随着需求的增长，2030年单条管道输送能力将以10万吨/年为典在上述预期下，到2030年和2050年，各运氢方式的成本变化情况如图表15所示。如果输氢管道可以实现100%利用率，在任何运距下，它都是最具经济性的运输方式。viii到2030年，得益于高压管束发展对单车载氢量的提集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/19用氢场景示意图技术说明减排潜力*技术成熟度试点项目优点局限性高炉富氢冶炼-BF在高炉顶部喷吹含氢量较高的还原性气体20%八一钢铁富氢碳循环高炉；Thyssenkrupp“以氢代煤”高炉炼铁项目改造成本低，具备经济性，具有增产效果理论减排潜力有限，技术上难以实现全氢冶炼氢基直接还原在气基竖炉或流化床中直接还原炼铁中提升氢气的比例95%河钢富氢气体直接还原德国直接还原铁项目理论减排潜力较高，可供参考的国际经验相对较多改造难度较高，基础技术中等氢基熔融还原在熔融还原炼铁工艺中注入一定比例的含氢气体95%5内蒙古建龙塞斯普氢基熔融还原冶炼理论减排潜力高国际先进经验较少，改造难度较高，基础技术较薄弱*减排潜力在零碳电力的支持下将达到最大值，其中直接还原铁与电炉结合，熔融还原与转炉结合。行业合成氨2.1亿吨/年37%哈伯-博施法替换灰氢利用氮气和氢气制取合成氨，将煤炭或天然气得到的灰氢替换为绿氢挪威Yara绿色合成氨项目炼油2.1亿吨/年10%加氢处理替换灰氢将常减压后的组分进行加氢处理，降低硫含量，降低不饱和度，提高油品的稳定性中国石化新疆库车绿氢示范项目，供给塔河炼化甲醇2.0亿吨/年19%绿氢耦合煤炭替换灰氢新增需求利用绿氢调节合成气中一氧化碳和氢气比例，将碳元素尽多向甲醇转换利用二氧化碳的氢气直接制取甲醇宁夏煤化工耦合绿氢制甲醇河南安阳二氧化碳加氢制甲醇*用氢占比指该行业的用氢量占中国总用氢量的比例。不纳入保证绿氢持续稳定供应所需的额外成本的情况，对比实现平价时的绿氢成本与绿氢制取成本变化趋势，若考虑要保证绿氢连续稳定供应的额外成本，例如配合网电利用以保证在风光出力受限时制氢电力稳定性的成绿氢路径和传统路径实现平价的时间点将推迟。然而，在低碳绿色发展的趋势和要求下，诸如对低碳生产的补集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/20集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/21在满足绿色低碳用氢的基础上，集群化发展可兼顾工业用氢规模性、连续性以及跨区域调配的要求。连续性规模性目标跨区域调配连续性规模性目标跨区域调配储氢制氢对应环节运氢储氢制氢对应环节运氢场景设置场景一：氢气供需同址场景设置场景一：氢气供需同址（解决时间波动性）场景二：氢气供需异地场景二：氢气供需异地（解决空间错配）集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/22集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/23集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/24集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/25地区集中式光伏年有效利用小时数29，陆上风电年有效距离），0集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/26地区集中式光伏年有效利用小时数，小时/年陆上风电年有效利用小时数，小时/年距离（以浙江为起点），0集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/27集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/28集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/29了清洁氢的多元应用场景和帮助多个行业实现脱碳的路径，设定了2030年1000万吨、2040年2000万吨、2050集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/3038丰富的可再生资源将区域电网脱碳和清洁氢能的发展提供了先决条件。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/31集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/32局获取绿氢的最优方式。前部署绿氢应用。设立阶段目标和实施路线。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/33在宏观层面，优化统筹不同地区间的氢气供需和储运基础设施的规模用氢的持续稳定。集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究/34final-RMI-化工报告China-Chemicafinal-RMI-化工报告China-Chemica9Li,Mingquan,etal.“High-ResolutionDataShowsChina’sWindandSolarEnergyResourcesAreEnoughtoSupporta2050DecarbonizedElectricitySystem.”AppliedEnergy,ElsevierBV,Jan.2022,p.117996.Crossref,doi:10.1016/j.apenergy.2021.117996.10Low-CarbonIndustrialHubs:DrivingDeepDecarbonizationforIndustry,Deloitte,2022,https://www2.141H2022HydrogenMarketOutlook,BNEF,2022Publication/2022/Jul/IRENA_Power_Generation_Costs_2021_Summary.pdf18“我国岩盐储量惊人废弃盐穴可变身’’”19“Hydrogenstorage”,Hybrit,2024,https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-20MakingtheHydrogenEconomyPossible:AcceleratingCl