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文檔簡介

中國氫能產(chǎn)業(yè)展望波士頓咨詢公司與歐陽明高院士團隊聯(lián)合研究2023年8月目錄前言131.

發(fā)展氫能的必要性1.1能源危機和能源消費結(jié)構(gòu)的變化1.2氫能的優(yōu)勢3561.3中國氫能發(fā)展的有利環(huán)境2.

氫能的應(yīng)用場景102.1氫交通2.2氫儲能2.3氫工業(yè)1218233.

氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)283.1氫氣制取3.2氫儲運283436413.3氫—電轉(zhuǎn)化3.4氫安全結(jié)語45中國氫能產(chǎn)業(yè)展望前言近年來,氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。隨著極端氣候事件的多發(fā),各國政府對于有效應(yīng)對氣候變化愈發(fā)重視,碳中和成為了各國政府所關(guān)注的重要議題之一。與此同時,化石能源危機的逐漸凸顯,也呼喚清潔能源在全球范圍內(nèi)的系統(tǒng)性發(fā)展,以建立真正可持續(xù)

、零排放的全新能源體系

。氫能是一種廣泛存在于自然界的清潔能源。在碳中和戰(zhàn)略背景下,可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性使得氫能具有了獨特的意義和價值。通過“電—氫”轉(zhuǎn)化,波動性的綠電可以大規(guī)模轉(zhuǎn)化為氫能,進(jìn)行長周期的儲存、運輸和能源化使用,從而使得氫能有望在未來能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。2022年3月

,國家發(fā)展改革委

、國家能源局發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021–2035年)》。作為國家級規(guī)劃

,文件明確了氫能在中國未來能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略性定位

,制定了中國氫能產(chǎn)業(yè)階段性發(fā)展目標(biāo),并首次系統(tǒng)性提出了氫能在交通領(lǐng)域以外的多個規(guī)?;瘧?yīng)用場景的發(fā)展規(guī)劃,包括儲能、發(fā)電與工業(yè)。該規(guī)劃為中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指引了明確的方向

,并注入了強大的信心

。本報告由波士頓咨詢公司(BCG)聯(lián)合中國科學(xué)院院士、國際氫能燃料電池協(xié)會理事長歐陽明高團隊共同完成。報告總結(jié)了中國及國際氫能行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢,從產(chǎn)業(yè)和技術(shù)兩個角度進(jìn)行了深入探討,重點聚焦氫能的應(yīng)用場景、發(fā)展路徑和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新方向,并對氫能行業(yè)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,離不開終端應(yīng)用場景對氫的規(guī)模化消納,從而對氫產(chǎn)業(yè)鏈形成有效拉動。具備這樣特點的應(yīng)用場景主要是氫交通、氫儲能和氫化工,三大場景均蘊藏著巨大的市場空間

。氫交通在燃料電池汽車等領(lǐng)域已具備較好的發(fā)展基礎(chǔ),而隨著技術(shù)持續(xù)突破2023年8月波士頓咨詢公司2中國氫能產(chǎn)業(yè)展望與商業(yè)化模式的成熟

,氫交通在短中期將是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“先導(dǎo)性應(yīng)用”,促進(jìn)“從制氫到用氫”全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)化落地和持續(xù)發(fā)展。氫儲能是氫最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域,通過發(fā)揮氫的長時儲能特性,可以賦能可再生能源的應(yīng)用,提升可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中的份額

。氫化工是當(dāng)前氫最主要的消納場景,隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和成本的持續(xù)下降,工業(yè)領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^“綠氫替代灰氫”,推動全球工業(yè)逐步實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型

。實現(xiàn)上述發(fā)展,離不開氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性技術(shù)突破。在制氫領(lǐng)域,真正面向大規(guī)模綠電制氫場景,當(dāng)前各技術(shù)路線均需實現(xiàn)經(jīng)濟性、安全性、智能化管理等方面的體系性技術(shù)突破—

無論是相對更具商業(yè)化基礎(chǔ)的堿性電解水制氫(AEC)技術(shù)

,還是尚處于發(fā)展階段的質(zhì)子交換膜(PEMEC)技術(shù)

,以及更早期的陰離子膜(AEMEC)技術(shù)與固體氧化物(SOEC)技術(shù)

。在氫儲運領(lǐng)域,壓縮氣氫是目前中國主流的氫儲運方式,其研發(fā)創(chuàng)新方向主要是提升工作壓力以提高氫氣密度,同時保障安全性;液氫儲運已在海外市場率先實現(xiàn)了商業(yè)化;其他各類氫載體的儲運技術(shù)目前也處于積極的商業(yè)化應(yīng)用探索階段。“氫—電”轉(zhuǎn)化是氫能利用的關(guān)鍵技術(shù),目前在小功率分布式場景下以固定式燃料電池發(fā)電為主,而大功率集中式發(fā)電則將采用氫燃?xì)廨啓C或鍋爐摻氨燃燒方案。三種方案下,均已有明確的技術(shù)發(fā)展路線和示范場景,成熟的商用產(chǎn)品預(yù)計將在2030年以前推出并實現(xiàn)應(yīng)用。氫安全管理則是近年來受到關(guān)注的一個新興領(lǐng)域。大規(guī)模用氫場景下的氫安全體系化管理是一項全新的挑戰(zhàn)

,需要從本征安全

、主動安全

、被動安全三方面著手

,并結(jié)合數(shù)字化手段

,對氫能全鏈條進(jìn)行有效管理。氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來新的發(fā)展浪潮

,在政策

、技術(shù)

、市場

、資本等多方的合力推動下

,全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都將實現(xiàn)全方位的突破發(fā)展,在未來十年構(gòu)建下一個萬億級新能源市場,成為推動全球能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新動能。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望31.

發(fā)展氫能的必要性2023年7月,全球經(jīng)歷了有記錄以來的最炎熱月份,極端熱浪席卷了中國、歐洲和美國部分地區(qū)。自2015年以來

,極端高溫天氣不斷增多

,警示人們?nèi)蜃兣诩觿?/p>

。為了避免氣候變化帶來難以承受的后果,我們亟需通過清潔能源轉(zhuǎn)型實現(xiàn)碳減排。在能源轉(zhuǎn)型的歷程中,氫能這一綠色能源因其零排放、高熱值等諸多優(yōu)勢,在過去的幾十年中獲得了越來越多的關(guān)注。而中國作為應(yīng)對全球氣候變化中負(fù)責(zé)任的大國,在實現(xiàn)“3060雙碳目標(biāo)”愿景的征程中,正不斷為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造良好的環(huán)境。1.1

能源危機和能源消費結(jié)構(gòu)的變化在過去的200年中

,世界共發(fā)生了三次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型(參閱圖1)。第一次是19世紀(jì)末,伴隨著第一次工業(yè)革命,發(fā)生了從傳統(tǒng)生物燃料到煤炭的轉(zhuǎn)型。第二次發(fā)生在20世紀(jì)上半葉,內(nèi)燃機的廣泛應(yīng)用推動了從煤炭到石油和天然氣的能源轉(zhuǎn)型。當(dāng)前正在進(jìn)行第三次能源轉(zhuǎn)型,可再生能源有望在未來取代化石燃料。圖1

|

全球一次能源消費量變化趨勢全球一次能源消費量:1800–2022年(EJ)3可再生能源預(yù)計將在第三次能源革命中逐漸取代化石能源600可再生能源400石油與天然氣2石油和天然氣的1能源消耗超過了煤炭能源的消耗煤炭能源的消耗超過了傳統(tǒng)生物質(zhì)能的消耗200煤炭傳統(tǒng)生物質(zhì)能0180018501900195020002022來源:英國石油公司《世界能源統(tǒng)計評論》;數(shù)據(jù)看世界;BCG分析。2023年8月波士頓咨詢公司4中國氫能產(chǎn)業(yè)展望第三次能源轉(zhuǎn)型的驅(qū)動因素之一就是能源危機。在過去的60年里

,全球一次能源消費1量幾乎翻了兩番

。長期依賴化石燃料不可持續(xù),且近年來各國能源資源的不平等和地區(qū)緊張局勢進(jìn)一步加劇了能源危機的影響,加速了能源轉(zhuǎn)型的勢頭。碳中和是能源轉(zhuǎn)型的另一個驅(qū)動因素。2015年,聯(lián)合國的196個成員國通過了《巴黎協(xié)定》,目標(biāo)是將全球平均氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上2℃之內(nèi),并努力將氣溫升幅限制在1.5℃之內(nèi)。據(jù)此目標(biāo)計算,到2050年,至少65%的最終能源消費將來自可再生能2(參閱圖2)。源圖2

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能源相關(guān)的累計碳排放預(yù)測能源相關(guān)的累計碳排放:2015–2050年(GtCO

)2如果保持目前的二氧化碳排放水平不變,預(yù)計到2037年,二氧化碳排放總量將達(dá)到設(shè)定限值1,5001,200參照情景:在保持目前碳排放水平的情況下,到2050年,氣溫將上升2.6–3.0°C900在2°C場景下,能源相關(guān)累計CO2排放總量限值,2015–2050:760Gt1碳減排路線圖:600將碳排放對氣溫上升的影響在2050年控制在2°C3000以內(nèi)的碳排放路線圖120152020202520302035204020452050來源:國際可再生能源機構(gòu)(IRENA);BCG分析。在760Gt的碳排限值下,有66%的概率可實現(xiàn)2℃目標(biāo)。1在此背景下,氫能有望發(fā)揮重要作用。氫能的利用是達(dá)成碳中和的關(guān)鍵路徑,其釋放能量的過程中零碳排放。??氫能可以賦能可再生能源的規(guī)模利用。風(fēng)光等可再生能源的發(fā)電具有天然的波動性,致使電力供應(yīng)與負(fù)荷需求不匹配。氫能作為一種適宜長周期儲存和運輸、能夠用于再發(fā)電的能源載體,可以有效緩解可再生能源電力供需不匹配的問題。隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)

,在2050年凈零排放情景下,氫能在全球最終能源消費占比預(yù)計將達(dá)到10%–15%3(參閱圖3)。1

數(shù)據(jù)看世界

/grapher/global-primary-energy。2

國際可再生能源機構(gòu)(IRENA)《全球能源轉(zhuǎn)型路線圖2050》

/publications/2019/Apr/Global-energy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition。3

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2021》

/reports/global-hydrogen-review-2021。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望5圖3

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全球終端能源消費份額現(xiàn)狀和預(yù)測全球終端能源消費份額:2020年,2030年和2050年(基于2050年凈零排放情景)<1%100%<5%10%–15%氫能可再生能源電力1天然氣石油煤炭202020302050來源:國際能源署(IEA);國際可再生能源機構(gòu)(IRENA);BCG分析。可再生能源是指生物燃料和以廢物為原料的能源。11.2

氫能的優(yōu)勢盡管目前氫能在全球最終能源消費中占比還不到1%

,但得益于其獨特的優(yōu)勢

,氫能4具有非常廣泛的應(yīng)用潛力(參閱圖4)。圖4

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氫能具有零碳排、熱值高的優(yōu)勢碳排放系數(shù)(kg

CO

/mmBtu)高熱值HHV(MJ/kg)2氫天然氣汽油0氫天然氣汽油1425371745445443倍柴油柴油無煙煤褐煤104無煙煤褐煤3398159倍來源:美國能源信息管理局;BCG分析。4

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2021》

/reports/global-hydrogen-review-2021。2023年8月波士頓咨詢公司6中國氫能產(chǎn)業(yè)展望?零排放

。氫是一種獨特的清潔能源,在燃燒產(chǎn)熱時的唯一副產(chǎn)物為水,不會產(chǎn)生任何碳排放或其他溫室氣體排放。雖然目前全球絕大多數(shù)氫氣仍然產(chǎn)自化石燃料,生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生碳排放,但隨著電解水制氫和可再生能源的不斷發(fā)展,綠氫的占比將逐步增加,氫能在未來能夠成為一種完全脫碳的清潔能源。??熱值高

。氫的熱值比各類化石燃料都高,能夠達(dá)到汽油的三倍多、褐煤的九倍多,所以運輸效率更高

、能量釋放更強

。靈活變電

。氫和電通過相互轉(zhuǎn)化

,可以形成一個“電—氫”耦合的能量系統(tǒng)

。由于電力在當(dāng)前和未來都會是應(yīng)用最廣泛的最終能源之一(2021年約占20%,預(yù)計2050年將增加到約50%

),“氫—電”轉(zhuǎn)化的靈活性使氫能能夠廣泛應(yīng)用于多種場景

。5?易獲取

。氫氣可以通過電解水的方式快速制取,而電和水這兩種物質(zhì)都較為豐富且容易獲取。1.3

中國氫能發(fā)展的有利環(huán)境6作為世界第二大經(jīng)濟體、全球最大的能源消費國和碳排放國

,中國已在碳減排方面付諸行動,這對遏制全球變暖至關(guān)重要。在實現(xiàn)碳中和的舉措中,發(fā)展氫能是一項重要抓手。中國目前是世界上最大的產(chǎn)氫國,年產(chǎn)量達(dá)3,300萬噸

,占全球需求的三分之一

。據(jù)預(yù)測

,中國的氫氣需求在2030年將達(dá)到3,500萬噸,2050年將達(dá)到6,000萬噸

。中國的氫氣供應(yīng)能力強

,需求量大

,發(fā)展前景廣闊

。71.3.1

中國發(fā)布國家級氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃在中國

,氫能已獲得了多年的政策關(guān)注

。早在2006年,《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006–2020年)》中就對制氫、氫儲存和輸配技術(shù)和燃料電池技術(shù)提出了指導(dǎo)規(guī)劃

。2022年3月發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021–2035年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)是中國首個氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃,作為國家級規(guī)劃,其進(jìn)一步明確了氫能在中國未來能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略性定位,制定了中國氫能產(chǎn)業(yè)階段性的發(fā)展目標(biāo),并提出了氫能在中國的應(yīng)用場景

,對中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義(參閱圖5)。5

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2021》

/reports/global-hydrogen-review-2021。6

國際能源署(IEA)《中國能源體系碳中和路線圖》

/reports/an-energy-sector-roadmap-to-carbon-neutrality-in-china。7

中國氫能聯(lián)盟。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望7圖5

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中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021–2035年)戰(zhàn)略定位發(fā)展目標(biāo)到2035年1到2030年未來國家能源體系的重要組成部分到2025年形成氫能產(chǎn)業(yè)體系,構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系可再生能源制氫量達(dá)到10–20萬噸/年,燃料電池車輛保有量約5萬輛,部署建設(shè)一批加氫站可再生能源制氫在終端能源消費中的比重明顯提升,對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用產(chǎn)業(yè)布局合理有序,可再生能源制氫廣泛應(yīng)用,有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實現(xiàn)23用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體應(yīng)用場景戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向氫交通氫儲能1氫工業(yè)其他來源:國家發(fā)展和改革委員會;國家能源局;BCG分析。1包括儲能和發(fā)電。?戰(zhàn)略定位在《規(guī)劃》中,氫能和氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略定位被明確為:

未來國家能源體系的重要組成部分;

用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體;

戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向。?發(fā)展目標(biāo)《規(guī)劃》以每五年為一個階段,明確了各階段的氫能和氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo):

到2025年,燃料電池車輛保有量約

5

萬輛

,部署建設(shè)一批加氫站

。可再生能源制氫量達(dá)到10–20萬噸/年,成為新增氫能消費的重要組成部分,實現(xiàn)二氧化碳減排100–200萬噸/年。

到2030年,形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系,產(chǎn)業(yè)布局合理有序,可再生能源制氫廣泛應(yīng)用,有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實現(xiàn)。2023年8月波士頓咨詢公司8中國氫能產(chǎn)業(yè)展望

到2035年

,形成氫能產(chǎn)業(yè)體系

,構(gòu)建涵蓋交通

、儲能

、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)??稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費中的比重明顯提升,對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。?應(yīng)用場景除交通領(lǐng)域的試點應(yīng)用外,《規(guī)劃》還強調(diào)了氫能在工業(yè)和能源(包括氫能、電能和熱能)領(lǐng)域的多元應(yīng)用,通過引導(dǎo)用能終端的能源消費轉(zhuǎn)型和高耗能、高排放行業(yè)綠色發(fā)展,發(fā)揮氫能對碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的支撐作用。此前,中國大多數(shù)氫能產(chǎn)業(yè)政策都集中在交通領(lǐng)域,尤其是燃料電池汽車的應(yīng)用。隨著國家和地方性政策的逐步落地,氫能在交通領(lǐng)域的先導(dǎo)性應(yīng)用將為其他場景起到示范性作用,帶動其他的氫能下游應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。1.3.2

中國可再生能源供給的快速增長將促進(jìn)氫能消費中國風(fēng)光等可再生能源裝機的快速增長,將會推動中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為可再生能源消納的有效途徑。2011年至2021年,中國的風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機量以29%的年復(fù)合增長率從48吉瓦迅速增長至635吉瓦,占2021年全國發(fā)電總裝機量的27%

。然而

,2021年發(fā)電量只有12%89來自于風(fēng)能和太陽能發(fā)電

??稍偕茉囱b機量與發(fā)電量之間的巨大差異,是由于風(fēng)光等可再生能源天然的間歇性和波動性導(dǎo)致的供需不匹配,同時由于缺乏調(diào)節(jié)手段面臨送出難、消納難的困境,從而造成大量棄電。在中國的北部和西部部分地區(qū),風(fēng)能和太陽能年度棄電率可高達(dá)30%。波動性的風(fēng)光發(fā)電資源如無法被充分利用,中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的宏偉目標(biāo)將受到挑戰(zhàn),因此持續(xù)發(fā)展建設(shè)可再生能源發(fā)電勢在必行。隨著可再生能源裝機量的不斷提升,發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)的不匹配將持續(xù)增大,促使業(yè)內(nèi)尋求高效利用可再生能源的方法,以突破可再生能源的發(fā)展瓶頸。氫能被視作是一個前景無限的答案。通過將電能轉(zhuǎn)換成氫能,再通過多種途徑將氫能加以利用,可以部分克服可再生能源本身的局限性,從而更好地匹配能源供給和需求。氫能也可以直接應(yīng)用于豐富的下游場景,包括氫能交通、工業(yè)脫碳、大規(guī)模儲能和運輸?shù)?。在中國,隨著下游氫能消費市場的增長和應(yīng)用場景的拓展,上游可再生能源市場玩家紛紛投資布局氫能產(chǎn)業(yè),推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。8

中國國家能源局

/2022-01/26/c_1310441589.htm。9

中國電力企業(yè)聯(lián)合會《2021年中國電力工業(yè)經(jīng)濟運行報告》

/pub/lwzb/tzgg/202205/W020220511403033990320.pdf。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望91.3.3

中國西北地區(qū)具有得天獨厚的綠氫發(fā)展優(yōu)勢綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,離不開可再生能源的稟賦??v觀中國的版圖,具有豐富風(fēng)光資源的地區(qū),集中分布在中國北部的內(nèi)蒙古地區(qū)到西北部的新疆地區(qū)之間,以及東南沿海地區(qū)。其中,北部的內(nèi)蒙古到新疆地區(qū),呈一條弧形帶分布著我國的沙漠與戈壁,具有光照強、風(fēng)力大的特點

,具備優(yōu)越的可再生能源自然資源條件

。比如

,在內(nèi)蒙古地區(qū)

,全年有效日照時數(shù)可達(dá)到1,500–1,800小時,位居全國首位。豐富的可再生資源將有效降低當(dāng)?shù)乜稍偕娏Φ墨@取和使用成本,進(jìn)而推動綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需要一定的水資源支撐。作為電解水制氫的最主要原料,水的可獲取性同樣決定了綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成本及推廣的難度。在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū),黃河流過并形成“幾”字灣

,為當(dāng)?shù)氐木G氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了關(guān)鍵的水資源保障

。綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

,更需要地方政府的決心與推動

。2022年全國超70%的綠氫示范項目規(guī)劃落地內(nèi)蒙古地區(qū),其中鄂爾多斯示范區(qū)是重點區(qū)域。當(dāng)?shù)卣臎Q心體現(xiàn)在全球頂尖的科研能力構(gòu)建、全方面的優(yōu)渥政策引導(dǎo),以及大規(guī)模的投資與引資計劃,進(jìn)而從技術(shù)研發(fā)、項目落地、產(chǎn)業(yè)鏈成熟三方面引領(lǐng)綠氫產(chǎn)業(yè)在全國的發(fā)展。2023年8月波士頓咨詢公司10中國氫能產(chǎn)業(yè)展望2.

氫能的應(yīng)用場景氫能的主要利用途徑包括交通、能源以及工業(yè)領(lǐng)域(參閱圖6)。圖6

|

氫能的主要終端應(yīng)用場景—

氫交通、氫儲能和氫工業(yè)應(yīng)用場景發(fā)展階段定位和價值?作為純電動汽車的補充,是零碳交通的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)路徑之一?作為能源動力源?作為新興應(yīng)用領(lǐng)域,全球的燃料電池汽車保有量已經(jīng)超過5萬輛,約占?xì)淠芸傁M的0.03%?主要用于燃料電池汽車;鐵路、航運、航空等領(lǐng)域也在積極探索氫氣或氫基燃料的使用場景?氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)性應(yīng)用場景,將打通并引領(lǐng)整個氫能產(chǎn)業(yè)價值鏈的發(fā)展氫交通?作為清潔能源載體?處于早期階段,氫能消費量占比非常低,但全球的示范應(yīng)用規(guī)模在快速擴大?氫的能源化利用,為可再生電力主導(dǎo)的電網(wǎng)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ),助力用能終端的清潔能源消納,推動綠色能源體系轉(zhuǎn)型?作為儲能載體(通過電—氫轉(zhuǎn)化)進(jìn)行長周期、大規(guī)模的綠電能源儲存,并作為清潔能源應(yīng)用于發(fā)電、交通或其他應(yīng)用場景氫儲能氫工業(yè)?作為工業(yè)原料?是目前氫能最大的消費終端,占總需求量>99%,但以灰氫為主?通過綠氫對灰氫的大規(guī)模替代,實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳?廣泛應(yīng)用于煉油、化工(合成氨和甲醇)、鋼鐵(直接還原鐵)等領(lǐng)域來源:國際能源署(IEA);BCG分析。氫能在交通領(lǐng)域直接作為能源使用,是零碳交通的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)路徑之一。在不斷進(jìn)步的燃料電池技術(shù)、不斷建設(shè)完善的氫能基礎(chǔ)設(shè)施、強有力的政策等因素的推動下

,氫能交通迅速發(fā)展

,尤其是長途重載卡車領(lǐng)域

。更重要的是

,氫能交通將作為氫能產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)性應(yīng)用,打通氫能全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié),有效地推動整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。一旦燃料電池交通應(yīng)用場景的經(jīng)濟成本具備市場競爭力,燃料電池汽車將成為短中期內(nèi)氫能需求的增長引擎。氫能以能源載體形式用于儲能和發(fā)電被認(rèn)為是其最具前景的應(yīng)用。氫能是可再生電力為主導(dǎo)的電網(wǎng)系統(tǒng)中最理想的長期儲能方式,也是靈活發(fā)電的清潔能源。目前,在燃?xì)廨啓C的摻氫和純氫發(fā)電、鍋爐的摻氫摻氨發(fā)電、燃料電池?zé)犭娐?lián)供等領(lǐng)域,都已有豐富的探索和商業(yè)實踐。盡管在技術(shù)和成本等方面仍存在一定挑戰(zhàn),但氫能的能源化應(yīng)用場景正在迅速發(fā)展,并帶動產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模增長。氫能在工業(yè)領(lǐng)域具有成熟的應(yīng)用基礎(chǔ),幾十年來一直做為各領(lǐng)域的工業(yè)原料被廣泛使用。而近年來,隨著工業(yè)脫碳趨勢的發(fā)展,綠氫替代灰氫的浪潮開始涌現(xiàn)。現(xiàn)有的氫氣運輸、儲存和利用的基礎(chǔ)設(shè)施將有效地促進(jìn)綠氫在工業(yè)領(lǐng)域的快速應(yīng)用和落地。要實現(xiàn)對灰氫的大規(guī)模替代,綠氫的成本競爭力至關(guān)重要。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望11中國氫能產(chǎn)業(yè)投融資事件氫能交通和燃料電池過去一直是氫能產(chǎn)業(yè)鏈統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2021年國內(nèi)氫能領(lǐng)域發(fā)生中投融資最活躍的領(lǐng)域,充分體現(xiàn)了氫能交通在

的投融資事件,七成集中在燃料電池與氫交通領(lǐng)產(chǎn)業(yè)鏈中的先導(dǎo)地位。同時,隨著氫交通對全產(chǎn)

域,具體包括燃料電池及其關(guān)鍵零部件制造、整業(yè)鏈商業(yè)化的拉動作用,氫能的其他應(yīng)用和上游

車制造等;其余投融資事件則聚焦于氫能產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域也開始受到投資者的關(guān)注,投融資事件持續(xù)

的其他關(guān)鍵環(huán)節(jié),如電解水制氫、氫氣儲運等。增多,說明中國氫能產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入全面爆發(fā)階段。

而到了2022年,盡管仍有約一半的投資流向了燃在這樣的背景下,一批氫能領(lǐng)域的新興企業(yè)正在

料電池與氫交通領(lǐng)域,但向氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游關(guān)鍵崛起,其中在技術(shù)研發(fā)、供應(yīng)鏈整合能力、商業(yè)

環(huán)節(jié)投資的案例數(shù)量在迅速增加,說明戰(zhàn)略和財化資源等方面具有實力的企業(yè)將能夠取得先發(fā)優(yōu)

務(wù)投資者愈發(fā)關(guān)注從關(guān)鍵材料到電解槽、從儲氫勢,有望成長為全球氫能產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。到氫消納等領(lǐng)域。中國已披露的氫能產(chǎn)業(yè)鏈投融資事件,2021–2022年(投融資事件數(shù)量,起)燃料電池與氫交通其他氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域26265212燃料電池零部件:極板燃料電池零部件:隔膜氫能設(shè)備零部件電解水設(shè)備2燃料電池零部件:其他1185燃料電池電堆6540儲氫及運氫512燃料電池系統(tǒng)81241加氫121燃?xì)淙細(xì)廨啓C62025氫能運營4交通工具2021202220212022來源:華興資本;BCG分析。注:限于數(shù)據(jù)可用性,只披露了融資事件的數(shù)量,而非融資總金額。1氣液分離、壓縮機、電氣設(shè)備等。2制氫、儲氫、加氫設(shè)備的零部件,比如機械電氣設(shè)備/氣液分離設(shè)備。2023年8月波士頓咨詢公司12中國氫能產(chǎn)業(yè)展望2.1

氫交通2.1.1

氫在交通領(lǐng)域的作用交通是氫能的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。在過去的幾十年里,交通行業(yè)在持續(xù)通過電動化進(jìn)行脫碳轉(zhuǎn)型。而在難以電動化的領(lǐng)域,如重載卡車、航運和航空,氫能的應(yīng)用則應(yīng)運而生。盡管目前需求量有限,但以氫為動力的交通對能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型至關(guān)重要,因為這標(biāo)志著氫的應(yīng)用從工業(yè)原料擴展到動力能源。在交通運輸領(lǐng)域的終端應(yīng)用之上,當(dāng)前的氫應(yīng)用示范也將拉動整條氫產(chǎn)業(yè)鏈(包括制氫

、儲運

、加注等環(huán)節(jié))的規(guī)?;畈l(fā)展

。在各種運輸方式中,以氫燃料電池汽車為代表的公路運輸對氫能的需求量最大,也是目前氫在交通領(lǐng)域最主要的應(yīng)用。在鐵路和航運方面,氫燃料也在進(jìn)行著諸多有益的示范

。例如

,2022年,世界上首批氫能列車組在德國正式運行

,首艘液氫渡輪在挪威投入10運營

。在航空方面

,空客公司計劃在2035年前推出以氫為燃料的ZEROe飛機

,但當(dāng)前1112尚無商業(yè)化應(yīng)用案例。接下來的部分,我們會重點討論氫能交通中最受關(guān)注的終端應(yīng)用—

燃料電池汽車。2.1.2

氫能汽車氫能汽車主要是指燃料電池汽車(FCEV),它使用燃料電池,利用空氣中的氧氣和儲存的壓縮氫氣發(fā)電,結(jié)合小型動力電池或超級電容一起為電機供電。另一條技術(shù)路線是氫內(nèi)燃機(H2-ICE)汽車,它通過直接在改造的內(nèi)燃機中燃燒氫氣來驅(qū)動汽車,取代汽油或柴油。盡管與燃料電池相比氫內(nèi)燃機技術(shù)更為初期,但不少汽車制造商也都投入開發(fā)氫內(nèi)燃機

,如康明斯

、豐田

、濰柴和北汽

,因為氫內(nèi)燃機可以利用已13有的內(nèi)燃機技術(shù),因此具有潛在成本優(yōu)勢,且在重載和惡劣工況下可能有更好的性能

。隨著零排放汽車滲透率的快速上升,全球燃料電池汽車市場增勢強勁。2021年

,全球燃料電池汽車的銷量超過1.7萬輛,同比增長超70%;至年底保有量已超過5萬輛。截至2021年底,乘用車在全球燃料電池汽車保有量中占主導(dǎo)地位,部分原因是日本和韓國汽車制造商在燃料電池汽車領(lǐng)域起步較早,其乘用車車型已經(jīng)在全球銷售,如現(xiàn)代Nexo和豐田10

法國24新聞臺《世界首列氫氣列車在德國運行》/en/live-news/20220824-whistle-blows-in-germany-for-world-s-first-hydrogen-train-fleet。11

OffshoreEnergy《巴拉德建成世界最大液氫渡輪》

/ballard-fuel-cells-for-worlds-largest-lh2-powered-ferry/。12

空客公司官網(wǎng)

/en/innovation/zero-emission-journey/hydrogen。13

康明斯公司官網(wǎng)

/news/2022/01/27/hydrogen-internal-combustion-engines-and-hydrogen-fuel-cells。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望13Mirai。而在中國,燃料電池汽車的主流應(yīng)用領(lǐng)域則是商用車和客車,中國汽車制造商也重點關(guān)注開發(fā)商用車車型(參閱圖7)。圖7

|

截至2021年底,全球燃料電池汽車保有量已超過5萬輛按照類型劃分的燃料電池汽車保有量,2017–2021年按照國家/地區(qū)劃分的燃料電池汽車保有量,2017–2021年千輛千輛60605252050445740403020100+64%35+64%3538<13256254<1122424894220013136261177132019852210<164201720182019202020212017美國2018中國201920202021乘用車客車商用車韓國日本歐洲其他地區(qū)來源:國際能源署(IEA);BCG分析。注:由于四舍五入的原因,可能存在分項之和不等于合計的情況。燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素包括以下四點:??燃料電池技術(shù)的進(jìn)步。燃料電池系統(tǒng)一直在向更高效、更耐久、更經(jīng)濟的方向發(fā)展,主要得益于貴金屬催化劑用量降低或替代技術(shù)研發(fā),以及燃料電池關(guān)鍵零部件生產(chǎn)規(guī)模擴大

。在中國

,2021年燃料電池系統(tǒng)的成本已迅速下降到700美元/千瓦(5,000元人民幣/千瓦)

。《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》

將燃料電池系統(tǒng)的成本目標(biāo)定為2025年實現(xiàn)300美元/千瓦(2,000元人民幣/千瓦)和2030–2035年的85美元/千瓦(600元人民幣/千瓦),與美國2030年左右達(dá)到80美元/千瓦的目標(biāo)接近

。141516配套基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。燃料電池汽車運行所需要的基礎(chǔ)設(shè)施涉及制氫、儲運、加注等環(huán)節(jié),其中加氫站是目前燃料電池汽車發(fā)展最直接的瓶頸。因此,鼓勵公共和私人部門投資加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè),是支撐燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。隨著加氫站建設(shè)的不斷推進(jìn),到2022年中

,全球已建成近千個加氫站(參閱圖8)。加氫站的運行依賴14

王賀武,

歐陽明高,

李建秋,

楊福源:“中國氫燃料電池汽車技術(shù)路線選擇與實踐進(jìn)展”,《汽車安全與節(jié)能學(xué)報》,13(2),

211,

2022年。15

中國汽車工程學(xué)會《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》。16

美國能源部《能源電池技術(shù)回顧(2021)》

/pdfs/review21/plenary8_papageorgopoulos_2021_o.pdf。2023年8月波士頓咨詢公司14中國氫能產(chǎn)業(yè)展望圖8

|

加氫站數(shù)量的增長為燃料電池汽車的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)各國家和地區(qū)加氫站數(shù)量(座)981777581470396343201720182019202020212022H1中國歐洲日本韓國美國其他地區(qū)來源:國際能源署(IEA);BCG分析。于穩(wěn)定、經(jīng)濟的氫源供應(yīng),目前的氫主要來自集中化的制氫工廠或分布式的加氫站站內(nèi)制氫系統(tǒng)。有觀點認(rèn)為,制氫加氫一體站是頗具前景的解決方案,因為它縮減了從17制氫工廠到加氫站途中昂貴且低效的氫氣儲運環(huán)節(jié)

。?氫燃料成本的降低

。氫燃料的成本占Class

8燃料電池重卡總擁有成本(TCO)的一半以上,因此昂貴的氫價一直是制約燃料電池汽車發(fā)展的另一個因素。目前,就每公里燃料成本而言

,在日本

、歐盟和美國

,終端加氫價格通常超過10美元/千克

,在中國則約為40–70元人民幣/千克(約6–11美元/千克

,不含補貼),不含補貼的加氫價格與柴油和汽油相比仍然高出很多18,19

。展望未來

,得益于綠氫供應(yīng)增加

、加氫站建設(shè)成本降低和加氫站利用率的提升,預(yù)計在2030年以前,中國終端加氫價格有望降至35元/千克以下

,實現(xiàn)與燃油重卡的TCO持平。17

國際清潔交通委員會(ICCT)《歐洲加氫站現(xiàn)場生產(chǎn)可再生氫的成本》

/publication/fuels-eu-onsite-hydro-cost-feb22/。18

標(biāo)普全球普氏分析公司

/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/electric-power/090221-platts-launches-hydrogen-pump-prices-in-germany-japan-and-california。19

標(biāo)普全球普氏分析公司

/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/energy-transition/110921-chinas-hydrogen-fuel-price-to-be-competitive-against-petroleum-by-2030-sinopec-marketing。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望15?政策支持

。在燃料電池汽車與燃油車實現(xiàn)成本平價之前,政策性補貼和指導(dǎo)仍是市場發(fā)展的重要驅(qū)動因素??梢钥吹皆絹碓蕉嗟恼疄槿剂想姵仄嚕ɑ虬诹闩欧跑囕v內(nèi))制定了政策目標(biāo)

。例如

,中國的目標(biāo)是到2025年燃料電池汽車保有量達(dá)到5萬輛,到2035年達(dá)到100萬輛;日本的目標(biāo)是到2030年燃料電池汽車保有量達(dá)到80萬輛;韓國則計劃到2040年累計生產(chǎn)620萬輛燃料電池汽車。為了實現(xiàn)這些目標(biāo),各國政府都提供了補貼和稅收優(yōu)惠方案。例如,中國政府在五個城市群啟動了燃料電池汽車試點,激勵措施覆蓋了燃料電池汽車的整個價值鏈,包括燃料電池汽車示范應(yīng)用、氫燃料電池關(guān)鍵零部件和氫能供應(yīng)等環(huán)節(jié)。在需求拉動增長到來前,政策推動仍將是氫交通發(fā)展最主要的驅(qū)動力。我們認(rèn)為燃料電池汽車的最大潛力在于長途重載商用車領(lǐng)域。與純電動重卡相比,燃料電池重卡的補能時間更短、重量更輕且能量密度更高。隨著氫燃料價格的下降和燃料電池系統(tǒng)成本的優(yōu)化,預(yù)計燃料電池汽車TCO將顯著改善

。我們的分析表明

,在全球主要市場

,與燃油重卡相比

,燃料電池重卡將在2030年前具有TCO優(yōu)

勢(參閱圖9)。圖9

|

2030年前,燃料電池重卡將在各主要市場與柴油重卡實現(xiàn)TCO平價長途重卡總擁有成本(TCO)1,2,3

,美元/公里中國美國歐盟2.42.22.01.81.61.41.21.00.82.42.22.01.81.61.41.21.00.82.42.22.01.81.61.41.21.00.8預(yù)計2027–2028年,燃料電池重卡與柴油重卡TCO持平預(yù)計2026–2027年,燃料電池重卡與柴油重卡TCO持平預(yù)計2027–2028年,燃料電池重卡與柴油重卡TCO持平202520302035202520302035xNG202520302035純電動柴油氫燃料電池氫內(nèi)燃機來源:BCG分析。123總車重大于15噸的重卡,假設(shè)年行駛里程為10萬公里至16萬公里(取決于地區(qū))。含車輛購置補貼和通行費減免(至2030年),如適用

。能源成本假設(shè):2023年采用實際值;2025–2028年假設(shè)恢復(fù)到危機前的水平,采用以2019年為起點的歷史增長率推斷。2023年8月波士頓咨詢公司16中國氫能產(chǎn)業(yè)展望案例1:2022年北京冬奧會中的氫交通2022年北京冬奧會是首個實現(xiàn)碳中和的奧運

總計超過一千輛氫燃料電池汽車、11個制氫基地賽事,這也標(biāo)志著目前世界上最大的燃料電池汽

和30多個加氫站投入了示范運營,此外還有一個車和基礎(chǔ)設(shè)施示范應(yīng)用,向世界展示了中國發(fā)展

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)全鏈條的運行管理。燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的決心。在北京冬奧會期間,2022年北京冬奧會:世界上最大的燃料電池汽車應(yīng)用示范?11個制氫基地?

1000多輛燃料電池汽車,包括800多輛客車、約140輛乘用車、若干輛卡車和餐飲車?

殼牌—張家口市交投集團合資的綠氫生產(chǎn)設(shè)施擁有20MW的綠氫產(chǎn)能,是世界上最大的電解水制氫裝置之一制氫?

來自北汽福田、吉?30多個加氫站參與示范,日加氫量達(dá)到23.5噸利、宇通和豐田等OEM的車輛,以及來自億華通和豐田的燃料電池系統(tǒng)燃料電池汽車儲運與加氫?大部分加氫站由中石化和中石油建造?

燃料電池汽車在張家口嚴(yán)寒氣候下進(jìn)行了測試,比賽期間

至-17°C?

涵蓋制氫、儲運、加氫和燃料電池車輛的數(shù)據(jù)管理與分析平臺,保障安全生產(chǎn)和運行氫能及燃料電池汽車

?數(shù)據(jù)還被用于碳減排的成效分析數(shù)據(jù)中心來源:文獻(xiàn)研究;BCG分析。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望17案例2:雄安新區(qū)制氫加氫一體站雄安新區(qū)是中國國家級戰(zhàn)略發(fā)展區(qū)域,于

到了國家科技部的支持。制氫加氫一體站模式將2017年宣布成立

。雄安新區(qū)貫徹“生態(tài)優(yōu)先

、綠

減少約30%的建站總成本,并對于所提供的氫氣色發(fā)展”的思路,規(guī)劃打造“氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新

實現(xiàn)約20%的經(jīng)濟性提升。同時,這一國家級的高

地”。2022年,中國石化集團宣布在雄安新區(qū)

示范項目將在制氫系統(tǒng)、整站氫安全管理、智能建設(shè)其第一座站內(nèi)電解水制氫加氫一體站,并得

化管理等方面實現(xiàn)多重技術(shù)創(chuàng)新。中國雄安:智能電解水制氫加氫一體站國家科技部支持的國家級科技創(chuàng)新示范項目模式創(chuàng)新實現(xiàn)經(jīng)濟性提升?通過站內(nèi)制氫模式,減少了外部氫源運輸過程中的成本增加與能量損耗,綜合經(jīng)濟性提升20%經(jīng)濟性能提升電解制氫系統(tǒng)創(chuàng)新實現(xiàn)能效提升?堿性電解水制氫系統(tǒng)采用插片式電解電堆設(shè)計,實現(xiàn)單片快速更換與升級技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化

?世界首創(chuàng)的標(biāo)準(zhǔn)化帶壓電堆,實現(xiàn)>80%電解效率的先進(jìn)能耗水平智慧安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化運維?中石化的首座智能電解水制氫加氫一體站?位于雄安新區(qū),預(yù)計2025年投入運營?實現(xiàn)分布式制氫場景下的全鏈條氫泄漏安全監(jiān)控與管理安全與智能化

?實現(xiàn)對制氫系統(tǒng)與分布式制氫站的整站智慧運維和預(yù)測性維護來源:中國科技部;中國石化集團;BCG分析。2023年8月波士頓咨詢公司18中國氫能產(chǎn)業(yè)展望2.2

氫儲能2.2.1

氫在儲能中的角色定位可再生能源的波動性對傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)提出了新要求。為了適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動特性,電網(wǎng)需要配備綠色儲能解決方案,使其能夠消納可再生能源產(chǎn)生的盈余電力并儲存至電力短缺時再釋放,通過大規(guī)模、長時儲能平滑可再生能源的季節(jié)性波動(參閱圖10)。圖10

|

可再生能源的波動性(以歐洲為例)發(fā)電量與需求量(歸一化處理)1.51.41.3季節(jié)性儲能1.2負(fù)載(需求)1.1電力過剩1.00.9電力短缺0.80.7太陽能發(fā)電量0.60.51月4月7月10月12月月份來源:Gabrielli,P.,Poluzzi,A.,Kramer,G.

J.,Spiers,C.,Mazzotti,M.,&Gazzani,M.(2020),“通過地下儲氫實現(xiàn)零排放多能系統(tǒng)的季節(jié)性儲能”,《能源工程學(xué)報》,121,

109629。氫儲能系統(tǒng)由于具備大容量、長周期、清潔高效的特性,被認(rèn)為是能夠良好匹配可再生能源電力的儲能方式(參閱圖11)。氫是一種高效清潔的能源載體

,能量密度高且零碳

。氫儲能系統(tǒng)作為一種化學(xué)儲能形式,可以以月度或季度的長周期儲存能量。區(qū)別于其他儲能方式

,氫儲能受地理因素限制較?。ú幌癯樗畠δ埽?,還可通過增加氫氣儲罐尺寸

,以較低的邊際成本,獨立于發(fā)電和制氫的規(guī)模而擴大其儲能能力。此外,氫的跨區(qū)域運輸比較容易(而這對于固定式電池來說幾乎是不可能的),且作為化工原料已經(jīng)廣泛使用于各種下游應(yīng)用場景。氫儲能具備諸多優(yōu)勢,在碳中和的時代背景下前景無限,且目前全球各地已開始積極的產(chǎn)業(yè)示范。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望19圖11

|

不同儲能技術(shù)的適用規(guī)模與存儲時長儲能時長月級周級氫儲能抽水蓄能壓縮空氣儲能天級鈉硫電池/液流電池儲能鋰離子電池儲能小時級分鐘級秒級飛輪儲能超級電容儲能系統(tǒng)容量1kW10kW100kW1MW10MW100MW1,000MW電磁儲能機械儲能電化學(xué)儲能氫儲能及相關(guān)來源:BloombergNEF。注:系統(tǒng)容量和放電時長以實際應(yīng)用為準(zhǔn),而非技術(shù)上限。展望未來,隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,儲能市場將出現(xiàn)多樣化的技術(shù)路徑,各路徑在實際應(yīng)用中互為補充

。2021年底

,全球儲能總?cè)萘恳殉^200吉瓦

。其中抽水蓄能(86%)仍然是最廣泛使用的長周期、大規(guī)模儲能技術(shù);其次是主要用于短期和分布式可再生能源存儲的鋰電池儲能(11%)

。隨著可再生能源比例提升,氫儲能預(yù)計將在發(fā)電側(cè)可再生能源的大規(guī)模、長周期儲能中發(fā)揮愈發(fā)關(guān)鍵的作用,尤其是在中國西北等風(fēng)光資源豐富的地區(qū)。202.2.2

氫儲能在可再生能源電網(wǎng)中的應(yīng)用2

1(參閱以氫能為核心的化學(xué)儲能系統(tǒng)涵蓋了氫氣制備、儲運以及以氫為燃料的發(fā)電圖12)。氫儲能應(yīng)用的核心是氫與其它能量形式(尤其是電)之間的轉(zhuǎn)換。在雙向的“電—氫—電”(power-to-gas-to-power,

P2G2P)過程中

,富余的可再生能源發(fā)電

,通過電解制氫系統(tǒng)制備氫氣,然后將氫氣儲存下來,再用于燃?xì)廨啓C或燃料電池發(fā)電。整個過程中沒有碳排放

,水和熱量是唯一的副產(chǎn)物

。而在單向的“電—氫”(power-to-gas,

P2G)過程中

,儲22存下來的氫氣則可作為一種商品進(jìn)行運輸,并在工業(yè)和交通等多領(lǐng)域得到應(yīng)用

。20

中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)《2022年儲能產(chǎn)業(yè)白皮書》。21

麻省理工學(xué)院《儲能的未來(2022)》

/research/future-of-energy-storage/。22

美國能源部《儲能大挑戰(zhàn)路線圖》/energy-storage-grand-challenge/articles/energy-storage-grand-challenge-roadmap。2023年8月波士頓咨詢公司20中國氫能產(chǎn)業(yè)展望圖12

|

氫儲能在可再生能源電網(wǎng)中的應(yīng)用發(fā)電側(cè)電網(wǎng)側(cè)用電側(cè)P2G1:減少棄風(fēng)棄光分布式發(fā)電/熱電聯(lián)產(chǎn)/可再生能源發(fā)電:光伏/風(fēng)電電網(wǎng)備用電源3削峰填谷調(diào)峰輔助容量、負(fù)載均衡加氫站燃?xì)廨啓C/燃料電池發(fā)電(包括制氫加氫一體站)電解水制氫G2P2:跟蹤出力、平抑波動工業(yè)和化工氫儲能電站氫能運輸儲氫氫氣的直接利用氫電來源:BCG分析。123P2G=power-to-gas,電轉(zhuǎn)氫

。G2P=gas-to-power,氫轉(zhuǎn)電

。含戶用。電網(wǎng)系統(tǒng)的容量和靈活性可以通過氫儲能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用電側(cè)的部署得到提升和優(yōu)化

。在發(fā)電側(cè)

,氫儲能在“電—氫—電”

轉(zhuǎn)換過程中,可以促進(jìn)可再生能源的消納,平抑出力波動、縮小與計劃出力的誤差;在電網(wǎng)側(cè),氫儲能可用于調(diào)峰輔助、負(fù)載均衡;在用電側(cè),則可以作為靈活性資源參與需求響應(yīng),用于峰谷套利,或作為備用電源以及離網(wǎng)電源使用。2.2.3

氫儲能的進(jìn)展和挑戰(zhàn)目前,全球氫儲能已進(jìn)入示范應(yīng)用階段,已有在實際電網(wǎng)中進(jìn)行的完整兆瓦級示范項23目

。近年來,多個國家均在積極進(jìn)行大規(guī)模氫儲能項目的示范。?在中國,在接下來的三年里,規(guī)劃總規(guī)模超過200兆瓦的氫儲能項目將陸續(xù)落地。例如,2021年12月,國家電網(wǎng)子公司與大連化學(xué)物理研究所合作,在安徽六安投入使用了質(zhì)子交換膜電解制氫、儲氫和氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。該項目制氫能力為220立方米/小時,配備了一個200千克的儲氫容器(20MPa)和六套200千瓦的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。23

部《

戰(zhàn)

圖》

/energy-storage-grand-challenge/articles/energy-storage-grand-challenge-roadmap。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望2124該項目標(biāo)志著國內(nèi)第一個兆瓦級儲氫電站

的誕生

。此外

,國家電投西藏分公司在建25的“風(fēng)光電—氫—電熱”示范項目

、大唐集團投建的山西首座氫儲能綜合能源互補項26目

,也均將在未來三年落成

。電網(wǎng)對靈活性的要求與日俱增,氫儲能系統(tǒng)有望隨著發(fā)電廠的升級改造在2030年形成規(guī)?;瘧?yīng)用(參閱圖13)。摻氫燃?xì)廨啓C發(fā)電技術(shù)可能更適用于天然氣豐富的地區(qū),但中國的一個特殊情況是,對火電設(shè)施進(jìn)行較小改造后實現(xiàn)摻氨燃燒可能更具推廣基礎(chǔ),這是由于中國目前仍然嚴(yán)重依賴燃煤發(fā)電,并且已有大量的火電廠。由綠氫制成的綠氨可摻入煤炭中燃燒,使傳統(tǒng)的火電廠脫碳。例如,國家能源集團已經(jīng)成功在40兆瓦的燃煤發(fā)電機組上進(jìn)行了摻氨35%的示范

。27圖13

|

基于儲能的中國電力系統(tǒng)展望區(qū)域間區(qū)域內(nèi)特高壓輸電發(fā)電基地發(fā)電西北地區(qū):風(fēng)光發(fā)電+氫儲能?火電機組的靈活性升級,配置儲能?天然氣和氫氣發(fā)電?分布式光伏發(fā)電負(fù)荷華東地區(qū):負(fù)荷中心+分布式儲能?負(fù)載優(yōu)化和需求響應(yīng)?基于分布式電源的微電網(wǎng)?電動汽車V2G—基于動力電池的分布式儲能西南地區(qū):水力發(fā)電+抽水蓄能來源:文獻(xiàn)研究;BCG分析。24

人民網(wǎng)《安徽六安兆瓦級氫能綜合利用示范站首臺燃料電池發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電》

/n2/2021/1230/c227767-35075113.html。25

北極星太陽能光伏網(wǎng)《國家電投將建設(shè)全球首個氫–氧綜合利用的“風(fēng)光電–氫–電熱”示范項目》

https:///news/20211118/1188657.shtml。26

大同市人民政府《山西首座氫儲能綜合能源互補項目簽約

/dtszf/jyjbmdth/202001/a707f2a92d194bb19af25fd98873f848.shtml。27

人民網(wǎng)《我國成功研發(fā)燃煤鍋爐摻氨燃燒技術(shù)》

/n1/2022/0125/c1004-32339151.html。2023年8月波士頓咨詢公司22中國氫能產(chǎn)業(yè)展望??在法國

,Smurfit

Kappa集團成功打造了氫能綜合利用示范項目Hyflexpower,該項目由電解水制氫設(shè)備生產(chǎn)氫氣,并實現(xiàn)了30%摻氫的燃?xì)廨啓C發(fā)電,成為了全球首個工28業(yè)級規(guī)模的氫儲能發(fā)電示范項目

。在美國

,ACES項目旨在開發(fā)世界上最大的氫儲能系統(tǒng)設(shè)施之一,該項目將為猶他州三角洲地區(qū)的Intermountain電廠提供跨季節(jié)長時儲能。該火電廠將在2025年之前被改造成840兆瓦的聯(lián)合循環(huán)機組,實現(xiàn)摻氫30%燃燒發(fā)電,并在2045年之前實現(xiàn)100%29燃?xì)浒l(fā)電

。?在日本,近70家能源企業(yè)

、科研院所與相關(guān)組織發(fā)起SIP“能源載體”項目

,自201430年以來一直致力于氨作為零碳燃料和氫能載體的相關(guān)技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范工作。目前,在中小型燃?xì)廨啓C的摻氨燃燒和鍋爐的煤粉摻氨燃燒發(fā)電等領(lǐng)域,均取得明顯研究成果和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。然而

,氫儲能這一領(lǐng)域也面臨著諸多挑戰(zhàn)

。由于“電—氫—電”過程往返效率較低

,且氫儲能基礎(chǔ)設(shè)施不成熟,目前氫儲能系統(tǒng)的總體經(jīng)濟性較差,無論是技術(shù)還是商業(yè)化層面均存在進(jìn)一步突破的空間。受技術(shù)和規(guī)模的制約,與其他儲能系統(tǒng)相比,氫儲能系統(tǒng)在當(dāng)前缺乏經(jīng)濟性上的競爭力

。研究表明

,目前國內(nèi)氫儲能系統(tǒng)的初始投資高達(dá)1.3萬元/千瓦,而抽水蓄能的成本僅為7,000元/千瓦

,電池儲能則為2,000元/千瓦。氫儲能系統(tǒng)最大的成本構(gòu)成是固定式燃料電池系統(tǒng),占總投資的近七成。為了實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用,氫儲能系統(tǒng)(特別是燃料電池系統(tǒng))仍然需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新來提升性能,并將成本降低至有商業(yè)競爭力的水平。為了解決這一問題,燃?xì)廨啓C、鍋爐、燃料電池制造商以及相關(guān)的研究機構(gòu)正不斷推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新,并通過示范項目不斷驗證和突破整體商業(yè)可行性。例如,氫燃料在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用

,因其更高的效率(包括熱效率)而受到關(guān)注

。此外

,相關(guān)方也在積極探索新的技術(shù)路線

,如高溫可逆燃料電池(RFC)等

。此外,業(yè)內(nèi)也在持續(xù)努力推進(jìn)氫能在下游產(chǎn)業(yè)的直接應(yīng)用,比如在燃料電池汽車加氫站中的應(yīng)用。氫能的直接利用省去了氫電轉(zhuǎn)化過程中的能量損失,進(jìn)而能夠提升整體經(jīng)濟31性

。麻省理工學(xué)院的一項研究

表明

,基于目前電網(wǎng)電價較低的情況

,短期內(nèi)氫能的終端直接應(yīng)用相比其在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用更具經(jīng)濟性優(yōu)勢。28

Smurfit

Kappa官網(wǎng)

/newsroom/2022/world-first-as-hydrogen-successfully-trialled-at-smurfit-kappa-plant-with-hyflexpower-demonstrator。29

電力雜志《美國猶他州先進(jìn)清潔儲能項目獲美國能源部5.04億美元貸款擔(dān)?!?/p>

/aces-deltas-giant-utah-salt-cavern-hydrogen-storage-project-gets-504m-conditional-doe-loan-guarantee/。30

日本科學(xué)振興機構(gòu)

https://www.jst.go.jp/sip/pdf/SIP_energycarriers2015_en.pdf。31

麻省理工學(xué)院《儲能的未來(2022)》

/research/future-of-energy-storage/。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望23以中國西北地區(qū)的某即將投入運行的綠氫示范項目為例,該項目預(yù)計利用上游光伏電站的綠電直接驅(qū)動總規(guī)模超過50,000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時的電解水制氫系統(tǒng)來生產(chǎn)綠氫,并供應(yīng)到石油煉化工廠,實現(xiàn)大規(guī)模氫儲能及氫能綜合利用。這一項目受益于當(dāng)?shù)刎S富的光照資源,其綠氫成本可以與當(dāng)?shù)氐幕覛鋬r格持平,甚至在一定條件下更優(yōu)。氫儲運基礎(chǔ)設(shè)施對氫儲能的應(yīng)用也尤為關(guān)鍵。目前,氫儲存和運輸?shù)母鞣N技術(shù)路線處于不同的成熟度和成本水平,我們將在本報告的第三部分詳細(xì)討論。氫儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,不僅需要氫儲存和運輸方法的最佳組合,更重要的是需要大規(guī)模氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。氫基礎(chǔ)設(shè)施的落地需要頂層規(guī)劃與實施層面的激勵措施相配合。2.3

氫工業(yè)2.3.1

氫在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用氫在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。2021年,全球氫需求量超過9,400萬噸,其中超過99%來自工業(yè)領(lǐng)域3

2(參閱圖14)。圖14

|

全球氫需求量主要來自工業(yè)領(lǐng)域全球氫需求量

,分下游應(yīng)用,2019–2021年(單位:百萬噸氫)9491其他9015(1%)511直接還原鐵5(6%)(5%)(1%)(1%)(5%)1514(15%)甲醇制備13(15%)(15%)34(36%)32(36%)33(37%)合成氨超過99%當(dāng)前全球氫需求量來自工業(yè)領(lǐng)域40(43%)40(42%)38(42%)石油煉化201920202021來源:國際能源署(IEA);BCG分析。注:由于四舍五入的原因,可能存在分項之和不等于合計的情況。32

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2022》/events/global-hydrogen-review-2022。2023年8月波士頓咨詢公司24中國氫能產(chǎn)業(yè)展望石油煉化是目前氫氣的最大應(yīng)用,該領(lǐng)域全球每年消耗超過4,000萬噸氫

,約占總需求的42%。此外,氫在工業(yè)領(lǐng)域的其他主要用途還包括合成氨、甲醇制備和直接還原鐵生產(chǎn)。在這些工業(yè)環(huán)節(jié)中,氫氣被廣泛用作原料或還原劑(參閱圖15)。圖15

|

氫在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用氫相關(guān)過程制氫用氫石油煉化合成氨終端應(yīng)用汽車制造業(yè)化肥行業(yè)化工行業(yè)…灰氫(化工工業(yè)副產(chǎn)氫)石油、氨、甲醇等氫藍(lán)氫(利用CCUS1的化工產(chǎn)氫)甲醇制備直接還原鐵綠氫(電解水制氫)綠氫取代灰氫以氫為原料的廣泛的下游應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力相對成熟的化工工藝來源:BCG分析。二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)。12.3.2

由灰氫轉(zhuǎn)向綠氫未來氫在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展將更多圍繞上游制氫環(huán)節(jié)。如今,幾乎所有的工業(yè)用氫都來自于化石燃料

,即灰氫

。2021年全球因制氫過程產(chǎn)生的二氧化碳排放量超過8.3億噸

,這樣的排放水平如果持續(xù)下去,氣候目標(biāo)將無法達(dá)成。因此,工業(yè)領(lǐng)域勢必逐漸由灰氫轉(zhuǎn)向綠氫,即用可再生電力電解水制氫。33這一轉(zhuǎn)變趨勢已經(jīng)開始

。2021年,電解水制氫電解槽的總裝機容量增長了70%,達(dá)到510兆瓦34

,但綠氫的滲透率仍然很低

,主要瓶頸在于綠氫的經(jīng)濟性

。目前

,綠氫的平準(zhǔn)化成本(LCOH)要遠(yuǎn)高于灰氫

。根據(jù)國際能源署

,基于2050年凈零排放情景,全球綠氫和灰氫(煤制氫)預(yù)計在2030年實現(xiàn)平價,LCOH收斂于1.5–4.0美元/千克氫氣(參閱圖16)。這有賴于綠氫制取在技術(shù)和經(jīng)濟性上持續(xù)取得突破。33

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2022》

/events/global-hydrogen-review-2022。34

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2022》

/events/global-hydrogen-review-2022。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望25圖16

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兩種技術(shù)路線下的氫氣平準(zhǔn)化成本,2020年及2030年的預(yù)測水平(基于2050年凈零排放情景)平準(zhǔn)化成本(LCOH)美元/kgH286基于2050年凈零排放情景,全球綠氫4和灰氫(煤制氫)的平準(zhǔn)化成本預(yù)計至2030年收斂于21.5–4.0美元/kg

H20灰氫,2020綠氫,2020灰氫,2030綠氫,2030來源:國際能源署(IEA)2021年報告;BCG分析。上述綠氫和灰氫的成本平價趨勢,將主要來自四大因素的推動(參閱圖17)。圖17

|

綠氫和灰氫的成本結(jié)構(gòu)、影響因素和未來變化趨勢成本項1主要影響因素電解槽成本電耗趨勢固定成本(~10%)電力成本(80%–85%)其他(5%–10%)綠氫和灰氫的價差將縮小綠氫成本?

電解槽成本降低、可再生能源電價下降和電耗水平的優(yōu)化,推動綠氫的成本下降可再生能源電力價格2固定成本

(~20%)煤炭成本

(45%–55%)其他(~30%)?

不考慮煤炭價格,碳稅的推出將推動灰氫成本上漲煤炭價格碳稅灰氫成本3來源:國際能源署(IEA)2021年報告;文獻(xiàn)研究;BCG分析。1232021年中國實際可再生能源電價和煤炭價格。補貼后的最終價格。以煤制氫為例。2023年8月波士頓咨詢公司26中國氫能產(chǎn)業(yè)展望?電解槽成本降低堿性電解水制氫(AEC)技術(shù)是發(fā)展最早、也是目前最成熟的電解槽類型。其他主要技術(shù),如質(zhì)子交換膜(PEMEC),尚處于商業(yè)化應(yīng)用早期,目前成本高于堿性電解水制氫技術(shù)。未來隨著電解槽裝機量的提升,規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)將進(jìn)一步降低平準(zhǔn)化成本。如果在工藝和材料技術(shù)上有所突破,設(shè)備價格將有進(jìn)一步下降的潛力。?可再生能源電價下降綠氫成本的80%–85%來自電價,這使得綠氫的成本對可再生能源電價高度敏感。假設(shè)煤價為800元/噸且不征收碳稅,當(dāng)可再生電力的每度電價格達(dá)到約0.16元/千瓦時,綠氫和灰氫(煤制氫)的平準(zhǔn)化成本有望打平(參閱圖18)。一些綠氫項目已經(jīng)與可再生能源電力供應(yīng)商簽訂了協(xié)議,以保證廉價電力的持續(xù)供應(yīng)。隨著可再生能源裝機量的持續(xù)提升,可再生電力的價格有望繼續(xù)下降。??電耗水平優(yōu)化電耗水平是影響電力總成本的另一個因素。目前對于大多數(shù)綠氫制備廠商來說,利用堿性電解水制氫系統(tǒng)制取綠氫的全系統(tǒng)電耗約為5.1–5.2千瓦時/標(biāo)準(zhǔn)立方米。隨著未來技術(shù)的突破,預(yù)計2030年左右可達(dá)到4.3–4.5千瓦時/標(biāo)準(zhǔn)立方米,進(jìn)而降低約7%的平準(zhǔn)化成本。碳稅的出臺盡管目前大多數(shù)國家尚未開始征收碳稅,但可以預(yù)期,碳稅政策的實施將有效推動凈零排放的實現(xiàn),通過推高化石燃料產(chǎn)氫的成本,進(jìn)一步縮小綠氫和灰氫之間的價格差距。例如,在無碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)的情況下,征收700元/噸二氧化碳的碳稅,相當(dāng)于灰氫(煤制氫)成本增加14元/千克氫氣

。假設(shè)煤炭價格為800元/噸,碳稅為2,000元/噸(即約700元/噸二氧化碳),當(dāng)可再生能源電價達(dá)到約0.4元/千瓦時,綠氫和灰氫(煤制氫)將實現(xiàn)成本平價(參閱圖18)。3535

國際能源署(IEA)《全球氫能回顧2022》

/events/global-hydrogen-review-2022。波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望27圖18

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中國綠氫和灰氫的成本平價分析平準(zhǔn)化成本(LCOH)元/kg

H2灰氫(煤制氫)綠氫49~0.16元/千瓦時~0.4元/千瓦時42352821147?煤炭價格:按800元/噸計算?碳稅價格:按0–2,000元/噸計算00.140.210.280.350.420.490.560.630.70元/千瓦時可再生能源電價來源:文獻(xiàn)研究;BCG分析。注:假設(shè)匯率為1美元=7元人民幣。2023年8月波士頓咨詢公司28中國氫能產(chǎn)業(yè)展望3.

氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,需要各環(huán)節(jié)長期的技術(shù)創(chuàng)新與突破,來解決全行業(yè)所面臨的技術(shù)成本高

、能量轉(zhuǎn)化效率存在瓶頸

、安全性管理缺乏體系

、數(shù)字化水平低等問題

。持續(xù)的技術(shù)迭代,以及跨行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新,正在為氫能產(chǎn)業(yè)注入加速發(fā)展的支撐與源動力。?在制氫領(lǐng)域,盡管目前的堿性電解水制氫(AEC)產(chǎn)品和質(zhì)子交換膜(PEMEC)產(chǎn)品被認(rèn)為相對成熟,但當(dāng)前市場上的產(chǎn)品都不是為了綠氫場景所設(shè)計的。它們來自氯堿行業(yè)、船舶行業(yè)、汽車行業(yè),其各自的技術(shù)特點均無法適應(yīng)綠氫場景下的電解水制氫需求

。因此

,無論何種技術(shù)路線

,制氫領(lǐng)域都需要革命性的產(chǎn)品創(chuàng)新

。??在氫儲運領(lǐng)域,壓縮氣氫是目前中國主流的氫儲運方式,其研發(fā)創(chuàng)新方向主要是提升工作壓力以提高氫氣密度,同時保障安全性;液氫儲運已在海外市場率先實現(xiàn)了商業(yè)化;其他各類氫載體的儲運技術(shù)目前也處于積極的商業(yè)化應(yīng)用探索階段?!皻洹姟鞭D(zhuǎn)化是氫能利用的關(guān)鍵技術(shù),目前在小功率分布式場景下以固定式燃料電池發(fā)電為主,而大功率集中式發(fā)電則采用氫燃?xì)廨啓C或鍋爐摻氨燃燒方案。三種方案下均已有明確的技術(shù)發(fā)展路線和示范場景,成熟的商用產(chǎn)品預(yù)計將在2030年以前推出并實現(xiàn)應(yīng)用。?氫安全管理則是近年來受到關(guān)注的一個新興領(lǐng)域。大規(guī)模用氫場景下的氫安全體系化管理是一項全新的挑戰(zhàn)

,需要從本征安全

、主動安全

、被動安全三方面著手

,并結(jié)合數(shù)字化手段,對氫能全鏈條進(jìn)行有效管理。3.1

氫氣制取3.1.1

制氫技術(shù)十年前,氫能僅作為一種清潔的替代燃料,在交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一定的發(fā)展。而如今,在碳中和的背景下

,氫能作為能源

、化工

、交通等領(lǐng)域大規(guī)模減碳的重要抓手

,將在更多嶄新的應(yīng)用場景中發(fā)揮價值。場景定義產(chǎn)品

。碳中和背景下所誕生的綠氫場景

,對電解制氫系統(tǒng)提出了全新的要求:??可大規(guī)模擴展并適應(yīng)吉瓦級規(guī)模應(yīng)用可直連綠電并適應(yīng)其波動性波士頓咨詢公司2023年8月中國氫能產(chǎn)業(yè)展望29??制氫效率高且安全穩(wěn)定系統(tǒng)易維護目前主要的制氫技術(shù)路線包括四種,其中堿性電解水制氫(AEC)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEMEC)技術(shù)在商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程中較為領(lǐng)先,而陰離子交換膜電解水制氫(AEMEC)和固體氧化物電解水制氫(SOEC)技術(shù)則仍處于實驗和研究階段。上述制氫路線,本質(zhì)上對應(yīng)酸性

、堿性

、固態(tài)三種電解水技術(shù)體系:???酸性電解水技術(shù):主要指PEMEC技術(shù)路線。受限于雙極板和膜電極的制造工藝,單堆酸性電解制氫難以擴大規(guī)模。此外,由于鉑等貴金屬的用量較大,其成本會隨電解系統(tǒng)規(guī)模的增加而升高。酸性電解水技術(shù)因其規(guī)模效應(yīng)不如堿性電解水技術(shù)明顯,在短期內(nèi)更適合于分布式小規(guī)模制氫場景。堿性電解水技術(shù):以AEC為主,也包括AEMEC。堿性電解水技術(shù)的關(guān)鍵零部件制造工藝成熟,其制造成本受益于供應(yīng)鏈的發(fā)展,由于規(guī)模效應(yīng)而不斷降低成本。因此,堿性電解水技術(shù)的發(fā)展特點更適用于大規(guī)模綠電制氫場景。當(dāng)然,目前堿性電解水技術(shù)仍需在綠電波動適應(yīng)性、產(chǎn)品易維護性等方面實現(xiàn)進(jìn)一步提升。固態(tài)電解水技術(shù):即SOEC,目前仍處在早期研究階段。目前中國市場以堿性路線居多。在過去兩年的大規(guī)模綠電制氫項目中,市場總體更傾向于使用AEC技術(shù)路線,而PEMEC技術(shù)路線則更多應(yīng)用于小型

、分布式的項目中(參

閱圖19)。預(yù)計在中期

,面向全球不同規(guī)模的綠氫場景

,AEC仍將是最具可行性的主流技術(shù)路線??傮w而言,堿性電解水制氫系統(tǒng)可能仍然是綠色制氫最廣泛的使用方法,但該技術(shù)在未來的競爭力將取決于技術(shù)創(chuàng)新和對特定應(yīng)用的適配性。2023年8月波士頓咨詢公司30中國氫能產(chǎn)業(yè)展望圖19

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堿性電解水制氫(AEC)和質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEMEC)的技術(shù)傾向2021–2022年中國綠氫項目數(shù)和產(chǎn)能,分技術(shù)路線2021–2022年中國不同規(guī)模綠氫項目數(shù),分技術(shù)路線(僅含已確定方案項目)15826,40986(44%)21,031(80%)4713(8%)59775,301(0%)(39%)41710(37%)10712項目數(shù)量(個)裝機量/計劃產(chǎn)能(MW)<4MW4–10MW

10–50MW

50–100MW

≥100MW堿性電解水制氫(AEC)質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEMEC)

規(guī)劃中,未確定?已確定方案的項目大部分選擇了堿性電解水技術(shù)路線?在10MW及以上規(guī)模的項目中,堿性電解水技術(shù)路線為主導(dǎo)?計劃中的項目大概率會采用堿性電解水技術(shù)路線,因為這些?在4MW以下和小型的試驗性項目中,用質(zhì)子交換膜技術(shù)路項目的制氫規(guī)模更大線的電解水系統(tǒng)占比更高來源:文獻(xiàn)研究;BCG分析。注:基于中國已披露的158個項目

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