集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究

2024.09hRMl集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/2作者姓名按姓氏首字母順序排列。/insights/transitioning-chinas-industrial-sectors-creating-clusters-for-large-scale-本報告作者特別感謝以下來自企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的專家對報告撰寫提供的洞見與建議：陳學(xué)謙中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會氫能分會劉毅清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院王洪建北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司趙吉詩佛山環(huán)境與能源研究院本報告所述內(nèi)容不代表以上專家和所在機(jī)構(gòu)的觀點(diǎn)。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/3前言 5 7 7 8 集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/4工業(yè)是目前氫氣消費(fèi)量最大的領(lǐng)域，也是未來綠氫規(guī)?；瘧?yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域。從國內(nèi)情況看，2020年共計消費(fèi)氫預(yù)計增長2.5倍以上，達(dá)7500萬噸到1億噸。其中工業(yè)仍將是氫氣需求最大的領(lǐng)域，總消費(fèi)量占比接近60%，意的總共兩期120萬噸的氫冶金示范，和寶武在湛江的100萬噸氫基豎爐直接還原鐵示范等。在化工集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/5加速工業(yè)場景中綠氫的規(guī)模化發(fā)展。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/6大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)場景中實(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模應(yīng)用的解決方案。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/7在各類應(yīng)用場景中，工業(yè)生產(chǎn)對氫氣供應(yīng)的規(guī)?；?、連續(xù)穩(wěn)定性有更高的要求。圖表2對比了多能和用氫規(guī)模。從規(guī)?；罂?，單個典型規(guī)模的工業(yè)場景的氫氣需求量顯著更大。例如，交通行業(yè)用氫多呈單位用氫量*（噸氫氣/噸產(chǎn)量）較大規(guī)模0.33**較大規(guī)模需氫量典型規(guī)模0.18***典型規(guī)模需氫量5.4*單位用氫量在加氫站中指氫氣，在工業(yè)中指單位工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)所需的氫氣量。鋼鐵的單位用氫量基于氫氣直接還原鐵工藝路線。甲醇的單位用氫量取決于不同的工藝路線，在Power-to-X制甲醇路線中為0.19，在綠氫耦合煤制甲醇路線中為0.09；**加氫站的較大規(guī)模參照山西某鋼鐵企業(yè)的重卡加氫站規(guī)劃，單站用氫量是9.0噸/天；***加氫站的典型規(guī)模參照大興國際氫能示范區(qū)，單站用氫量是4.8噸/天。然而，國內(nèi)綠氫制取潛力較大的區(qū)域和需求集中區(qū)域存在一定地理錯配，不僅為實(shí)現(xiàn)綠氫的大規(guī)模連續(xù)穩(wěn)定供噸，占全國工業(yè)綠氫需求的40%，具有較強(qiáng)的地理聚集性。到2050年，氫冶金的進(jìn)一步發(fā)展推升了鋼鐵大省的參照山西某鋼鐵企業(yè)重卡加氫站規(guī)劃中的單罐儲氫量。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/8在此基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合各省風(fēng)、光可利用小時數(shù)以及電解水應(yīng)潛力。其中，內(nèi)蒙古的綠氫的供給潛力高于其他省份，且在2030年2030年供需差值(萬噸/年)暫無數(shù)據(jù)A注：此示意圖僅假設(shè)未來各省工業(yè)產(chǎn)能以目前規(guī)模和相關(guān)政策為依據(jù)，隨全國總產(chǎn)能變化的變化情況，并基于利用綠氫的生產(chǎn)路徑的發(fā)展情況續(xù)研究上述各因素影響下的綠氫供需的不確定性。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/9實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的綠氫供給可有多種方案（圖表4例如：在盡可能利用風(fēng)、光資源就地制取并利用綠氫的基礎(chǔ)濟(jì)性最佳的方案組合。下文第二章將具體分析適配工業(yè)場景的綠氫“制-儲-運(yùn)-用”各環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性及其影響因電力輸送氫氣輸送儲氫儲電運(yùn)氫可再生能源發(fā)電電解水制氫綠氫制取綠氫儲存&運(yùn)輸綠氫應(yīng)用電力輸送氫氣輸送儲氫儲電運(yùn)氫可再生能源發(fā)電電解水制氫鋼鐵用氫化工用氫煉化用氫交通用氫在工業(yè)的低碳、零碳轉(zhuǎn)型過程中，可實(shí)現(xiàn)“集群化發(fā)展”的區(qū)域的典型布局如圖表5所示，既包集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/10海上風(fēng)電港口光伏發(fā)電氫基燃料卡車運(yùn)輸甲烷蒸汽重整工業(yè)產(chǎn)能氫氣儲存可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組二氧化碳封存海上風(fēng)電港口光伏發(fā)電氫基燃料卡車運(yùn)輸甲烷蒸汽重整工業(yè)產(chǎn)能氫氣儲存可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組二氧化碳封存氫氣二氧化碳天然氣工業(yè)尤其是重工業(yè)的深度碳減排通常成本較高，這容易導(dǎo)致應(yīng)該先發(fā)展更低碳的工業(yè)生產(chǎn)路徑以創(chuàng)造綠氫需綠氫供給方要力求保障足夠規(guī)模、成本較優(yōu)的供給；與儲、運(yùn)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施要足夠到位以匹配供給和需求；集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/11單臺最大規(guī)模/啟停速度/啟停慢發(fā)展階段已商業(yè)化應(yīng)用商業(yè)化初期技術(shù)研發(fā)階段技術(shù)研發(fā)階段優(yōu)點(diǎn)-設(shè)備成本低-技術(shù)成熟-電流密度高-間歇性電源適應(yīng)性高-運(yùn)維成本低-材料成本低-可采用非貴金屬催化劑-理論效率高-可采用非貴金屬催化劑缺點(diǎn)-電流密度低-間接性電源適應(yīng)性低-電解液有腐蝕性-運(yùn)維成本高-設(shè)備成本高-貴金屬催化劑成本高且稀缺-陰離子交換膜量產(chǎn)難度大-技術(shù)仍處于研發(fā)階段-高溫環(huán)境下反應(yīng)，場景有限-技術(shù)仍處于研發(fā)階段集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/12主要假設(shè)參數(shù)：電解槽年利用小時數(shù)為3500h，設(shè)計運(yùn)行時長為50,000小時或25年；2023、2030、2050年電價分別為0.25、0.18、0.1元/。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/13集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/14在小規(guī)模場景的靈活性更高，其余大部分化學(xué)儲氫適用于中大儲氫集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/15從經(jīng)濟(jì)性看，圖表12對比了目前不同儲氫技術(shù)在適宜周期下的平準(zhǔn)化成本。其中，低壓、高壓儲罐的經(jīng)濟(jì)性較洞儲氫在歐洲已有用于工業(yè)場景的成功案例，例如，瑞集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/16運(yùn)輸狀態(tài)運(yùn)輸方式載氫量發(fā)展階段適用場景氣態(tài)長管拖車**~350kg/車成熟短運(yùn)距純氫管道**/大規(guī)模、長距離的純氫管道處于起步階段，未來采用更高鋼級的材料，仍需開展相關(guān)研究點(diǎn)對點(diǎn)天然氣管道摻氫/處于工程示范驗(yàn)證階段，可滿足摻氫比在10%以內(nèi)的技術(shù)和安全要求，實(shí)現(xiàn)更高摻氫比例、解決氫脆等問題仍有待研究多用與城市燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫和天然氣常熟官網(wǎng)摻氫液態(tài)液氫罐車**~2500kg/車較為成熟，當(dāng)前在國內(nèi)僅應(yīng)用于航天及軍事領(lǐng)域短中運(yùn)距船舶（以液氨為載已有商業(yè)化運(yùn)營，以液態(tài)合成氨為載體進(jìn)行運(yùn)輸超遠(yuǎn)距離貨車研發(fā)階段/**為報告重點(diǎn)分析的運(yùn)氫方式集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/17液氫罐車輸氫管道針對我國綠氫需求和供給集中區(qū)域存在地理錯配的特點(diǎn)，純氫管道有望成為大規(guī)模、遠(yuǎn)距離氫氣輸送的主要途10月，我國已建成投入使用的純氫管道總里程約為100公里v。自國家《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方3)輸氫管道：假設(shè)可實(shí)現(xiàn)100%的利用率，管道運(yùn)輸?shù)膯挝怀杀緸槿N方式中最低。當(dāng)輸送距離為200公里本文選取200公里的氫氣運(yùn)輸距離，以風(fēng)光資源較為豐富的內(nèi)蒙古鄂爾多斯為起點(diǎn)，運(yùn)送氫氣至陜西榆林為用氫地的距離作為參考。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/18為滿足未來大規(guī)模的運(yùn)氫需求，各運(yùn)氫方式將向單次運(yùn)輸承載量更大的方向發(fā)展。長管拖車可通過提升管束運(yùn)2～3萬噸/年的設(shè)計運(yùn)量、短途運(yùn)輸較為常見，隨著需求的增長，2030年單條管道輸送能力將以10萬噸/年為典在上述預(yù)期下，到2030年和2050年，各運(yùn)氫方式的成本變化情況如圖表15所示。如果輸氫管道可以實(shí)現(xiàn)100%利用率，在任何運(yùn)距下，它都是最具經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)輸方式。viii到2030年，得益于高壓管束發(fā)展對單車載氫量的提集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/19用氫場景示意圖技術(shù)說明減排潛力*技術(shù)成熟度試點(diǎn)項(xiàng)目優(yōu)點(diǎn)局限性高爐富氫冶煉-BF在高爐頂部噴吹含氫量較高的還原性氣體20%八一鋼鐵富氫碳循環(huán)高爐；Thyssenkrupp“以氫代煤”高爐煉鐵項(xiàng)目改造成本低，具備經(jīng)濟(jì)性，具有增產(chǎn)效果理論減排潛力有限，技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)全氫冶煉氫基直接還原在氣基豎爐或流化床中直接還原煉鐵中提升氫氣的比例95%河鋼富氫氣體直接還原德國直接還原鐵項(xiàng)目理論減排潛力較高，可供參考的國際經(jīng)驗(yàn)相對較多改造難度較高，基礎(chǔ)技術(shù)中等氫基熔融還原在熔融還原煉鐵工藝中注入一定比例的含氫氣體95%5內(nèi)蒙古建龍塞斯普氫基熔融還原冶煉理論減排潛力高國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)較少，改造難度較高，基礎(chǔ)技術(shù)較薄弱*減排潛力在零碳電力的支持下將達(dá)到最大值，其中直接還原鐵與電爐結(jié)合，熔融還原與轉(zhuǎn)爐結(jié)合。行業(yè)合成氨2.1億噸/年37%哈伯-博施法替換灰氫利用氮?dú)夂蜌錃庵迫『铣砂?，將煤炭或天然氣得到的灰氫替換為綠氫挪威Yara綠色合成氨項(xiàng)目煉油2.1億噸/年10%加氫處理替換灰氫將常減壓后的組分進(jìn)行加氫處理，降低硫含量，降低不飽和度，提高油品的穩(wěn)定性中國石化新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目，供給塔河煉化甲醇2.0億噸/年19%綠氫耦合煤炭替換灰氫新增需求利用綠氫調(diào)節(jié)合成氣中一氧化碳和氫氣比例，將碳元素盡多向甲醇轉(zhuǎn)換利用二氧化碳的氫氣直接制取甲醇寧夏煤化工耦合綠氫制甲醇河南安陽二氧化碳加氫制甲醇*用氫占比指該行業(yè)的用氫量占中國總用氫量的比例。不納入保證綠氫持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)所需的額外成本的情況，對比實(shí)現(xiàn)平價時的綠氫成本與綠氫制取成本變化趨勢，若考慮要保證綠氫連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的額外成本，例如配合網(wǎng)電利用以保證在風(fēng)光出力受限時制氫電力穩(wěn)定性的成綠氫路徑和傳統(tǒng)路徑實(shí)現(xiàn)平價的時間點(diǎn)將推遲。然而，在低碳綠色發(fā)展的趨勢和要求下，諸如對低碳生產(chǎn)的補(bǔ)集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/20集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/21在滿足綠色低碳用氫的基礎(chǔ)上，集群化發(fā)展可兼顧工業(yè)用氫規(guī)模性、連續(xù)性以及跨區(qū)域調(diào)配的要求。連續(xù)性規(guī)模性目標(biāo)跨區(qū)域調(diào)配連續(xù)性規(guī)模性目標(biāo)跨區(qū)域調(diào)配儲氫制氫對應(yīng)環(huán)節(jié)運(yùn)氫儲氫制氫對應(yīng)環(huán)節(jié)運(yùn)氫場景設(shè)置場景一：氫氣供需同址場景設(shè)置場景一：氫氣供需同址（解決時間波動性）場景二：氫氣供需異地場景二：氫氣供需異地（解決空間錯配）集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/22集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/23集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/24集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/25地區(qū)集中式光伏年有效利用小時數(shù)29，陸上風(fēng)電年有效距離），0集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/26地區(qū)集中式光伏年有效利用小時數(shù)，小時/年陸上風(fēng)電年有效利用小時數(shù)，小時/年距離（以浙江為起點(diǎn)），0集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/27集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/28集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/29了清潔氫的多元應(yīng)用場景和幫助多個行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳的路徑，設(shè)定了2030年1000萬噸、2040年2000萬噸、2050集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/3038豐富的可再生資源將區(qū)域電網(wǎng)脫碳和清潔氫能的發(fā)展提供了先決條件。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/31集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/32局獲取綠氫的最優(yōu)方式。前部署綠氫應(yīng)用。設(shè)立階段目標(biāo)和實(shí)施路線。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/33在宏觀層面，優(yōu)化統(tǒng)籌不同地區(qū)間的氫氣供需和儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模用氫的持續(xù)穩(wěn)定。集群化發(fā)展助力低碳轉(zhuǎn)型之：工業(yè)場景中大規(guī)模綠氫應(yīng)用模式研究/34final-RMI-化工報告China-Chemicafinal-RMI-化工報告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“我國巖鹽儲量驚人廢棄鹽穴可變身’’”19“Hydrogenstorage”,Hybrit,2024,https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-20MakingtheHydrogenEconomyPossible:AcceleratingCl