2024年綠氫化工研究報告-綠色產業(yè)智庫

綠色產業(yè)智庫研究報告行業(yè)概況發(fā)產節(jié)發(fā)房現(xiàn)聯(lián)行業(yè)環(huán)境裝經術力勢行業(yè)格局服力/志班注業(yè)動報告目錄綠氫化工概述綠氫化工概述國內外綠氫化工進展化學工業(yè)氫產業(yè)鏈綠氫化工項目發(fā)展情況一.綠氫化工概述(一)化學工業(yè)脫碳的必要性和緊迫性從全球看，化學工業(yè)是最難減排的工業(yè)門類之一，能耗排名第一，碳排放排名第三，僅次于鋼鐵和水泥。2022年，我國化學工業(yè)能耗總量10.7億噸標準煤，二氧化碳排放14.5億噸，是國民經濟重要的能耗和碳排放來源。受資源稟賦所限，我國化學工業(yè)煤炭消費占比高，煤化工產業(yè)體量大，二氧化碳排放強度高于國際平均水平。我國鋼鐵、水泥行業(yè)將隨著城鎮(zhèn)化完成逐步去產能，其能耗和碳排放也將隨之下降，但化學品需求仍有較大增長空間，且我國新產能占比高，為避免碳鎖定效應，亟需提高化學工業(yè)的可再生能源消費占比，降低碳排放。電力(0.66EJ)7%生物質(0.05EJ)煤炭(3.27EJ)天然氣(4.98EJ)石油(0.09EJ天然氣(4.98EJ)2022年全球初級化學品生產分品種能耗(單位：艾焦EJ)其余高價值化學品(2.55億噸)其余高價值化學品(2.55億噸)合成氨(4.198億噸)甲醇(2.61億噸)2022年全球初級化學品生產直接碳排放(單位：億噸)中節(jié)能生態(tài)產品發(fā)展研究中心一.綠氫化工的意義和作用GA-BCDEFUncompetitiveAsammoniaormethanol“Ase-tuelor氫能階梯5.0氫與電氣化和生物質能存在競爭和替代關系，應優(yōu)先應用在具有比較優(yōu)勢的領域?；瘜W工業(yè)雖然可通過產品結構調整、應用生物質能、直接電氣化、生產工藝優(yōu)化、數(shù)字化改造等措施減排，但要實現(xiàn)溫室氣體凈零排放，耦合綠氫是必由之路。全球化學工業(yè)依賴灰氫滿足用氫需求，每年排放二氧化碳約9億噸，發(fā)展綠氫化工是化學工業(yè)實現(xiàn)凈零排放的必然選擇?！?—一.綠氫化工的意義和作用(三)綠氫化工的主要方向(存量應用和增量應用)存量應用：綠氫替代綠氫及其衍生物替代灰氫，取消制氫環(huán)節(jié)溫室氣體排放，不改變后續(xù)化學工藝流程。增量應用：高溫工業(yè)過程用熱以綠氫替代化石燃料，對現(xiàn)有化石燃料鍋爐進行適氫改造，從摻氫到純氫，節(jié)約電力基礎設施投資，實現(xiàn)間接電氣化。增量應用：分布式熱電聯(lián)產開展自備電廠適氫/氨改造，以氫/氨代煤，降低環(huán)境污染和碳排放增量應用：長時儲能以氫及其衍生物作為儲能載體，平抑新能源供需的季節(jié)性失衡，提升能源系統(tǒng)可靠性。增量應用：系統(tǒng)耦合深入挖掘化學工業(yè)系統(tǒng)耦合潛力，促進能量和物質循環(huán)利用，為化學工業(yè)提供新型碳源，提高固碳能力。增量應用：助力交通行業(yè)減排發(fā)揮規(guī)?；茪?氨/甲醇的成本優(yōu)勢，助力長途重載運輸、航空和航運等難以直接電氣化的交通部門深度減排。二.國內外綠氫化工進展(一)中國綠氫化工進展1、中國氫產銷量2023年，我國氫產量3686.2萬噸，其中58%來自煤炭，22%來自天然氣，19%來自副產氫，1%來自電解水制氫、生物質制氫等其它方式。從產地看，西北、華北和華東是氫主產區(qū)，合計占比77.3%。2023年，中國30%的氫用于石油煉化，29%用于甲醇，27%用于合成氨，14%用于其它工業(yè)，不到1%用于其它領域?；瘜W工業(yè)用氫合計達86%,是最大的氫終端用戶?？紤]未來產量變化趨勢，如果2030年我國合成氨中的綠氨占比達到20%,甲醇生產中的綠色甲醇占比達到15%,石油煉化中的綠氫占比達到30%,2060年以上三個行業(yè)全面使用綠氫，那么2030年綠氫需求將分別達到210萬噸、220萬噸和375萬噸，2060年綠氫需求將分別達到1060萬噸、1520萬噸和250萬噸，如果考慮其它環(huán)節(jié)的綠氫需求，我國化學工業(yè)遠期綠氫需求有望接近3000萬噸，預計仍將是最大的氫終端用戶。甲醇29%發(fā)布時間發(fā)布部門見2020年9月等2020年12月面的發(fā)展，以支持石化行業(yè)的綠色轉型。“十四五”氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃2021年3月國家發(fā)展和改革委員會氫能在石化化工行業(yè)具有廣闊的應用前景，并計劃在綠色生產和可持續(xù)發(fā)展。2022年4月2022年6月等北京市氫能產業(yè)發(fā)展實施方案(2021-2025年)2021年6月上海市氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2020-2030年)2020年11月應用，以降低碳排放和捉高能效。廣東省氫能產業(yè)發(fā)展行動計劃(2020-2025年)2020年9月項目，提高氫能在化工生產中的使用比例。山東省氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2025年)2021年5月山東省發(fā)展和改革委員會進氫能產業(yè)與化工產業(yè)的深度融合。河北省氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2030年)2021年3月中國化學工業(yè)耦合氫能支持政策(2020年至今)二.國內外綠氫化工進展(一)中國綠氫化工進展3、中國綠氫化工的優(yōu)勢擁有產銷者優(yōu)勢擁有產銷者優(yōu)勢我國化學工業(yè)既是氫的最大消費者，也是各類副產氫的主要生產者。在綠氯尚未實現(xiàn)平價的近中期，化學工業(yè)作為主要的氫產消者(Prosumer),在合理的產業(yè)空間布局下，利用現(xiàn)有生產設施和副產氫完善氫應用，將為大規(guī)模耦合綠氫，發(fā)展綠氫化工奠定發(fā)展基礎。促進產業(yè)鏈發(fā)展促進產業(yè)鏈發(fā)展我國基礎化學品、電解槽、新能源產業(yè)都具有規(guī)模優(yōu)勢，化學工業(yè)大規(guī)模耦合綠氫將帶動電解槽裝機容量增長和成本下降，推動綠氫早日實現(xiàn)平價。氫能產業(yè)鏈發(fā)展將帶動下游產業(yè)發(fā)展，如催化劑、膜材料等，為化學工業(yè)帶來新的發(fā)展機遇。24增量綠電消納途徑增量綠電消納途徑風光發(fā)電將成為發(fā)電量主體，但存在隨機性、間歇性和波動性，光伏發(fā)電還存在季節(jié)性差異，綠電制氯和氫長時儲能是未來消納綠電、平衡季節(jié)差異的主要手段，化學工業(yè)將為綠氫提供穩(wěn)定的終端消納途徑。生產3000萬噸綠氫需要約1600億千瓦時綠電。安全風險低安全風險低化學工業(yè)長期和廣泛利用氫，熟悉高壓設備操作，擁有完善的基礎設施和豐富的安全經驗，氫應用的培訓成本、行業(yè)壁壘和安全風險相對較低。中節(jié)能生態(tài)產品發(fā)展研究中心二.國內外綠氫化工進展(一)中國綠氫化工進展中國石化是中國第一、世界第二大化學工業(yè)集團，擁有國內最大的制氫能力，2022年產氧(工業(yè)副產氫、煤制氫和天然氣重整制氫)445萬噸，占全國氫產量13.3%,絕大部分仍用于煉化和化工生產，少量用于加氫站。中國石化在氫的制備、儲運、加注和使用環(huán)節(jié)都有堅實的專業(yè)基礎，其遍布全國的石化煉廠、氣液儲運設施、輸配管線和加油站為布局氫能全產業(yè)鏈創(chuàng)造了得天獨厚的條件。2018年，中國石化成立新能源研究所，為集團氫能產業(yè)提供關鍵技術支撐和決策咨詢，搭建技術研發(fā)平臺，承擔重點研發(fā)項目，力爭在高性能燃料電池催化等石化材料、質子交換膜電解水制氫、加氫站關鍵設備國產化等領域實現(xiàn)更大突破，為實現(xiàn)氫能產業(yè)鏈自主可控作出更大貢獻，參與產業(yè)標準體系制定，推動技術創(chuàng)新與標準融合發(fā)展，為氫能產業(yè)穩(wěn)健發(fā)展提供保障。中國石化與國內主要能源企業(yè)深化互利合作，2021年至今通過下轄兩家投資平臺已戰(zhàn)略投資10家氫能頭部企業(yè)，涵蓋氫能全產業(yè)鏈。2022年，中國石化發(fā)布實施氫能中長期發(fā)展戰(zhàn)略，加快打造中國第一氫能公司，力爭成為世界領先氫能公司。中國石化按照“加氫引領、綠氫示范、雙輪驅動、助力減碳”的思路，聚焦氫能交通和綠氫煉化兩大領域，大力發(fā)展氫能一體化業(yè)務，引領氫能產業(yè)鏈高質量發(fā)展，計劃在“十四五”末建成1000座加氫站，加氫能力達到12萬噸/年，旗下加油站逐步向“油氣氫電服”綜合加能站轉型，減排二氧化碳1000萬噸以上。中國石化已在新疆庫車投建一座年產2萬噸綠氫的煉化項目，同時規(guī)劃在內蒙新建兩座年產5萬噸綠氫的煉化項目，遠期規(guī)劃綠氫產能超百萬噸。二.國內外綠氫化工進展(二)德國、美國綠氫化工進展天然氣33%甲疆15%化學工業(yè)是德國能耗最高的工業(yè)門類，德國氫年產量約70萬噸，德國化學工業(yè)的遠期綠氫需求量將接近350萬噸。德國巴斯夫是世界最大的化學工業(yè)集團，也是歐洲最大的氫生產商和消費者之一，位于路德維希的工廠年產25萬噸氫，目前仍以天然氣蒸汽重整制氫為主，計劃重點發(fā)展電解水制氫和甲烷熱解制氫。巴斯夫正與西門子能源合作建設50兆瓦PEM電解水制氫項目，甲烷熱解制氫研究由德國聯(lián)邦教育和研究部資助。石油煉化55%石油煉化55%共它8%化學工業(yè)是美國能耗最高的工業(yè)門類，美國氫年產量約1000萬噸，每年氫氣生產約產生1億噸二氧化碳當量的溫室氣體排放。預計美國化學工業(yè)遠期的綠氫需求也將達到3000萬噸。陶氏化學是世界第三大化學工業(yè)集團，也是質子交換膜、儲氫材料的重要供應商。陶氏化學正在加拿大薩斯喀徹溫省投資建設零碳裂解裝置，利用當?shù)爻渥愫土畠r的碳氫原料，開發(fā)改進的藍氫技術，稱為“循環(huán)氫”,將裂解裝置副產的富甲烷氣體轉化為氫氣和二氧化碳。氫氣作為裂解裝置燃料，二氧化碳在現(xiàn)場捕集，并使用第三方基礎設施進行運輸和存儲。三.化學工業(yè)氫產業(yè)鏈(一)工業(yè)副產氫潛力和應用我國是世界最大的工業(yè)副產氫生產國，來自焦化、燒堿、丙烷脫氫和乙烷裂解的年理論副產氫1187萬噸，是2023年工業(yè)副產氫產量的1.74倍，占氫年產量的32%。焦化副產氫是我國產量占比最高的工業(yè)副產氫，預計產量將隨焦炭產量一同下降。燒堿副產氫預計將保持穩(wěn)定。丙烷脫氫和乙烯裂解副產氫產量預計有較大增長潛力。世銅化聯(lián)產乙s綠氧護鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)產生的焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣，除用于冶煉還原劑，目前大部分作為助燃燃料和燃氣發(fā)電燃料。鋼化聯(lián)產是利用這些尾氣資源，提取分離一氧化碳和氫氣等氣體，進而生產甲醇、甲酸、乙二醇等載碳化工產品，同時輸出富氫氣體，返回高爐和燒結工序，降低煤炭消耗，實現(xiàn)鋼鐵、化工耦合系統(tǒng)降碳，“以2020年8月，晉南鋼鐵建成年產30萬噸乙二醇和15萬噸液化天然氣的鋼化聯(lián)產項目，配套建設一座日加氫量9噸加氫站，年產氫氣6萬噸，其中25%用于氫冶煉，60%用于生產載碳化工產品，剩余15%經提純后供400輛氫能重卡短倒運輸。晉南鋼鐵經過鋼化聯(lián)產改造后，每年減少二氧化碳排放193萬噸，減少氮氧化物排放700噸，噸鋼碳排放已降至1.43噸，較我國長流程煉鋼平均水平低18%,未來有望達到噸鋼碳排放1噸。(二)適合與化學工業(yè)耦合的制氫技術1、固體氧化物電解水制氫(SOEC)固體氧化物電解水制氫(SOEC)是固體氧化物燃料電池(SOFC)的逆反應，陽極和陰極都使用鈣鈦礦氧化物，電解質使用固態(tài)陶瓷，在600-1000攝氏度的高溫下反應，SOEC技術日趨成熟，10兆瓦級示范項目已開始商業(yè)運行，世界最大的SOEC生產商——美國BloomEnergy公司已累計部署SOEC超過1吉瓦。SOEC最主要的優(yōu)勢是利用外部系統(tǒng)輸入熱量(以高純水蒸氣形式)提高電解槽反應動力和電導率，從而提高電解水效率，電解槽直流側能效已能超過100%,特別適合與煉油、鋼鐵等蘊含大量高溫工業(yè)余熱的工業(yè)場景進行耦合。SOEC無需鉑、銥等貴金屬催化劑，對鎳需求比堿性電解少一個數(shù)量級，符合我國的資源稟賦；SOEC不僅能電解水，還能電解其它分子，便于整合進合成氨、CCUS等化學工藝流程；SOEC可設計成可逆裝置，做到SOEC與SOFC合二為一，實現(xiàn)現(xiàn)場制氫和熱電聯(lián)產，為終端用戶節(jié)約投資和占地。SOEC的高溫運行環(huán)境導致關鍵元件加速老化，降低可靠性，縮短使用壽命，導致目前運行壽命只有ALK和PEM的1/3到1/2。SOEC占地面積大于其它電解水制氫技術。SOEC電解槽冷啟動時間和爬坡時間較長，與波動性高、輸出不穩(wěn)定的可再生能源電力匹配相對較差。SOEC電解槽功率只有10兆瓦級。ReactantN?三.化學工業(yè)氫產業(yè)鏈(二)適合與化學工業(yè)耦合的制氫技術生物質制氫熱化學法生物法生物質制氫工藝路線和代表項目資料來源：勢銀氯鏈《生物質制范走進視野》生物質制氫技術是利用農林牧漁廢棄的各類生物質為原料，通過熱化學法或生物法制備氧氣。綠氫通常指可再生電力電解水生產的氫氣，但生物質制氫如果保證原料來自可持續(xù)的生物質資源，生產過程能源為可再生能源，也可視為綠氫。生物質制氫工藝與CCUS結合，有望實現(xiàn)負碳排放，但生物質供應鏈包括直接和間接的土地利用變化和化肥施用，這部分的溫室氣體排放不能忽視。熱化學法制氫是通過熱化學處理，將含水率低的生物質熱解和氣化為包含氯氣、一氧化碳、甲烷等可燃氣體的合成氣，然后進一步反應，使一氧化碳和甲烷繼續(xù)轉化，增加氫氣產量，最后凈化去除雜質，得到純凈氫氣。熱化學法制氫能實現(xiàn)較高的轉化效率和較大的生產規(guī)模，但需要高溫和復雜的氣體處理設備，催化劑能降低熱解溫度需求，提高氫氣產率，但催化劑的選擇和再生是技術難點。生物法制氫適用于含水率高的生物質，如廚余垃圾、污泥等，包括暗發(fā)酵、光發(fā)酵和生物光解水三種技術路線。生物質制氫輸入和輸出的物質和能量可與化學工業(yè)和環(huán)保產業(yè)深度耦合，如熱化學法與廢塑料化學回收協(xié)同，生物法與城鄉(xiāng)有機廢棄。生物質制氫使廢棄生物質和其它廢棄物得到資源化利用，替代化石能源，并減少常規(guī)污染物和溫室氣體排放，實現(xiàn)減污降碳，同時生產氫氣、熱能和其它化學品，發(fā)展?jié)摿薮?，綜合效益顯著。生物質原料收儲成本直接影響生物質制氫成本。國內現(xiàn)有生物質制氫裝置容量偏小，大多處于試運行階段，尚無法滿足大規(guī)模工業(yè)生產需要，制氫效率和成本仍有較大優(yōu)化空間。中節(jié)能生態(tài)產品發(fā)展研究中心—16—三.化學工業(yè)氫產業(yè)鏈(三)化學工業(yè)氫儲運儲存溫度(℃)儲存壓力密度(kg/m3)爆炸范圍(%)壓縮氫氣液氫甲醇液氨在當前技術條件下，高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫都不可避免損耗氫氣熱值，損耗比例從10%-35%不等。降低氫儲運環(huán)節(jié)能耗是降低用氫總成本的關鍵?；瘜W工業(yè)目前利用化石能源現(xiàn)場制灰氫，為下游工序穩(wěn)定供氫，儲氫需求較低，如果轉向波動性可再生電力現(xiàn)場電解水制綠氬，為平衡電解槽氫氣產量和化工生產用氯負荷，需要增加現(xiàn)場儲氫規(guī)模?；瘜W工業(yè)儲氫以滿足本地消費為目的，以使用低成本、高安全的中低壓氣態(tài)儲氫，減少加壓和冷凍能耗，降低儲氫成本。利用化學工業(yè)完善的儲存和運輸設施，以氨或甲醇形式存儲氫能，可大幅降低儲氫成本和長距離輸氫成本。氨的大規(guī)模儲存技術成熟，采用低溫常壓存儲液氨，可在-33.5攝氏度液化，比低溫液態(tài)氫儲存溫度(-253攝氏度)高得多，相應的能耗和儲罐絕熱要求也低得多。如果常溫儲存，可在0.99兆帕下液化，也比壓縮氫氣的壓力低得多。液氨儲存應用雙層結構絕緣圓柱形鋼罐，配置制冷和保冷系統(tǒng)，單罐存儲容量可達5萬噸。液氨運輸技術成熟，成本低廉，全球已有成規(guī)模的貿易與運輸體系，作為氫儲運載體的發(fā)展?jié)摿?yōu)良。甲醇存儲無需加壓和降溫，可用非承壓金屬儲罐存儲，難度和成本較低?；瘜W工業(yè)應用大型內浮頂儲罐，單罐容積可到2萬立方米，最大儲量可達1.4萬甲烷也是一種潛在的儲氫衍生物，優(yōu)點是可直接利用現(xiàn)有的天然氣儲運設施和用氣設備，缺點是氫轉換甲烷的副產水多，氫原子利用率低，甲烷生產和儲運環(huán)節(jié)存在溫室氣體逸散風險，并推遲純氫基礎設施改造進程。四.綠氫化工項目發(fā)展情況(一)綠氫化工項目進展0生物質制氫工藝路線和代表項目2023年國內綠氫項目下游應用分布(以綠氫年產能口徑)資料來源：中國平安證券研究報告《綠魚化工項目將如何落地》我國綠氫項目蓬勃開展，2023年有104個綠氫項目更新動態(tài)，涉及綠氫規(guī)劃產能218萬噸，其中4萬噸已投產，處在規(guī)劃/簽約階段的綠氫產能接近170萬噸，近80%的規(guī)劃綠氫產能用于化工生產，預計投資額超過4500億元。我國綠氫示范項目主要集中在新疆、內蒙、甘肅、寧夏等風光資源豐富的西北地區(qū)，最終產品以氨、甲醇為主；國外綠氫示范項目主要集中于歐洲、日本和中東等地，最終產品以甲醇、甲烷為主。綠氨、綠色甲醇與傳統(tǒng)化工相似度高，氫原子利用率高，技術經濟性好，示范工程規(guī)模相對較大，電源規(guī)模達吉瓦級，化學品產能達十萬噸級，綠氨已進入商業(yè)開發(fā)階段，而綠氫制甲烷和合成燃料仍處于小規(guī)模示范。四.綠氫化工進展和難點分析(二)綠氫項目類型類型與公共電網關系是否配電化學儲能初投資離網型物理隔離低是，大規(guī)模高短電網調峰型較少互動高否低長電網友好型頻繁互動較低是，中等規(guī)模中中資料來源：中國平安證券研究報告(《綠氧化工項目將如何落地》根據對電網的依賴程度，綠氫項目可分為離網型和并網型兩大類，并網型又可細分為電網調峰型和電網友好型。離網型需配置大容量的電化學儲能(20%,4小時)和儲氫，電解槽運行時長由配套綠電項目的可利用小時數(shù)決定，儲能可增加利用時數(shù)，用電成本由綠電成本和儲能成本共同決定，完全不與公共電網進行功率和電量交換，保證100%生產綠氫，適于電網基礎薄弱、風光電資源豐富的地區(qū)，但年運行時長偏短(1500-2200小時),初投資和折舊成本較高，單位制氯成本高(>20元/千克氯)。電網調峰型無需配置電化學儲能和儲氫，依靠風光耦合和公共電網調峰，電解槽制氫負荷恒定，運行時長最長(7000小時)。配套風光發(fā)電裝機容量一般大于電解槽功率，風光發(fā)電出力大于電解槽功率時余電上網，風光出力低于電解槽功率時使用網電。電網調峰型技術難度低，初投資和折舊成本較低，但依賴公共電網支撐才能穩(wěn)定運行，網電比例高且電價高(0.5元/千瓦時),減碳效果不足，單位制氫成本高(20-25元/千克氫),未來應用空間受限。電網友好型配置一定比例的電化學儲能(15%,2小時)和儲氫或僅配置儲氫，主要依靠電化學儲能、儲氫和工藝靈活性適應波動的風光電，盡可能減少與公共電網的功率和電量交換并利用低價谷電時段降低網電成本。電網友好型的初投資和折舊成本適中，技術難度高，年運行時長較長，網電使用比例低且電價低(0.3元/千瓦時),減碳效果好，單位制氫成本最低(16元/千克氫),有望成為未來主流的綠氫項目形式。四.綠氫化工進展和難點分析(三)綠氫化工重難點分析柔性化學合成電解制氫系統(tǒng)圖14綠氫化工關鍵環(huán)節(jié)示意圖傳統(tǒng)化工生產講求“安穩(wěn)長滿優(yōu)”,如果全部使用穩(wěn)定的網電來電解水制氫，完全符合傳統(tǒng)化工運行模式，但是網電的碳排放因子高。風光電源碳排放因子為零，但具有間歇性、隨機性和波動性，與保持剛性和連續(xù)的傳統(tǒng)化工運行模式存在矛盾。配置一定比例的電化學儲能可平滑風光電日內波動，但會提高綠氫化工項目初投資。風光出力波動與電解槽運行功率范圍之間存在矛盾。為實現(xiàn)制氫負荷隨新能源出力調整，電解槽自身的動態(tài)響應能力需要加強，單體電解槽要有更短的爬坡時間和更寬的負載工作范圍；電解槽最小工作單元要有較快的出入列速度和較短的黑啟動時間，以工作數(shù)量適應新能源出力變化。但是不同的電解槽技術有合理的負載區(qū)間和運行模式，過低負載和過頻繁的變負載運行將降低系統(tǒng)效率，帶來安全隱患。國內綠氫項