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氢能源“降成本”为何困难重重?

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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2022-1-23 17:51:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 baizhaoshan 于 2022-1-23 17:53 编辑

2022年,即将到来的北京冬奥会刮起了一阵氢能源的旋风。冬奥会的火炬传递,全部采用氢能源。在核心赛区,延庆和张家口投入了700余辆氢燃料大巴车,用于日常的交通运输。

这股“氢旋风”还刮到了A股市场上,氢能源概念红到发紫,刺激个股频频涨停——主营气体运输装备的京城股份,在去年12月份实现了14个涨停板,股价单月飙涨300%;主营高压容器的石重装实现了六连板;开发氢能电源产品的动力源,也在上月下旬连续三个涨停板。

这是氢能源在当下火热的缩影。与其他新能源相比,氢能源不仅储量大、无污染,还兼具零碳排的特性。每单位质量所蕴含的能量更是石油的3倍、煤炭的4-5倍。除此之外,氢能源应用场景广泛,氢燃料电池可以供给重载卡车、有轨电车、船舶、无人机、分布式发电等行业;绿色制氢还可消纳太阳能和风能发电间歇式、状态高低起伏不定的问题。

根据中国氢能联盟的预测,到2025和2035年,我国氢产业产值将分别达到1万亿和5万亿规模。

氢能前景固然广阔,但落地的困境却不容忽视。

在国外,日美的氢能源能占到各自能源总量的10%以上。日本拥有世界上数量最多加氢站,美国则拥有最低廉的氢能源价格,两国燃料电池应用均已经投入商业销售。

反观国内,当前氢能源的占比只有4%。据未来智库测算,2020年我国氢能总成本约为60元~80元/kg,距离30元/kg的可商用价格相距甚远。

氢能源价格居高不下,还要追溯到制氢、储氢和运氢三大环节,它们使我国氢能发展面临着开局不利、技术瓶颈与规模化约束等重重难题,令“降成本”困难重重。

那么,氢能降成本难题究竟如何拆解?又如何破解?

一、点歪“科技树”的制氢


中国的能源结构可以归纳为“富煤、贫油、少气”。这种特殊的结构令中国成了名副其实的“煤炭大国”——大量的化工产业平均每天要消耗掉95万吨的煤炭资源,同时产生巨量的化工副产物。

这些副产物中,焦炉气和氯碱等是极其便利的制氢原料。我国氢能源产业发展的初期,就依托化工生产中的副产物作为主供氢源的原材料,以节省制氢投资,降低成本。

借助原生资源的优势,短短几年间,我国就成为世界第一大产氢国。2020年中国氢气产量突破2500万吨,已连续多年位列世界第一。

但成也萧何,败也萧何。

依托化工副产物生产的氢能源,有个致命的问题——不能算作真正的“绿色能源”。

事实上按照制氢工艺的不同,氢能源大体分为 “灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”三类。其中,借由对工业副产物进行提纯获取氢气,俗称“灰氢”。通过裂解煤炭或者天然气所得的氢气,便是“蓝氢”。“绿氢”则是通过可再生能源、电解水等方法,实现全程百分之百零碳排、零污染。

“灰氢”和“蓝氢”本质上仍然是用化石燃料提供能量,会产生大量的碳排放。相关研究表明,制造“蓝氢”所产生的碳足迹,比直接使用天然气或煤炭取暖高出20%,比使用柴油取暖高出约60%。而“灰氢”的污染还要高出18%-25%。纵使有碳捕捉与封存技术(CCS)降低碳排放,依旧是杯水车薪。

也就是说,要符合氢能源产业零碳排的核心理念,产业界只能期望于绿氢。

但中国的绿氢产能着实少得可怜。由于我国氢能源产业相较欧美日发展较晚,为了在短期内快速发展,我国优先选择了依托于优势资源煤炭发展氢产业,其代价便是,“绿氢”制备所需的基础建设的投资和相关技术迟迟未有发展。2020年,我国灰氢的占比超过60%,绿氢尚且不足1%。

一笔经济账可以看出绿氢与灰氢的成本差距:

在我国,电解水制氢的平均成本是38元/kg,其中电力成本要占到总成本的50%以上,而使用工业副产物制氢,平均成本仅仅只8-14元/kg。这意味着,工业电价要从当前的0.6kW·h对半折到0.3kW·h以下,绿氢才能在市场上具有竞争性。

但对标欧美日等国家,欧盟的绿氢的成本价低于14元/kg;美国的绿氢在12元/kg左右,而日本的绿氢成本固定在13.2元/kg。

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(图片来源:偲睿咨询)

如何让绿氢从奢侈品行列变成经济适用型,成为困扰中国氢能产业的一大难题。

而进一步拆分成本,造成绿氢高成本的两大因素分别是电力消耗量和架设电解槽费用。欧美给出的解答是政府引导+技术革新。

在欧盟,从2020起由政府牵头投资相继安装了6千兆瓦的可再生氢能电解槽,降低企业制造绿氢时电解槽的费用。

在技术上,欧盟摒弃采取工业用电电解水的模式,而使用PEM技术电解制氢。PEM技术的电解池结构紧凑、体积小,这使得其电解槽运行电流密度通常是碱性水电解槽的4倍以上,效率极高,平均每生产1立方米氢气可节省1千瓦时的电力。

想要让这个棵歪掉的“科技树”回到正轨,就需要投入很高的时间成本和资金成本。

去年11月,中石化建成首座PEM氢气提纯设施,其阴极和阳极催化剂、双极板以及集电器等关键核心材料部件均实现国产化,制氢效率达85%以上。而这笔投资的门槛是数十亿,研发周期在两年以上。

宝丰能源也在斥巨资投入绿氢项目。其在互动平台上表示,2021年4月,耗时两年后,公司首批电解水制氢项目全部投产,预计年产2.4亿标方“绿氢”和1.2亿标方“绿氧”。据其公开披露数据,近两年来,宝丰能源在绿氢项目上已投入超过20亿元。

除了两家代表性头部企业以外,绝大多数中下游的企业,仍在生产灰氢。如何将点歪的灰氢科技树扭转回绿氢产业,必将需要长时间的产业引导。

二、被“氢脆”卡脖子的储氢


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(图片为日媒所报道的碳纤维高压瓶)

作为一种化学性质活泼的气体,氢气生产之后,需要用一种既安全又经济的方式储存起来。储氢不仅是令我国头疼的难题,而且在全世界,都没有很好的解决办法。

国内的主流方法是采取高压气态储氢。目前,我国储氢瓶的成本造价在27000元左右,同时配套设施的价格在15万元,对标美国,储氢瓶的价格也在22000元左右,略低于中国,但同样高昂。

高成本源于氢顽皮的特性,学术上称作“氢脆现象”。

所谓“氢脆”是指,氢气会在金属晶粒附近聚集起来,破坏金属的结构,让金属胀气变脆。氢气会在金属内累积成18.7兆帕的高压,这是地表气压187倍。更糟糕的是,氢脆一经产生,就消除不了。

氢脆在历史上引发过严重的事故。

1943年1月16日的晚上,俄勒冈州造船厂发出巨响,尚未交付的自由轮一下子断成了两半,这在当时引起了巨大的恐慌,众人都以为是纳粹的黑科技。

无独有偶,2013年,世界上最宽的桥,旧金山-奥克兰海湾大桥为即将到来的通车进行测试。然而仅仅2周,负责把桥面固定在水泥柱上的保险螺栓就出现了裂痕,96个保险螺栓里有30个坏掉了,使得这座大桥几乎成了废品。

为了缓解“氢脆”的困扰,全球想出了一种特殊的解决方法——低温液态储氢。将氢气压缩成液体,能大幅避开气态氢造成的安全隐患。

学界普遍认为,液氢储运技术是储氢技术发展的重要方向。

但目前,我国液氢储运技术相对落后,缺少大容量、低蒸发率的液氢存储设备的开发。仅有的一些研究,多聚焦在高压气态储氢方面。

例如,2020年,中科院宁波材料所使用高强高模碳纤维作为储氢瓶的内胆,大幅提升了储氢瓶性能。企业方面,京城股份投建了全亚洲最大的高压储氢瓶设计测试中心及生产线。

储氢成本的大山,路漫漫其修远兮。

三、“爹不疼妈不爱”的运氢

作为氢气“出厂”前的最后一步,运氢在整个氢能产业链中地位举足轻重。

然而长期以来,我国的氢气运输产业处于“爹不疼妈不爱”的境地,没有系统性的规划——几乎所有中央和地方层面的战略规划中,都提到了制氢和终端应用环节。

(图片来源:偲睿咨询)

理论上,氢气运输产业分为短途和中长途两种。短途的运输可依赖长管拖车,中长距离的运输对成本敏感许多。其中一种经济的方式,是先将氢气转为高密度的液氢状态再进行运输。

液氢能适应陆运和海运的模式。在陆运上,液氢储罐最大容积可达到200立方米,是长管拖车模式的2倍。海运的液氢储罐最大容积可达到1000立方米,在欧洲和加拿大氢气运输中,就均采用液氢海运的模式。

如此重要的液氢在中国却产能极低。目前,液氢工厂仅有陕西兴平、海南文昌、中国航天科技集团有限公司第六研究院第101研究所和西昌卫星发射中心等,主要服务于航天发射, 总产能仅有4t/d, 最大的海南文昌液氢工厂产能也仅2t/d。目前, 中国民用液氢市场基本空白。

而对标欧美,美国是全球最大、最成熟的液氢生产和应用地域,拥有15座以上的液氢工厂, 全部是5t/d以上的中大规模,总产能达到375t/d。此外,亚洲有16座液氢工厂, 日本占了2/3。

另外一种是借由管道运输,但现实是,我国氢气管网严重不足,全国累计仅有100km输氢管道,且主要分布在环渤海湾、长江三角洲等地。在2016年的统计数据,全球共有4542km的氢气管道,其中美国有2608km的输氢管道, 欧洲有1598km的输氢管道。

目前,我国仅仅在《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》提到,期望在2030年建成1000m长的氢气运输管道。而对比国外,管道运输已经开始全面与上下游形成联动。

例如,德国在北莱茵至威斯特法伦州铺设的240km的氢气管道,在给用户供氢的同时这些氢气管道也为工业所用。德国Frankfurt的氢气管道直连加氢站与氯碱电解工厂,可以免去压缩机直接供氢。

总结来说,我国氢能运输仍处于“地方割据”的局面,还未形成规模经济。

四、破题关键词:液氢

氢能源产业的相关的难题是多方面的,但抽丝剥茧,氢能源产业迫切需要解决的问题集中在存储和运输之上。

原理很简单,“绿氢”的生产技术可以逐步迭代,但氢气如果不能长期低成本地存储,生产再多的“绿氢”都是徒增消耗。

此外,氢气如果不能便捷运输,氢能的广泛应用就是无从谈起。对照电力行业,正是高压输电技术的成熟,电力才能在全国范围内大规模应用。

而储氢与运氢问题的源头,在于液氢。

无论是存储端的低温业态储氢技术,还是中长距离的液氢运输,都少不了大规模液氢的身影。因此,如何提升液氢产量、开发相关储运设备,是氢能应用降成本的关键。

欧美日氢能产业的发展也能佐证这一点。欧盟早《未来氢能和燃料电池展望总结报告》就提到液氢重要性,同时在液氢方面的投资也从不吝啬。2021年在法国,一个液氢厂的投资就超过1.5亿美元。

美国垄断了全球85%的液氢生产和应用,根据美国氢能分析中心的统计,在液氢的帮助下,美国的氢能源被大量用于石油化工行业和电子、冶金等行业,两大行业平均每年要消耗掉82000吨的液氢。

日本则在液氢加氢站方面走在了前列。液氢加氢站具有占地小,储量大的优势,甚至能完成制氢就发生在加氢站里。

目前,日本有建成142座,占全球加氢站总数的25%,依托于加氢站,日本燃料汽车投放使用全球领先,燃料汽车的商业化也是全球最好的。

所以,中国的液氢亟需从当前军用、航天领域,走向大规模民用环节。

思考欧美日液氢的发展历程,我们有许多借鉴之处,概括而言,包括三点:

一、政策引导,为相关工作提前铺好路。2021年5月,国家相关部门陆续出台了《氢能汽车用燃料液氢》、《液氢生产系统技术规范》和《液氢贮存和运输技术要求》三个文件,制定了三项国家标准,这将对液氢发展起到关键性引领作用。

二、龙头企业牵头,建成大规模氢液化系统。液氢生产工厂的建设成本高,必须由龙头企业率先投产,提高生产规模,才能有效降低单位成本。

三、系统整合相关资源,发挥产学研机制作用。例如,建立政府、研究机构和企业的氢能源产学研合作平台,将科研产品第一时间应用到实际生产当中。

五、结语

世界已进入双碳时代。国际氢能委员会预计,2050 年氢能源将占全球能源消耗总量的18%,催生年产值2.5万亿美元的产业。

世界各国对氢能源越发重视,欧美日各国氢能源产业的规划已经做到了2050年后,并且还在迭代更新;而在我国,自2021年氢能被列为“十四五”规划重点发展产业后,国家和各地政府迅速出台了400多项政策,规划了2025年之前的产业发展目标。

一场事关产业政策、技术竞技的产业争霸赛已经打响。


本文来自微信公众号:偲睿洞察(ID:gh_18b571514102),作者:蔡凡
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