中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，當(dāng)代石油石化
1全球氫能概況
“雙碳”目標(biāo)推動全球能源行業(yè)由高碳能源向低碳能源轉(zhuǎn)型，氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、應(yīng)用場景豐富的綠色能源，正成為全球關(guān)注和投資的熱點。根據(jù)國際能源署(IEA)2023年9月發(fā)布的統(tǒng)計報告，2022年全球氫氣總產(chǎn)量(含合成氣)超9500萬噸，其中純氫制備產(chǎn)量逾7900萬噸、工業(yè)副產(chǎn)氫氣逾1600萬噸，當(dāng)年全球氫氣總需求量達(dá)9500萬噸，超過2021年9400萬噸的歷史最高需求水平。在加氫站建設(shè)方面，據(jù)德國LBST最新發(fā)布報告顯示，2012—2022年全球加氫站保有量從215座增長至814座，其中2022年新投運130座加氫站(見圖1)。
歐洲、亞洲、北美是全球加氫站建設(shè)的主要地區(qū)，自2019年以來，亞洲地區(qū)在加氫站數(shù)量上實現(xiàn)了對歐洲地區(qū)的趕超，未來氫燃料電池汽車在亞洲地區(qū)將有更適宜的運營環(huán)境。
在我國，氫能被持續(xù)關(guān)注，近年國家及地方氫能支持政策密集出臺。2019年3月，氫能源首次被我國寫入《政府工作報告》，提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”;2020年5月，我國明確了“制定國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”，同年，國家相關(guān)部門出臺多個全國性燃料電池支持政策，地方政策也相繼加碼，主要聚焦于加氫站建設(shè)以及燃料電池車推廣;2022年3月，多部門聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》，規(guī)劃明確了氫的能源屬性，指出氫能是未來國家能源體系的組成部分，提出到2025年燃料電池汽車保有量約5萬輛，部署建設(shè)一批加氫站，到2035年形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)等目標(biāo);2022年6月，多部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，推動可再生能源規(guī)模化制氫利用;2023年8月，多部門聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》，這是我國國家層面首個氫能全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南。
在國家、地方諸多利好政策推動下，我國氫能產(chǎn)業(yè)呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢，氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展加快，氫氣在汽車交通領(lǐng)域的滲透率逐步上升。在氫氣生產(chǎn)方面，據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年我國氫氣總產(chǎn)量超3781萬噸，同比增長14.5%，我國已成為全球最大制氫國。
2我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀
我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于導(dǎo)入期，在國家政策扶持下，產(chǎn)業(yè)進入“規(guī)模化—降本—開拓市場”的量價循環(huán)，持續(xù)的技術(shù)進步有助于解決各環(huán)節(jié)核心技術(shù)的成本制約，進一步提升商業(yè)化競爭力。
2.1氫氣生產(chǎn)
在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，氫氣生產(chǎn)是源頭。從技術(shù)路徑看，目前主要制氫方式有天然氣和煤等化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫等，其中，化石燃料制氫具有較大成本優(yōu)勢，是目前主流技術(shù)。據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，2022年全球范圍內(nèi)天然氣(甲烷)制氫比例較高，約占62%，通過煤炭生產(chǎn)氫氣占比為21%。而在我國，煤制氫是主流制氫技術(shù)，2022年煤制氫占比超60%。在化石燃料制氫工藝中，煤制氫成本相對較低，但污染最重，煤制氫方法下氫氣與二氧化碳排放比為1∶11，而天然氣制氫和石油制氫方法下則分別為1∶5和1∶7。
世界能源理事會將伴有大量二氧化碳排放的氫稱為灰氫;將對伴生二氧化碳進行捕集、封存和利用后生產(chǎn)的氫稱為藍(lán)氫;利用可再生能源發(fā)電，通過電解水制得的氫稱為綠氫。在“雙碳”目標(biāo)下，以煤工藝為主的制氫模式面臨較大環(huán)保壓力，短中期來看，我國制氫結(jié)構(gòu)將逐步從灰氫過渡到藍(lán)氫，終極目標(biāo)是零碳排放的綠氫。
2.2氫氣儲運
氫氣密度為0.0899kg/m3，遠(yuǎn)小于空氣，難于高密度存儲，因此氫儲運成本較高，約占?xì)錃饨K端售價的30%。儲存氫氣主要有3種方式，包括氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。目前國內(nèi)高壓氣態(tài)儲氫應(yīng)用相對成熟，通過連接減壓閥即可方便快捷地釋放所需氫氣，運營成本相對較低，被廣泛用于車用領(lǐng)域。而低溫液態(tài)儲氫僅在航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用，固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫尚處于示范階段。
氫氣運輸分為氣態(tài)氫輸送、液態(tài)氫輸送和固態(tài)氫輸送，國內(nèi)以長管拖車運輸高壓氣態(tài)氫為主，但該方式適合短途，導(dǎo)致氫氣運輸半徑相對較小。隨著我國氫能市場逐步發(fā)展，氫氣需求半徑逐步增大，低成本、可高效跨域運輸?shù)墓艿垒敋鋵⒊蔀榘l(fā)展趨勢。在管道運輸方面，美國和歐洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的國家和地區(qū)，據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，全球氫氣管道近5000km，其中美國投入運營輸氫管道2600km，歐洲近2000km。我國氫氣管道建設(shè)規(guī)模目前較小，未來我國輸氫管道建設(shè)將提速，據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》數(shù)據(jù)，預(yù)計到2030年，我國氫氣管道將達(dá)3000km。
2.3氫氣應(yīng)用
在我國，化工需求在氫氣應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，氫氣廣泛應(yīng)用于石化、冶金、電子和航天等工業(yè)領(lǐng)域，在交通能源領(lǐng)域的應(yīng)用尚未形成規(guī)模。為推動能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，我國政府近年先后出臺大量政策加速推動氫氣的能源利用，特別是在發(fā)展氫燃料電池汽車方面給予了較大支持。
2016—2019年，我國氫燃料電池汽車產(chǎn)量穩(wěn)步上升，復(fù)合年均增長率達(dá)65%，截至2022年底，我國燃料電池汽車保有量已達(dá)12306輛，同比增長近38%。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，未來燃料電池車仍為我國氫能利用核心載體，預(yù)計到2025年，氫燃料電池汽車保有量將達(dá)到10萬輛，將拉動氫能市場規(guī)模進一步快速增長。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，到2050年中國氫氣需求量將接近6000萬噸，其中交通運輸領(lǐng)域用氫需求達(dá)2458萬噸，占比將超過40%。
與此同時，氫氣在我國交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨瓶頸。
一是供應(yīng)鏈體系不健全，加氫站網(wǎng)絡(luò)待完善。加氫站是氫能廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由于缺乏規(guī)范的加氫站建設(shè)審批流程，加上建設(shè)成本高，相較于遍布全國、數(shù)量逾10萬座的加油站，我國加氫站數(shù)量明顯不足，加氫成為了燃料電池汽車發(fā)展的瓶頸。我國目前運營加氫站主要集中在廣東、山東、上海、江蘇等4個省市，據(jù)國內(nèi)氫燃料電池行業(yè)研究機構(gòu)香橙會氫能數(shù)據(jù)庫最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，我國已建加氫站310座，其中僅240座正在運營。
二是成本過高。因燃料電池發(fā)動機昂貴，導(dǎo)致一輛燃料電池車售價是燃油車的近3倍，是鋰電池車的1.5~2.0倍。同時，作為燃料的氫氣價格較高，目前加氫站終端銷售價格在50元/kg以上，若以60元/kg價格計算，氫燃料電池物流車每百公里燃料成本約為柴油車的1.5倍。
三是技術(shù)瓶頸，氫能技術(shù)難點多，亟需從氫氣儲運和加注、氫燃料電池、氫儲能系統(tǒng)等主要環(huán)節(jié)重點突破“卡脖子”技術(shù)，如，嚴(yán)重影響燃料電池壽命和使用成本的質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)等。
3我國化工行業(yè)機遇分析
在“雙碳”目標(biāo)大背景下,我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來了加速期，根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2026—2035年，我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)5萬億元，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的蓬勃發(fā)展必將推動氫能材料需求持續(xù)旺盛，在碳纖維、質(zhì)子交換膜、催化劑等領(lǐng)域為化工企業(yè)帶來重要發(fā)展機遇。
3.1碳纖維
碳纖維是一種含碳量在90%以上，具有高強度、輕質(zhì)、耐高溫等優(yōu)良性質(zhì)的新型纖維材料。氫燃料車對儲氫瓶有較高安全性和輕量化等要求，當(dāng)前國內(nèi)車載儲氫方式主要采用金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)，發(fā)達(dá)國家則采用非金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)，Ⅲ型和Ⅳ型儲氫瓶均需要碳纖維材料。根據(jù)中國科學(xué)院寧波材料所特種纖維事業(yè)部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，氫能商用車攜帶4個儲氫瓶，單個儲氫瓶碳纖維用量約80.0kg;乘用車攜帶2個儲氫瓶，單瓶碳纖維用量約37.5kg。
目前我國對于儲氫瓶使用的碳纖維進口依賴度較高，約50%。雖然近年我國碳纖維產(chǎn)能明顯增長，但受限于原絲生產(chǎn)技術(shù)和碳化技術(shù)，碳纖維產(chǎn)品性能較低，儲氫罐所用碳纖維仍需從日本東麗、日本東邦、韓國SK等企業(yè)進口，日韓企業(yè)占據(jù)我國進口儲氫瓶用碳纖維70%以上的市場份額。我國多個省份已明確將在“十四五”期間大力推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，未來我國很可能成為全球最大的車載儲氫瓶市場。在龐大市場需求的預(yù)期下，目前已有企業(yè)開始進入碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域。
3.2質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜被廣泛應(yīng)用于燃料電池、電解水等領(lǐng)域，在燃料電池行業(yè)，質(zhì)子交換膜是電堆膜電極的關(guān)鍵材料，其性能優(yōu)劣決定著電池的性能和使用壽命。全氟磺酸質(zhì)子交換膜技術(shù)成熟、性能優(yōu)良，是目前應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子交換膜體系。
國外質(zhì)子交換膜生產(chǎn)企業(yè)主要有Gore、科慕(由杜邦拆分出的業(yè)務(wù))、陶氏化學(xué)、日本旭化成、日本旭硝子等，國內(nèi)質(zhì)子交換膜基本依靠進口，在國產(chǎn)膜電極中有約90%使用的是Gore公司膜產(chǎn)品。
國內(nèi)氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃有望帶動質(zhì)子交換膜需求大幅提升。截至2022年底，我國共有20個省、市、自治區(qū)公布了2025年氫燃料電池汽車保有量目標(biāo)，至2025年20個省、市、自治區(qū)總保有量目標(biāo)將達(dá)10.837萬輛，高于《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》提出的到2025年燃料電池汽車保有量約5萬輛目標(biāo)。質(zhì)子交換膜作為燃料電池關(guān)鍵部件的核心材料，其需求會隨著燃料電池車推廣而增長。
3.3催化劑
燃料電池成本是目前制約氫能普及率最突出的問題，而氫燃料電池“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)是氫能的催化劑。2020年9月，我國明確指出要重點支持催化劑等關(guān)鍵材料和零部件的研發(fā)突破。
在氫燃料電池的三大類催化劑中，鉑因具有熔點高、強度大、電熱性穩(wěn)定、催化活性好等優(yōu)點，成為目前生產(chǎn)企業(yè)的首選。不過，鉑族金屬資源高度集中，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計，世界鉑族金屬儲量大國有南非、俄羅斯、美國和加拿大，4國儲量占全球鉑族金屬資源總儲量99%以上。
我國鉑族金屬資源比較貧乏，未來隨著我國氫燃料電池普及，市場對鉑的需求將會增加，進一步導(dǎo)致鉑價格上漲，對氫能源發(fā)展形成阻力。目前一些企業(yè)和機構(gòu)圍繞開發(fā)替代貴金屬催化劑、提高電催化劑活性從而降低鉑金屬用量等內(nèi)容思考應(yīng)對策略。
4某石化企業(yè)氫產(chǎn)業(yè)鏈分析
得益于廣闊的應(yīng)用場景和較高的產(chǎn)業(yè)鏈價值，氫能的開發(fā)與利用不僅成為石化企業(yè)實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要路徑，而且演化為市場競爭的重要領(lǐng)域，包括中國石化、中國石油在內(nèi)的多家企業(yè)紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈。以華東地區(qū)某石化企業(yè)為例介紹企業(yè)層面氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局情況。
4.1氫氣的生產(chǎn)與化工消耗
華東某企業(yè)具備2700萬噸/年煉油、220萬噸/年乙烯產(chǎn)能規(guī)模，其氫氣系統(tǒng)由產(chǎn)氫裝置、耗氫裝置、氫氣管網(wǎng)組成，按照供氫壓力，氫氣管網(wǎng)由1.2Mpa、3.5Mpa和7.2Mpa等3個壓力等級的子管網(wǎng)組成，管網(wǎng)氫源主要來自重油制氫、煤焦制氫氣、乙烯裂解氫氣、3#/4#重整變壓吸附(PSA)氫、膜分離氫氣等。
為爭取低成本氫氣資源、減少浪費，近年該企業(yè)在氫氣系統(tǒng)優(yōu)化方面積極探索，力爭物盡其用，如，回收催化干氣尾氣中含有約50%的氫氣、對二甲苯(PX)異構(gòu)化尾氫等。截至目前，該企業(yè)氫氣產(chǎn)能約58000kg/h(其中工業(yè)副產(chǎn)氫約25000kg/h)。
該企業(yè)耗氫裝置主要包括渣油加氫、加氫裂化、加氫裝置、非芳加氫、PX異構(gòu)化、環(huán)氧丙烷/苯乙烯(PO/SM)等，聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、裂解汽油抽提和焦氣回收等裝置也有少量用氫，總耗氫約56000kg/h。經(jīng)全廠氫氣產(chǎn)耗平衡，尚有約2000kg/h氫氣可供外送。
4.2氫氣的能源利用
石化行業(yè)具有低成本氫氣優(yōu)勢，同時氫源穩(wěn)定，在發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈方面具有先天優(yōu)勢。該企業(yè)充分利用行業(yè)優(yōu)勢，并結(jié)合公司產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級布局實際，提前加速布局氫能市場。2021年6月，建成了所在市首座加氫示范站，將4#PSA裝置生產(chǎn)純度達(dá)99.99%的氫氣，經(jīng)管道運輸至新建加氫站作為氣源，加氫站加氫設(shè)計能力為500kg/12h。2023年7月，該企業(yè)在已建成投用加氫示范站基礎(chǔ)上，增設(shè)加氫機預(yù)冷器、高壓儲氫瓶組，優(yōu)化完善加氫工藝流程，新增4000kg/d的魚雷車氫氣充裝設(shè)施，可供20輛魚雷車(單輛載氫量200~400kg)向周邊加氫站輸送氫氣，實現(xiàn)了可同時為燃料電池汽車加氫及下游加氫站充裝的服務(wù)。
該企業(yè)氫氣生產(chǎn)成本10~12元/kg，較社會加氫站具有明顯成本優(yōu)勢。在國家與地方政策發(fā)力，持續(xù)加大氫能推廣力度的大背景下，未來擬將以增加氫氣產(chǎn)量，降低氫氣成本為目標(biāo)，穩(wěn)妥發(fā)展氫能業(yè)務(wù)，聯(lián)合地方政府不斷創(chuàng)新氫能應(yīng)用場景，逐步提升氫氣在區(qū)域市場的滲透率，努力建成所在省最大氫能充裝母站。
5發(fā)展建議
1)重視副產(chǎn)氫的利用，促進降本增效。從制氫的技術(shù)成熟度和成本方面考慮，短期內(nèi)制取高純氫最可行的方案是將工業(yè)副產(chǎn)氫充分利用。對于有大量副產(chǎn)氫的石化企業(yè)來說，氫能發(fā)展將是契機之一。應(yīng)重視副產(chǎn)氫的價值，提前發(fā)展和儲備氫氣分離和回收技術(shù)，加大對氫氣綜合利用的投入，在原有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上陸續(xù)開拓氫能產(chǎn)線，探索新能源轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟增長點。
2)加快產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，助推下游高端化延伸。受替代性交通運輸燃料等因素影響，“十三五”時期我國汽柴煤油表觀消費總量減少，年均增速為–1.7%。未來，隨著我國經(jīng)濟進入高質(zhì)量發(fā)展階段，經(jīng)濟增速的放緩會影響成品油消費的增長，同時交通運輸領(lǐng)域“脫油向電”趨勢加速，也對成品油消費構(gòu)成較大沖擊。作為以油品生產(chǎn)為主要業(yè)務(wù)的石化企業(yè)，應(yīng)加快減油增化步伐，特別是要在與氫能發(fā)展相關(guān)的新材料等方面加速發(fā)力，加大力度延長氫能產(chǎn)業(yè)鏈。碳纖維是氣態(tài)儲氫瓶的關(guān)鍵材料，碳纖維市場會隨著氫的熱度而持續(xù)擴張。
3)通過強強聯(lián)合，推進新能源與石化產(chǎn)業(yè)耦合，實現(xiàn)能化共軌。氫能的重要意義，不僅在于功能作用，更重要的是可作為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)減碳的重要手段。在推進“雙碳”目標(biāo)的大背景下，國內(nèi)氫能發(fā)展前景較好，石化企業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮生產(chǎn)與市場的區(qū)域優(yōu)勢，積極發(fā)力氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局，超前謀劃綠氫生產(chǎn)布局。在能源保障方面，通過強強聯(lián)合構(gòu)建多元化能源供應(yīng)體系。目前中國核電(7.930, 0.00, 0.00%)正在策劃用模塊式小型堆為工業(yè)園區(qū)、小型生產(chǎn)基地提供穩(wěn)定高效電能。針對煉化企業(yè)，建議在生產(chǎn)基地探索開展核電供電的應(yīng)用研究。此外，我國自主研發(fā)的第四代先進核能技術(shù)高溫氣冷堆的熱工藝可用于制氫，電和氫多能源協(xié)同解決。
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