氫能產業發展對天然氣生產企業的影響及對策
——以川渝地區為例

何晉越 喬玲茜 曾金華 肖 強 劉 忠 章成東

1. 中國石油西南油氣田公司天然氣經濟研究所, 四川 成都 610051;2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部, 四川 成都 610051;3. 四川華油集團有限責任公司川西北分公司德源CNG加氣站， 四川 成都 611730;4. 中國石油青海油田公司, 甘肅 敦煌 736200;5. 中國石油西南油氣田公司輸氣管理處, 四川 成都 610213

0 前言

氫能作為一種典型的綠色新能源,具有高熱值、可再生、來源廣、零污染、零碳排等顯著特征優勢,不僅可以作為新型交通能源推動新能源動力轉型和保障能源供應安全,還能夠作為媒介實現各種能源品種之間的高效轉化,是推動傳統化石能源清潔利用深度脫碳和促進可再生能源規模發展的理想能源載體[1]。越來越多的國家開始重視氫能產業發展并將之上升到國家能源戰略高度[2]。中國2019年首次將氫能寫入政府工作報告,2020年將氫能列入能源范疇,先后出臺了系列措施為氫能產業發展助力提速,并推動制定國家氫能產業發展戰略規劃,也是中國實現《巴黎協定》碳減排目標、樹立負責任大國形象的重要舉措[3]。因此,在中國天然氣大發展的黃金時期,氫能產業的快速發展已勢不可擋。川渝地區作為中國天然氣主要產區和消費區之一,氫能產業發展勢必對川渝地區天然氣生產企業帶來影響。基于此,通過研判氫能產業發展現狀與趨勢,分析川渝地區氫能產業對天然氣生產企業的影響,為川渝地區天然氣生產企業參與和推進氫能產業發展提供對策建議,為中國氫能產業高質量發展提供一定參考。

1 氫能產業發展現狀與趨勢

1.1 中國氫能發展現狀

氫能是指氫在物理與化學變化過程中釋放的能量,作為低碳和零碳能源正在脫穎而出,具有能源性、載體性、環保性、發展性等屬性,是公認的二次清潔能源[4]。氫能產業是指以氫能及其配套設備設施為對象的企業經濟活動的集合,其產業鏈條涵蓋上游生產、中游儲運和下游利用,見圖1。

圖1 氫能全產業鏈示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole industry chain of hydrogen energy

氫能產業鏈上游發展呈現全球區域性分布態勢,已形成亞太、北美、歐洲三大區域版圖,亞太地區氫氣生產量居全球首位。2019年全球氫氣產量超過6 000×104t,而中國氫氣產量自2009年首次突破1 000×104t以來,已經連續12年保持世界第一,2020年或已突破2 500×104t[5],見圖2。

圖2 2009—2020年中國氫氣產量圖Fig.2 Hydrogen production in China from 2009 to 2020

氫能產業鏈中游發展正隨著氫氣儲運技術的進步不斷提速。儲存方面,目前主流的儲氫方法主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、固態儲氫和有機液態儲氫四種,有機液態儲氫尚處于研發階段,高壓氣態儲氫是當前應用最廣泛的一種儲氫方式[6],而固態儲氫發展潛力巨大。運輸方面,氫氣的運輸方式可根據氫氣狀態不同分為氣氫運輸、液氫運輸和固氫運輸，氣氫運輸是技術最成熟的運輸方式,包括長管拖車運輸和氣氫管道運輸等；液氫運輸具有經濟高效、安全性高等優點,包括槽罐車運輸和有機載體運輸,前者在歐洲、美國、日本等地發展得相對較為成熟,進入規模化應用階段,后者尚處于試驗和少量應用階段；固氫運輸目前在全球范圍內都處于探索試驗階段。

氫能產業鏈下游發展已呈現良好態勢,目前主要用于原油精煉、氨和甲醇等化工材料制備,氫燃料電池技術應用已相對廣闊,未來將遍及交通運輸、儲能發電、工業冶金等領域[7-8]。根據中國氫能聯盟舉辦的“十四五”氫能產業發展論壇上發布的數據,截至2020年底全球加氫站共有544座,中國建成加氫站128座,氫燃料電池汽車累計保有量達7 000多輛。2020年中國氫氣消費量已突破2 500×104t[5],主要消納途徑為化工企業氫氣自產自用,少部分用于交通領域示范,且已用于有色金屬冶煉等冶金領域。根據國際氫能委員會、中國氫能聯盟的公開資料[9]以及《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》[10]顯示,全球加氫站與氫燃料電池同步增長,到2050年,氫燃料電池汽車將占全球車輛的25%,氫能在中國終端能源體系中的占比將達到10%[11]。

1.2 中國氫能產業政策

自2019年氫能首次被寫入政府工作報告以來,國家各部委頻繁出臺支持政策,為氫能產業發展營造了良好的政策環境、提供了強力支撐,相關支持政策見表1。

表1 中國氫能產業主要支持政策列表

在國家強力推進下,地方政府也密集出臺了一系列發展規劃和指導政策[12]。據不完全統計,目前超過30個省、市、自治區出臺了支持氫能產業發展的規劃或政策,諸如北京、貴州、河北、寧夏、山東、四川、天津、浙江等出臺了氫能產業發展規劃或指導意見,廣東、河南、江蘇、重慶、上海等出臺了支持氫燃料電池產業發展相關政策,安徽、福建、甘肅等20多個省、市、自治區在其“十四五”規劃或其他相關政策文件中明確提出推動氫能產業建設,為氫能產業發展提供了強大的政策支撐與保障。

1.3 天然氣行業參與氫能產業建設趨勢

當前,全球正處于傳統化石能源向氫能等新能源過渡的第三次能源轉型期,天然氣產業發展進入鼎盛期,預計天然氣消費量將于2030年超越煤炭消費量,2040年超過石油消費量,全球將進入天然氣時代;氫能作為清潔優質的可再生能源,全球氫工業發展初具規模,具有較大的產業應用潛力[13],隨著技術革新和市場擴展將有望成為極具競爭力的能源種類,又可通過天然氣等化石能源制取,未來一段時間將與天然氣形成競合關系。

天然氣制氫是當前和今后一段時期的主流制氫方式。目前,全球48%的氫氣來自于天然氣重整制氫,僅4%的氫氣來自于電解水制氫[14],天然氣重整制氫已經存在一定的利潤空間,而電解水制氫遠未實現盈利。雖然電解水制氫極可能是氫能上游生產的最終答案,但天然氣制氫會是過渡時期的最現實選擇。

氫氣和天然氣同為氣體燃料,在本身屬性和產業鏈條上存在較高的相似性,一方面,氫能對天然氣在終端使用上有一定替代作用;另一方面,在天然氣產業中已經建成的大量輸氣管網、儲氣罐、加氣站、鍋爐等基礎設施很容易通過改造以便氫氣使用。氫氣可通過管道進行大規模、長距離運輸,但氫氣管道的造價約為天然氣管道造價的2倍。為了解決氫氣管道運輸基礎設施不足的問題,部分先進國家在嘗試一種新的氫儲運手段——摻氫天然氣管道輸送,在天然氣管網中摻混氫氣(氫氣含量≤20%),運輸結束后對混合氣體進行氫氣提純,具有良好的經濟性與安全性,是未來最具有發展潛力的低成本運氫方式。近期,歐洲多國啟動富氫天然氣應用計劃,利用現有天然氣燃氣設施,將氫氣與天然氣按一定比例混合作為家用燃氣使用。2020年歐盟委員會發布的《歐盟氫能戰略》、2019年澳大利亞發布的《國家氫能戰略》、2020年德國發布的《國家氫能戰略》都明確了天然氣產業基礎設施對可再生氫能的作用,天然氣行業參與氫能產業建設將成為趨勢。

2 氫能產業發展對天然氣生產企業影響分析

2.1 SWOT分析模型

目前,中國氫能產業已初步形成“東西南北中”五大發展區域,布局最廣泛的是東部區域,西部區域以川渝地區和陜西為代表。川渝地區是中國重要的天然氣生產和消費區域,2019年天然氣產量占全國天然氣產量近三成,消費量占全國10.7%,天然氣占一次能源消費比重超過15%，領先全國[15],中國石油、中國石化均將川渝地區視為其天然氣上產的主力區域,布局了一批重量級的天然氣生產企業,有的企業還同時負責天然氣儲運和銷售利用。川渝地區氫能產業起步較晚,但基礎扎實,政府重視,有望實現快速發展,氫能產業在川渝地區的發展勢必對川渝地區天然氣生產企業帶來影響。基于此,以川渝地區為例,采用SWOT分析方法(又稱態勢分析法),從優勢、劣勢、機會和威脅四個維度進行分析,構建氫能產業發展對川渝地區天然氣生產企業的影響模型,見圖3。

圖3 氫能產業發展天然氣生產企業影響SWOT模型圖Fig.3 SWOT model of the influence of hydrogen energy industry development on natural gas producers

2.2 優勢分析

2.2.1 區域資源稟賦良好

川渝地區水電資源豐富,以四川省為例,每年豐水期產生數十億乃至上百億千瓦時的富余水電,2019年富余水電已降至6年來最低,但仍高達92×108kW·h,可制備約17×104t氫氣,發展電解水制氫前景較好。川渝地區煉化、氯堿、合成氨等工業基礎扎實,工業副產氫資源豐富。同時,四川盆地是常規氣、非常規氣“雙富集”氣區,資源量分別占全國的23%和26%[16],目前,四川盆地天然氣產量占全國天然氣產量近三成,未來四川盆地天然氣產量占比將提至1/3[17],為天然氣制氫提供了潛在的氫源保障。

川渝地區制氫核心技術已經取得突破。部分企業掌握的變壓吸附提純氫技術國內領先,已有研究院所建成了天然氣等離子提裂解制氫副產炭黑中試裝置,四川大學、電子科技大學正與企業聯合開展電解水制氫研發,重慶大學在碳氫燃料重整制氫技術方面已有一定的基礎,多個工業氣體生產企業已經開始規模生產氫氣。

2.2.2 制氫環節存在機遇

雖然中國氫能聯盟預計到2050年中國氫能換算熱值占終端能源總量的份額將由現在的2.7%提升到10%,但短期內份額并不會迅速提升,并且氫能作為一種可承載其他形式能源轉換的儲能載體,天然氣可以轉換成氫能在能源結構的不斷調整改革中繼續發揮作用。因此,短期內氫能不會壓縮天然氣上游市場。制氫方面,與化工企業合作開展工業副產氣制氫、與電力公司合作開展棄水棄電制氫,以及潛在的天然氣制氫市場都有望成為天然氣生產企業新的業務拓展方向。

2.2.3 摻氫天然氣管道帶來重大利好

天然氣管道摻氫技術已成德國、荷蘭等國的研究熱點,國內通過遼寧朝陽可再生能源摻氫示范項目已實現天然氣管道摻氫示范,成都市《關于促進氫能產業高質量發展的若干意見》《成都市氫能產業發展規劃(2019—2023年)》也明確提出要探索發展天然氣管道摻氫技術。川渝地區的天然氣生產企業配套建設了大批天然氣集輸配氣管道,已在四川盆地內形成“三橫、三縱、三環”格局,集輸配氣管道45 400 km,一旦天然氣管道摻氫技術可行性得到充分論證肯定,天然氣生產企業可以利用現有天然氣管網摻輸氫氣,快速形成發達的氫氣管輸體系。

2.3 劣勢分析

四川省擁有良好的制氫資源和較強的產業基礎,但目前全省氫能產業發展尚處于起步階段。目前,四川省擁有一批涉足氫能產業的龍頭企業,已聚集從事氫氣制備、儲運、加注、燃料電池及整車研發制造等主要環節的企業及院所過百戶,產業基礎較為扎實,但仍面臨產業鏈有待打通完善、關鍵技術受制約、基礎設施不健全等主要問題。

重慶市氫能產業同樣處于起步階段。重慶市加快氫能產業招商引資,目前已有多個氫能及燃料電池汽車項目落地,中國氫能汽車工程研究院正在籌備,重慶氫能源產業布局覆蓋了制氫、燃料電池系統及關鍵配件、燃料電池汽車等多個環節,整體框架已經基本形成,發展亟待提速。

2.3.2 中游儲運技術瓶頸有待攻克

目前,川渝地區氫氣儲運環節產業基礎較為薄弱,少數企業和研究機構掌握部分氫氣儲運技術,僅能滿足現有小規模氫氣供需的基本要求。部分本土企業在高壓儲氫瓶、氫氣加注設備等方面具有技術優勢,電子科技大學、四川大學、清華四川能源互聯網研究院在釩鈦基儲氫合金技術等方面具備成果轉化能力。

2019年，成都市出臺的《成都市氫能產業發展規劃(2019—2023年)》在“發展重點”章節明確提出:“探索發展低溫液態儲氫、有機液態儲氫及合金固態儲氫等材料、技術和設備,以及天然氣管道摻氫技術。”然而,現有技術僅少數得到驗證,科技成果轉化面臨困境,部分關鍵技術成為發展瓶頸,亟待攻克[18]。

2.4 機會分析

2.4.1 氫能產業支持政策頻頻出臺

成渝地區雙城經濟圈建設提供機遇。2020年1月,中央財經委員會第六次會議提出建設成渝地區雙城經濟圈,在西部形成高質量發展的重要增長極,有利于加速推動川渝兩地氫能產業協同發展。此外,川渝地方政府頻出政策,成都市是國內對氫能產業出臺政策較為積極的城市之一,四川省、重慶市也于近期發布了氫能產業發展規劃和一系列補貼政策[19],見表2。

為驗證案例分析的準確性，引用文獻[15]的方法對此案例進行分析，得到故障模式重要度統計圖,如圖6所示。由圖6可得到6種故障模式重要度優先級排序為：齒條斷齒、齒條移動過位、齒面疲勞磨損、齒條移動不平穩、齒條移動發出異響、漏油，其結果與本文所用方法得到的結論基本一致，而且本文所用方法避免了計算機仿真所帶來的誤差，能夠通過較少的量化評價指標快速地對故障模式等級進行決策，所得結論更加明確且具有針對性，相較于實際工程應用中許多企業采用RPN法或危害性矩陣圖法確定其數控機床故障等級而言，本文方法更加客觀、準確且效率較高，便于企業設計人員進行重點分析、設計改進以及維修過程控制。

表2 川渝地區地方政府氫能產業規劃與支持政策列表

2.4.2 交通領域是下游利用發展重點

川渝地區在汽車工業上有著良好的基礎,氫能及燃料電池汽車產業鏈條基本打通,國家和地區規劃政策均將交通領域作為氫能示范應用最重要的領域,川渝地區具備氫能交通領域應用快速發展的條件,預計燃料電池產業將成為拉動整個川渝地區氫能產業發展的引擎。四川省高校、科研院所聯合省內龍頭企業已對燃料電池及整車(機)、加氫站等配套基礎設施研究多年,積累了大量研發和制造經驗,氫燃料電池客車已進入商業示范運行。重慶市現代化汽車工業基礎較好,發展氫燃料電池汽車產業具有先天優勢,多家本土車企早已布局氫能源的商用研發,招商引資獲得成效,多個氫燃料電池汽車項目接連落地。

四川省本地企業已在氫能交通領域應用方面積累了一定的經驗。中國東方電氣集團有限公司在燃料電池和燃料電池發動機等方面掌握多項關鍵技術,其聯合成都客車股份有限公司研發生產的第一輛氫燃料電池客車已于2017年成功下線。2018年西南地區首個加氫站——成都市郫都區氫能源加注站在郫都區現代工業港揭幕；同年依托該加氫站的氫燃料電池客車示范線進入商業示范運行,整條線路共有10輛氫燃料電池公交車,此舉標志著四川省成為全國第二個開展氫燃料電池客車商業示范運行的省份。截至2020年8月,四川省共建成加氫站5座,氫燃料電池示范車輛220輛,示范規模西部第一[20]。

重慶市本地企業乘勢而上加快氫能源商用進度,外地企業加緊布局重慶市場。重慶長安汽車股份有限公司持續開展氫燃料電池汽車研發已有10年,近年來長安新能源公司先后參與了3個國家級項目研究,目前正在研發增程式燃料電池SUV。此外,多個重慶本土車企透露,目前已著手或準備氫能源汽車的研發。2019年以來,多個重磅項目落地,包括兩江新區的氫燃料電池發動機項目,年產3 000套車用燃料電池動力系統及核心零部件生產基地,以及擬在重慶忠縣新建的氫能源汽車產業園區。此外,國內首個氫能共享汽車項目也落地重慶,中國氫能汽車工程研究院正在籌備當中。

2.5 威脅分析

2.5.1 氫氣終端市場對天然氣生產企業影響較大

川渝地區天然氣生產企業布局了數量較多的CNG加氣站、LNG加氣站。隨著氫氣終端市場的發展，如加氫站的建設、燃料電池汽車數量的增多,首當其沖的是CNG的市場。多個網約車公司對車輛進駐平臺提出了新規定,用3年時間淘汰所有非新能源車輛,此舉將阻斷CNG和汽油車輛在共享汽車市場領域的增長可能性。預計近3年內就會出現CNG市場壓縮的現象,LNG在長途客車和載重卡車等車輛上相比燃料電池仍具有經濟優勢,近期內影響不大,但遠期存在潛在影響。

2.5.2 加氫站建設管理相對薄弱

川渝地區氫能產業發展處于起步階段,加氫站建設管理相對薄弱,主要體現為歸口管理不清,審批過程復雜,加氫站建設制度化進程有待提升，加氫站建設用地困難,加氫站多擬址重點工業園區和都市核心區,土地成本高昂,安全環保要求高,審批困難。另外,加氫站建設所涉及的壓縮機、加氣機等核心設備和關鍵零部件多數依賴進口,國產化程度低,同時氫氣制備和運輸成本高,導致加氫站建設和氫氣加注成本居高不下。

3 天然氣生產企業參與氫能產業發展對策

3.1 參與戰略規劃與頂層設計

結合川渝地區氫能產業發展規劃、成渝地區雙城經濟圈的建設等內在需求,進一步分析川渝地區氫能產業發展的基礎和優勢,川渝地區政府應當共同出臺政策措施和創造有利條件,圍繞氫能產業發展需求,強化招商引資和本土培育力度,對氫能全產業鏈缺失環節針對性進行補鏈、強鏈[21],完善產業鏈布局。天然氣生產企業應當積極參與區域氫能發展規劃,明確發展目標和實現路徑,充分發揮天然氣生產企業的優勢資源,重點參與發展氫氣的制備、儲運、加注環節,與地方氫能產業發展互為配套,共同推進川渝地區天然氣產業和氫能產業共同快速發展。

3.2 與相關企業協同合作

川渝地區天然氣生產企業應當積極主動,與相關企業合作棄水棄電制氫和工業副產氣制氫,儲備天然氣制氫技術,搶占氫能產業上游市場。

首先,積極與相關企業合作棄水棄電制氫和工業副產氣制氫。根據川渝地區氫能產業發展現狀和相關政策解讀,目前川渝地區上游制氫將以棄水棄電電解水制氫為首選,氯堿工業為主的工業副產氣制氫和天然氣制氫也是重要選擇。在這種背景下,天然氣企業可以利用自身在中游運輸和下游終端銷售環節的優勢,與川渝地區的水電企業合作棄水棄電制氫,與四川石化有限責任公司等化工企業合作工業副產氣制氫,以搶占氫能產業上游市場。

其次,天然氣生產企業應積極發展天然氣制氫技術作為技術儲備。目前川渝地區主張棄水棄電制氫,并給予電價優惠和政府補貼,現階段若棄水棄電制氫發展成熟,可以完全滿足市場需要。但隨著氫能下游市場做大做強,氫能需求量會大幅上漲,并且隨著政府補貼的逐漸退出,以及枯水期的影響,現有模式可能出現供氫不足的情況。目前制約天然氣制氫在川渝地區發展的主要因素是價格劣勢,但在將來出現供氫不足的情況時,天然氣制氫可以作為一種很好的填谷方式和戰略替代。從另一角度考慮,四川盆地現在處于天然氣快速上產階段,根據川渝兩地政府規劃,預計到2035年川渝地區天然氣年產量將超過1 000×108m3。隨著能源消費結構的逐步調整,未來天然氣可能出現供大于求的情況,轉換成氫能使用將會是天然氣消納的一個重要途徑。再者,發展天然氣制氫可以緩解天然氣調峰保供問題,在天然氣需求量較小的時間段,天然氣生產企業可以將生產的過量天然氣制取氫氣,并將氫氣儲存或銷售,或通過燃料電池轉換成電能并入電網,緩解淡季天然氣供大于求的問題,減小儲氣庫建設壓力,為天然氣調峰保供提供更多解決方案。

3.3 充分利用天然氣管網優勢

川渝地區的天然氣生產企業可利用現有天然氣管網發展摻氫天然氣管道。多家天然氣生產企業已在川渝地區建立了比較發達的天然氣管網,并與全國管網連接。摻氫天然氣管道輸送是在天然氣管網中摻混氫氣,運輸結束后對混合氣體進行氫氣提純,具有良好的經濟性與安全性,是未來最具有發展潛力的低成本運氫方式。一旦天然氣管道摻氫技術可行性得到充分論證肯定,天然氣生產企業可以利用現有天然氣管網,積極發展摻氫天然氣管道,將生產的氫氣輸送到川渝地區乃至全國各地,搶占氫能產業中游運輸市場。同樣的,天然氣生產企業可以利用天然氣管網建設的技術優勢,組織建設專門的輸氫管道,成為為數不多有能力組織氫氣管道運輸的企業。

3.4 穩步探索加氣加氫合建站及加氫站

川渝地區的天然氣生產企業多數采用天然氣產運儲銷一體化運營模式,在發展氫能產業時有望復制這一模式。天然氣生產企業依托終端銷售平臺在川渝地區布局了相當數量的CNG加氣站、LNG加氣站,發展氫能產業銷售業務時,可依托現有CNG加氣站、LNG加氣站建立加氣加氫合建站,或將逐漸淘汰的CNG加氣站逐步改建為加氫站,在縮減建造成本的同時迅速占領川渝地區氫氣銷售市場。并可根據氫能產業市場發展形勢考慮新建加氫站,加密氫氣銷售網點。至此,天然氣生產企業可以形成氫能產運儲銷一體化發展模式,在川渝地區氫能產業發展中掌握主動權。

4 結論

當前,不論從資源儲量還是從環境友好的角度考慮,全球發達國家都十分重視氫能產業的發展,全球氫能產業發展已經向規模化發展大跨步前進,氫能產業發展機遇與挑戰并存。在政策引領下,川渝地區的氫能產業將進入快速發展期,氫能產業對天然氣生產企業會帶來一定的影響,但總體上機遇大于挑戰。天然氣生產企業應密切關注氫能產業發展動態,制定相關應對措施,積極融入氫能產業,在能源轉型的總體趨勢下持續高質量發展。