石化企業氫能業務發展現狀及建議

姜振強

(中國石化石油勘探開發研究院,北京 102206)

氫能具有資源豐富、能量密度大、生態友好以及應用場景豐富等特點,可實現全產業鏈零污染,被稱為“人類的終極能源”。氫能產業科技含量高、產業鏈長、社會效益好,是實現能源結構調整的戰略新興產業。據國際氫能委員會測算,到21世紀中葉,氫能將占據全球能源消費總量近20%,該產業還將創造3 000萬個就業機會,其市場規模超過2.5萬億美元,可減少6 Gt二氧化碳排放量[1]。

在能源低碳轉型的大背景下,氫能作為優質的清潔能源受到美國、日本和歐盟等國家和組織的高度重視,它們各自出臺了一系列發展戰略和產業政策,并投入大量資金進行關鍵技術攻關,推動了氫能產業的迅速發展。中國對氫能產業的發展也高度重視,2006年發布的《國家中長期科技發展規劃綱要》中就提到了氫能,此后,陸續出臺了《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》《氫能產業發展中長期規劃》等多項產業政策及發展規劃,將氫能劃入能源種類,并從戰略定位、產業結構、科技創新等多方面引導和鼓勵氫能產業發展。當前,中國氫能產業體系日益完備,形成了多個產業集聚發展區[2]。

1 氫能全產業鏈概述

氫能具有非常廣泛的產業鏈,涵蓋了氫氣的制備、儲存、運輸和氫能的應用等多個環節。氫能產業的發展對新能源、交通運輸、鋼鐵和化工等多個領域具有重要意義。

1.1 氫氣制備

根據氫氣的生產來源和排放情況,可以分為3種類型:灰氫(通過工業副產品制氫,成本低,碳排放量大)、藍氫(通過化石燃料制氫并運用碳捕捉和封存技術,成本較高,碳排放量較低)以及綠氫(利用再生能源制氫,成本較高,但無碳排放)[3]。目前,氫氣的制取有3種較為成熟的技術路線:一是使用化石能源,如煤炭和天然氣等制取氫氣;二是利用焦爐煤氣、氯堿尾氣和丙烷脫氫等工業副產氣來制取氫氣;三是通過堿性電解水和酸性質子交換膜電解水等方法來制取氫氣[4]。

中國是全球最大的制氫國家,年產氫氣約33 Mt。就氫氣的來源而言,目前我國主要以煤制氫為主,約占62%;天然氣制氫占比為19%;石油制氫和工業副產氣制氫占比為18%;電解水制氫僅占1%[5]。影響選擇制備氫氣方式的主要限制因素是成本,煤制氫的成本為9～11元/kg,天然氣制氫的成本為15～20元/kg,工業副產氣轉化制氫的成本為10～16元/kg,電解水制氫的成本為30～40元/kg[6]。

1.2 氫氣儲運

氫氣的儲存和運輸技術是制約氫能產業大規模發展和應用的關鍵問題之一。氫氣在常溫、常壓下為氣體,容易擴散,儲能密度低,燃燒溫度范圍廣,容易使金屬材料產生氫脆,因而增加了高效安全輸送和儲存的困難。目前主要的氫氣儲存方式有:高壓氣態儲存、低溫液態儲存、液態有機儲存和固態儲存。一般根據儲氫狀態和運輸量的不同,將氫氣的運輸方式劃分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。適用于大規模氫能運輸的技術方案主要有高壓氣氫拖車、液氫槽車、管道輸氫3種方式,高壓氣氫拖車運輸是中國目前主流的氫氣運輸方式;液氫槽車運輸具有質量密度高、氫氣純度高的優點,但是存在能耗高、投資大及成本高的缺點;管道輸氫方式包括純氫管道輸送和天然氣摻氫管道輸送,可實現大規模、遠距離、低成本運輸氫氣。目前,全球范圍內氫氣輸送管道總里程已超過5 000 km,中國在用的輸氫管道僅數百公里,輸氫管道建設則仍處于起步階段。

1.3 氫能應用

氫能在國際上被廣泛地應用于交通、儲能、工業、民用等主要終端領域,并持續拓展工業領域的替代應用空間。根據中國氫能聯盟的預測,到2030年,中國對氫氣的需求將達到35 Mt/a,在終端能源體系中占比為5%;到2050年,氫能在終端能源體系中的占比將超過10%。但當前氫能在中國應用場景比較單一,主要應用于工業領域及交通領域。

在交通領域,目前的核心應用是燃料電池和燃料電池汽車,氫燃料電池的優勢在于加氫時間短、續航里程長、零排放。在工業領域,氫能具有高燃燒熱值的特性,被廣泛應用于鋼鐵、冶金、石化和水泥等工業生產過程中,用作原材料或提供高溫熱能,是實現工業領域深度脫碳的重要手段。在中國的氫氣消費結構中,合成氨、甲醇和石油煉化行業占據了99%以上的份額。

2 石化企業氫能產業發展現狀

在低碳轉型的大趨勢下,國內外大型石化企業紛紛投入到氫能產業,依據自身的業務布局和發展規劃,探索各自獨具特色的產業發展模式。各大石化企業雖然發展路徑各有不同,但均取得了長足的進展。

2.1 國際石化企業氫能產業發展現狀

(1)埃克森美孚認為清潔氫氣有力地推動了工業向低碳經濟轉型,其目標是在未來幾年實現以氫能為代表的低碳解決方案業務指數級增長。2023年,?？松梨谛紝⒂?027年啟動其位于得克薩斯州的大型氫工廠,使其成為世界上最大的低碳氫項目。

(2)殼牌積極布局氫能領域,為了提高氫能的經濟性,注重從制氫、儲存、運輸到利用的一體化發展。該公司在全球范圍內擁有廣泛的業務,包括歐洲最大的綠氫項目——荷蘭鹿特丹200 MW海上風電制氫項目、德國萊茵已建成并運營的10 MW PEM電解水制氫項目,中國張家口20 MW綠色氫能一體化示范項目等。

(3)bp將氫能視為其五大能源轉型增長引擎之一,計劃到2030年每年生產500～700 kt綠氫,并在核心市場占據10%的份額。由于藍氫具有明顯的成本優勢,bp決定大力發展藍氫業務,并宣布2030年在英格蘭建設產能為1 GW的藍氫生產項目,該項目建成后,將成為全球最大的藍氫生產基地。

(4)雪佛龍認為氫能是重要的低碳解決方案之一,近年來發展步伐明顯加快,宣布未來5年將投資近25億美元拓展其綠氫和藍氫業務。通過與豐田、康明斯等汽車企業建立戰略聯盟,重點探索氫能在工業和交通領域的應用;加強加氫站的建設,計劃未來3年在加利福尼亞州新建30座加氫站。

(5)道達爾的氫能產業布局廣泛。在氫氣制備方面,重點關注綠氫,力爭成為全球清潔氫能的大型生產商,2023年與恩吉公司合作投建的法國最大的綠色制氫項目,投產后綠氫產量有望達到150 kt/d。在氫能的應用領域,計劃到2030年新建400座加氫站。

2.2 國內石化企業氫能產業發展現狀

(1)中國石化以“打造世界領先潔凈能源化工公司”為發展目標,在保障國家能源安全的基礎上持續推動氫能業務的發展,建立了涵蓋制備、儲存、運輸、加注、應用及研發的氫能全產業鏈,專注于氫能交通和綠氫煉化兩個主要領域的發展。積極推進氫能一體化業務的發展,在綠氫制備、加氫站、氫燃料電池以及儲氫材料等多個領域取得重大突破。2022年,中國石化宣布打造中國第一氫能公司,計劃“十四五”期間在全國建設1 000座加氫站或油氫混合站,同時,將大力推動可再生能源制氫,規劃綠氫產量超過百萬噸,打造全國最大規模的氫氣制備、儲存和加注網絡。

(2)中國石油從2018年開始涉足氫能領域,根據“清潔替代、戰略接替、綠色轉型”的總體部署,推動氫能產業鏈與天然氣產業鏈以及可再生能源的協同發展,在化學化工和新材料領域充分發揮其基礎優勢,構建以藍氫和綠氫為主的多元供氫結構,實現氫-電和電-氫的轉化,并建立氫氣儲存、運輸及終端加注供應鏈。2022年發布《中國石油綠色低碳發展行動計劃3.0》,計劃2050年占據國內30%的供氫市場。

(3)中國海油近年來也加快了布局氫能領域的步伐。2022年組建了新能源分公司,探索氫能領域。中國海油注重融合協同,以海上風電為主,因地制宜發展氫能業務,探索發展多能互補的綜合能源供應系統。目前在天然氣制氫、煤氣化制氫及海上風電制氫方面取得了技術上的突破,并制定了“十四五”末新能源、新產業收入占比達到10%的目標。

3 石化企業氫能產業鏈分析

(1)氫氣制備。石化企業的煉廠氫氣資源豐富,為氫能產業的發展提供了低成本、穩定的氫氣來源。目前國內氫氣主要來源于石化企業工業副產制氫、煤氣化制氫和天然氣制氫,但煉廠產出的氫氣主要屬于“灰氫”,并不符合低碳轉型需求,未來發展會受到環保政策的限制。石化企業油田礦區一般占地面積大、光照充分、風力充足,因此采用光伏或者風力發電進行電解水制氫具備良好的條件。近年來,國內外石化企業大力發展藍氫和綠氫的制備技術,如中國石化在鄂爾多斯及庫車均建立了萬噸級綠氫示范項目,為國內綠氫產業發展提供了可復制、可推廣的示范案例。

(2)氫氣儲運。石化行業的煉油廠分布廣泛,具備優越的地域優勢,可以實現氫氣的低成本運輸。目前,國內主流的氫氣運輸方式是20 MPa高壓氣氫拖車運氫,適用于運輸距離較近(運輸半徑200 km)和輸送量較低的場景。但隨著技術進步,50 MPa的高壓氣氫拖車運氫將成為主流,可以進一步降低氫氣運輸成本。管道輸氫是大規模、遠距離運輸中成本最低、發展潛力最大的方式,石化企業可以利用獨有的天然氣管線摻入氫氣的輸送方式,進一步降低運輸成本,擴大氫能應用范圍。中國石化提出的“西氫東送”輸氫管道已納入國家規劃,“西氫東送”管道起于內蒙古自治區烏蘭察布市,終于北京市的中國石油化工股份有限公司燕山分公司,全長400多公里。作為中國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道,具備500 kt/a的運輸潛力,對跨區域氫氣輸送管網建設具有重要示范意義。

(3)加氫站。加氫站是連接上游制氫、中游運氫和下游用氫的重要樞紐。石化企業具有大量的加油(氣)站,最接近終端消費市場,將來可以加以利用,改建為加氫站,為氫能應用提供堅實的設施基礎。截至2022年年底,中國加氫站達到274座,約占世界總量的四成,其中,中國石化擁有98座,位居世界第一。中國的加油站數量超過11.9萬座,因此,中國的加氫站建設具備巨大的潛力。但國內加氫站建設存在著諸多問題:一是加氫站利潤率低,運營成本高,目前普遍處于虧損狀態;二是加氫站的效率與國外先進水平有差距,有待提高;三是加氫站建設成本過高,遠高于加油站;四是加氫站關鍵設備的國產化仍存在技術短板,需要進一步攻關。

4 對中國石化企業氫能業務發展的建議

(1)全力推動氫能全產業鏈發展。國內石化企業要在保障國家能源安全的前提下,立足主業,充分發揮其煉化企業布局范圍廣、加油站與天然氣管道等基礎設施完善、管理經驗豐富及人才集中等優勢,利用低成本氫氣資源,在氫能產業鏈中發揮主導作用,帶動地方及企業大力推進氫能產業發展,推動產業鏈上下游企業深度整合,促進氫能全產業鏈的快速發展。

(2)加大技術研發力度。國內氫能基礎研究較為薄弱,創新性不足,核心技術和關鍵材料尚存“卡脖子”風險。要充分發揮以中國石化為代表的大型石化企業的帶頭作用,利用其深厚的技術積累,加強統籌,科學組織全產業鏈的關鍵核心技術攻關,著力解決實際應用的關鍵技術難題,避免研發資源分散、低效競爭。

(3)大力推動氫能應用。充分利用現有管道基礎設施,積極推進氫氣輸送管道建設;完善加氫站等基礎設施建設,改造加油站和加氣站,并合建加氫站,努力實現氫能社會的構建。