绿氢产业如何突破“死亡谷”?

  “不论是锂电、光伏还是新能源汽车,所有新能源技术和产品在发展初期都曾面临‘产品性能差—客户满意度低—市场需求少—投资意愿低—技术进步慢—难以产业化’的‘死亡谷’困境。”日前,由波士顿咨询公司(BCG)联合中国科学院院士、国际氢能与燃料电池协会理事长欧阳明高院士团队共同发布的《中国氢能产业展望》(以下简称《展望》)作出上述表述。

  《展望》认为,绿氢产业需在价值链、产业链、技术链三方面的融合推进下突破“死亡谷”,促进产业走向“产品性能优—客户满意度高—市场需求大—投资意愿高—技术进步快—产业化加速”的正向循环。

  价值链:需降低可再生能源制氢成本

  在价值链方面,绿氢要提高渗透率,有赖于在经济性上取得持续突破。其中,降低可再生能源发电制氢的成本是关键。

  《展望》指出,在2050年净零排放情景下,氢能在全球最终能源消费占比预计将达10%~15%。氢工业、氢交通、氢储能等每一种场景的商业化,都将推动万亿级市场的递进增长。

  据记者了解,工业是氢能规模最大的应用领域。2021年全球氢需求量超过9400万吨,其中超99%来自工业领域;石油炼化应用需求超过4000万吨,合成氨、甲醇制备等领域对氢也有较大需求。如今,几乎所有的工业用氢都是以化石燃料为原料的灰氢,2021年全球制氢过程产生的二氧化碳排放量超8.3亿吨,如不降低其排放水平,气候目标将无法达成。因此,工业领域势必逐渐由灰氢转向绿氢,即用可再生电力电解水制氢。

  要实现对灰氢的大规模替代,绿氢的成本竞争力至关重要。《展望》指出,近几年虽然电解水制氢电解槽的总装机容量快速增长,但绿氢的渗透率依然很低,主要瓶颈在于经济性。据国际能源署(IEA)预测,基于2050年净零排放情景,全球绿氢将在2030年实现平价,平准化成本约1.5~4美元/千克,基本与灰氢相当。

  而绿氢的成本平价趋势,主要由四大因素推动:电解槽成本降低、可再生能源电价下降、电耗水平优化、碳税出台。其中,可再生能源发电制氢成本下降是关键。

  据介绍,绿氢成本80%~85%来自电价,这使得其对可再生能源电价高度敏感。假设煤价为800元/吨且不征收碳税,当可再生电力电价达到约0.16元/千瓦时,绿氢和灰氢的平准化成本有望“打平”。

  《展望》指出,一些绿氢项目已经与可再生能源电力供应商签订协议,以保证廉价电力的持续供应。随着可再生能源装机量的持续提升,可再生电力的价格有望继续下降。目前全球各地都在通过政策引导、产业技术进步、投资等多方合力的推动,瞄准关键场景进行突破,以打通绿氢产业价值链。目前,氢交通、氢储能、氢化工等场景均在示范落地过程中,将有力推动氢能产业发展。

  产业链:需上下游联动协同发展

  在产业链方面,绿氢要实现大发展,需上下游的联动和协同。以氢交通为例,燃料电池汽车等领域已具备较好发展基础,随着技术持续突破与商业化模式不断成熟,氢交通在短中期内将是氢能产业发展的“先导性应用”,将促进从制氢到用氢全产业链的商业化落地和持续发展。

  《展望》指出,氢能燃料电池交通等场景,目前已具备完善的产业链与绿氢消纳基础。在过去几十年里,交通行业持续通过电动化进行脱碳转型。而在难以电动化的领域,如重载卡车、航运和航空等,氢能应势而起,拉动了整条氢产业链的规模化。通过下游拉动上游的方式,以先导产业带动上游制氢、储氢、运氢产业链的发展与完善,并逐步推动大规模氢储能的能源化场景落地,是氢能产业发展的重要路径。

  《展望》列出一组统计数据:2021年国内氢能领域发生的投融资事件,七成集中在燃料电池与氢交通领域,具体包括燃料电池及其关键零部件制造、整车制造等;而到了2022年,尽管仍有约一半投资流向燃料电池与氢交通领域,但向氢能产业链上游关键环节投资的案例数量迅速增加。这说明随着氢交通对全产业链商业化的拉动,氢能的其他应用和上游领域也开始受到关注。

  《展望》通过一个例子,说明了全产业链协同发展、综合利用的重要性。中国西北地区某即将投入运行的绿氢示范项目,预计利用上游光伏电站的绿电直接驱动总规模超过50000标准立方米/小时的电解水制氢系统来生产绿氢,并供应到石油炼化工厂,实现大规模氢储能及氢能综合利用。这一项目的绿氢成本可与当地的灰氢价格持平,甚至在一定条件下更优。

  技术链:需突破各环节关键性技术

  在技术链方面,要实现绿氢替代灰氢,离不开产业链各环节的关键性技术突破。这一方面可解决全行业面临的技术成本高、能量转化效率存在瓶颈、安全性管理缺乏体系、数字化水平低等问题,另一方面也将为氢能产业注入加速发展的源动力。

  在制氢领域,要真正面向大规模绿电制氢场景,当前各技术路线均需实现经济性、安全性、智能化管理等方面的体系性技术突破——无论是相对更具商业化基础的碱性电解水制氢(AEC)技术,还是尚处于发展阶段的质子交换膜(PEMEC)技术,以及更早期的阴离子膜(AEMEC)技术与固体氧化物(SOEC)技术。《展望》特别指出,尽管行业普遍认为,AEC和PEMEC已相对成熟,但当前市场上的产品都不是为了绿氢场景所设计。它们来自氯碱行业、船舶行业、汽车行业,其各自的技术特点均无法适应绿氢场景下的电解水制氢需求,还需革命性的产品创新。

  在氢储运领域,压缩气氢是目前我国主流的氢储运方式,其研发创新方向主要是提升工作压力以提高氢气密度,同时保障安全性。液氢储运已在海外市场率先实现商业化,其他各类氢载体的储运技术目前也处于积极的商业化应用探索阶段。

  “氢—电”转化是氢能利用的关键技术,目前在小功率分布式场景下以固定式燃料电池发电为主,而大功率集中式发电则采用氢燃气轮机或锅炉掺氨燃烧方案。以上三种方案均已有明确的技术发展路线和示范场景,成熟的商用产品预计将在2030年前推出并实现应用。

  氢安全管理则是近年来受到关注的一个新兴领域。大规模用氢场景下的氢安全体系化管理是一项全新挑战,需要从本征安全、主动安全、被动安全三方面着手,并结合数字化手段,对氢能全链条进行有效管理。

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