石化企業(yè)氫能業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

姜振強(qiáng)

(中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206)

氫能具有資源豐富、能量密度大、生態(tài)友好以及應(yīng)用場(chǎng)景豐富等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈零污染,被稱為“人類的終極能源”。氫能產(chǎn)業(yè)科技含量高、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、社會(huì)效益好,是實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)測(cè)算,到21世紀(jì)中葉,氫能將占據(jù)全球能源消費(fèi)總量近20%,該產(chǎn)業(yè)還將創(chuàng)造3 000萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì),其市場(chǎng)規(guī)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(zhuǎn)型的大背景下,氫能作為優(yōu)質(zhì)的清潔能源受到美國(guó)、日本和歐盟等國(guó)家和組織的高度重視,它們各自出臺(tái)了一系列發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)政策,并投入大量資金進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),推動(dòng)了氫能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。中國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也高度重視,2006年發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中就提到了氫能,此后,陸續(xù)出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)能源法(征求意見稿)》《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃》等多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展規(guī)劃,將氫能劃入能源種類,并從戰(zhàn)略定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新等多方面引導(dǎo)和鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前,中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)體系日益完備,形成了多個(gè)產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展區(qū)[2]。

1 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈概述

氫能具有非常廣泛的產(chǎn)業(yè)鏈,涵蓋了氫氣的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和氫能的應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)新能源、交通運(yùn)輸、鋼鐵和化工等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。

1.1 氫氣制備

根據(jù)氫氣的生產(chǎn)來源和排放情況,可以分為3種類型:灰氫(通過工業(yè)副產(chǎn)品制氫,成本低,碳排放量大)、藍(lán)氫(通過化石燃料制氫并運(yùn)用碳捕捉和封存技術(shù),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(shù)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?fàn)t煤氣、氯堿尾氣和丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氣來制取氫氣;三是通過堿性電解水和酸性質(zhì)子交換膜電解水等方法來制取氫氣[4]。

中國(guó)是全球最大的制氫國(guó)家,年產(chǎn)氫氣約33 Mt。就氫氣的來源而言,目前我國(guó)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(yè)副產(chǎn)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(yè)副產(chǎn)氣轉(zhuǎn)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(chǔ)運(yùn)

氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)是制約氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。氫氣在常溫、常壓下為氣體,容易擴(kuò)散,儲(chǔ)能密度低,燃燒溫度范圍廣,容易使金屬材料產(chǎn)生氫脆,因而增加了高效安全輸送和儲(chǔ)存的困難。目前主要的氫氣儲(chǔ)存方式有:高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、低溫液態(tài)儲(chǔ)存、液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)存和固態(tài)儲(chǔ)存。一般根據(jù)儲(chǔ)氫狀態(tài)和運(yùn)輸量的不同,將氫氣的運(yùn)輸方式劃分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。適用于大規(guī)模氫能運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)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(yùn)輸是中國(guó)目前主流的氫氣運(yùn)輸方式;液氫槽車運(yùn)輸具有質(zhì)量密度高、氫氣純度高的優(yōu)點(diǎn),但是存在能耗高、投資大及成本高的缺點(diǎn);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(shí)現(xiàn)大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、低成本運(yùn)輸氫氣。目前,全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程已超過5 000 km,中國(guó)在用的輸氫管道僅數(shù)百公里,輸氫管道建設(shè)則仍處于起步階段。

1.3 氫能應(yīng)用

氫能在國(guó)際上被廣泛地應(yīng)用于交通、儲(chǔ)能、工業(yè)、民用等主要終端領(lǐng)域,并持續(xù)拓展工業(yè)領(lǐng)域的替代應(yīng)用空間。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的預(yù)測(cè),到2030年,中國(guó)對(duì)氫氣的需求將達(dá)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(dāng)前氫能在中國(guó)應(yīng)用場(chǎng)景比較單一,主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域及交通領(lǐng)域。

在交通領(lǐng)域,目前的核心應(yīng)用是燃料電池和燃料電池汽車,氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)在于加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)、零排放。在工業(yè)領(lǐng)域,氫能具有高燃燒熱值的特性,被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石化和水泥等工業(yè)生產(chǎn)過程中,用作原材料或提供高溫?zé)崮?是實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳的重要手段。在中國(guó)的氫氣消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,合成氨、甲醇和石油煉化行業(yè)占據(jù)了99%以上的份額。

2 石化企業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在低碳轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下,國(guó)內(nèi)外大型石化企業(yè)紛紛投入到氫能產(chǎn)業(yè),依據(jù)自身的業(yè)務(wù)布局和發(fā)展規(guī)劃,探索各自獨(dú)具特色的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。各大石化企業(yè)雖然發(fā)展路徑各有不同,但均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

2.1 國(guó)際石化企業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

(1)?？松梨谡J(rèn)為清潔氫氣有力地推動(dòng)了工業(yè)向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,其目標(biāo)是在未來幾年實(shí)現(xiàn)以氫能為代表的低碳解決方案業(yè)務(wù)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。2023年,?？松梨谛紝⒂?027年啟動(dòng)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?xì)漤?xiàng)目。

(2)殼牌積極布局氫能領(lǐng)域,為了提高氫能的經(jīng)濟(jì)性,注重從制氫、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)嚼玫囊惑w化發(fā)展。該公司在全球范圍內(nèi)擁有廣泛的業(yè)務(wù),包括歐洲最大的綠氫項(xiàng)目——荷蘭鹿特丹200 MW海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目、德國(guó)萊茵已建成并運(yùn)營(yíng)的10 MW PEM電解水制氫項(xiàng)目,中國(guó)張家口20 MW綠色氫能一體化示范項(xiàng)目等。

(3)bp將氫能視為其五大能源轉(zhuǎn)型增長(zhǎng)引擎之一,計(jì)劃到2030年每年生產(chǎn)500～700 kt綠氫,并在核心市場(chǎng)占據(jù)10%的份額。由于藍(lán)氫具有明顯的成本優(yōu)勢(shì),bp決定大力發(fā)展藍(lán)氫業(yè)務(wù),并宣布2030年在英格蘭建設(shè)產(chǎn)能為1 GW的藍(lán)氫生產(chǎn)項(xiàng)目,該項(xiàng)目建成后,將成為全球最大的藍(lán)氫生產(chǎn)基地。

(4)雪佛龍認(rèn)為氫能是重要的低碳解決方案之一,近年來發(fā)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(lán)氫業(yè)務(wù)。通過與豐田、康明斯等汽車企業(yè)建立戰(zhàn)略聯(lián)盟,重點(diǎn)探索氫能在工業(yè)和交通領(lǐng)域的應(yīng)用;加強(qiáng)加氫站的建設(shè),計(jì)劃未來3年在加利福尼亞州新建30座加氫站。

(5)道達(dá)爾的氫能產(chǎn)業(yè)布局廣泛。在氫氣制備方面,重點(diǎn)關(guān)注綠氫,力爭(zhēng)成為全球清潔氫能的大型生產(chǎn)商,2023年與恩吉公司合作投建的法國(guó)最大的綠色制氫項(xiàng)目,投產(chǎn)后綠氫產(chǎn)量有望達(dá)到150 kt/d。在氫能的應(yīng)用領(lǐng)域,計(jì)劃到2030年新建400座加氫站。

2.2 國(guó)內(nèi)石化企業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

(1)中國(guó)石化以“打造世界領(lǐng)先潔凈能源化工公司”為發(fā)展目標(biāo),在保障國(guó)家能源安全的基礎(chǔ)上持續(xù)推動(dòng)氫能業(yè)務(wù)的發(fā)展,建立了涵蓋制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、應(yīng)用及研發(fā)的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈,專注于氫能交通和綠氫煉化兩個(gè)主要領(lǐng)域的發(fā)展。積極推進(jìn)氫能一體化業(yè)務(wù)的發(fā)展,在綠氫制備、加氫站、氫燃料電池以及儲(chǔ)氫材料等多個(gè)領(lǐng)域取得重大突破。2022年,中國(guó)石化宣布打造中國(guó)第一氫能公司,計(jì)劃“十四五”期間在全國(guó)建設(shè)1 000座加氫站或油氫混合站,同時(shí),將大力推動(dòng)可再生能源制氫,規(guī)劃綠氫產(chǎn)量超過百萬噸,打造全國(guó)最大規(guī)模的氫氣制備、儲(chǔ)存和加注網(wǎng)絡(luò)。

(2)中國(guó)石油從2018年開始涉足氫能領(lǐng)域,根據(jù)“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”的總體部署,推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈與天然氣產(chǎn)業(yè)鏈以及可再生能源的協(xié)同發(fā)展,在化學(xué)化工和新材料領(lǐng)域充分發(fā)揮其基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì),構(gòu)建以藍(lán)氫和綠氫為主的多元供氫結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)氫-電和電-氫的轉(zhuǎn)化,并建立氫氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸及終端加注供應(yīng)鏈。2022年發(fā)布《中國(guó)石油綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃3.0》,計(jì)劃2050年占據(jù)國(guó)內(nèi)30%的供氫市場(chǎng)。

(3)中國(guó)海油近年來也加快了布局氫能領(lǐng)域的步伐。2022年組建了新能源分公司,探索氫能領(lǐng)域。中國(guó)海油注重融合協(xié)同,以海上風(fēng)電為主,因地制宜發(fā)展氫能業(yè)務(wù),探索發(fā)展多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。目前在天然氣制氫、煤氣化制氫及海上風(fēng)電制氫方面取得了技術(shù)上的突破,并制定了“十四五”末新能源、新產(chǎn)業(yè)收入占比達(dá)到10%的目標(biāo)。

3 石化企業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈分析

(1)氫氣制備。石化企業(yè)的煉廠氫氣資源豐富,為氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了低成本、穩(wěn)定的氫氣來源。目前國(guó)內(nèi)氫氣主要來源于石化企業(yè)工業(yè)副產(chǎn)制氫、煤氣化制氫和天然氣制氫,但煉廠產(chǎn)出的氫氣主要屬于“灰氫”,并不符合低碳轉(zhuǎn)型需求,未來發(fā)展會(huì)受到環(huán)保政策的限制。石化企業(yè)油田礦區(qū)一般占地面積大、光照充分、風(fēng)力充足,因此采用光伏或者風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行電解水制氫具備良好的條件。近年來,國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)大力發(fā)展藍(lán)氫和綠氫的制備技術(shù),如中國(guó)石化在鄂爾多斯及庫車均建立了萬噸級(jí)綠氫示范項(xiàng)目,為國(guó)內(nèi)綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了可復(fù)制、可推廣的示范案例。

(2)氫氣儲(chǔ)運(yùn)。石化行業(yè)的煉油廠分布廣泛,具備優(yōu)越的地域優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)氫氣的低成本運(yùn)輸。目前,國(guó)內(nèi)主流的氫氣運(yùn)輸方式是20 MPa高壓氣氫拖車運(yùn)氫,適用于運(yùn)輸距離較近(運(yùn)輸半徑200 km)和輸送量較低的場(chǎng)景。但隨著技術(shù)進(jìn)步,50 MPa的高壓氣氫拖車運(yùn)氫將成為主流,可以進(jìn)一步降低氫氣運(yùn)輸成本。管道輸氫是大規(guī)模、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中成本最低、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮姆绞?石化企業(yè)可以利用獨(dú)有的天然氣管線摻入氫氣的輸送方式,進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本,擴(kuò)大氫能應(yīng)用范圍。中國(guó)石化提出的“西氫東送”輸氫管道已納入國(guó)家規(guī)劃,“西氫東送”管道起于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市,終于北京市的中國(guó)石油化工股份有限公司燕山分公司,全長(zhǎng)400多公里。作為中國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的純氫輸送管道,具備500 kt/a的運(yùn)輸潛力,對(duì)跨區(qū)域氫氣輸送管網(wǎng)建設(shè)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(yùn)氫和下游用氫的重要樞紐。石化企業(yè)具有大量的加油(氣)站,最接近終端消費(fèi)市場(chǎng),將來可以加以利用,改建為加氫站,為氫能應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的設(shè)施基礎(chǔ)。截至2022年年底,中國(guó)加氫站達(dá)到274座,約占世界總量的四成,其中,中國(guó)石化擁有98座,位居世界第一。中國(guó)的加油站數(shù)量超過11.9萬座,因此,中國(guó)的加氫站建設(shè)具備巨大的潛力。但國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)存在著諸多問題:一是加氫站利潤(rùn)率低,運(yùn)營(yíng)成本高,目前普遍處于虧損狀態(tài);二是加氫站的效率與國(guó)外先進(jìn)水平有差距,有待提高;三是加氫站建設(shè)成本過高,遠(yuǎn)高于加油站;四是加氫站關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化仍存在技術(shù)短板,需要進(jìn)一步攻關(guān)。

4 對(duì)中國(guó)石化企業(yè)氫能業(yè)務(wù)發(fā)展的建議

(1)全力推動(dòng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)要在保障國(guó)家能源安全的前提下,立足主業(yè),充分發(fā)揮其煉化企業(yè)布局范圍廣、加油站與天然氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施完善、管理經(jīng)驗(yàn)豐富及人才集中等優(yōu)勢(shì),利用低成本氫氣資源,在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮主導(dǎo)作用,帶動(dòng)地方及企業(yè)大力推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)深度整合,促進(jìn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

(2)加大技術(shù)研發(fā)力度。國(guó)內(nèi)氫能基礎(chǔ)研究較為薄弱,創(chuàng)新性不足,核心技術(shù)和關(guān)鍵材料尚存“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。要充分發(fā)揮以中國(guó)石化為代表的大型石化企業(yè)的帶頭作用,利用其深厚的技術(shù)積累,加強(qiáng)統(tǒng)籌,科學(xué)組織全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),著力解決實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題,避免研發(fā)資源分散、低效競(jìng)爭(zhēng)。

(3)大力推動(dòng)氫能應(yīng)用。充分利用現(xiàn)有管道基礎(chǔ)設(shè)施,積極推進(jìn)氫氣輸送管道建設(shè);完善加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),改造加油站和加氣站,并合建加氫站,努力實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的構(gòu)建。