未来燃料—氢能工业与应用白皮书

未霍来尼燃韦料尔氢能工业与应用白皮书 未来燃料：如何建设一个真实的氢能经济 序言 氢气用途广泛且储量丰富，在世界各国实现其气候目标的过程中可以大有可为。事实上，氢气在欧盟委员会2050年的所有八种净零排放情景中都有体现。 美国能源部于去年颁布了《两党基础设施法案》，其中包括提供80亿美元兴建氢能枢纽，以扩大零碳氢和低碳氢在工业、电力、住宅和运输领域的应用。在此基础上，能源部同时发布了相关计划促进对氢能经济的重大投资。如果能够以可持续的方式生产和运输氢气，低碳氢就可能转变为世界需要的日常替代能源。 的确，在政府和私营部门不断增加氢能解决方案投资的情况下，氢能有望成为使用最广泛的多用途能源之一。据研究机构预测，到2050年，低碳氢将满足全球最终能源需求的7%，其总体需求将从目前的几乎为零增长到2.11亿吨。 氢能还可以在能源安全和经济增长方面发挥重要作用，尤其是正当世界各国在四处寻求减少对油气进口的依赖。近期区域冲突的爆发和欧洲国家的能源紧张更凸显出这一问题的严重性。 欧盟委员会公布了一项新计划，其中核心措施之一就是“可再生氢”。为实现欧盟在今年年底前将对俄罗斯天然气的依赖减少三分之二的战略，该提案谋求促进可再生能源的发展，并将2030年的绿氢产能目标提高到当前的四倍。 发展绿氢和蓝氢的另一个推动力是“环境、社会和公司治理（ESG）”理念的兴起，以及全球客户对环保议题的关注。从大型零售商到科技巨头，再到运输业巨头，各公司都在承诺减少供应链中的碳排放量，因此，采用清洁氢能也具有良好的经济意义。 氢氢能能经未济来还三刚刚步萌走芽，但随着世界继续寻找应对气候变化的创新解决方案，氢能正被证明是一种可 行的能源和经济增长驱动力。氢能进一步得到广泛使用需要三个前提：生产规模化、降低存储输送成本，以及激励措施加速氢能应用。 上游-氢气生产规模化，增加供应和生产。第一步是提高“蓝氢”和“绿氢”的供应和可用性。目前，投入使用的大多数氢气为“灰氢”，这是一种碳密集度最高的氢气。灰氢是在未采用二氧化碳减排 技术的情况下以化石燃料制成的氢气，其生产过程伴随着二氧化碳的排放。 绿氢的生产采用电解工艺，该工艺不会产生对环境有害的二氧化碳，使用的电力来自太阳能发电和风电等可再生能源，因此具有可持续性。然而，要大幅增加零排放绿氢的供应并降低生产成本，仍然需要大量的研发和资金投入。 蓝氢和灰氢一样来自化石原料，但与灰氢不同的是，其生产过程排放的二氧化碳经过碳捕集处理， 序言 因此，蓝氢的二氧化碳排放量较灰氢显著降低。绿氢是所有氢形式中最清洁的，在实现绿氢的大规模生产和供应之前，蓝氢是一项关键的过渡型技术。 中游-降低氢气存储输送成本，基础设施至关重要。大规模使用氢能的第二个关键因素是降低氢气存储和输送成本。当前氢气的运输主要以高压氢气罐车，液态氢罐车运输为主。罐车运输的有效 运输载荷小的问题限制了氢气的运输，从规模化输送氢气的角度势必需要建立纯氢或者掺氢输送管道以便提高输送规模，降低氢气输送成本。除此之外，将氢气转换为甲醇和液氨也是大规模、较为安全高效的存储和输送氢的方式。 为了实现预期的氢能商业化及工业规模生产，相关行业现在必须优先考虑减少排放的解决方案，同时建设支持未来可再生氢能的基础设施。事实上，国际能源转型委员会最近的一份报告显示，全球工业脱碳用氢，可能需要在未来30年花费15万亿美元左右的投资。该研究还表示，其中大约85%的投资将用于发电，剩余15%将用于氢能的生产设施、运输和存储。 开发一个可自我维持的生态系统将成为决定绿氢规模化发展的关键因素。这需要各行各业的组织机构携手合作，向同一个目标迈进。参与的实体将涉及从上游生产到下游封存的价值链上的所有阶段。氢能价值链中有众多不同的利益相关方，他们将以各自的方式作出贡献，共同打造出能够自我维持的氢能经济。 下游-氢气利用的规模化，激励措施可加速氢能应用。氢能广泛应用需要的第三个要素，就是提供税收优惠等激励措施，以此加速氢能经济的发展，并最大程度地降低初始成本。虽然电力和天然 气公用事业越来越多地考虑增加对低碳氢的投资，但当前蓝氢和绿氢生产技术与设备的价格居高不下，仍然是限制氢能发展的主要障碍。 在美国，一个积极的进展来自国会立法，将首次为零碳氢和低碳氢能源生产提供税收抵免，以刺激氢能投资。此外，美国《国内税收法》的第45Q节也有助于持续推动低碳氢能的发展。该法案为碳捕集和碳封存提供每吨最高50美元的税收抵免，新提案可能会将这一数字提高到每吨85美元。 美国国会同时也在致力于为氢能源行业以及碳捕集、利用和封存（CCUS）行业奠定基础。美国参众两院通过了《综合拨款法案》，该法案提出了氢能产业的关键税收优惠和规定，包括为氢能和燃料电池技术办公室提供1.5亿美元的拨款。 未要面来对之和路解决迫在眉睫的全球气候危机，可持续能源扮演的角色至关重要，而我们需要立即采取行动。 随着越来越多的组织为更好地达成全球气候目标而实施净零战略，氢能在这些战略中的地位也在日益提升。但这只是旅程的开始，通往净零的道路复杂而又漫长。氢能和碳捕集的作用及各种应用尚未被广泛了解或接受。 积极的一面是，氢这种物质非常容易获得，它是宇宙中储量最丰富的元素。我们只需要找出经济且高效地利用氢气的方法。令人鼓舞的是，当前世界正朝着这个方向发展，市场上已经有多种新技术可以为企业的可持续发展之路提供帮助。 霍尼柯韦伟尔茂总（裁Vi兼m首al席Ka运p营ur官） 氢能产业发展初期的新机遇 近年来，全球各地气候急剧变化和自然灾害频发，为实现到21世纪末控制全球升温在2℃以内的目标，世界各国正全方位努力推动能源体系向低碳化、无碳化发展。同时，在“双碳”目标的推动下，化石能源的生产和利用面临更严格的碳排放约束，能源结构转型有望加速推进。 氢能作为一种可再生清洁高效二次能源，得益于资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可作为储能介质及安全性好等优点，将助力能源、交通、石化、钢铁等多个领域实现低碳化，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体。 我国作为世界上最大的制氢国之一，年制氢产量约3300万吨（达到工业氢气质量标准的约1200万吨），氢能产业呈现积极发展态势。在我看来，在能源低碳转型进程中，氢能将在很多行业扮演减碳角色。具体来说，氢能产业链包括上游制氢（制备-存储-运输-加注），下游氢气作为能源的应用以及作为工业原料或燃料的应用三个关键领域。 从上游制氢来看，根据路线不同，可分为化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢以及其它新型制氢技术几种形式。我国要结合资源禀赋特点和产业布局，因地制宜选择制氢技术路线，在焦化、氯碱、丙烷脱氢等行业集聚地区优先利用工业副产氢，在风光水电资源丰富地区开展可再生能源制氢示范。从下游中的能源应用来看，在推进氢能在交通领域的示范作用外，可以积极探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用。 从下游中的工业原料应用来看，要逐步探索工业领域的替代应用，不断提升氢能利用经济性，拓展清洁低碳氢能在化工行业替代的应用空间。开展以氢作为还原剂的氢冶金技术应用，扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模，积极引导合成氨、合成甲醇、炼化、煤制油气等行业由高碳工艺向低碳工艺转变，促进高能耗行业绿色低碳发展。 当前，中国氢能产业正处于快速发展初期。未来，随着顶层设计和统筹谋划的进一步明确，技术研发和产业资本的持续投入，我国氢能产业将迎来快速发展的新机遇。我们有理由相信，在中国“双碳”目标和能源转型的背景下，氢能将会像光伏、风电一样迅猛发展，为全球和中国的社会和经济发展注入绿色新动能，引领新浪潮。 北京亿华通科技有限公司董事长兼总张经国理强 目录 目录 序言1 未来燃料：如何建设一个真实的氢能经济1 氢能产业发展初期的新机遇3 1前言5 1.1氢能是实现双碳目标的重要选择5 1.2氢能产业链的重要环节6 2氢气制取过程中的关键技术7 2.1灰氢制造技术8 2.2蓝氢制造技术10 2.3绿氢制造技术11 3氢作为能源的应用技术12 3.1氢作为能源的行业应用12 3.2纯氢/掺氢燃烧的关键技术13 4氢作为原料或燃料的应用技术15 4.1氢气在炼化生产中的应用16 4.2氢气在甲醇生产中的应用18 4.3氢气在合成氨生产中的应用20 4.4氢气在钢铁冶炼中的应用20 4.5小结21 1 前言 1.1氢能是实现双碳目标的重要选择 氢能（氢的能源生产和利用）是应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向，受到世界各国的广泛关注。欧、美、日、韩等发达国家和地区纷纷制定氢能路线图，加快推进氢能产业的布局。氢能产业也是我国能源战略布局的重要部分，相关政策相继出台，就在2022年3月，国家发改委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》（以下简称《规划》）。 《规划》指出，要持续推进绿色低碳氢能制取、储存、运输和应用等各环节关键核心技术研发，结合资源禀赋特点和产业布局，因地制宜选择制氢技术路线，逐 《规划》明确，到2025年，要形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，产业创新能力显著提高，基本掌握核心技术和制造工艺，初步建立较为完整的供应链和产业体系，清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系；到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现；到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能 应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比1重 步推动构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系。 明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。 •形成氢能产业体系 •形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境 •产业创新能力显著提高 •基本掌握核心技术和制造工艺 •初步建立较为完整的供应链和产业体系 •清洁能源制氢及氢能储运技术取得较大进展 •近初利步用建为立主以的工氢业能副供产应氢体和系可再生能源制氢就 2025年 1《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》 •形技成术较创为新完体备系的氢能产业 •清洁能源制氢及供应体系 •产业布局合理有序 •可再生能源制氢广泛应用 •有力支撑碳达峰目标实现 2030年 •构领建域涵的盖多交元通氢、能储应能用、生工态业等 •可费再中生的能比源重制明氢显在提终升端能源消 •对支能撑源作绿用色转型发展起到重要 2035年 前言 1.2氢能产业链的重要环节 2 根据石油和化学工业规划院的统计，当前我国氢气产能为4000万吨，产量为3300万吨，为全球最大的产氢国。我国氢气生产利用主要在以石化化工行业为主 产氢、电解水制氢以及其它新型制氢技术等几种形式。 中游氢气存储和输送主要涉及高压储氢罐、高压管式 的工业领域，从用途来看，以“原料”利用为主，用于生产甲醇、合成氨等化工产品，“燃料”利用为辅，少量作为工业燃料使用。 根据中国氢能联盟预测，在2030年碳达峰愿景下，我 2 国氢气的年产量预期达3715万吨，在终端能源消费中占比约为5%。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。其中，工业领域用氢占比仍然最大，占氢总需求量60%。 氢能是“双碳”目标下的必然选择，从氢能产业链上来看，包括上游制氢，中游存储、输送，下游用氢三个关键领域。 上游制氢根据路线不同，可分为化石能源制氢、工业副 运输车辆、高效氢压机、氢气或掺氢输送管线及计量仪表、掺氢后端气体分离等环节。 下游氢气的应用前景广阔。氢气作为一种高效低碳的二次能源，可应用于汽车燃料电池动力系统替代传统燃油动力，节约石油消费，也可以将氢气直接燃烧或者掺入天然气燃烧来降低燃烧过程中的碳排放。 以氢气替代一氧化碳（CO）作为还原剂的氢冶金技术可以节省焦炭的使用、减少因原料