集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究

集工模式业研场究发景展中助大力规低模碳绿转氢型应之用： 2024.09 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(RockyMountainInstitute,RMI)是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库，与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所着重借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市及华盛顿特区和尼日利亚设有办事处。 作者与鸣谢 作者 李抒苡，李婷，王珮珊，薛雨军 *除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 联系方式 李抒苡，sli@rmi.org 引用建议 李抒苡，薛雨军，王珮珊等,集群化发展助力低碳转型之：工业场景中大规模绿氢应用模式研究,2024，https://rmi.org.cn/insights/transitioning-chinas-industrial-sectors-creating-clusters-for-large-scale-green-hydrogen-integration RMI重视合作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过知识共享CCBY- SA4.0许可参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。 鸣谢 感谢落基山研究所的刘雨菁、王喆、高硕、刘子屹和谭光瑀在报告撰写过程中给与的宝贵建议。 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议：陈学谦中国产业发展促进会氢能分会 刘毅清华四川能源互联网研究院 王洪建北京市煤气热力工程设计院有限公司赵吉诗佛山环境与能源研究院 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构的观点。 目录 前言5 第一章集群化发展助力工业场景中绿氢大规模应用7 1.1绿氢应用是工业低碳、零碳转型的关键抓手之一7 1.2工业场景对氢气供应的规模化和连续稳定要求8 第二章“集群化发展”模式构建的考虑因素：工业绿氢应用的 1.3通过集群化发展实现绿氢资源的优化配置10 技术和经济性13 2.1绿氢制取13 2.2绿氢储存16 2.3绿氢运输18 2.4绿氢应用20 第三章“集群化发展”的典型场景研究和商业模式构建23 3.1场景一：氢气供需同址23 3.2场景二：氢气供需异地26 3.3可行商业模式和利益相关方的角色28 第四章未来展望与行动建议34 参考文献36 前言 工业是目前氢气消费量最大的领域，也是未来绿氢规模化应用的重点领域。从国内情况看，2020年共计消费氢气3173万吨，其中化工行业和炼油行业占比最大，分别为70%和24%。1长期看，到2060年，国内氢的消费总量预计增长2.5倍以上，达7500万吨到1亿吨。其中工业仍将是氢气需求最大的领域，总消费量占比接近60%，意味着绝对量需求的1.5倍的增长。2从细分行业看，近一半的氢气需求来自化工行业，钢铁行业则是用氢的新增长点，需求占比约1/3。当前，全球95%以上的氢气均为由化石燃料制取的“灰氢”，由可再生能源电解水制成的“绿氢”仅占不到5%。长期看，随着应对气候变化进程和面向低碳和零碳能源转型的推进，绿氢必将成为氢气供给的主流。到2060年，若我国绿氢占比达到到总供给的75%，即达到5600万吨到7500万吨，应用于工业领域的绿氢将相应达到3400万吨到4500万吨的体量。 在工业场景中，绿氢可作为替代燃料、原料被利用。作为燃料，绿氢可通过燃烧反应快速提高反应器温度，达到绿电加热难以达到的极高温区间。作为原料，绿氢可在钢铁生产中替代目前常用的焦炭作为还原剂；而在化工生产中，绿氢则可替代灰氢作为原料，以大大降低反应过程中的碳排放。钢铁和化工行业是未来绿氢规模化应用潜 力较大的工业行业。到2050年，在国内的钢铁总产量中，有望高达20%来自基于氢的生产路径。3此时，钢铁行业对绿氢的需求有望增长到700万吨左右，在20年间实现超过4.5倍的增长。对于化工行业，到2050年，基于绿氢的 合成氨、甲醇产量有望分别达到总产量的70%和74%，4此时，绿氢将替代煤成为最主要的原料来源。相应地，用于合成氨和甲醇生产的绿氢需求将分别达到1100万吨和900万吨左右。 目前，针对绿氢及其在工业领域的应用，我国已进行了不少有益探索。在政策层面，近10个省提出了量化的可再生能源制氢目标，以及对化工、冶金等应用场景的覆盖。对于钢铁行业，在技术攻关、产能置换、标准体系建设等多方面的政策文件中，均强调了氢冶金这一重点低碳冶炼技术的重要角色。从地方层面看，所有有钢铁产能的省份都在政策中提及了对氢冶金的支持，部分还具体涉及氢冶金定量目标、试点开展和金融方面的工作指引等等。试点布局方面，目前国内的氢冶金项目覆盖了高炉喷吹氢气、氢直接还原铁和氢基熔融还原等多个技术类别，从可获得的公开数据统计，上述项目规模总计900万吨以上。其中，不乏体量较大的项目，例如河钢宣钢在张家口的总共两期120万吨的氢冶金示范，和宝武在湛江的100万吨氢基竖炉直接还原铁示范等。在化工行业，绿氢的应用实践更为普遍，现阶段，国内的大型绿氢生产和利用项目多为合成氨和甲醇的制取，按相应的绿氢规模计，分别占到了68%和16%。 尽管有上述进展，要进一步扩大绿氢在工业领域的应用并实现规模化，仍需持续探索有效模式并加速实践。目前氢冶金项目中的氢源多为灰氢和副产氢，对绿氢的应用布局还待进一步明晰。在目前的12个氢冶金项目中，仅4个提及绿氢规划。例如，上述提及的河钢和宝武的氢基竖炉直接还原铁示范项目，均为一期使用焦炉煤气等副产氢，二期使用绿氢。相关项目的优化设计预留了“绿氢切换”功能，以方便未来利用更高比例富氢还原气、纯氢和逐渐实现100%绿氢。在化工行业，以绿氢为原料制绿氨、绿醇的项目布局呈现较强的地理聚集性。比如，位于内蒙古的绿氨、绿醇项目个数和规模均居全国之首，规划产能分别占全国的57%和41%。然而在目前，这些项目多数还处于签约、规划、备案等阶段，仅有10%到15%已开工建设或投产。 在这一发展时期，一些行得通、可持续、可复制模式的建立尤其重要。要实现绿氢在工业场景中的规模化应用，必须解决两大问题：一是绿氢供应需达到一定规模并且相对连续稳定，二是降低目前依然较高的用氢成本。单个典型规模的工业应用场景的氢气需求量显著大于其他领域。以钢铁生产为例，典型氢冶金设施产能规模100万吨/年对应的氢气需求量是6万吨/年，是单个加氢站需氢量的近40倍。化工行业中，合成氨和甲醇的单厂年需氢量也同样在万吨级别以上。此外，由于工业生产环节较为连续，作为原料、燃料的氢气供给也需要连续稳定，以避免供应间断带来额外的设备启停成本。然而，国内绿氢制取潜力较大的区域和需求集中区域存在一定地理错配，不仅为实现绿氢的大规模连续稳定供应带来挑战，也为在绿氢需求高的区域提供较低成本的绿氢带来一定难度。 为了解决上述痛点，本研究针对工业场景中绿氢的大规模利用，提出“集群化发展”模式，即：优先在绿氢供给和需求较为匹配的区域，在技术可行的前提下，通过优化绿氢的“制-储-运-用”各环节及其配合方式实现经济性最优，从而保证工业场景中大规模、连续稳定且成本更低的绿氢供应。需要指出的是，“集群化发展”的模式不仅仅实现了工业场景所需的绿氢“制-储-运-用”在物理上的优化串联，也通过聚集作为上游的绿氢的生产方、作为中游的储氢和运氢基础设施提供方、作为下游的工业产能等多相关方，实现了风险的有效管理和分散，从而有效加速工业场景中绿氢的规模化发展。 本报告从在工业场景中实现绿氢大规模应用的关键要求，以及我国工业产能分布、绿氢资源禀赋情况出发，提出并诠释了“集群化发展”模式及其构建要点。更具体地，报告针对绿氢的制取、储存、运输和在工业场景中的利用各个环节，展开了技术经济性分析，为在“集群化发展”的过程中，在技术可行的情况下达到成本最优提供了依据。进一步地，为支持实际部署，报告就氢气供给和工业需求同址和异地两类典型场景，给出了进行集群构建和成本优化的方法，并以工业用氢地在青海、山西和浙江分别举例，进行供、用氢方案的比选优化和成本试算。最后，报告为加速大规模绿氢在工业低碳、零碳转型中的应用提出五项行动建议。 第大一规章模应集用群化发展助力工业场景中绿氢 1.1绿氢应用是工业低碳、零碳转型的关键抓手之一 绿氢应用作为碳减排的关键手段之一，对于工业领域碳减排的意义尤为重要。作为燃料，绿氢可通过燃烧反应快速提高反应器温度，达到绿电加热难以达到的极高温区间。绿氢也可作为原料利用，例如，在钢铁生产中替代目前常用的焦炭作为还原剂；而在化工生产中，绿氢则可替代灰氢作为原料，以大大降低反应过程中的碳排放。未来，在我国工业领域，氢在终端能源需求中的比例将逐步走高，有望在2060年达到20%，占非电能源需求的一半以上。5相应地，工业领域中氢的应用也将在2020-2060年间，带来超过80亿吨的累计减排量。6 钢铁和化工行业是未来绿氢规模化应用潜力较大的工业行业，在总产量中，基于绿氢生产路径的占比将逐年提高 （图表1）。对于钢铁行业，氢冶金是低碳冶金的代表性路径之一。到2030年，氢冶金年产粗钢量有望达到25万吨；到2050年达到1.2亿吨以上，占到国内总钢铁产量的20%。7此时，钢铁行业对绿氢对需求有望增长到700万吨左右。对于化工行业，以合成氨和甲醇为例，到2030年，以绿氢为原料生产的产量可分别达到总产量的20%和11%；到2050年，分别达到总产量的70%和74%，8此时，绿氢替代煤成为最主要的原料来源，合成氨、甲醇生产所需绿氢分别达到1100万吨和900万吨左右。 图表1典型工业中基于氢的产量占比和绿氢需求量估计 除钢铁、化工行业外，其他工业也有一定的绿氢应用潜力，但相对较小。例如，在水泥生产中，尽管绿氢可作为燃料提供高温，但其他替代燃料的可行性和经济性可能更为理想。本研究将聚焦钢铁、合成氨和甲醇行业，探讨在工业场景中实现绿氢大规模应用的解决方案。 1.2工业场景对氢气供应的规模化和连续稳定要求 在各类应用场景中，工业生产对氢气供应的规模化、连续稳定性有更高的要求。图表2对比了多个场景的典型产能和用氢规模。从规模化要求看，单个典型规模的工业场景的氢气需求量显著更大。例如，交通行业用氢多呈分布式，按单个加氢站典型加氢规模4.8吨/天计，年加氢规模约为0.18万吨/年。而对于工业，为实现规模效益，产能分布较为集中，用氢规模较大。以钢铁为例，典型氢冶金设施产能规模100万吨/年对应的氢气需求量是6万吨/年，是单个加氢站需氢量的近40倍。化工行业中，合成氨和甲醇的单厂年需氢量也同样在万吨级及以上。 图表2不同应用场景对氢气规模的要求 参数 加氢站 钢铁 合成氨 甲醇 （吨单氢位气用/吨氢产量量*） 1.0 0.06 0.18 0.09-0.19 （较万大吨规/年模） 0.33** 120 50 180 较（大万规吨模/需年氢）量 0.33 7.2 9.0 16.2-34.2 （典万型吨规/年模） 0.18*** 100 30 60 典（型万规吨模/需年氢）量 0.18 6.0 5.4 5.4-11.4 路线，在Power-to-X制甲醇路线中为0.19，在绿氢耦合煤制甲醇路线中为0.09；加氢站的大规业的 *单位用氢量在加氢站中指氢气，在工业中指单位工业产品生产所需的氢气量。钢铁的单位用氢量基于氢气直接还原铁工艺路线。甲醇的单位用氢量取决于不同的工艺 ***加氢站的较典型规模模参参照照山大西兴某国钢际铁氢企能示范重区卡，加单氢站站用规氢划量，是单4站.8吨用/氢天量。是9.0吨/天； 从稳定性要求看，由于工业生产环节较为连续，作为原料、燃料的氢气供给也需要连续稳定，以避免供应间断带来额外