薛雨軍：工業(yè)場(chǎng)景中大規模綠氫應用模式

編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續 共生 向新”為主題的“第五屆未來(lái)能源大會(huì )”在江蘇常州武進(jìn)召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，落基山研究所高級咨詢(xún)師薛雨軍發(fā)表了《工業(yè)場(chǎng)景中大規模綠氫應用模式》的主旨演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

薛雨軍：大家好，我來(lái)自落基山，我匯報的主題是工業(yè)場(chǎng)景中大規模綠氫應用模式的研究。

我們這次的分享主要是四個(gè)部分，上面四塊，一個(gè)是綠氫與工業(yè)低碳轉型，綠氫應用經(jīng)濟性，集群化發(fā)展模式和具體的行動(dòng)建議。

首先是切入一個(gè)主題，工業(yè)的排放到底有多少?左邊可以看到，這個(gè)是全國的排放結構圖，其中可以看到，工業(yè)占比是非常大的。其中范圍1的占比占全國的37%，如果考慮范圍2的話(huà)，就是其中電力有一部分的排放，是工業(yè)在應用，如果考慮范圍2的排放，可以占到全部的60%以上。其中鋼鐵，黑色金屬為代表的鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈占比是最大的，可以占到工業(yè)整個(gè)排放的39%。所以在國內“碳達峰、碳中和”的目標之下，鋼鐵、化工、水泥等重工業(yè)的脫碳重要性和急迫性越來(lái)越明顯。

右邊可以看到國家出臺的政策，從上到下可以分為綱領(lǐng)性政策、工業(yè)領(lǐng)域政策和具體細分的行業(yè)政策。

這個(gè)圖展示的是一個(gè)棋盤(pán)圖，橫的是不同低碳技術(shù)，縱的這邊是展示不同行業(yè)。其實(shí)可以看到，不同的低碳技術(shù)在不同的行業(yè)中的應用性是不一樣的，黃色是氫相關(guān)的低碳解決技術(shù)，工業(yè)中氫主要用作原料或者是燃料，具體的形式可以是氫能或者是氫基燃料。工業(yè)中是以直接應用氫能為主。比如鋼鐵的直接還原鐵，化工作為熱源和原料，氫在極高溫的條件下是有很大優(yōu)勢的。

下面是我們現階段統計的國內大型綠氫項目圖，這里面只涵蓋了有明確綠氫應用場(chǎng)景的項目。其實(shí)可以看到，整個(gè)所有的項目中，左邊是數量的統計，右邊是整個(gè)制氫量的統計，從數量來(lái)看，工業(yè)，綠色的是占主要，排放的角度，從右邊這個(gè)圖可以看到，綠色的工業(yè)相關(guān)，尤其是重工業(yè)相關(guān)的制氫規模的占比，也是在綠氫項目中占很大的比例，其中很重要的一塊，就是合成氨，合成氨主要現在發(fā)展趨勢比較好，一方面是得益于合成氨現在在綠氫的應用技術(shù)相對比較成熟，遠遠高過(guò)鋼鐵，因為鋼鐵現在是一個(gè)綠氫應用場(chǎng)景培育的過(guò)程，可能還是以副產(chǎn)氫為主。另一方面也是得益于政策激勵下的項目，合成氨項目的經(jīng)濟性的提升，比如說(shuō)工信部發(fā)布的工業(yè)碳達峰的實(shí)施指南中，要求大力發(fā)展氨燃料等低碳清潔能源研發(fā)，合成氨的項目現在是比較多的。

下面這個(gè)圖，我們是想從地理上看未來(lái)大家都知道的工業(yè)綠氫需求量要增加，未來(lái)實(shí)際情況下，綠氫的供給是否和綠氫增加趨勢相匹配。左邊是一個(gè)未來(lái)綠氫需求的預測，這個(gè)其實(shí)更多是一切照舊的場(chǎng)景，如果還是按照這個(gè)趨勢發(fā)展下去的話(huà)，左邊可以看到，每個(gè)省的左邊的小柱子是30年，右邊深色的柱子是50年，重工業(yè)的綠氫需求量會(huì )很大的。其中山東等東部省份的綠氫需求量很大，這個(gè)主要是取決于我東部省份的重工業(yè)已有的產(chǎn)能分布情況，以及規模情況。

右邊是一個(gè)綠氫供給的預測，這是基于各省光伏資源和風(fēng)電資源的情況，預計了30年、50年的制氫潛能情況，可以看到內蒙古地區，未來(lái)綠氫的制取潛能是很大的。

這個(gè)延伸到下一個(gè)問(wèn)題，我制氫的潛能和需求的潛能，其實(shí)在不同的省份之間是否是匹配的，下面這個(gè)圖，是一個(gè)碳排放工業(yè)，重工業(yè)的碳排放，包括鋼鐵、化工、水泥行業(yè)的潛能，以及未來(lái)綠氫的潛能的匹配。從左到右，最左邊是重工業(yè)的排放相對比較高的省份，河北、山東、江蘇、遼寧等，而這個(gè)圖是這個(gè)省對應的未來(lái)綠氫制取潛能，重工業(yè)的排放量和這個(gè)省未來(lái)制取的潛能并不完全匹配，比如內蒙古綠氫的潛能很大，但是他的工業(yè)產(chǎn)能，并不是很大的省，所以?xún)让晒旁谥毓I(yè)的綠氫消納能力并不是很匹配，內蒙古未來(lái)會(huì )成為一個(gè)綠氫輸出的大省。

這個(gè)是我們再往下一塊，集群化發(fā)展，主要是解決重工業(yè)用綠氫的三個(gè)年點(diǎn)。一個(gè)是剛才提到的地區統籌問(wèn)題，不同省份之間制氫和用氫的潛能是并不完全匹配的。還有一塊是工業(yè)用綠氫相比交通用綠氫等其他應用場(chǎng)景比較獨特的，是規?；瓦B續穩定性，因為工業(yè)的產(chǎn)能規模比較大，未來(lái)做綠氫替代的話(huà)，需要的綠氫規模也相應比交通場(chǎng)景大很多。工業(yè)一般說(shuō)是7天24小時(shí)連續生產(chǎn)，對應的綠氫可中斷性會(huì )更差一些。如果要解決重工業(yè)用綠氫的難點(diǎn)，有三個(gè)主要的解決方式，就是綠氫的制儲運的應用，把制儲運的應用。這個(gè)集群化的解決方式，本質(zhì)是將綠氫的制儲運整個(gè)聯(lián)系起來(lái)!與重工業(yè)脫碳的應用側進(jìn)行集合，形成一種集群化的發(fā)展模式。而產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同，是集群化發(fā)展的下一步，也就是說(shuō)，我需要把綠氫產(chǎn)業(yè)鏈和重工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈相結合，兩個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈之間的壁壘要打破，進(jìn)行融合發(fā)展。而重工業(yè)企業(yè)在其中的作用，重工業(yè)企業(yè)需要有更強的主動(dòng)性，傳統上來(lái)說(shuō)，重工業(yè)更多是一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，現在重工業(yè)企業(yè)需要更多的融入到綠氫的供應和綠氫的儲運方向的解決方案。具體形式可以是內部的孵化，或者是與產(chǎn)業(yè)相關(guān)方的合作，其實(shí)最近可以看到，中國石化和隆基股份在上個(gè)月簽訂相關(guān)的合同。重工業(yè)規劃新產(chǎn)能的時(shí)候，現在可能是用灰氫為主，如果未來(lái)用綠氫的話(huà)，未來(lái)綠氫從哪兒來(lái)?這塊也是要在規劃中需要考慮的問(wèn)題。

再往下是我們整個(gè)研究思路，我們集群化發(fā)展的考慮因素，規模性、連續性和跨區域調配，我們和對應環(huán)節進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比，規模性是通過(guò)制氫的環(huán)節解決，我制氫的規模大了，可以制取的綠氫規模也大了，可以解決工業(yè)用綠氫的規模性問(wèn)題。如果連續穩定性，可以通過(guò)儲氫，現在高了，可以把多余的氫儲起來(lái)，以后需要的時(shí)候再放出來(lái)，這可以解決工業(yè)的連續穩定性。再加上跨區域調配的話(huà)，是運氫環(huán)節為主要的解決方案。以此我們其實(shí)建立了往下的兩個(gè)場(chǎng)景。

一個(gè)是場(chǎng)景1，當氫氣的供需在同一個(gè)地方的時(shí)候，我們僅考慮制氫和儲氫的條件下是什么樣的發(fā)展模式。第二個(gè)場(chǎng)景2，制氫和用氫如果不是在一個(gè)地方，是異地制氫的情況，僅考慮制氫和運氫的情況是什么樣的場(chǎng)景，這是比較有代表性的場(chǎng)景，實(shí)際可能會(huì )比現在做的場(chǎng)景會(huì )更復雜一些。

這個(gè)是綠氫的應用經(jīng)濟性，這里會(huì )分為制氫、儲氫和運氫。

第一個(gè)制氫環(huán)節，根據我們的測算，現在綠氫的成本，在風(fēng)光資源相對比較好的地方可以達到18元每千克，而這個(gè)成本的構成，可能有70%是綠電的成本，未來(lái)隨著(zhù)綠電成本的下降，50年我們可以預測綠氫的成本達到7元每千克。同時(shí)又一個(gè)比較重要的不確定性，就是現在綠電并不是穩定的，風(fēng)電和光伏是波動(dòng)的，如果要保持工業(yè)用氫的穩定性的話(huà)，那么綠電是否需要和網(wǎng)電進(jìn)行結合，沒(méi)有綠電的時(shí)候，我們通過(guò)網(wǎng)電補給綠電的虧空?，F在2022年的情況，最右邊的這個(gè)地方，綠電和網(wǎng)電穩定供應的話(huà)，現在綠氫，或者說(shuō)綠電加網(wǎng)電制取的氫氣成本，可能比完全綠電制氫的成本會(huì )有所上升。

下面是一個(gè)儲氫技術(shù)的分享，主要解決的是我的一個(gè)波動(dòng)性的問(wèn)題，也就是我多制的氫，可以通過(guò)儲氫的方式滿(mǎn)足缺氫時(shí)候的使用?？傮w來(lái)說(shuō)，可以分為三部分。一個(gè)是物理儲氫、化學(xué)儲氫，還有一個(gè)是地質(zhì)儲氫。左邊可以看到，不同的儲氫技術(shù)是在不同的應用場(chǎng)景中有各自對應的適用性。其實(shí)儲氫的場(chǎng)景大致有兩個(gè)主要的維度，一個(gè)是儲氫的周期，還有一個(gè)是儲氫的規模，這個(gè)周期雖然說(shuō)，比如說(shuō)日內，現在看儲氫周期是一個(gè)相對比較少的，但是相對電化學(xué)來(lái)說(shuō)，氫儲能的周期還是比電化學(xué)長(cháng)很多的?？傮w來(lái)說(shuō)，物理儲氫更適用于短時(shí)期小規模的儲氫場(chǎng)景，化學(xué)儲氫相對于更大一點(diǎn)，地質(zhì)儲氫可以達到最大的規模，但是受限于不同的地質(zhì)條件，比如說(shuō)巖穴，如果地下沒(méi)有巖穴的儲氣庫，是很難應用地質(zhì)儲氫的。右邊是一個(gè)經(jīng)濟性的分析，其實(shí)可以看到，小規模短周期高壓儲罐和低壓儲罐是比較通用的方式，相對長(cháng)周期或者相對大規模，地質(zhì)儲氫是經(jīng)濟性比較好的?，F在已經(jīng)可以看到，歐洲相對比較大的工業(yè)用綠氫項目，都會(huì )考慮配備一些地質(zhì)儲氫，這樣可以降低他們的成本，而且能比較大規模的進(jìn)行調峰。

下面是運氫側，我們大致有三個(gè)手段，一個(gè)是長(cháng)管拖車(chē)，液氫罐車(chē)和輸氫管道，其中運具是很大的變量影響，我們不同的運具條件下，運氫成本是會(huì )發(fā)生很大的影響。這是一個(gè)相對比較簡(jiǎn)化的模型，是一個(gè)相對比較線(xiàn)性的關(guān)系，運具比較大的時(shí)候，運氫成本會(huì )比較大。在不同的情況下，包括30和50年的時(shí)候，存氫管道都是成本比較低的方式。但是存氫管道很大的一個(gè)問(wèn)題，就是需要很高的前期投入，前期要投入很大的人力成本、資金成本以及拿地這塊的成本，也是一個(gè)很大的難處。如果沒(méi)有辦法確保未來(lái)30年的使用周期的情況下，那么其實(shí)長(cháng)管拖車(chē)和液氫罐車(chē)，是一個(gè)比較好的方式，可以盡可能的降低我未來(lái)管道的擱淺風(fēng)險。

下面我們匯報的第三部分，就是集群化發(fā)展模式的部分。這里現在聊到的是場(chǎng)景1，就是本地制氫，我本地制氫本地用，這里盡可能的忽略運氫的影響，考慮到的成本結構是制氫成本加上儲氫成本，最終的優(yōu)化目標是用氫成本最低，用氫成本是制氫成本加上我的儲氫成本，也就是說(shuō)的調峰成本，這里面在這個(gè)場(chǎng)景下，假設我日內的調峰，日內波動(dòng)性的調峰，是我的儲氫罐，加上網(wǎng)電，調整日內波動(dòng)，季度波動(dòng)是考慮巖穴作為主要的方式。這里選取的案例是以青海為例，青海風(fēng)光資源相對比較好，但是可以看到，其實(shí)我們光伏比例會(huì )對制氫成本以及運氫成本有比較大的影響。因為光伏雖然在青海那塊成本相對比較低一些，但是波動(dòng)性比較大，光伏比例在增加的話(huà)，整體的制氫成本是在下降的，但是你所對應的儲氫成本是加大的。以此優(yōu)化目標，用氫成本最低的話(huà)，我們找到了一個(gè)，在這個(gè)模型和假設下比較好的光伏比例的點(diǎn)，光伏比例的點(diǎn)，在60%的光伏比例，最低成本可以達到21.6元每千克，這是制氫+儲氫的用氫成本。

再下面是場(chǎng)景2，異地制氫的情況下，我的氫氣不是在用氫省份進(jìn)行制取，我們需要+制氫+運氫的兩個(gè)環(huán)節，盡可能忽略掉儲氫的環(huán)節，考慮它的用氫。工業(yè)側拿到這個(gè)氫氣的交付價(jià)格的最優(yōu)化。這塊是以山西為例，對比了一個(gè)本地制氫和異地制氫的交付成本的差異，可以看到其實(shí)其中標1的這塊是內蒙古制氫，并且通過(guò)一個(gè)管道運輸，運輸到山西的情況，在這種比較優(yōu)化的場(chǎng)景下，我從內蒙古制氫，運到山西，會(huì )比山西本地制氫的條件更有經(jīng)濟性。以此看到一個(gè)潛在的運氫渠道，從內蒙古運到山西，交付成本，考慮到內蒙古制氫，加上內蒙古到山西的運氫成本，我們對這個(gè)做了一個(gè)未來(lái)的預測，隨著(zhù)制氫技術(shù)和成本性的提升，以及運氫的規?；獙е碌某杀咀兓?，未來(lái)50會(huì )比22年有比較大的成本降幅。

下面可以分享一下零碳工業(yè)集群形成的模式，現在的集群模式除了剛才所聊到的經(jīng)濟性和場(chǎng)景的研究，其中對應的商業(yè)模式也是非常值得分析的。我們大體對國際上的零碳工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群的分析，可以分為三塊，工業(yè)產(chǎn)業(yè)驅動(dòng)，能源資源驅動(dòng)和基礎設施驅動(dòng)，整個(gè)集群是一個(gè)非常龐大的，你要考慮到制儲運不同的環(huán)節，是很龐大的體系，因此很難避免說(shuō)不產(chǎn)生一個(gè)“先有蛋還是先有雞”的問(wèn)題，所以說(shuō)我們需要一個(gè)其中的相關(guān)方，或者其中比較重要的元素，先一步作出更多的表率，帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。其中工業(yè)產(chǎn)業(yè)、能源資源和基礎設施，是其中非常重要的三元素，其中一個(gè)肯定要先行一步，拉動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和集群的發(fā)展。

下面的集群發(fā)展要達到什么目標，目前國內和國際的產(chǎn)業(yè)集群或者工業(yè)集群比較重要的一個(gè)方向，就是能效提升、產(chǎn)業(yè)協(xié)同、綠氫應用，電氣化和碳捕集。其中對于工業(yè)，尤其是重工業(yè)來(lái)講，綠氫應用是其中很重要的一個(gè)要達到的目標。我通過(guò)規?；男岣呔G氫應用的適用性。再下面是剛才的案例分析，我們這里以英國的Humber工業(yè)集群為例，這是非常典型的工業(yè)產(chǎn)業(yè)驅動(dòng)的案例，本身所有的集群中，現在規劃和正在進(jìn)行的項目是 左下角這個(gè)表格，其中可以看到，不同的相關(guān)方是設立了能源資源側、工業(yè)產(chǎn)業(yè)側以及基礎設施側，整體一起形成合力，幫助這個(gè)工業(yè)集群進(jìn)行降碳和未來(lái)的綠氫應用，以及CCUS應用分析。這里歸納了四個(gè)可以成功的要素。第一個(gè)是政策支持，應該有一個(gè)工業(yè)脫碳挑戰項目，可以給實(shí)際項目提供財政支持。然后是零碳資源，這個(gè)下面的所有項目是靠?jì)蓚€(gè)管道把所有的項目串起來(lái)，一個(gè)是綠氫管道，這個(gè)前期過(guò)渡期可能是藍氫，或者是氫氣管道，還有一個(gè)是二氧化碳管道，這兩個(gè)是工業(yè)側比較重要的零碳資源。第三是核心項目，或者是基石項目，這里面有一個(gè)叫做H2H Saltend，它的作用是它可以提供工業(yè)產(chǎn)業(yè)和能源資源的雙重作用，也就是說(shuō)是一個(gè)化工用氫項目，也可以產(chǎn)生一定的灰氫，是這個(gè)公司進(jìn)行運營(yíng)的，這個(gè)項目其實(shí)很大的解決了我是雞生蛋還是蛋生雞的問(wèn)題，我先把我這個(gè)東西立在這兒，這樣其他相關(guān)聯(lián)的項目可以在產(chǎn)業(yè)集群內更好的發(fā)展。最后是一個(gè)外部合作，這個(gè)工業(yè)集群是和外部的BP主導的海上CCS項目合作，幫助這個(gè)工業(yè)集群把我產(chǎn)生捕集到的二氧化碳，通過(guò)管道的方式運輸到海上，進(jìn)行一個(gè)海上的CCUS。

下面是我們一個(gè)美國墨西哥灣的例子，是主要的能源資源和基礎設施驅動(dòng)的案例，這個(gè)主要得益于墨西哥灣比較豐富的油氣資源，是有油氣的制氫，現在是藍氫，之后可以過(guò)濾到綠氫，以及天然氣相關(guān)的氣體運輸的管網(wǎng)。這個(gè)我們歸納了幾點(diǎn)行動(dòng)建議。

規劃是盡早規劃，基建要落實(shí)，擴大相關(guān)方的合作，夯實(shí)標準基礎，最后是要注重公平的轉型。

最后簡(jiǎn)單的介紹一下我們研究所的中國項目，我們研究所是一家全球智庫，專(zhuān)注能源轉型相關(guān)的研究，我們研究所中國是致力于推動(dòng)中國的零碳能源轉型，助力中國的“碳達峰、碳中和”目標的實(shí)現。在電力系統脫碳，重工業(yè)脫碳，交通行業(yè)脫碳等方面展開(kāi)工作。其中工業(yè)方面我們是與企業(yè)、政策相關(guān)方、研究機構和其他行業(yè)的相關(guān)方緊密合作，共同助力鋼鐵、化工、水泥、電解鋁等重工業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)符合氣候目標的工業(yè)低碳和零碳轉型。

謝謝大家。