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隨著全球工業(yè)技術的快速發(fā)展，氫能應用正迅速從化工原料向交通、建筑和儲能領域滲透。未來還將在氫冶金、綠色氫化工、氫能儲存、混合能源系統(tǒng)、智能能源系統(tǒng)等領域有所應用。根據(jù)國際能源署的可持續(xù)發(fā)展情景預測，到2030年，全球氫能終端應用的氫需求預計將達到9000萬噸左右。如此巨大的氫能需求如何更有效地應用于全球各個領域？哪些應用可以從綜合成本、碳減排、需求競爭力等因素中脫穎而出？本文將從氫能應用技術現(xiàn)狀、各種應用方式的成本對比以及氫能應用在各種場景下的競爭力等角度梳理未來全球氫能應用的發(fā)展趨勢，并關注氫能應用的布局。讓我們一起開啟氫能的新天地。
氫能將成為多領域最具競爭力的碳減排方案
在國際氫能委員會的《氫能洞察》報告中，梳理并預測了氫能未來在各個領域應用與傳統(tǒng)能源和低碳替代能源的競爭力。從總擁有成本（TCO）來看，在全球氫氣生產(chǎn)、儲運、配送成本快速下降的趨勢下，氫能在各個領域的應用潛力將逐漸凸顯。到2030年，氫能將有22種類型。它已成為終端應用中最具競爭力的碳減排解決方案，包括煉油、化肥、商用車、長途卡車運輸、航運和氫氣冶煉等應用。 （見圖1）。
四個終端應用有額外的成本驅動因素：在全球控制碳排放的背景下，綠色氫應用在傳統(tǒng)化工、煉油等領域深度脫碳；氫能直接還原鐵、廢鋼的綠色技術路線，有助于減輕冶煉領域的碳排放壓力，提高成本競爭力；隨著燃料電池技術的進步，氫在交通領域的傳統(tǒng)能源替代率將會提高；以及氫或氫基燃料的新應用。這些應用，隨著未來各國環(huán)保要求的提高，政府目標、能源安全、終端應用客戶需求（對無碳解決方案的關注度增加）、ESG投資以及能源“綠色溢價”等因素都會影響每個領域具體的投資和采購決策。例如，在新冠疫情背景下，全球航空、游輪、集裝箱運輸和鋼鐵行業(yè)都在努力推動更加環(huán)保的市場重啟。
降低應用成本有助于加速氫能在各個領域的推廣
根據(jù)傳統(tǒng)技術與2030年各領域氫應用成本對比預測（見圖2），可以看出，在不考慮碳成本的情況下，計算氫能終端應用成本為1.6-2.3美元/公斤排放，氫只能在大規(guī)模道路運輸應用（不包括乘用車）中具有競爭力。如果增加各個領域的碳排放成本（按 100 美元/噸 CO2 計算），氫能在大多數(shù)道路運輸和工業(yè)應用中將具有顯著的成本優(yōu)勢（見圖 3）。
在工業(yè)應用方面，降低制氫、儲存和運輸成本對于提升其應用競爭力尤為重要。其中，在煉油領域，氫原料將在未來十年逐步轉向綠色氫供應；化肥生產(chǎn)方面，到2030年，歐洲生產(chǎn)的灰氨成本將達到每噸二氧化碳50美元，屆時將使用可再生能源生產(chǎn)的綠色氨。將非常具有成本競爭力；鋼鐵是工業(yè)二氧化碳排放的最大來源之一，也可能通過氫能的應用成為成本最低的脫碳應用之一。到2030年，氫氣冶煉粗鋼成本僅為515美元/噸，同時每噸碳排放成本節(jié)約45美元。
在交通方面，到2030年，燃料電池汽車（FCEV）在不考慮碳排放成本的情況下，可以比大多數(shù)傳統(tǒng)交通解決方案具有競爭優(yōu)勢，尤其是在重卡和長途運輸領域。在重載長途運輸中，如果加氫終端價格達到4.5美元/公斤（包括制氫、儲運和加氫費用），F(xiàn)CEV計劃在2028年可以實現(xiàn)與柴油車同價。 另外，燃料電池在對功率和續(xù)航要求非常高的領域（例如重型礦用卡車等）提供了一種可行的替代方案。
同樣，氫能在火車、航運、航空等領域不斷發(fā)展。預計到2030年，清潔氨作為運輸燃料將成為集裝箱運輸脫碳最具成本效益的方式。它可以實現(xiàn)與重燃料油 (HFO) 持平，同時每噸碳排放量節(jié)省 85 美元。航空業(yè)可以通過氫和氫基燃料實現(xiàn)競爭性脫碳。中短程航線可以用液氫燃料替代原燃料，每噸碳排放節(jié)省90-150美元。遠程航線可根據(jù)具體情況使用氫合成燃料，每噸碳排放可節(jié)省200-250美元。
建筑和電力等其他終端應用中的氫能需要更高的碳成本才能具有成本競爭力。但是，為了永久解決全球大型天然氣管網(wǎng)脫碳問題，天然氣加氫應用也將得到快速發(fā)展；由于氫能儲運的流動性，還可以建立分布式能源網(wǎng)絡，實現(xiàn)區(qū)域或城市電力和熱能、冷能聯(lián)合供應；同時，氫能作為備用電源解決方案，尤其是在數(shù)據(jù)中心等大功率場景下，也越來越受到重視。
氫能在我國未來能源系統(tǒng)中具有豐富的應用場景
目前，我國各地氫能的發(fā)展方向大多局限在燃料電池汽車領域。示范應用主要集中在以公交車為主要應用場景的交通領域。應用場景單一，行業(yè)同質化突出。事實上，燃料電池技術路線更具優(yōu)勢的中重型卡車示范運行尚未真正開展，而其他領域如化工、冶煉、軌道交通、航空航天、分布式發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、動力等方面仍需充分挖掘氫能的價值和潛力。
石油化工是我國發(fā)展氫能的催化劑。一方面，由于氫氣需求量大，可以通過規(guī)模經(jīng)濟降低氫氣供應鏈成本。另一方面，企業(yè)相對集中，可以在基礎設施等方面取得領先。推動全社會發(fā)展氫能。未來，隨著工業(yè)脫碳要求的提高，CCUS技術生產(chǎn)的藍氫將成為向綠氫過渡的主要氫源。未來隨著可再生能源制氫成本的降低，傳統(tǒng)煉油化工生產(chǎn)中使用的氫氣將逐步替代為綠氫，實現(xiàn)化工行業(yè)深度脫碳。
鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國碳排放量的18%，僅次于電力行業(yè)，是碳中和的重要責任主體，氫冶金技術有助于深化鋼鐵行業(yè)脫碳。氫冶金使用氫氣代替焦炭作為高爐的還原劑，以減少甚至完全避免冶煉生產(chǎn)中的二氧化碳排放。隨著氫冶金成本的逐步下降，以及碳中和背景下的傳統(tǒng)冶煉，需要疊加碳稅等成本。預計到2030年，氫冶金成本與傳統(tǒng)煉鋼相比，在擁有成本和減排方面具有優(yōu)勢，實現(xiàn)氫冶金總量規(guī)模增長。
目前，隨著國家燃料電池汽車示范城市政策的出臺，未來將極大地促進燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。各地將加大示范經(jīng)營力度，提升企業(yè)科技創(chuàng)新能力，加強基礎設施建設。預計到2030年，國內燃料電池汽車年產(chǎn)量將達到40萬輛，銷量達到38.9萬輛，國內保有量達到108萬輛，商用車平均成本達到50萬元，乘用車平均成本將達到20萬元，交通部門的氫氣需求量達到約255.9萬噸。
根據(jù)我們的預測，到2030年，我國年均氫氣需求量將達到4800萬噸，其中能源總需求量為2000萬噸，占國內能源需求體系的2.3%。2030年，以綠氫、藍氫為主的氫能應用，將為實現(xiàn)碳達峰目標做出巨大貢獻。在預計的氫能供應規(guī)模下，來自可再生能源或配備碳捕獲、利用和儲存（CCUS）技術的電解水獲得低碳氫替代電網(wǎng)電力和傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)將至少產(chǎn)生1.8億噸/年碳減排效果。在我國能源轉型過程中，氫能將作為重要的清潔能源和良好的能源載體，實現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡協(xié)同優(yōu)化，助力工業(yè)、能源、交通、建筑等重大終端應用實現(xiàn)低能耗碳轉型。
