氢能产业链解析——工业及其他领域篇

请扫描识别二维码获取报告

毕马威中国于9月15日发布《一文读懂氢能产业》报告，为助力大家深入了解氢能这一重要清洁能源，我们将在报告基础上陆续推出氢能产业链解析、海外氢能战略和中国氢能战略等微信文章。此为微信系列的第四篇，聚焦氢能产业链下游应用场景中的工业、化工、发电及建筑等领域。

工业领域

工业是当前脱碳难度较大的应用部门，化石能源不仅是工业燃料，还是重要的工业原料。工业燃料通过电气化可实现部分脱碳，但是工业原料直接电气化的空间有限。在氢冶金、合成燃料、工业燃料等的带动下，2060年工业部门氢需求量将到7,794万吨，接近交通领域的两倍。

1

钢铁行业

钢铁冶炼二氧化碳排放量较大，2020年国内钢铁行业碳排放总量约18亿吨，占全国碳排放总量的15%左右。双碳目标下，钢铁行业面临巨大的碳减排压力。根据各大型钢铁企业公布的碳达峰碳中和路线图，结合中国钢铁行业协会减碳目标，假设到2030年，我国钢铁行业减碳30%，据此计算，到2030年钢铁行业需减排5.4亿吨。我国钢铁产量占世界总产量的一半以上，实现钢铁行业的降碳对我国“双碳”目标的达成意义重大。
氢在钢铁行业可应用于氢冶金、燃料等多个方面，以氢冶金规模最大。氢冶金通过使用氢气代替碳在冶金过程中的还原作用，从而实现源头降碳，而传统的高炉炼铁是以煤炭为基础的冶炼方式，碳排放占总排放量的70%左右。氢冶金是钢铁行业实现双碳目标的革命性技术。2021年《“十四五”工业绿色发展规划》发布，强调要大力推进氢能基础设施建设，推进钢铁行业非高炉低碳炼铁技术的发展。
现阶段，氢冶金技术的氢气主要来源于煤，整体减碳能力有限。氢冶金技术分为高炉氢冶金和非高炉氢冶金两个大类。高炉氢冶金是指通过在高炉中喷吹氢气或富氢气体替代部分碳还原反应实现“部分氢冶金”，非高炉氢冶金技术以气基竖炉法为主流。我国竖炉氢冶金技术处于起步阶段，同时受氢气制备和储运、高品质精矿等条件制约，距离大规模应用和全生命周期深度降碳仍有一定距离。
从全球范围看，氢冶金的工业化技术也尚未成熟，德国和日本等氢冶金技术领先的国家也处于研发和试验阶段。根据世界能源署统计，传统高炉的使用年限为30-40年，而目前全球炼铁高炉平均炉龄仅为13年左右，在未来很长一段时间内，全球范围内将仍以传统的高炉炼铁工艺为主流，低碳高炉冶金技术将是过渡期内重要的研发方向。氢冶金的发展可以分步实现，到2025年，验证中试装置研究大规模工业用氢能冶炼的可行性；到2030年，实现以焦炉煤气、化工等副产品中产生的氢气进行工业化生产；到2050年，进行钢铁高纯氢能冶炼，其中氢能以水电、风电及核电电解水为主。

2

化工行业

氢气是合成氨、合成甲醇、石油精炼和煤化工行业中的重要原料，还有小部分副产气作为回炉助燃的工业燃料使用。中国氢能联盟数据显示，2020年合成氨、甲醇、冶炼与化工所需氢气分别占比32%、27%和25%（图1）。目前，工业用氢主要依赖化石能源制取，未来通过低碳清洁氢替代应用潜力巨大。

数据来源：中国氢能联盟，毕马威分析

氨是氮和氢的化合物，广泛应用于氮肥、制冷剂及化工原料。合成氨的需求主要来自农业化肥和工业两大方面，其中农业肥料占70%左右。国际能源署预计至2050年，将会有超过30%的氢气用于合成氨和燃料。目前，氨生产所需要的氢（化石能源制取，又称灰氢）主要是通过蒸汽甲烷重整（SMR）或煤气化来获取，每生产一吨氨会排放约2.5吨二氧化碳。绿氢合成氨则可减少二氧化碳排放。绿氢合成氨主要设备包括可再生能源电力装备、电解水制氢设备、空分装置、合成氨装置，以上相关技术装备国产化程度较高。其中，碱性电解水与质子交换膜电解水技术能够实现规模化的电解水制氢，我国的碱性电解槽技术水平处于行业领先水平。此外，国内外质子交换膜电解水技术均处于起步阶段，且成本偏高，未来主要取决于燃料电池技术发展进程。

大规模、低成本、持续稳定的氢气供应是化工领域应用绿氢的前提。尽管短期内化工领域绿氢应用面临经济性挑战，但随着可再生能源发电价格持续下降，到2030年国内部分地区有望实现绿氢平价，绿氢将进入工业领域，逐渐成为化工生产常规原料。

发电领域

纯氢气、氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力，从而实现发电行业的脱碳。氢能发电有两种方式。一种是将氢能用于燃气轮机，经过吸气、压缩、燃烧、排气过程，带动电机产生电流输出，即“氢能发电机”。氢能发电机可以被整合到电网电力输送线路中，与制氢装置协同作用，在用电低谷时电解水制备氢气，用电高峰时再通过氢能发电，以此实现电能的合理化应用，减少资源浪费。另一种是利用电解水的逆反应，氢气与氧气（或空气）发生电化学反应生成水并释放出电能，即“燃料电池技术”。燃料电池可应用于固定或移动式电站、备用峰值电站、备用电源、热电联供系统等发电设备。

这两种氢能发电均存在成本较高的问题。目前，燃料电池发电成本大约2.50-3.00元/度，而其他技术发电成本基本低于1元/度。例如，目前火电发电成本大约0.25-0.40元/度，风电发电成本约为0.25-0.45元/度，太阳能发电成本约0.30-0.40元/度，核电发电成本大约0.35-0.45元/度（图2）。对比发电成本可以发现，燃料电池的发电成本要高于其他类型的发电模式。由于质子交换膜、电解槽等核心设备主要依赖进口，成本较高，叠加原材料铂的价格昂贵，导致氢能发电成本较高。 

数据来源：公开资料，毕马威分析 

随着对清洁能源的重视，风能、太阳能等可再生能源发电占发电量的比例逐步提高。2020年我国风电、太阳能发电总装机容量5.3亿千瓦，占全社会用电量的比重达到11%，到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。根据IEA研究，在2050年零碳排放目标的情景下，风电、太阳能发电在发电量中的占比接近70%。可再生能源发电在电力系统中的作用越来越重要。但是，风电、太阳能发电的间歇性和随机性，影响并网供电的连续性和稳定性，因此储能作为相对独立的主体将发挥重要作用。

电力储能方式目前主要有抽水蓄能、锂电子电池、铅蓄电池、压缩空气储能等，其中抽水蓄能占比超过86%。与其他储能方式比，氢储能具有放电时间长、规模化储氢性价比高、储运方式灵活、不会破坏生态环境等优势。另外，氢储能应用场景丰富，在电源侧，氢储能可以减少弃电、平抑波动；在电网测，氢储能可以为电网运行调峰容量和缓解输变线路阻塞等。

目前，受技术、经济等因素的制约，氢储能的应用仍面临许多挑战。一方面，氢储能系统效率相对较低。氢储能的“电—氢—电”过程存在两次能量转换，整体效率40%左右，低于抽水储能、锂电池储能等70%左右的能量转化效率。另一方面，氢储能系统成本相对较高。当前抽水蓄能和压缩空气储能成本约为7,000元/千瓦，电化学储能成本约为2,000元/千瓦，而氢储能系统成本约为13,000元/千瓦，远高于其他储能方式。

氢储能目前仍处于起步阶段，2021年国内氢储能装机量约为1.5兆瓦，氢储能渗透率不足0.1%。氢储能在推动能源领域碳达峰碳中和过程中将发挥显著作用。国家发展改革委和国家能源局于2021年出台的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出，到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变；到2030年，实现新型储能全面市场化发展。氢储能作为新型储能方式，未来发展空间广阔。

建筑领域

建筑部门能源需求主要用于供暖（空间采暖）、供热（生活热水）等的电能消耗。与天然气供热（最常见的供热燃料）等竞争性技术比较，氢气供热在效率、成本、安全和基础设施的可得性等方面目前不占优势。

由于纯氢的使用需要新的氢气锅炉或对现有管道进行大量的改造，在建筑中使用纯氢气的成本相对较高。例如，欧洲的氢能源使用比其他地区起步要早，但目前氢能源供热成本仍然是天然气供热成本的2倍以上。即便到2050年，当热泵成为最经济的选择时，氢气供暖的成本可能仍比天然气供热成本高50%。

氢气可以通过纯氢或者与天然气混合输送，使用纯氢方式传输对管道要求更高。氢气还可能导致钢制天然气管道的安全风险，需要用聚乙烯管道取代现有管道。这种投资对于较大的商业建筑或地区供暖网络来说可能具有经济意义，但对于较小的住宅单元来说则可能成本过高。

因此，早期氢气在建筑中的使用将主要是混合形式。氢气与天然气混合，按体积计算的比例可以达到20%，而无需改造现有设备或管道。和使用纯氢相比，将氢气混合到天然气管道中可以降低成本，平衡季节性用能需求。随着氢气成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然气基础设施和有机会获得低成本氢气的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使用氢气。

挪威船级社DNV预测，在2030年代后期，纯氢在建筑中的使用有望超过混合氢气；到2050年，氢气在建筑供暖和供热能源总需求中约占比3-4%。

联系我们

蔡忠铨

能源及天然资源行业主管合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

林伟

环境、社会和治理主管合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

沈莹

气候变化和可持续发展服务主管合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

李晶

交易战略与并购融资合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

谢忆佳

能源及天然资源行业税务合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

付强

电力及公共事业行业主管合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

胡颖华

环境、社会和治理服务合伙人

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

康勇

首席经济学家

毕马威中国

[phone]

[e-mail]

本文内容仅供一般参考用，并非针对任何个人或团体的个别或特定情况而提供。虽然我们已致力提供准确和及时的资料，但我们不能保证这些资料在阁下收取时或日后仍然准确。任何人士不应在没有详细考虑相关的情况及获取适当的专业意见下依据所载内容行事。本文所有提供的内容均不应被视为正式的审计、会计或法律建议。©2022毕马威华振会计师事务所(特殊普通合伙)、毕马威企业咨询(中国)有限公司及毕马威会计师事务所，均是与英国私营担保有限公司— 毕马威国际有限公司(“毕马威国际”)相关联。毕马威国际不提供任何客户服务。各成员所均为各自独立的法律主体，其对自身描述亦是如此。毕马威华振会计师事务所(特殊普通合伙) — 中国合伙制会计师事务所；毕马威企业咨询 (中国) 有限公司 — 中国有限责任公司；毕马威会计师事务所 — 香港合伙制事务所。版权所有，不得转载。毕马威的名称和标识均属于毕马威国际的商标或注册商标。