杜廷召 劉 欣 葉 昆
劉永鐸 申會兵 白宸瑞
中國石油工程建設有限公司華北分公司
【摘要】簡析國內外氫能產業(yè)及技術發(fā)展現狀出發(fā)，介紹國際石油公司氫能發(fā)展布局及國內外油氣行業(yè)發(fā)展氫能的規(guī)劃部署，分析氫能行業(yè)規(guī)?；l(fā)展面臨的制氫、儲運、加氫等問題。中國石油企業(yè)在制氫基礎、儲運設施、技術基礎方面擁有發(fā)展氫能的優(yōu)勢，而且中國三大國有石油公司都進行了氫能發(fā)展相關部署。探討石油公司加快氫能發(fā)展的路徑，建議石油公司：1）加快氫能布局、提升市場競爭力；2）以零碳示范為契機，開展氫能替代，探索多場景、多模式氫能發(fā)展模式；3）積極布局可再生氫能各種路線；4）積極布局規(guī)模化儲氫/調峰技術；5）遷移能源安全管理經驗，促進氫能產業(yè)平穩(wěn)、加速發(fā)展；6）充分發(fā)揮油氣基礎設施、技術先發(fā)優(yōu)勢，助力解決氫能發(fā)展前期投資高的問題。
本文原載《國際石油經濟》期刊（2022-02），原題為《對“雙碳”目標下石油公司發(fā)展氫能的思考和建議》，僅代表作者觀點，供諸讀者參考。
01
能源轉型與發(fā)展氫能
全球能源低碳化背景下，油氣行業(yè)正面臨著傳統(tǒng)能源消費增速逐步放緩、日趨嚴格的控減碳排放政策、日益增高的減碳成本、高碳資產風險逐步升高，以及油氣生產增量面臨的技術經濟困難進一步增加等多重壓力。能源結構向清潔低碳轉型已經成為全球石油公司的共識。bp、道達爾、殼牌、中國石油、中國石化等傳統(tǒng)油氣企業(yè)積極拓展新能源業(yè)務，發(fā)展氫能、地熱能、生物質能、太陽能、風能等業(yè)務領域。
中國能源供應一直面臨著富煤缺油少氣的資源稟賦特點，對外依存度較高，尤其是傳統(tǒng)能源中相對低碳的天然氣供應對外依存度上升至42%（2020年），每年的需求量增速遠高于國內產量增速，供需矛盾日益突出，在碳達峰、碳中和（即“雙碳”）目標下，中國能源發(fā)展面臨著減排壓力大和能源供應不足的雙重問題。隨著太陽能發(fā)電、風能發(fā)電技術的進步和成本的快速下降，大力發(fā)展氫能被認為是“雙碳”目標下中國能源轉型不可或缺的選擇。發(fā)展氫能不僅有利于中國實現綠色發(fā)展目標，也有利于保障國家能源安全和形成新的經濟增長點。
氫能與傳統(tǒng)石油公司的油氣產業(yè)鏈關系十分緊密，與石化行業(yè)契合度尤其高。在氫能發(fā)展上，石油公司具備規(guī)模化的制氫能力基礎、成熟完整的能源安全管理經驗、全面的油氣儲運及分銷體系，擁有制儲運銷全產業(yè)鏈設計、建設、運行、管理等多方面的基礎優(yōu)勢、技術優(yōu)勢、人才優(yōu)勢、體系優(yōu)勢、安全管理優(yōu)勢。本文從國內外氫能產業(yè)及技術發(fā)展現狀出發(fā)，結合國際石油公司氫能發(fā)展布局，分析國內外油氣行業(yè)發(fā)展氫能的規(guī)劃部署和路徑；針對氫能行業(yè)發(fā)展的成本問題、波動性問題等氫能規(guī)?；l(fā)展面臨的問題，結合中國油氣行業(yè)發(fā)展氫能的各項優(yōu)勢基礎以及中國石油公司氫能發(fā)展部署，分析石油公司加快發(fā)展氫能的路徑并提出建議。
02
全球氫能產業(yè)發(fā)展現狀
氫氣發(fā)熱值高，是汽油的3倍，是目前除核燃料以外熱值最高的燃料之一；燃燒性能好，可燃范圍大、燃點高、燃燒快；資源廣泛，以化合物形態(tài)廣泛存在于水等物質中；無毒環(huán)保，反應產物清潔，減少溫室效應；由于其零碳特性，被視為“終極”能源，美國、日本、德國等發(fā)達國家相繼把氫能產業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。國際氫能委員會、國際能源署、麥肯錫等國際研究機構普遍看好氫能發(fā)展前景，其中國際氫能委員會預測，到2050年氫能在全球能源消費中的占比將提升到18%，創(chuàng)造市場價值超過2.5萬億美元，減少二氧化碳排放達到60億噸，成為與天然氣、石油并列的終端能源消費主體。
2.1 發(fā)達經濟體氫能產業(yè)發(fā)展情況
低碳發(fā)展能源轉型的背景下，美國、歐盟、英國、俄羅斯、日本、韓國等發(fā)達經濟體都已將氫能發(fā)展提升為國家能源戰(zhàn)略，氫能相關領域的研究、實踐工作持續(xù)升溫。美國自1970年起開始布局氫能技術研發(fā)，在全球率先提出“氫經濟”概念，1990年起陸續(xù)發(fā)布《氫能前景法案》《國家氫能發(fā)展路線圖》《全面能源戰(zhàn)略》等一系列的政策，促進氫能產業(yè)規(guī)?；l(fā)展。日本極力推進“氫能源社會”建設，1973年成立氫能源協(xié)會布局氫能源技術研發(fā)和研討，2003年以來陸續(xù)發(fā)布5次能源基本計劃、《日本氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖》《氫能基本戰(zhàn)略》等戰(zhàn)略部署，視發(fā)展氫能為國策。歐盟陸續(xù)發(fā)布《2005歐洲氫能研發(fā)與示范戰(zhàn)略》《歐盟氫能戰(zhàn)略》《可再生能源指令》等政策文件，將綠氫作為歐盟未來發(fā)展的重點，促進氫能成為歐盟能源體系的一個重要產業(yè)。碳中和背景下俄羅斯也感受到了國際能源變革對其帶來的挑戰(zhàn)，出臺了《2035年能源戰(zhàn)略》《氫能行業(yè)規(guī)劃》等規(guī)劃，計劃2024年前在俄羅斯境內建立全面涉及上下游的氫能產業(yè)鏈，促進清潔能源出口。
2.2 國際油氣巨頭氫能發(fā)展部署
bp公司認為氫能兼具儲能媒介和二次能源的雙重角色，將在2030－2050年得到廣泛的應用。bp是歐洲和美國兩個全球最大氫示范項目的能源合作伙伴，擁有超過40年的制氫經驗、超過10年的汽車加氫站試運營經驗。bp“十年戰(zhàn)略”計劃到2030年力爭氫能業(yè)務在核心市場占有約10%的份額，專注于難以電氣化或電氣化技術經濟性較差的兩個行業(yè)能源需求：一是活動能耗高的工業(yè)部門；二是重卡等運輸行業(yè)。
道達爾在氫能燃料領域積極推進加氫站布局，2013年道達爾、殼牌、德國戴姆勒等公司在德國政府的主導下啟動了“H2 Mobility”項目，計劃2023年前將德國的加氫站增加到400座。道達爾還與林德、寶馬等公司合作開發(fā)氫氣加注等相關技術。
殼牌公司也全面進軍氫能領域，在制氫、儲運和加氫全產業(yè)鏈布局，與日本巖谷產業(yè)、日本電源開發(fā)公司合作開發(fā)低品質褐煤制氫，與川崎重工公司合作開發(fā)液氫運輸船，與豐田公司合作建設加氫站。
03
氫能技術發(fā)展方向和面臨的問題
3.1 制氫
氫能產業(yè)鏈包括制取、輸送、儲存和利用，其中制取作為產業(yè)鏈的源頭制約著整個產業(yè)鏈的發(fā)展。“灰氫不可取、藍氫可利用、廢氫可回收、綠氫是方向”得到業(yè)界的廣泛認同，但由于可再生能源發(fā)展較晚，現階段可再生能源電解水制氫僅占全球氫氣產量的2%左右，且可再生能源發(fā)電成本尚未全面降低，目前天然氣制氫和煤制氫仍是主要的制氫方式?；茉粗茪錈o法擺脫對傳統(tǒng)能源的依賴，煤制氫碳排放水平較高，制氫成本最低，天然氣制氫碳排放較低，成本略高；基于可再生能源的電解水制氫低碳可持續(xù)，但是目前效率僅有50%～70%，且制氫成本目前高于化石能源制氫。結合減碳需求和氫能發(fā)展需求，石油公司多傾向于從灰氫到藍氫到綠氫的漸進過渡發(fā)展方式，根據預測，氫氣的制取方式及實現時間見表1。
表1 氫氣獲取方式及其實現時間
資料來源：何盛寶, 李慶勛, 王奕然, 等. 世界氫能產業(yè)與技術發(fā)展現狀及趨勢分析[J]. 石油科技論壇, 2020, 39 (03).
3.2 儲運
綠氫作為最有發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞?，其能量來源于風能、太陽能等可再生能源。根據自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心統(tǒng)計，中國風能、太陽能等可再生資源分布主要集中在西北地區(qū)，而中國用能負荷中心在東南部，能源資源與用能負荷中心存在空間上的錯位，相距1000～4000千米，氫能供需匹配面臨著超遠距離、規(guī)模化儲運問題。
氫氣具有體積能量密度低、容易泄露、液化能耗高且脆化金屬材料等特性，導致儲運問題突出。氫氣儲運受到規(guī)模、技術經濟條件限制，目前氫氣運輸以長管拖車為主的短距離運輸為主，輸送效率低下導致儲運成本較高、運輸半徑較短，限制了氫能的發(fā)展。在長距離氣體輸送中，管道輸送具有很強的競爭力，為了降低規(guī)?；臍錃廨斔统杀荆鞣秸鸩酵七M氫氣輸送管道的建設，以解決能源供需的時空矛盾。由于“氫脆”現象，輸氫管道需選用低碳材料，氫氣管道的造價是天然氣管道的2倍以上。同時氫氣輸送規(guī)模的發(fā)展也是漸進提高的，天然氣管道摻氫成為研究的熱點，國內外陸續(xù)開展了不同比例的示范項目，旨在解決天然氣管道和氫氣相容性的一系列問題。另外，液氫儲運、液態(tài)氫載體儲運、化學固體儲運技術也在研發(fā)中。
3.3 加氫
加氫站基礎設施處于建設初期，也是氫能源在交通領域競爭力不足的問題所在，各國均在加速加氫站網絡的建設。加氫站建設的問題主要包括：1）建站成本高，一座小規(guī)模加氫站單站投資約800萬元～2000萬元；2）氣態(tài)氫加注效率低，現有氣氫產業(yè)鏈使用方案的整體能源效率僅為4%～25%，壓縮儲運環(huán)節(jié)浪費率高達50%。加氫站正逐步從35兆帕氣態(tài)加氫向70兆帕氣態(tài)加氫和液態(tài)加氫方向發(fā)展，以提高儲運效率并降低儲運成本。
總體來說，氫的發(fā)展面臨如下幾方面的挑戰(zhàn)：1）基礎設施不足；2）全產業(yè)鏈技術成熟度不高；3）規(guī)模化儲運難度大，儲運成本高、效率低。全產業(yè)鏈成本高、效率低的問題導致終端氫消費成本高，相比傳統(tǒng)能源尚未能形成商業(yè)化競爭力，直接制約了氫能設施的規(guī)?；?、商業(yè)化運行和應用。
04
中國石油公司發(fā)展氫能的優(yōu)勢及部署
4.1 中國石油公司發(fā)展氫能的優(yōu)勢
4.1.1 制氫基礎雄厚，規(guī)模提升的可行性良好
根據各國際組織、團體預測，2035年前灰氫與藍氫仍是制氫主體，石油公司是當前最主要的氫氣的生產方和消費方，僅中國石油和中國石化年產氫量和消費量就達到約400萬噸。石油公司掌握著雄厚的天然氣資源，目前天然氣制取的藍氫仍具有較好競爭力，制氫發(fā)展?jié)摿薮蟆?
4.1.2 儲運基礎設施完善，氫能儲運發(fā)展?jié)摿Υ?
氫能基礎設施發(fā)展滯后是制約中國氫能大規(guī)模應用推廣的重要因素。石油公司具有雄厚的儲運基礎設施，若可以充分利用到氫能儲運中，則發(fā)展?jié)摿薮?。截?020年底，中國境內建成油氣長輸管道累計達到14.4萬千米，其中天然氣管道約8.6萬千米，原油管道約2.9萬千米，成品油管道約2.9萬千米，加油站超過12萬座，其中中國石化擁有3萬多座加油站，中國石油擁有2.2萬座加油站，中國海油有800多座加油站。在充分利用現有油氣網絡基礎上開展氫能儲運產業(yè)鏈發(fā)展，可提高基礎設施利用率，降低人工成本支出，同時可以彌補氫能業(yè)務經營性虧損，以油氣養(yǎng)氫，實現氫能催化發(fā)展。
4.1.3 技術基礎豐厚，支撐氫能產業(yè)安全快速發(fā)展
受氫氣點火能極低、極易泄漏、燃點范圍寬等相關問題影響，目前中國仍將氫氣作為危險品進行管理，嚴重制約氫能產業(yè)發(fā)展。高效、安全的儲運利用技術是實現氫能產業(yè)化、商業(yè)化的關鍵，石油公司具有豐富的制氫、儲氫、運氫及用氫經驗，同時在能源安全方面具有成熟的設計、建造、運行及維護管理經驗。天然氣、石油產業(yè)鏈與氫能產業(yè)鏈高度相似，石油公司現有研究機構、人才以及完整豐富的研究保障體系，可以快速應用到氫能全產業(yè)鏈技術研究，推動氫能開發(fā)關鍵技術和工藝加快突破，掌握氫能行業(yè)話語權，引領氫能產業(yè)高質量發(fā)展。
4.2 中國石油公司發(fā)展氫能的部署
4.2.1 中國石油氫能發(fā)展部署
2021年4月8日，中國石油集團召開總部組織體系優(yōu)化調整部署動員會，構建油氣和新能源業(yè)務板塊，把油氣和新能源并列為第一大業(yè)務板塊。2021年4月27日，中國石油董事長戴厚良在“新發(fā)展理念與企業(yè)高質量發(fā)展論壇”提出，中國石油要推進油、氣、熱、電、氫多元融合發(fā)展，積極構建多元互補的能源供給新體系，將氫能列為新能源發(fā)展4條路徑之一——布局全氫產業(yè)鏈。按照“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉型”三步走總體部署，中國石油氫能產業(yè)鏈與天然氣產業(yè)鏈及可再生能源協(xié)同發(fā)展，現有制氫能力和副產氫資源與二氧化碳捕集利用相結合，實現“藍氫”供應，構建藍氫、綠氫多元供氫，氫-電、電-氫轉化，建立氫氣儲存、運輸、終端加注供應鏈。
4.2.2 中國石化氫能發(fā)展部署
中國石化加強與康明斯、法國液化空氣集團、協(xié)鑫集團、隆基股份、北汽福田、長城汽車等氫能相關上下游企業(yè)全面合作，推進加氫站、氫能燃料汽車、能源綜合利用等方面的合作。2021年2月中國石化提出“十四五”期間形成一定規(guī)模的高純氫產能，布局若干高速氫走廊，構建氫能產業(yè)鏈和關鍵材料自主核心技術及標準體系，將加快發(fā)展以氫能為核心的新能源業(yè)務，擬規(guī)劃布局1000座加氫站或油氫合建站、7000座分布式光伏發(fā)電站點。
4.2.3 中國海油氫能發(fā)展部署
2021年1月22日，中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司揭牌成立，中國海油新能源主要包括風電、煤制氣、動力電池、生物質能、太陽能及氫能等業(yè)務，被中國海油列為其六大業(yè)務板塊之一。氫能規(guī)劃布局中立足海上風電戰(zhàn)略，布局海上風電制氫業(yè)務。實際工作中，中國海油與林德公司簽署合作意向書，共同探索和推動氫能發(fā)展。
05
石油公司加快發(fā)展氫能的路徑思考及建議
石油公司開發(fā)利用氫能具有先天優(yōu)勢，大力推動氫能產業(yè)，不但對推動中國能源結構調整、能源安全保障、節(jié)能減排和改善環(huán)境具有重要意義，而且對石油公司拓展新業(yè)務、增強綜合競爭能力，尤其是推動石油公司向綜合能源公司轉型具有重要的意義。目前，中國石油公司氫能實際部署尚未全面鋪開，各公司發(fā)展速度和部署不均衡，同時尚存在優(yōu)勢未得到充分發(fā)揮、產業(yè)化路徑不清晰等問題。為了加速發(fā)展氫能產業(yè)，使其在石油公司低碳發(fā)展中發(fā)揮重要作用，提出如下發(fā)展路徑及建議。
5.1 樹立危機意識，加快氫能布局，提升市場競爭力
“雙碳”背景下，無碳、低碳能源的發(fā)展壯大已成為共識。氫能作為技術密集型的產業(yè)，各大電力公司、煤化工企業(yè)、各類裝備集團等均早已開展人才培養(yǎng)、裝備研發(fā)、知識產權等相關布局，同時各類示范、試驗工程快速推進，技術高速發(fā)展，行業(yè)技術競爭激烈。甚至有的公司基于長遠布局考慮，對新能源項目不進行考核或降低收益率投資標準，以探索新型技術應用實踐和提高市場占有率。氫能領域人力培養(yǎng)、裝備研發(fā)、工程實踐、專利及標準布局的投入緩慢不僅不利于在未來競爭激烈的氫能市場環(huán)境中占據先發(fā)優(yōu)勢，也不利于石油公司能源轉型的突破式發(fā)展。
5.2 以零碳示范為契機，開展氫能替代，探索多場景、多模式氫能發(fā)展模式
油氣田系統(tǒng)用能包括電、熱、冷、燃料等，多種需求交叉耦合?！半p碳”背景下，各大石油公司均在開展零碳排放或近零碳排放油氣田示范工程實施，結合技術成熟度情況，多以風力和光伏發(fā)電為主開展能源替代工作，但由于“源網荷儲”、多能協(xié)同、負荷側響應等尚未形成良性互動，未形成高效、低成本的綜合能源系統(tǒng)。引入氫能媒介可打通電、熱、冷、燃料多能系統(tǒng)，開發(fā)出適用于不同用能場景及模式的零碳微網。
5.3 積極探索部署可再生氫能各種路線
氫能成為清潔能源不是因為其本身的無碳特性，而是由于其可采用可再生能源制取而無碳。由于氫氣自身物性原因，氫儲運成本高、效率低，嚴重制約氫能的空間、時間調配能力，而液體燃料儲運效率高達99%，而且液體氫載體儲運能耗和成本更低的同時安全性更高，國內外可再生甲醇、零碳氨及甲基環(huán)己烷等有機液體作為氫載體的示范和研究也越來越多。基于可再生能源消納的電化工（power-to-X，P2X）技術和氫載體固體氧化物燃料電池（SOFC）等技術的“氫氣生產－合成氫載體（天然氣、甲醇、氨、甲基環(huán)己烷等）－氫載體儲運－重整制氫/氫載體充裝、利用”路線模式，為氫能大規(guī)模儲運提供更加豐富的可能性，提升氫能的空間調配能力。甲醇、氨等液體的儲運和加注，還可以考慮利用已建油品輸送管道、加油站設施降低投資及運營成本。
各石油公司均在發(fā)展風光等新能源發(fā)電相關業(yè)務，但上網指標是新能源產業(yè)能否大規(guī)模發(fā)展的核心問題，尤其是“雙碳”背景下上網指標競爭日趨激烈。若無上網指標，石油公司將會面臨有電無處用、無處送的被動局面。發(fā)展氫載體路線可貫通可再生氫能制儲運銷產業(yè)鏈，助力石油公司向綜合能源公司轉型發(fā)展。
5.4 超前謀劃，積極布局規(guī)模化儲氫和調峰技術
儲能技術產業(yè)化發(fā)展是非化石能源大規(guī)模應用的前提條件。太陽能、風能等可再生能源發(fā)電已經實現商業(yè)化，但輸出電力波動性大的特點，導致可再生能源發(fā)電面臨著穩(wěn)定性差、儲存難度高、產用負荷無法實時匹配等問題，對原有電力系統(tǒng)的調節(jié)能力和安全保障能力形成巨大的挑戰(zhàn)，儲能是應對此類挑戰(zhàn)的重要手段。隨著未來氫儲能系統(tǒng)的規(guī)?；瘧茫瑢霈F跨季調峰、大規(guī)模長距離調配等需求，迎來儲氫業(yè)務規(guī)?；焖侔l(fā)展。石油公司具有豐富的儲能、調峰經驗，天然氣地下儲氣庫、液化天然氣（LNG）調峰儲備站、商業(yè)油品/化工品儲庫等設計、建設、運行經驗豐富，相應技術在氫能領域均有適宜的場景，布局地下儲氫庫、液氫調峰儲配站、氫載體儲庫等規(guī)?；瘍浼夹g，可以助力可再生氫能（氫氣、液氫、可再生氫載體）連續(xù)穩(wěn)定供應，拓展業(yè)務領域，實現油、氣、電、氫協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。
5.5 遷移能源安全管理經驗，促進氫能產業(yè)平穩(wěn)、加速發(fā)展
氫從危險化學品向“氫能”的轉變過程中，最重要的保障是其安全性。石油公司具有豐富的能源安全管理經驗，覆蓋天然氣、石油及大宗化學品的制取轉化、氣液態(tài)儲運、終端加注利用全產業(yè)鏈，各環(huán)節(jié)與氫能發(fā)展路徑高度契合，在石油公司系統(tǒng)、全面的能源安全風險防范體系基礎下，開展氫能安全風險防范制度及標準規(guī)范制定、有效防護措施開發(fā)，可以快速高效建立氫能運營的安全保障體系，切實保障氫能安全、高效、快速發(fā)展。
5.6 充分發(fā)揮基礎設施、技術先發(fā)優(yōu)勢，助力解決氫能發(fā)展前期投資高的問題
加快氫能制－儲－運－銷產業(yè)化研發(fā)應用，依托覆蓋全國的天然氣管道、加油站設施，加速分布式天然氣制氫+碳捕集利用與封存、摻氫管道、加油站合建高效安全氫能加注等相關技術研發(fā)及應用，破解氫能發(fā)展制約規(guī)?；c成本之間的惡性循環(huán)，推進氫能產業(yè)規(guī)?；l(fā)展和關鍵技術突破，降低終端消費成本，支撐氫能產業(yè)加快發(fā)展。
注：本文呈現內容略有調整，具體以正式刊發(fā)為準。歡迎赴知網《國際石油經濟》下載引用原文。
