薛雨军：工业场景中大规模绿氢应用模式

编者按：2023年9月12-14日，以“绿色 持续 共生 向新”为主题的“第五届未来能源大会”在江苏常州武进召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，落基山研究所高级咨询师薛雨军发表了《工业场景中大规模绿氢应用模式》的主旨演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

薛雨军：大家好，我来自落基山，我汇报的主题是工业场景中大规模绿氢应用模式的研究。

我们这次的分享主要是四个部分，上面四块，一个是绿氢与工业低碳转型，绿氢应用经济性，集群化发展模式和具体的行动建议。

首先是切入一个主题，工业的排放到底有多少?左边可以看到，这个是全国的排放结构图，其中可以看到，工业占比是非常大的。其中范围1的占比占全国的37%，如果考虑范围2的话，就是其中电力有一部分的排放，是工业在应用，如果考虑范围2的排放，可以占到全部的60%以上。其中钢铁，黑色金属为代表的钢铁产业链占比是最大的，可以占到工业整个排放的39%。所以在国内“碳达峰、碳中和”的目标之下，钢铁、化工、水泥等重工业的脱碳重要性和急迫性越来越明显。

右边可以看到国家出台的政策，从上到下可以分为纲领性政策、工业领域政策和具体细分的行业政策。

这个图展示的是一个棋盘图，横的是不同低碳技术，纵的这边是展示不同行业。其实可以看到，不同的低碳技术在不同的行业中的应用性是不一样的，黄色是氢相关的低碳解决技术，工业中氢主要用作原料或者是燃料，具体的形式可以是氢能或者是氢基燃料。工业中是以直接应用氢能为主。比如钢铁的直接还原铁，化工作为热源和原料，氢在极高温的条件下是有很大优势的。

下面是我们现阶段统计的国内大型绿氢项目图，这里面只涵盖了有明确绿氢应用场景的项目。其实可以看到，整个所有的项目中，左边是数量的统计，右边是整个制氢量的统计，从数量来看，工业，绿色的是占主要，排放的角度，从右边这个图可以看到，绿色的工业相关，尤其是重工业相关的制氢规模的占比，也是在绿氢项目中占很大的比例，其中很重要的一块，就是合成氨，合成氨主要现在发展趋势比较好，一方面是得益于合成氨现在在绿氢的应用技术相对比较成熟，远远高过钢铁，因为钢铁现在是一个绿氢应用场景培育的过程，可能还是以副产氢为主。另一方面也是得益于政策激励下的项目，合成氨项目的经济性的提升，比如说工信部发布的工业碳达峰的实施指南中，要求大力发展氨燃料等低碳清洁能源研发，合成氨的项目现在是比较多的。

下面这个图，我们是想从地理上看未来大家都知道的工业绿氢需求量要增加，未来实际情况下，绿氢的供给是否和绿氢增加趋势相匹配。左边是一个未来绿氢需求的预测，这个其实更多是一切照旧的场景，如果还是按照这个趋势发展下去的话，左边可以看到，每个省的左边的小柱子是30年，右边深色的柱子是50年，重工业的绿氢需求量会很大的。其中山东等东部省份的绿氢需求量很大，这个主要是取决于我东部省份的重工业已有的产能分布情况，以及规模情况。

右边是一个绿氢供给的预测，这是基于各省光伏资源和风电资源的情况，预计了30年、50年的制氢潜能情况，可以看到内蒙古地区，未来绿氢的制取潜能是很大的。

这个延伸到下一个问题，我制氢的潜能和需求的潜能，其实在不同的省份之间是否是匹配的，下面这个图，是一个碳排放工业，重工业的碳排放，包括钢铁、化工、水泥行业的潜能，以及未来绿氢的潜能的匹配。从左到右，最左边是重工业的排放相对比较高的省份，河北、山东、江苏、辽宁等，而这个图是这个省对应的未来绿氢制取潜能，重工业的排放量和这个省未来制取的潜能并不完全匹配，比如内蒙古绿氢的潜能很大，但是他的工业产能，并不是很大的省，所以内蒙古在重工业的绿氢消纳能力并不是很匹配，内蒙古未来会成为一个绿氢输出的大省。

这个是我们再往下一块，集群化发展，主要是解决重工业用绿氢的三个年点。一个是刚才提到的地区统筹问题，不同省份之间制氢和用氢的潜能是并不完全匹配的。还有一块是工业用绿氢相比交通用绿氢等其他应用场景比较独特的，是规模化和连续稳定性，因为工业的产能规模比较大，未来做绿氢替代的话，需要的绿氢规模也相应比交通场景大很多。工业一般说是7天24小时连续生产，对应的绿氢可中断性会更差一些。如果要解决重工业用绿氢的难点，有三个主要的解决方式，就是绿氢的制储运的应用，把制储运的应用。这个集群化的解决方式，本质是将绿氢的制储运整个联系起来!与重工业脱碳的应用侧进行集合，形成一种集群化的发展模式。而产业链的协同，是集群化发展的下一步，也就是说，我需要把绿氢产业链和重工业的产业链相结合，两个产业链之间的壁垒要打破，进行融合发展。而重工业企业在其中的作用，重工业企业需要有更强的主动性，传统上来说，重工业更多是一个工业产品的生产，现在重工业企业需要更多的融入到绿氢的供应和绿氢的储运方向的解决方案。具体形式可以是内部的孵化，或者是与产业相关方的合作，其实最近可以看到，中国石化和隆基股份在上个月签订相关的合同。重工业规划新产能的时候，现在可能是用灰氢为主，如果未来用绿氢的话，未来绿氢从哪儿来?这块也是要在规划中需要考虑的问题。

再往下是我们整个研究思路，我们集群化发展的考虑因素，规模性、连续性和跨区域调配，我们和对应环节进行一个简单的类比，规模性是通过制氢的环节解决，我制氢的规模大了，可以制取的绿氢规模也大了，可以解决工业用绿氢的规模性问题。如果连续稳定性，可以通过储氢，现在高了，可以把多余的氢储起来，以后需要的时候再放出来，这可以解决工业的连续稳定性。再加上跨区域调配的话，是运氢环节为主要的解决方案。以此我们其实建立了往下的两个场景。

一个是场景1，当氢气的供需在同一个地方的时候，我们仅考虑制氢和储氢的条件下是什么样的发展模式。第二个场景2，制氢和用氢如果不是在一个地方，是异地制氢的情况，仅考虑制氢和运氢的情况是什么样的场景，这是比较有代表性的场景，实际可能会比现在做的场景会更复杂一些。

这个是绿氢的应用经济性，这里会分为制氢、储氢和运氢。

第一个制氢环节，根据我们的测算，现在绿氢的成本，在风光资源相对比较好的地方可以达到18元每千克，而这个成本的构成，可能有70%是绿电的成本，未来随着绿电成本的下降，50年我们可以预测绿氢的成本达到7元每千克。同时又一个比较重要的不确定性，就是现在绿电并不是稳定的，风电和光伏是波动的，如果要保持工业用氢的稳定性的话，那么绿电是否需要和网电进行结合，没有绿电的时候，我们通过网电补给绿电的亏空。现在2022年的情况，最右边的这个地方，绿电和网电稳定供应的话，现在绿氢，或者说绿电加网电制取的氢气成本，可能比完全绿电制氢的成本会有所上升。

下面是一个储氢技术的分享，主要解决的是我的一个波动性的问题，也就是我多制的氢，可以通过储氢的方式满足缺氢时候的使用。总体来说，可以分为三部分。一个是物理储氢、化学储氢，还有一个是地质储氢。左边可以看到，不同的储氢技术是在不同的应用场景中有各自对应的适用性。其实储氢的场景大致有两个主要的维度，一个是储氢的周期，还有一个是储氢的规模，这个周期虽然说，比如说日内，现在看储氢周期是一个相对比较少的，但是相对电化学来说，氢储能的周期还是比电化学长很多的。总体来说，物理储氢更适用于短时期小规模的储氢场景，化学储氢相对于更大一点，地质储氢可以达到最大的规模，但是受限于不同的地质条件，比如说岩穴，如果地下没有岩穴的储气库，是很难应用地质储氢的。右边是一个经济性的分析，其实可以看到，小规模短周期高压储罐和低压储罐是比较通用的方式，相对长周期或者相对大规模，地质储氢是经济性比较好的。现在已经可以看到，欧洲相对比较大的工业用绿氢项目，都会考虑配备一些地质储氢，这样可以降低他们的成本，而且能比较大规模的进行调峰。

下面是运氢侧，我们大致有三个手段，一个是长管拖车，液氢罐车和输氢管道，其中运具是很大的变量影响，我们不同的运具条件下，运氢成本是会发生很大的影响。这是一个相对比较简化的模型，是一个相对比较线性的关系，运具比较大的时候，运氢成本会比较大。在不同的情况下，包括30和50年的时候，存氢管道都是成本比较低的方式。但是存氢管道很大的一个问题，就是需要很高的前期投入，前期要投入很大的人力成本、资金成本以及拿地这块的成本，也是一个很大的难处。如果没有办法确保未来30年的使用周期的情况下，那么其实长管拖车和液氢罐车，是一个比较好的方式，可以尽可能的降低我未来管道的搁浅风险。

下面我们汇报的第三部分，就是集群化发展模式的部分。这里现在聊到的是场景1，就是本地制氢，我本地制氢本地用，这里尽可能的忽略运氢的影响，考虑到的成本结构是制氢成本加上储氢成本，最终的优化目标是用氢成本最低，用氢成本是制氢成本加上我的储氢成本，也就是说的调峰成本，这里面在这个场景下，假设我日内的调峰，日内波动性的调峰，是我的储氢罐，加上网电，调整日内波动，季度波动是考虑岩穴作为主要的方式。这里选取的案例是以青海为例，青海风光资源相对比较好，但是可以看到，其实我们光伏比例会对制氢成本以及运氢成本有比较大的影响。因为光伏虽然在青海那块成本相对比较低一些，但是波动性比较大，光伏比例在增加的话，整体的制氢成本是在下降的，但是你所对应的储氢成本是加大的。以此优化目标，用氢成本最低的话，我们找到了一个，在这个模型和假设下比较好的光伏比例的点，光伏比例的点，在60%的光伏比例，最低成本可以达到21.6元每千克，这是制氢+储氢的用氢成本。

再下面是场景2，异地制氢的情况下，我的氢气不是在用氢省份进行制取，我们需要+制氢+运氢的两个环节，尽可能忽略掉储氢的环节，考虑它的用氢。工业侧拿到这个氢气的交付价格的最优化。这块是以山西为例，对比了一个本地制氢和异地制氢的交付成本的差异，可以看到其实其中标1的这块是内蒙古制氢，并且通过一个管道运输，运输到山西的情况，在这种比较优化的场景下，我从内蒙古制氢，运到山西，会比山西本地制氢的条件更有经济性。以此看到一个潜在的运氢渠道，从内蒙古运到山西，交付成本，考虑到内蒙古制氢，加上内蒙古到山西的运氢成本，我们对这个做了一个未来的预测，随着制氢技术和成本性的提升，以及运氢的规模化效应导致的成本变化，未来50会比22年有比较大的成本降幅。

下面可以分享一下零碳工业集群形成的模式，现在的集群模式除了刚才所聊到的经济性和场景的研究，其中对应的商业模式也是非常值得分析的。我们大体对国际上的零碳工业产业集群的分析，可以分为三块，工业产业驱动，能源资源驱动和基础设施驱动，整个集群是一个非常庞大的，你要考虑到制储运不同的环节，是很庞大的体系，因此很难避免说不产生一个“先有蛋还是先有鸡”的问题，所以说我们需要一个其中的相关方，或者其中比较重要的元素，先一步作出更多的表率，带动整个产业链的发展。其中工业产业、能源资源和基础设施，是其中非常重要的三元素，其中一个肯定要先行一步，拉动整个产业链和集群的发展。

下面的集群发展要达到什么目标，目前国内和国际的产业集群或者工业集群比较重要的一个方向，就是能效提升、产业协同、绿氢应用，电气化和碳捕集。其中对于工业，尤其是重工业来讲，绿氢应用是其中很重要的一个要达到的目标。我通过规模化的效应提高绿氢应用的适用性。再下面是刚才的案例分析，我们这里以英国的Humber工业集群为例，这是非常典型的工业产业驱动的案例，本身所有的集群中，现在规划和正在进行的项目是 左下角这个表格，其中可以看到，不同的相关方是设立了能源资源侧、工业产业侧以及基础设施侧，整体一起形成合力，帮助这个工业集群进行降碳和未来的绿氢应用，以及CCUS应用分析。这里归纳了四个可以成功的要素。第一个是政策支持，应该有一个工业脱碳挑战项目，可以给实际项目提供财政支持。然后是零碳资源，这个下面的所有项目是靠两个管道把所有的项目串起来，一个是绿氢管道，这个前期过渡期可能是蓝氢，或者是氢气管道，还有一个是二氧化碳管道，这两个是工业侧比较重要的零碳资源。第三是核心项目，或者是基石项目，这里面有一个叫做H2H Saltend，它的作用是它可以提供工业产业和能源资源的双重作用，也就是说是一个化工用氢项目，也可以产生一定的灰氢，是这个公司进行运营的，这个项目其实很大的解决了我是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题，我先把我这个东西立在这儿，这样其他相关联的项目可以在产业集群内更好的发展。最后是一个外部合作，这个工业集群是和外部的BP主导的海上CCS项目合作，帮助这个工业集群把我产生捕集到的二氧化碳，通过管道的方式运输到海上，进行一个海上的CCUS。

下面是我们一个美国墨西哥湾的例子，是主要的能源资源和基础设施驱动的案例，这个主要得益于墨西哥湾比较丰富的油气资源，是有油气的制氢，现在是蓝氢，之后可以过滤到绿氢，以及天然气相关的气体运输的管网。这个我们归纳了几点行动建议。

规划是尽早规划，基建要落实，扩大相关方的合作，夯实标准基础，最后是要注重公平的转型。

最后简单的介绍一下我们研究所的中国项目，我们研究所是一家全球智库，专注能源转型相关的研究，我们研究所中国是致力于推动中国的零碳能源转型，助力中国的“碳达峰、碳中和”目标的实现。在电力系统脱碳，重工业脱碳，交通行业脱碳等方面展开工作。其中工业方面我们是与企业、政策相关方、研究机构和其他行业的相关方紧密合作，共同助力钢铁、化工、水泥、电解铝等重工业的发展，推动符合气候目标的工业低碳和零碳转型。

谢谢大家。