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氢能产业发展规划:山西省传统能源结构对氢能产业发展有哪些影响?

来源:原创  时间:2022-06-10  点击:186
本文梳理了氢能产业在中国的发展及政策等情况, 分析了山西省传统能源结构对氢能产业发展的影响。 应充分发挥山西省太原、 大同、 长治等市的能源结构优势, 构建起山西省以氢能供应为主体, 储氢、 运氢为纽带, 燃料电池与燃料电池车为主要发展方向的氢能源生态产业链。

  本文梳理了氢能产业在中国的发展及政策等情况, 分析了山西省传统能源结构对氢能产业发展的影响。 应充分发挥山西省太原、 大同、 长治等市的能源结构优势, 构建起山西省以氢能供应为主体, 储氢、 运氢为纽带, 燃料电池与燃料电池车为主要发展方向的氢能源生态产业链。


  山西省作为国内煤炭主产区和能源基地,是全国首个能源革命综合改革试点,应充分发挥能源大省的资源禀赋,深耕煤炭产业,发展煤化工,做强做大风电、光伏等清洁能源,把握能源革命综合改革试点这一契机,通盘考虑环境、产业、经济等因素,持续开展能源综合革命试点工作,直至转型成功。利用氢能清洁、安全、高效、可持续的特点,构建氢能产业链,成为能源革命改革试点突破点,已是大势所趋。


  1 氢能是清洁能源发展的新途径

  在当前能源危机的情形下,节能减排刻不容缓,利用和发展氢能,对经济发展和社会进步都具有举足轻重的作用。在中国汽车产业转型升级的过程中,氢燃料电池汽车已逐渐成长为新能源汽车新的力量,也是新能源汽车的发展方向之一;欧洲、美国、日韩等也制定了氢能产业发展规划,明确了氢能与燃料电池产业的战略性地位。


  同时,人类能源利用的进步就是“脱碳”的过程,提高能源的氢碳比,充分利用氢这一能源载体,将其运用到交通、建筑、工业等多个领域实现低碳化。比如,氢燃料电池车应用于交通运输领域;储能介质支持大规模可再生能源的整合和发电;分布式发电或热电联产为建筑提供电和热;工业领域直接提供清洁的能源等。据国际氢能委员会 (Hydrogen Council) 预测,到2050 年氢能将为全球提供 18%的能源需求,其产业可以新增 3×107 个就业岗位,温室气体排放量减少6×109 t,市场价值达 2.5×1012 美元。


  在美国市场调研及咨询公司 (Information Trends)发布的 《2021 年全球氢燃料站市场》 (“Global Marketfor Hydrogen Fueling Stations, 2021”) 中 统 计 , 截 至2020 年底,全球已有 33 个国家建成共计 584 座加氢站,其中,美国加氢站在全球加氢站中的占比为 12%,欧洲、中东和非洲 (EMEA) 占比为 36%,亚太地区占比达52%。日本是全球领先者,目前已拥有近 150 座加氢站,而增长最快的国家是中国,目前已建成加氢站 128 座,投入运营 101 座,超过韩国成为亚太地区第二。


  2 氢能是中国构建能源体系的关键一环

  十三届全国人大二次会议 《政府工作报告》 中明确将推动充电、加氢等设施建设,引导鼓励氢燃料电池等氢能产业发展。尤其是在 《中国氢能源及燃料电池产业白皮书 2020》 中预测,到 21 世纪中叶中国能源体系中氢能源占比达到一成左右,氢需求量接近 6×107 t,年经济规模超过 1×1013 元,加氢站达到 1×104 座以上,燃料电池汽车年产量达到 5×106 辆以上。


  氢能产业链分为制、储、运、加氢站、燃料电池下游应用等多个环节,其产业链涉及领域众多,技术要求高,蕴含的经济价值较大。尤其是氢燃料电池汽车是氢能高效利用的最佳选择,但受成本及产业发展的限制,大规模市场化应用依然面临种种问题。因此,在成本居高不下、市场反应不热的产业发展初期,政策扶持就必然起到产业引导作用。通过政策扶持,促进产业规模化、降本控费、创建市场,形成良性业态,同时,加强研发创新,解决产业核心技术的成本制约,通过不断的技术提升,进一步提升市场竞争力。


  2019 年以来,氢能产业受国家政策的影响,发展加速明显,地方性扶持政策频出。截至 2020 年底,国家层面氢能相关的政策文件超过 16 个,有20 个省市自治区、30 多个城市竞相推出氢能相关政策。地方政策有关氢能源发展超 87 份,其中专项政策38 份、新能源汽车政策 28 份、基础建设 (含加氢站) 政策 15 份、环保政策 6 份 (数据来自网络并统计)。


山西省传统能源结构对氢能产业发展的影响

图 1 为 2019—2020 年全国各省市自治区氢能产业相关政策发布数量对比图。


  随着国家氢能政策的加持,氢能在全国各地蓬勃发展,各地方政府纷纷发布氢能规划。相继出台的有关氢能利好政策,支撑了氢能产业市场化运作,带动了氢能相关基础设施建设,可以形成很好的示范效应。氢能市场化水平的不断提高,反过来同样可促进氢能产业利用和技术的进一步成熟与完善。


  3 以能源革命试点为契机布局氢能产业

  以煤炭产业为主要经济结构形式的山西省,长期以来高度依赖煤炭资源,生态环境脆弱,污染问题严峻。推动能源革命转型发展,研究创新发展新模式,把煤炭产业与新经济、新产业、新业态有机融合,已成为当前山西省转型发展的重要方向。


  2016 年起,山西省先后发布了 《山西省招商引资重点产业指导目录》 《山西省新能源汽车产业 2019 年行动计划》,将氢能产业作为重点培育和引进的产业发展方向,明确在山西省新能源汽车产业发展过程中,把氢能源汽车摆在先发展的位置。同时,将太原、大同、长治等市作为氢能产业试点示范,大力推动原有氢燃料电池汽车相关产业发展,争取在“十四五”期间,在山西省构建起体系健全、产业完善的氢能产业链,建设具备市场竞争力的氢能生产、利用示范基地。


  而后,依据 2020 年科技部等五部委联合发布的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》 (财建〔2020〕 394 号) 的要求,山西省积极调动各方力量,充分利用各地市在氢能产业的优势,由大同市作为牵头城市,与太原、长治、晋中、阳泉组队申报燃料电池汽车示范应用城市群。并先后发布了 《大同市氢能产业发展规划 (2020—2030 年)》 《长治市氢能产业发展规划 (2020 年—2030 年)》 《长治市氢能与燃料电池汽车产业发展行动计划 (2020 年—2023 年)》 《长治市加氢站审批和管理暂行办法》 《长治市燃料电池汽车交通运输暂行管理办法》 《长治市燃料电池汽车推广应用财政补助实施细则》 6 个政策文件,初步完成了山西省氢能产业布局。


  4 山西作为能源大省具有先天优势

  山西是全国重要的综合能源基地,煤炭、煤层气、风能、太阳能等各类能源汇集于一体,在中国能源体系中具有无可替代的战略地位。然而,山西经济兴衰过多依存于煤炭产业,亟待在能源革命、转型创新中焕发新的活力。


  从氢能产业链来说,解决氢的来源问题是发展氢能源经济的有效保障。当下以煤制氢作为氢的来源成本最低廉,也是发展氢能产业链前期可行的选择;从能源革命转型方面来说,实现能源结构的多元低碳、清洁高效是能源转型成败的关键,因势利导,充分发挥山西省原有的能源结构优势对发展氢能有着关键作用。


  山西省煤炭资源储量大,煤炭资源量长期排在全国前列,可开采基础储量为 1.167 63×1011 t,占总资源储量的 43.54%,含煤面积 6.22×104 km2.


  2019 年全国煤炭生产情况如表 1 所示,2015—2019 年山西省原煤生产情况如表 2 所示。

山西省传统能源结构对氢能产业发展的影响

表 1 2019 年全国煤炭生产情况


山西省传统能源结构对氢能产业发展的影响

表 2 2015—2019 年山西省原煤生产情况


  从能源产业结构来看,改革开放之初,为响应国家发展战略,建设“能源化工基地”,山西省形成了以“煤、焦、冶、电”四大传统产业为主导的产业结构,煤炭除部分用于出口外,大多用于发电供热、冶炼焦化、化肥水泥生产等各领域,导致山西省煤炭开采的整体利用率较低,产能过剩,造成煤炭资源这一不可再生资源的严重浪费,相对具有高附加值的煤化工产业发展滞后,以炼焦煤和电厂发电为用途的煤炭产业附加值较低,利用水平和利用率都较低。


  特别是焦化行业生产所产生的焦炉煤气中 H2 占到54%~59%,价格仅为 0.5 元/m3 ,可用于制取高纯氢。


  焦炉煤气是一种优质、价廉且数量丰富的制氢原料,可为山西省发展氢能产业提供丰富制氢原料来源。但如果要满足氢燃料电池的使用,则需对焦炉煤气制氢的吸附提纯技术进行改进,以获取纯度达到 99.999%的 H2.


  目前主要的制氢技术是化石能源制氢,通过煤气化、甲醇裂解等技术,实现大规模的工业应用,其中化石能源工业化制氢占到中国 H2 来源的 67%,焦炉煤气制氢、氯碱化工副产氢占到 32%,而电解水制氢规模普遍较小,产能在 1%左右,且价格居高不下。


  氢能产业发展的前提必然是有充足的 H2.这就要求其制造原料要充足,且制造成本在市场可接受范围内,相对于石油、天然气而言,山西省煤炭资源丰富,在发展煤制氢产业上有着得天独厚的优势。因此,在风电、光伏等新能源和可再生能源技术发展可实现大规模商业化制氢之前,煤制氢产业会有十分广阔的发展前景,应作为主要的制氢方案并予以重视。但应看到,在发挥煤炭产业优势、发展煤制氢产业的同时,需正面应对其煤气化制氢技术存在的二次污染问题,要与 CCUS (碳捕集、利用与封存) 技术相结合,优化升级煤化工产业,提高产品附加值,逐步改善煤炭产业原有运营方式。


  5 风、光资源促进氢能产业良性发展

  山西省风、光资源丰富,风光发电经过“十三五”期间的大力发展已具备较好的能源优势。山西省风能资源的技术开发面积达 4 061 km2.风功率密度≥300 W/m2.技术开发量为 5 020~7 900 MW[4],特别是山西省东部,中条山、五台山、恒山、太行山及其周边地区,风能资源更加丰富;山西省日照充足,年日照数在 2 200~3 000 h 之间,年日照率为 51%~67%,年总辐射量介于1 350~1 650 kW·h/m2.有丰富的太阳能资源。


  截至 2020 年 5 月,山西省风电、光伏累计装机2.423 65×107 kW,其中风电累计装机1.299 6×107 kW,光伏累计装机 1.124 05×107 kW。但因风、光资源受气候影响较大,其持续性、稳定性较差,弃风电、弃光电较为严重。据可查询到的 2017 年数据,山西省累计弃风、弃光电量总计 1.14×109 kW·h (风电 1.097×109 kW·h、光伏 0.43×108 kW·h)。以电解水制氢耗电 3.5~5.0 kW·h/m3算,仅弃风、弃光电量就可用于制氢 2.05×104~2.93×104 t。


  因此,山西可充分依托自身在风、光能源上的优势,大力发展风电、光伏制氢,同时利用氢储能的特点发展储能、分布式发电等产业。


  总结

  山西省所具备的煤炭、风电、光伏等传统能源是发展氢能产业必备的资源优势,而且以前对传统能源的大规模资源开采和利用,受产业环境、国家环保政策影响较大,经济发展和环境保护矛盾突出。以能源革命试点为契机,大力发展现代煤化工产业,利用开发好煤制氢、风光制氢,在加快氢能产业的快速发展中具有重要地位和典型示范作用。


  山西省自 2019 年始以太原、大同、长治三市为示范城市,2020 年增加阳泉、晋中等地共同发力构成氢能源发展产业链,其中太原作为山西省技术与人才的聚集地,高校、科研院所科研能力优势明显,应加强在氢能产业的研发、成果转化、落地方面的工作,并相应布局高技术领域的氢能产业;大同、阳泉等地发挥煤炭资源、风电资源、光伏能源优势,大力发展煤制氢、风光能源制氢,并有针对性地建立产业技术研发中心;长治、晋中等地在利用其风电资源优势的前提下,因其技术培训学校较多,产业技术工人资源优势明显,可大力引进相关企业,培育符合山西省氢能产业发展布局的本土企业。并且,各地市在利用现有优势发展氢能产业的同时,也应取长补短,互相借鉴,合理引进新技术,转化新成果,加大在氢能领域的科研投入力度,逐步完善氢能应用场景建设,合力构建起山西省以氢能供应为主体,储氢、运氢为纽带,燃料电池与燃料电池车为主要发展方向的氢能源生态产业链。(作者:翁帅)


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