在“30碳达峰60碳中和”的目标之下,氢能作为世界公认的一种清洁、高效、安全的二次能源,承载着能源变革的重要使命。按照《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》路线规划,预计到2050年,氢能在中国能源体系中占比将达到10%,经济产值超过10亿元,氢能源市场的火爆势必会带动一批化工产品的发展。就目前各大企业在氢能产业链的规划布局来看,发展核心主要围绕制氢、储氢、燃料电池以及整车等环节,氢能本身属于能源化工的一个分支,其未来发展的各个环节均要经过化学过程或者使用化工原料。
制氢:短期看副产,长期看“绿氢”
首先从制氢方面来看,目前氢气最大的来源依然是石油化工原料副产,主要包括煤制氢、氯碱副产、炼厂干气、甲醇裂解等,产能占比高达90%以上,目前该部分氢气的利用率偏低,部分副产氢作为燃料使用或放空,从氢气的技术成熟度和成本方面考虑,短期内制取高纯氢最可行的方案是将工业副产氢充分利用,因此对于有副产氢的化工企业来说,氢能发展也将是契机之一。
但从长期来看,我国制氢结构将从以石油化工为原料的“灰氢”过渡到“蓝氢”,终极目标是零碳排放的“绿氢”,也就是电解水制氢。电解水制氢降低成本主要方式是利用我国丰富的再生资源,例如核能、风电以及光伏等,无论哪种制氢方式得到最大化发展,对诸多化工产品均可带来一定的机遇,以风电制氢为例,风电叶片用到的原材料如下:树脂类(环氧树脂、不饱和聚酯,乙烯基脂)、增强材料(玻璃纤维、碳纤维等)、胶粘剂(环氧型、聚氨酯型)等,未来风电制氢的发展将会给以上化工材料带来不同程度的需求刺激。再看目前热度较高的光伏制氢,从目前“绿氢”的规划布局上来看,光伏制氢的项目数量居多,光伏制氢的发展或将对金属硅、多晶硅、银浆等行业的刺激作用更加明显,但产业链中的EVA、POE、密封胶以及电子化学品(氢氟酸等)等相关化工产品的需求也将得到较好的发展,从最新的市场行业来看, EVA和POE已经受益于光伏市场,盈利达到历史新高。
储氢:气态-碳纤维,固态-化学氢化物,液态-有机化合物
氢气密度为0.0899kg/m3,远小于空气,这使得高密度存储氢气变得较为困难,安全高效以及低成本的储氢技术是实现氢能高效利用的关键。目前储氢方式有气态、液态和固态三种,气态是目前主流的储氢方式,固态和液态仍处于发展中阶段,三种储氢方式的发展将会带动不同化工产品的需求增长。
首先看气态储氢。目前高压气态储氢是最常见也是发展相对成熟的储氢方式,相较于钢瓶储罐,碳纤维储罐的压力耐受性和容量更有优势。碳纤维作为气态储氢瓶的关键材料,其发展优势较为明显。2020年碳纤维的进口依赖度仍高达62%,碳纤维价格高昂成为了碳纤维储罐发展的制约因素之一。碳纤维和储氢瓶之间的发展相辅相成,储氢瓶的发展将带动碳纤维的需求,而碳纤维国产化发展,降低成本也将推动储氢瓶的快速发展。
其次看固态储氢。固态储氢是将氢气通过物理吸附或者化学反应存储于固体材料中,是最有潜力的储氢方式之一,不过目前处于研发阶段,暂未商业化应用。从目前的研究情况来看,化学固态储氢技术比物理固态储氢技术安全性更高,储氢量也更大。化学储氢技术是氢气以原子状态在金属氢化物中储存的手段,目前制备技术和工艺日渐成熟,伴随成本进一步降低,该种储氢技术也将得到快速发展,适合储氢的化学氢化物将迎来新的市场契机。
最后看液态储氢。液态储氢技术发展时间较早,其储氢系统主要是由少氢和多氢有机化合物组成,通过催化加氢反应将氢气液态储存,该反应是可逆的。液态储氢技术有储氢量大、设备简单等优点,也成为了较有潜力的储氢方式之一,但其释放氢气的过程,操作条件也相对苛刻,限制了其市场化发展。目前液态储氢仍在不断研究发展,如果未来走向成熟,有机化合物的需求将进一步提高。
燃料电池:质子交换膜-氟化工,催化剂-碳基催化剂
氢能源发展的终端应用是氢燃料电池整车,而整车的“心脏”则是氢燃料电池以及系统,部分化工品是燃料电池组件中的关键材料。
质子交换膜是燃料电池核心组件之一,目前商业化应用的是全氟磺酸质子交换膜,而全氟磺酸树脂是质子交换膜的关键材料。目前国内最大的质子交换膜生产企业东岳集团,凭借其多年的氟化工基础,打破了质子交换膜全部依赖进口的局面,由此可见氟化工对质子交换膜的重要性。未来伴随氢燃料电池的发展,质子交换膜的需求量增加,将给氟化工市场带来更广阔的前景。
燃料电池中,电极上氢的氧化反应主要受催化剂的控制,催化剂也是燃料电池中的重要材料。目前应用最广泛的是铂(Pt)催化剂,但Pt材料主要依赖进口,价格高昂,目前在催化剂领域的研究方向主要是降低Pt催化剂的用量,碳基催化剂、石墨烯负载催化剂等新材料化工品成为了热门研究对象,但是这些新型催化剂的综合性能还需要继续验证。就目前的氢燃料电池发展状况来看,降低成本是主要目标之一,因此新材料方面的催化剂有较大的挖掘空间。
综上所述,氢能产业链中制氢、储氢和燃料电池环节均可给不同的化工行业带来发展契机,任何一个行业的兴起,都是化工的机遇,氢能产业的研究和创新不断发展,无论是有机化工、无机化工,还是材料化工等,均可在氢能产业发展中,捕捉氢能发展带来的机遇,找到自己合适的位置和发展机会。