氢能产业发展研究

一、氢能概述

氢气有两个属性。一是化学属性，氢气作为化工原料得到广泛应用，如用于合成氨、合成甲醇、炼油、煤炭深加工等，目前全球91%、我国95%的氢气用做工业原料。二是能源属性，氢气具有热值高(单位质量的热值约为煤炭的4倍、汽油的3.1倍、天然气的2.6倍)、终端利用无污染、便于大规模储存、可与多种能源便捷转换等优点，被国际能源署誉为“未来能源架构的核心”，可应用于动力、电力、家庭用能等多个领域。随着化石能源资源紧缺、气候变暖等问题加剧，以及氢能产业各环节技术的日渐成熟，氢能利用将越来越广泛。

二、氢能发展现状

(一)制氢

制氢环节主要包括电解水制氢、煤制氢、天然气制氢、生物质制氢、光解制氢、热化学制氢、工业副产氢等方式。

电解水制氢是未来重要发展方向。电解水制氢具有制取过程无污染物和温室气体排放、氢气纯度高等优势。从制取成本看，化石能源制氢约10元/kg，工业副产氢约21元/kg，电解水制氢约30元/kg。受成本因素影响，目前全球约96%的氢气来源于化石能源制氢和工业副产氢，仅有约4%的氢气来源于电解水。2018年，中国年氢气产量约2100万吨，占全球总产量的比例超过30%，是世界第一大氢气生产国，其中电解水制氢仅占约5%。随着可再生能源规模化发展和能源互联网建设日趋完善，电解水制氢已逐步成为各国能源科技创新和产业支持的焦点。

电价是制约电制氢发展的关键。目前电价占电制氢总成本比重约为85%，按电制氢电价约0.4～0.6元/kWh计算，我国电制氢成本约30～40元/kg。当电价降低到0.1元/kWh时，电制氢成本可下降至10元/kg，与化石能源制氢价格相当。目前各地发展氢能产业，其中氢气主要来源于化石能源制氢和工业副产氢。

(二)储氢

根据状态，储氢可分为高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固态储氢。

高压气态储氢是我国目前应用最广泛的氢气存储形式，其中35MPa储氢瓶已批量化应用，70MPa储氢瓶也步入产业化推广阶段。低温液态储氢被认为是前景较好的氢气大规模存储发展方向之一，但目前我国液氢仅用于航天和军事领域，与国外70%左右氢气采用液氢运输相比差距较大，且成本是美国等技术垄断国的20倍以上。

(三)运氢

运氢主要方式包括气氢拖车、液氢槽车、管道运输。

目前国外以液氢槽车和管道运输为主，国内绝大部分采用气氢拖车运输并建有少量氢气管道。国内气氢拖车运输发展非常成熟，设计制造技术已达到国际先进水平;液氢槽车运输在我国仅应用于航天领域，尚不允许民用领域开展液氢公路运输，但长期来看液氢槽车将取代气氢拖车成为主要运氢方式;管道运输仍处于试点示范阶段，我国氢气管道里程仅约400km，占比不到全球总规模的8%，最具代表性的大口径氢气管道有济源-洛阳(25km)、巴陵-长岭(43km)等。受运输技术及成本限制，短期内氢能消纳以就近消纳为主，难以实现远距离运输消纳。

(四)用氢

目前我国生产的氢气95%作为化工行业的原材料应用于传统工业领域，其余5%用于以氢燃料电池为核心的能源网络。其中，氢能主要有动力、电力、家庭三个应用方向。

1.动力领域应用现状

动力方面，氢气可用于汽车、飞机、轮船、火箭等领域，其中目前最主要、前景最广阔的应用场景是氢燃料电池车。

氢能汽车包括氢燃料内燃机车、氢燃料电池车两种。氢燃料电池车能量转化效率可达60%～80%，而氢燃料内燃机车能量转化效率仅30%左右，所以业界将氢燃料电池车作为氢能汽车主要发展方向。相比于纯电动汽车，氢燃料电池汽车具有续航里程长、燃料加注快(3到5分钟)、低温性能好、回收无污染等优势，在远距离、载重大、点对点的商用车领域具有良好的应用前景。目前氢燃料电池汽车成本明显高于燃油和纯电动车型，燃油车百公里油费约为50元，纯电动汽车百公里电费约为6元(家用充电)～15元(商用充电)，氢燃料电池车燃料费用约100元(百公里耗氢量为1.5kg，氢气价格70元/kg)。在氢气加注方面，我国具备设计建造35MPa加氢站的能力，而国际主流的70MPa加氢站及其关键设备领域在国内仍处于示范验证阶段。截至2019年底，累计在运加氢站共52座，在建/拟建加氢站72座，到2030年将建成1000座加氢站。目前，加氢站氢气加注成本对政府补贴依赖较大。

2.电力领域应用现状

与其他储能技术相比，氢储能主要优势是环保性能好，但其投资成本远超抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能，且响应速度慢、效率低，如果制氢电价为0.1元/kWh，则氢储能能源成本将下降到0.5元/kWh左右，低于电化学储能能源成本。

3.家庭领域应用现状

主要用途是家用燃料电池热电联供系统。该方面外国企业技术优势明显，国内企业技术水平尚不具备商业化条件。

4.国内氢燃料电池现状

氢能应用的核心技术和产品是氢燃料电池。国内氢燃料电池与国际先进水平还存在一定差距，主要表现为使用寿命较短，车用氢燃料电池寿命一般为2000～3000小时，国际领先水平可达到5000小时，另外氢燃料电池关键零部件质子交换膜目前仅有美国、日本、德国等发达国家具备商业化供应能力，催化剂等核心材料也主要依赖进口。

三、初步认识

一是氢气能量密度高，环保性能好，是能源低碳转型的重要方向。近年来，全球气候变化和化石能源枯竭问题日益突出，作为一种绿色高效的二次能源，氢能具有热值高、无污染、可储存、与可再生能源便捷转换等优点，在交通、工业、建筑等领域具有广阔的应用前景，有望在终端能源消费领域替代石油、天然气等化石能源，有利于保障国家能源安全。

二是国内氢能产业取得了一些突破，但仍有大量关键技术、零部件依赖国外。在全球氢能产业发展提速背景下，国内企业持续进行自主研发，但与国际先进水平仍存在明显差距，制氢及氢燃料电池中的催化剂和质子交换膜、储氢环节的液氢加工技术、运氢环节的长距离输送技术和用氢环节的加氢站内关键材料制备技术都掌握在加、美、日、韩、德、法等国家手中，进口依赖高，议价能力差，制约我国氢能产业发展。此外，我国加氢站等基础设施总量不足以支撑氢燃料电池汽车大规模使用，技术和基础设施的双重掣肘导致氢能全产业链成本高。

三是全球范围内正掀起氢能产业发展热潮，将极大推动氢能产业发展。在全球加速能源低碳化转型背景下，发达国家结合自身资源禀赋和产业技术现状，逐步明确氢能源在国家能源体系中的定位，加速引导氢能产业健康发展，全球将迎来“氢能社会”发展热潮。目前我国正处于氢能产业培育期，地方政府投资热情高涨，但国家层面缺乏顶层设计，尚未明确氢能在国家能源战略层面的重要定位，且部分补贴门槛高、落地困难，大量标准尚为空白或已经过时，近期国家相关部委正在组织制定氢能产业规划和氢燃料电池车发展指导意见，将有效推动氢能产业发展。

四是国内传统石化能源企业纷纷布局氢能业务。目前，我国氢能产业处在培育期，预计2021年将进入快速发展期。在具体路线图和详细专项规划尚未出台的情况下，国家能源集团、中石油、中石化、国电投等大型传统化石能源企业从加强新能源发电消纳、工业副产氢价值利用等角度出发，超前谋划、抢抓市场机遇，纷纷布局氢气管道、加氢站、油氢电综合智慧能源站等业务，氢能产业已呈现群雄逐鹿态势。

五是氢能尚不具备应用于储能领域的条件。目前氢储能系统效率仅为电化学储能的50%左右、抽水蓄能的60%左右。未来随着单项技术的突破和研发体系的构建、配套基础设施的加速建设，技术国产化和量产化程度将不断提高，氢储能系统效率有望提升，但超过电化学储能和抽水蓄能系统效率的难度较大。