研究報告 | 我國氫能產(chǎn)業(yè)商業(yè)化探索前景及挑戰(zhàn)
來源：中能傳媒研究院 時間：2023-05-31 10:35
我國氫能產(chǎn)業(yè)商業(yè)化探索前景及挑戰(zhàn)
中國能源新聞網(wǎng)記者 伍夢堯
氫能重量輕、密度大、燃燒熱值高，是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源。相比傳統(tǒng)化石能源，氫能主要通過氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生能量，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電、儲電、用電全過程零碳排放，還能通過“電—?dú)洹姟钡碾姎漶詈闲问教峁╅L時間或季節(jié)儲備，近年來正在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮越來越重要的作用。
自20世紀(jì)70年代，氫能通過美國提出的“氫經(jīng)濟(jì)”概念首次作為一種替代能源進(jìn)入人類視野，到現(xiàn)在，氫能已成為全球推進(jìn)經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要力量。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2022年底，全球已有近30個國家和地區(qū)發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展政策，并積極規(guī)劃氫能相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)。其中，僅2022年，全球就啟動大型氫能項(xiàng)目130余個。據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，到2030年全球氫能領(lǐng)域投資總額有望達(dá)到5000億美元，到2050年氫能或能滿足全球18%的終端能源需求。
經(jīng)過數(shù)年快速發(fā)展，我國氫能產(chǎn)業(yè)積累了豐富的氫能供給經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，當(dāng)前我國已成為全球最大制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)超300家，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景得到資本市場充分認(rèn)可。同時，氫能發(fā)展浪潮正在向經(jīng)濟(jì)社會更多角落蔓延，在交通、建筑、電力、工業(yè)等多個領(lǐng)域，我國積極開展氫能應(yīng)用的探索實(shí)踐，并取得一定成果。
我國氫能行業(yè)發(fā)展概況
（一）我國已成為全球最大制氫國
我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展興起于21世紀(jì)初期的氫燃料電池領(lǐng)域。從“十五”到“十三五”，在一個個國家級重要規(guī)劃的接續(xù)支撐下，氫燃料電池技術(shù)創(chuàng)新能力持續(xù)提升?！笆濉睍r期，我國對清潔能源重視程度的大幅提升，以及碳達(dá)峰碳中和工作的有序推進(jìn)，帶動氫能產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。
國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)指出，當(dāng)前，我國已成為全球最大制氫國，年制氫產(chǎn)量達(dá)3300萬噸，其中達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約1200萬噸，此外，全球領(lǐng)先的可再生能源裝機(jī)規(guī)模也將有力支撐氫能供給增長。目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)已初步掌握氫能制備、儲運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，部分關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)水平接近國際先進(jìn)水平。
據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年，我國累計發(fā)布?xì)淠苤攸c(diǎn)投資項(xiàng)目35個，投資總額近700億元，投資范圍覆蓋整個產(chǎn)業(yè)鏈。值得關(guān)注的是，在發(fā)布的35個項(xiàng)目中，有33個位于示范城市群、12個位于其他區(qū)域，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱潮正在向全國范圍蔓延。
據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2026—2035年，我國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)5萬億元。到2050年，氫能在我國終端能源體系中占比有望超過10%，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元。
（二）氫能政策框架日益完善
伴隨我國對氫能行業(yè)重視程度的不斷提升，推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速被越來越多部門列入年度重點(diǎn)工作任務(wù)之中，政策體系日益完善。
圖1 氫能在我國能源發(fā)展中扮演愈發(fā)重要的角色
早在2006年，“氫能及燃料電池技術(shù)”就被國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》列入先進(jìn)能源技術(shù)的行列，行業(yè)創(chuàng)新能力得到重點(diǎn)加強(qiáng)，以推動行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
其后，2007年5月發(fā)布的《高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》、2011年7月發(fā)布的《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、2016年8月發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等多份文件，均把氫能列為新能源的重要組成部分，明確提出要“積極發(fā)展氫能”。氫能行業(yè)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)及氫能燃料電池在交通、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用推廣等工作，得到國家越來越多的政策支持與引導(dǎo)。
伴隨我國經(jīng)濟(jì)社會綠色轉(zhuǎn)型的日益深化，氫能在我國能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮的作用越來越重要。2019年3月的《政府工作報告》明確提出要“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，這也是氫能首次被寫入我國政府工作報告。2020年4月，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》擬將氫能列入能源范疇。
2021年，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動方案》相繼印發(fā)，碳達(dá)峰碳中和“1+N”政策體系日漸成型，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃中的“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)啟動實(shí)施，為氫能等清潔能源發(fā)展提供了更為具體的路徑和方向。同時，《關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》的發(fā)布，正式啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作。自此，從國家到地方，從技術(shù)研究到燃料電池、氫能多元利用，氫能產(chǎn)業(yè)“制—儲—輸—用”全產(chǎn)業(yè)鏈條全面獲得更多政策支持。
據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年，國家層面出臺氫能相關(guān)政策近30項(xiàng)，發(fā)文機(jī)關(guān)包括國務(wù)院、國家發(fā)展改革委、國家能源局、工信部、財政部、科技部、交通運(yùn)輸部等十余個國家主管部門，無論是政策覆蓋面還是支持力度，均遠(yuǎn)超往年。
2022年3月，我國首個氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃——《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》由國家發(fā)展改革委正式發(fā)布。其中明確指出，氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。規(guī)劃再次明確了氫能在我國能源綠色轉(zhuǎn)型中的重要地位，并為行業(yè)發(fā)展提供制度與政策支持。
同年6月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等九部門聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》要求，推動可再生能源規(guī)模化制氫利用，在可再生能源發(fā)電成本低、氫能儲輸用產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件較好的地區(qū)推進(jìn)可再生能源發(fā)電制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推進(jìn)化工、煤礦、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域綠氫替代，為行業(yè)發(fā)展進(jìn)一步指明方向。
2022年，在國家政策的指引下，與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的地方性規(guī)劃井噴式出臺。除兩批燃料電池汽車示范城市群中成員，還出現(xiàn)了湖北、四川、重慶等非示范地區(qū)，山東青島、山西呂梁、內(nèi)蒙古伊金霍洛旗、江蘇常熟等地更是出臺了相關(guān)補(bǔ)貼政策，積極支持地方行業(yè)發(fā)展。
當(dāng)前，從中央頂層設(shè)計到地方產(chǎn)業(yè)支持政策，從燃料電池示范應(yīng)用到技術(shù)創(chuàng)新獎勵激勵措施，我國氫能政策框架體系日趨完善，政策措施不斷豐富，覆蓋領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)大，為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展構(gòu)筑堅強(qiáng)制度保障。
（三）示范城市群建設(shè)漸成規(guī)模
2021年8月，財政部、工信部、科技部、國家發(fā)展改革委、國家能源局五部門向北京、上海、廣東三地下發(fā)《關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》，京滬粵三個城市群入選首批示范城市群名單，面向礦石鋼材運(yùn)輸、建筑材料運(yùn)輸、整車物流等超過18個應(yīng)用場景，燃料電池汽車示范應(yīng)用的大幕正式拉開。
2022年1月，國家第二批燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群名單公布，河北城市群、河南城市群榜上有名，燃料電池汽車示范城市群“3+2”發(fā)展格局基本形成，而2022年也被業(yè)內(nèi)稱為“氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展元年”。
表1 氫能產(chǎn)業(yè)示范城市名單
從不同的優(yōu)勢特點(diǎn)來看，入選城市大致可分為三種類型。一是經(jīng)濟(jì)型，如上海、江蘇、浙江、廣東等多個入選城市，均位于我國沿海及長江經(jīng)濟(jì)帶上，上海城市示范群的上海、蘇州、嘉興則直接位于兩區(qū)域交匯處，較好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)可為示范工作推進(jìn)提供更堅實(shí)的財力支撐。二是資源型，如河北張家口及內(nèi)蒙古烏海、鄂爾多斯等入選城市，風(fēng)光資源富足，能夠?yàn)榍鍧嵞茉粗茪浼夹g(shù)創(chuàng)新能力提升及氫能參與電力系統(tǒng)提供有益經(jīng)驗(yàn)及充足實(shí)踐場景。三是經(jīng)驗(yàn)型，如河北張家口作為2022年北京冬奧會的主賽區(qū)之一，已建成并投運(yùn)多個綠氫項(xiàng)目，而山東省在不同城市群中入選的淄博和濰坊，都是國家“氫進(jìn)萬家”科技示范工程示范省份山東省的參與城市，不僅已擁有一定的工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，而且在交通、工業(yè)等多個領(lǐng)域和應(yīng)用場景中也積累了一定經(jīng)驗(yàn)。
與2018年發(fā)布的國補(bǔ)政策相比，本次開展的示范城市工作主要是采用“以獎代補(bǔ)”的方式，不僅在主要性能指標(biāo)方面的要求出現(xiàn)明顯提升，補(bǔ)貼的側(cè)重點(diǎn)（從下游主機(jī)廠轉(zhuǎn)向上游核心零部件及關(guān)鍵材料企業(yè)）、補(bǔ)貼的直接獲得對象（從主機(jī)企業(yè)轉(zhuǎn)為城市）、直接受益對象（從下游主機(jī)廠延伸到零部件和材料企業(yè)）等都發(fā)生了變化，且補(bǔ)貼覆蓋面更廣，能夠更有力地拉動產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)發(fā)展提速。
圖2 2022年氫能產(chǎn)業(yè)示范城市群推廣車輛數(shù) （數(shù)據(jù)來源：長三角氫能科技研究院）
經(jīng)過一年多的示范工作，目前，五大示范城市群建設(shè)已取得一定成果，示范期內(nèi)推廣燃料電池汽車總量超37000輛，推動我國2022年度燃料電池汽車推廣數(shù)創(chuàng)歷史新高，市場滲透率持續(xù)提升，整體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入商業(yè)化初期。其中，作為首批示范城市群成員，京津冀、上海、廣州三個城市群產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好，補(bǔ)貼政策較為明確，先發(fā)優(yōu)勢正在構(gòu)筑規(guī)模優(yōu)勢，2022年內(nèi)有多個幾十億到百億量級項(xiàng)目相繼落地，催動城市群氫能汽車行業(yè)發(fā)展不斷提速。
（四）市場前景看好
進(jìn)入“十四五”以來，在國家多項(xiàng)政策的有力支持下，氫能產(chǎn)業(yè)正在成為能源企業(yè)及社會資本布局和投資的重點(diǎn)。
目前，包含國家電投、國家能源集團(tuán)、中國石油、中國石化、中國海油在內(nèi)的超過三分之一的央企已開始在氫能領(lǐng)域布局，范圍覆蓋“制—儲—輸—用”全產(chǎn)業(yè)鏈，并在技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用方面獲得一定成果。
近年來，央企紛紛入局氫能，為加快產(chǎn)業(yè)走向商業(yè)化持續(xù)注能。例如，由中國石化于2021年11月底啟動建設(shè)的新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目，計劃全部采用光伏和風(fēng)電等可再生能源發(fā)電制氫，制氫規(guī)模達(dá)每年2萬噸。據(jù)了解，該項(xiàng)目投產(chǎn)后將充分利用新疆豐富的太陽能及風(fēng)能資源，就地加工、就地利用，有效壓縮電解水制氫工藝中成本占比最高的電費(fèi)部分，擴(kuò)大項(xiàng)目利潤空間，有望為加快電解水制氫工藝的商業(yè)化應(yīng)用提供有益經(jīng)驗(yàn)。
部分國有企業(yè)直接出資設(shè)立氫能產(chǎn)業(yè)基金，支持氫能技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)制造能力提升，其中規(guī)模較大的甚至超過百億元，規(guī)模較小的也達(dá)到了千萬元。同時，國家開發(fā)投資銀行、中國國際金融公司及諸多省級投資基金也相繼布局氫能產(chǎn)業(yè)，投資規(guī)模持續(xù)上升。當(dāng)前，在氫燃料電池領(lǐng)域，行業(yè)龍頭如東風(fēng)汽車、重塑科技、國電投氫能公司等可獲得數(shù)十億的大額融資，小微企業(yè)及初創(chuàng)企業(yè)則有望獲得千萬級的融資規(guī)模，資本市場對氫能的關(guān)注正在持續(xù)升溫。
從產(chǎn)業(yè)鏈的投資項(xiàng)目來看，制氫環(huán)節(jié)的項(xiàng)目數(shù)量占比達(dá)到29%，無論是在數(shù)量還是在投資規(guī)模方面，占比均相對較高。同時，氫燃料電池環(huán)節(jié)也得到企業(yè)的熱烈追捧，2022年簽約項(xiàng)目二十余個，涉及固定發(fā)電、氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供設(shè)備生產(chǎn)制造、氫燃料電池汽車等多個領(lǐng)域。
需要說明的是，不僅是大型央企和國企，陽光電源、隆基股份等新能源民企也在利用自身技術(shù)研發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、資金規(guī)模等方面的優(yōu)勢向制氫、儲氫裝備、燃料電池等領(lǐng)域延伸。其中，隆基氫能正在研究通過光伏進(jìn)行間歇式電解水制氫，比亞迪已取得燃料電池相關(guān)專利44項(xiàng)，內(nèi)容涉及雙極板、膜電極、儲氫裝置等多個層面。
我國氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化探索
（一）制備：制氫工藝向“清潔化”邁進(jìn)
我國氫氣制造工藝以引進(jìn)技術(shù)為主，目前已相對成熟。根據(jù)制取過程的碳排放強(qiáng)度，制氫工藝主要可分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫三種類型。
圖3 我國制氫工藝市場占比（2022年）（數(shù)據(jù)來源：中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院）
1.我國主流制氫工藝類型
化石能源制氫，即通過煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒、提純制氫，多年來市場占有率超過80%，制取的氫被稱為灰氫。相比石油、天然氣相對較高的成本價格，來源穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性明顯的煤制氫工藝發(fā)展更為成熟，目前已形成更為完整的制氫工藝體系和產(chǎn)業(yè)鏈條，是我國低成本氫氣的主要來源（化工、化肥企業(yè)多數(shù)會選擇煤制氫工藝），且短期內(nèi)仍將保持這一地位。
需要說明的是，盡管上游原料同為化石能源，煤制氫和天然氣制氫的成本構(gòu)成存在較大差距。天然氣制氫的成本結(jié)構(gòu)中，天然氣成本占比達(dá)70%，而天然氣的價格是由政府核定，波動曲線相對固定，因此天然氣制氫的成本價格也相對固定。煤制氫的成本結(jié)構(gòu)中，占比最高的煤炭成本約為總成本的三分之一，且煤炭價格受政策及實(shí)時供需影響較大，波動時會帶動煤制氫上游價格隨之發(fā)生變化。因此，煤制氫的成本相較天然氣制氫并非永遠(yuǎn)占據(jù)優(yōu)勢。
化石能源制氫過程中，會排放大量的二氧化碳等污染物。部分項(xiàng)目會在工藝中增加碳捕集利用與封存（CCUS）等技術(shù)降低碳排放量，以實(shí)現(xiàn)低碳制氫，制取的氫被稱為藍(lán)氫。目前，CCUS技術(shù)僅在示范項(xiàng)目中落地，行業(yè)整體還處于探索示范階段。據(jù)業(yè)內(nèi)測算，增設(shè)CCUS會使每千克的制氫成本提高近7元，其大規(guī)模開展有待技術(shù)進(jìn)一步成熟。
工業(yè)副產(chǎn)制氫，即通過對工業(yè)廢氣等副產(chǎn)中的氫氣進(jìn)行提純制氫，主要包括煉廠的催化重整、丙烷脫氫、焦?fàn)t煤氣及氯堿化工等。其中，高溫焦化副產(chǎn)焦?fàn)t氣和蘭炭副產(chǎn)荒煤氣的產(chǎn)量最高，氫含量分別達(dá)到約55%、25%。這一工藝能夠提升資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時降低污染物排放。
與其他兩種方式相比，工業(yè)副產(chǎn)氫前期投資較少，具備一定成本優(yōu)勢。目前，我國工業(yè)副產(chǎn)制氫已達(dá)到百萬噸級，但受上游規(guī)模限制，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。
電解水制氫，即向電解質(zhì)水溶液中通入直流電，可以分解出高純度（>99%）氫氣，又被稱為綠氫。以每生產(chǎn)1噸氫氣排放的碳排量做比較，煤制氫的過程約排放二氧化碳15~20噸，天然氣制氫約排放二氧化碳9~11噸，而電解水制氫的排放量僅為約0.03噸，更符合當(dāng)前能源綠色發(fā)展趨勢。
近年來，電解水制氫的生產(chǎn)規(guī)模已逐漸從兆瓦級邁入吉瓦級。然而，這一工藝的制備成本相對較高，技術(shù)路線及技術(shù)水平尚存在較大提升空間，距離商業(yè)應(yīng)用還有一定距離。
2.推動電解水制氫成本下行成為商業(yè)化關(guān)鍵
在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的大背景下，推動制氫流程從化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫向電解水制氫轉(zhuǎn)變，將是行業(yè)發(fā)展必然。如何降低電解水制氫工藝的生產(chǎn)成本，使其價格具有市場競爭力，成為綠氫規(guī)?；M(jìn)程提速的關(guān)鍵。
從行業(yè)發(fā)展前景來看，煤炭、天然氣、石油等化石能源，受到儲量、地緣政治等因素疊加影響，成本價格基本不可能發(fā)生大幅下滑；而業(yè)內(nèi)頻頻提及的“碳稅”一旦成為現(xiàn)實(shí)，將進(jìn)一步抬高化石能源制氫及工業(yè)副產(chǎn)制氫工藝的成本價格。與此同時，我國陸上風(fēng)電、光伏發(fā)電2021年平均度電成本較2012年分別下降了48%和70%，伴隨技術(shù)創(chuàng)新能力的持續(xù)提升，以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的清潔能源成本還將進(jìn)一步下行，從原料端為綠氫成本下降夯實(shí)基礎(chǔ)。
從工藝本身來看，電解水制氫的成本水平主要取決于固定資產(chǎn)投資、電費(fèi)和固定生產(chǎn)運(yùn)維四個方面。其中，電費(fèi)占到總成本的60%~70%，是電解水成本的最大決定因素。據(jù)測算，采用電解水工藝制備氫氣時，每生成1千克的氫氣就需電量約40千瓦時，再加上流程中的其他損耗，合計需要電量約56千瓦時。如果想要電解水制氫在開放市場與化石能源制氫競爭，其上游電價每千瓦時至少需降到0.05元，短期內(nèi)在我國還很難實(shí)現(xiàn)。在此情況下，提升電解水技術(shù)水平成為降低生產(chǎn)成本的唯一路徑。
表2 電解水制氫技術(shù)路線對比
資料來源：中國能建
我國電解水制氫系統(tǒng)由電解槽、電力轉(zhuǎn)換模塊、水循環(huán)系統(tǒng)、氫氣處理系統(tǒng)等部分組成。由于純水的電離度很小，導(dǎo)電能力低，屬于典型的弱電解質(zhì)，所以需要加入氫氧化鈉、氫氧化鉀等更強(qiáng)的電解質(zhì)，以加強(qiáng)溶液的導(dǎo)電能力。因此，電解槽是電解水制氫工藝的核心設(shè)備，其成本占到總成本的四到五成。
根據(jù)電解質(zhì)和隔膜的不同，電解水制氫技術(shù)主要可分為堿性電解制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫、固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)和高溫固體氧化物電解水技術(shù)四種類型，其中堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)在我國制氫環(huán)節(jié)占據(jù)主流。
近年來，我國堿性電解水制氫技術(shù)路線已相對成熟，設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，在國內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用，如能通過增加電流密度、降低隔膜厚度等方式延長設(shè)備使用壽命，還可進(jìn)一步降低成本。質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)正處于技術(shù)攻堅階段，雖已在小范圍內(nèi)投入使用，但由于質(zhì)子交換膜、鉑電極催化劑等關(guān)鍵組件尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜電解槽的制造成本為相同規(guī)模堿性電解槽的3~5倍，還需通過技術(shù)研發(fā)及更多的項(xiàng)目驗(yàn)證，推動這一技術(shù)路線成本加速下行。據(jù)統(tǒng)計，在地區(qū)相關(guān)政策的支持下，近年來，新建綠氫項(xiàng)目中選擇質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)路線的項(xiàng)目占比正在持續(xù)提升。
伴隨我國風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源裝機(jī)規(guī)?？焖偬嵘?，利用我國儲量豐富的風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源電量制備氫氣的技術(shù)路線開始得到更多重視。
據(jù)了解，可再生能源電解水制氫的技術(shù)路線并無特別之處，但相較煤制氫每立方米0.8~1.5元的成本，這一路線每立方米1.7元的成本水平明顯較高，在市場競爭中不具備優(yōu)勢，而這其中還沒有算上電解水制氫前期需購置的價格更為高昂的制氫設(shè)施。因此，盡管可再生能源制氫有助于提升清潔能源消納水平，利用便宜的棄風(fēng)、棄光、棄水電量還能實(shí)現(xiàn)電解水制氫經(jīng)濟(jì)性的明顯提升，但實(shí)際上還需繼續(xù)深挖成本下降空間，距離規(guī)?；瘧?yīng)用尚有很長的路要走。
2022年，我國電解槽出貨量約為800兆瓦。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，到2030年，全國電解槽裝機(jī)量有望達(dá)到102吉瓦，行業(yè)發(fā)展蘊(yùn)藏巨大潛力。
（二）儲運(yùn)：關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率亟待提升
氫氣的儲存、運(yùn)輸，被視為整個產(chǎn)業(yè)鏈難度最大的環(huán)節(jié)。一方面，氫氣是世界上密度最小的氣體，體積能量密度低，擴(kuò)散系數(shù)大，容易泄露；另一方面，氫能燃點(diǎn)低，爆炸極限1寬（4.0%~75.6%），爆炸危險性較高，對安全性提出較高要求。因此，如何提升氫能的儲存、運(yùn)輸安全性及效率，并持續(xù)降低成本，正是當(dāng)前我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待突破的技術(shù)瓶頸。
氫能儲存，主要可分為高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固態(tài)和有機(jī)氫化物四種方式。當(dāng)前階段我國儲存氫能以高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)為主，后兩種方式尚處于研發(fā)試驗(yàn)階段，有待在技術(shù)成熟后再規(guī)模化應(yīng)用。
高壓氣態(tài)儲氫主要通過壓縮機(jī)將高壓氫氣儲存在儲氫瓶或儲氫罐中，容器結(jié)構(gòu)簡單、充放氫速度快，是當(dāng)前我國最為常見、技術(shù)成熟度最高的儲氫方式。得益于持續(xù)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品更新迭代，我國用于制造高壓儲氫瓶的關(guān)鍵原材料——碳纖維的進(jìn)口占比已從2015年的超過80%下降到2020年的60%左右，伴隨碳纖維生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步完善以及規(guī)模效應(yīng)的逐漸顯現(xiàn)，碳纖維國產(chǎn)化進(jìn)程有望持續(xù)加快，帶動高壓氣態(tài)儲氫成本進(jìn)一步下降。
目前，全球車載儲氫瓶主要可分為35兆帕和70兆帕兩個等級。我國自主生產(chǎn)的高壓儲氣瓶主要集中在35兆帕及以下壓強(qiáng)等級，僅有中材科技、天海工業(yè)、國富氫能等少數(shù)企業(yè)具備質(zhì)量更輕、工作壓力更大、儲量更大的70兆帕儲氫罐的生產(chǎn)能力，而海外部分地區(qū)已能夠?qū)崿F(xiàn)70兆帕高壓儲運(yùn)。與國際先進(jìn)水平相比，我國自主產(chǎn)品在儲氫密度和安全性等性能參數(shù)方面存在一定差距。
低溫液態(tài)儲氫是將氫氣深度冷凍至零下252.72攝氏度變?yōu)橐后w，再通過0.6兆帕的專用低溫絕熱槽罐進(jìn)行運(yùn)輸，其密度相當(dāng)于氣態(tài)氫的800多倍。當(dāng)前，我國透平膨脹機(jī)、液氫泵液等液氫關(guān)鍵設(shè)備大部分還需依賴進(jìn)口，導(dǎo)致整體成本偏高，基本只能運(yùn)用于軍工及航天領(lǐng)域，無法啟動規(guī)?；瘧?yīng)用。同時，液氫儲存過程中每天會產(chǎn)生1%~2%的揮發(fā)，而汽油每月的揮發(fā)量僅為約1%，進(jìn)一步壓低液氫的經(jīng)濟(jì)性，抬高項(xiàng)目成本。
據(jù)國際能源署發(fā)布的數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)輸距離達(dá)到500千米時，高壓氣態(tài)運(yùn)輸配送成本將上升5倍以上，接近每千克2美元，而同樣距離下，液氫的配送成本每千克僅增加約0.3美元，展現(xiàn)了更高的經(jīng)濟(jì)性。因此，從長期來看，伴隨液氫技術(shù)研發(fā)能力進(jìn)一步提升、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用后，液氫儲運(yùn)將更具市場優(yōu)勢。
據(jù)國際能源署發(fā)布的數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)輸距離達(dá)到500千米時，高壓氣態(tài)運(yùn)輸配送成本將上升5倍以上，接近每千克2美元，而同樣距離下，液氫的配送成本每千克僅增加約0.3美元，展現(xiàn)了更高的經(jīng)濟(jì)性。因此，從長期來看，伴隨液氫技術(shù)研發(fā)能力進(jìn)一步提升、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用后，液氫儲運(yùn)將更具市場優(yōu)勢。
表3 氫氣儲存方式特點(diǎn)對比
資料來源：根據(jù)公開資料整理
下一階段，氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)的技術(shù)研發(fā)將主要集中在兩個方面。一是在儲存容器方面，需加快關(guān)鍵材料研發(fā)，不僅要盡快提升70兆瓦儲氫罐的國產(chǎn)化水平，還要進(jìn)一步研發(fā)儲氫密度更高、重量更輕的更大型儲罐，為氫能規(guī)?；l(fā)展提前打好基礎(chǔ)。二是持續(xù)開展儲氫路線的探索，推動液氫、固態(tài)儲氫等現(xiàn)有路線盡快實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，并繼續(xù)探索能夠?qū)崿F(xiàn)更高密度、更高放氫效率的儲氫方法。
（三）加氫：連接制氫端與用氫端的重要橋梁
作為氫氣供應(yīng)鏈的終端，加氫站是連接制氫端與用氫端的重要橋梁，其建設(shè)布局與氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展緊密相連。
根據(jù)不同的氫氣來源，加氫站可分為站內(nèi)制氫加氫站和外供氫加氫站兩種類型，外供氫加氫站又可分為高壓氫氣壓縮站、外供液氫加氫站和復(fù)產(chǎn)氫源站。盡管液氫加氫站的建設(shè)成本更低、存儲量更大、占地面積更小，但建設(shè)難度也相應(yīng)提升，因此目前我國加氫站仍以高壓加氫站為主。
高壓加氫站，主要由壓縮、儲存、加注、控制等工序組成。其中，壓縮機(jī)、儲氫系統(tǒng)、加氫機(jī)是最重要的三個核心設(shè)備，其性能和參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力，當(dāng)前進(jìn)口依賴度較高，也是我國技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。
作為高壓加氫站的核心設(shè)備之一，壓縮機(jī)主要用于卸裝拖車內(nèi)的氫氣并加壓至儲氫目標(biāo)壓強(qiáng)，在密封性、承壓力方面具有較高要求。目前，國內(nèi)壓縮機(jī)主要可分為隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)兩個類型，市場占比分別約為70%、30%。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)在隔膜式壓縮機(jī)領(lǐng)域已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，市場份額從2017年的0擴(kuò)大到2022年的已超過30%（主要市場仍由美國公司產(chǎn)品占據(jù)），技術(shù)成熟度較高，達(dá)到全球領(lǐng)先水平。
由于關(guān)鍵設(shè)備仍需依賴于海外進(jìn)口，我國高壓氫氣加氫站的造價成本偏高，一般要達(dá)到千萬元，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加油站。為提升加氫站的經(jīng)濟(jì)性，并緩解地區(qū)供氫緊張及氫價過高等問題帶來的運(yùn)營壓力，近年來油氫合建站、油氫氣電合建站等綜合能源站在我國新建站中的比例持續(xù)提升，其中油氫合建站在我國2021、2022年度新建站中的占比分別接近50%、60%，制氫加氫一體站建設(shè)數(shù)量明顯增多。未來，伴隨核心設(shè)備國產(chǎn)化率和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)能力持續(xù)提升，以及加氫站規(guī)?；l(fā)展帶來的成本下降，國內(nèi)高壓加氫站造價成本還有較大下行空間。
截至2022年底，我國已建設(shè)加氫站超300座，處于全球領(lǐng)先水平。目前，除西藏沒有建設(shè)加氫站，我國其余省級行政區(qū)均已建設(shè)或發(fā)布加氫站建設(shè)計劃。尤其是示范應(yīng)用政策發(fā)布后，市場情緒高漲，驅(qū)動加氫站建設(shè)不斷加快。從地區(qū)分布看，廣東省運(yùn)營加氫站超五十座，遠(yuǎn)超其他地區(qū)，Top4地區(qū)廣東、山東、上海、江蘇四地的合計數(shù)量全國占比超50%，占據(jù)我國加氫站市場半壁江山。
圖4 我國加氫站運(yùn)營規(guī)模增長趨勢（2017—2022年）（ 數(shù)據(jù)來源：根據(jù)公開資料整理）
作為氫燃料電池汽車的“加油站”，加氫站的建設(shè)布局對于氫燃料電池行業(yè)乃至我國新能源車行業(yè)的整體發(fā)展都會產(chǎn)生較大影響。目前，我國加氫站的高造價和長投資回報周期一定程度上阻滯行業(yè)發(fā)展，需要國家相關(guān)部門在政策、財政、技術(shù)研發(fā)等方面持續(xù)給予更多支持。
氫能的多元化應(yīng)用
（一）電力領(lǐng)域
氫能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，目前主要聚焦于燃料電池領(lǐng)域，一般可分為氫儲能和氫氣發(fā)電兩種形式。尤其是氫儲能，能夠?yàn)槲覈ㄔO(shè)新型電力系統(tǒng)提供儲能方案，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
1.氫儲能
伴隨我國光伏發(fā)電、風(fēng)電等清潔能源裝機(jī)規(guī)?？焖偬嵘?，電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的同時，安全穩(wěn)定運(yùn)行也在面臨挑戰(zhàn)。具備清潔、長周期、季節(jié)性等優(yōu)勢的氫能，有望通過電氫耦合提高電力系統(tǒng)的靈活性，成為平抑新能源發(fā)電波動、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的一條有效途徑。
氫儲能指將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為氫能，在需要時再進(jìn)行氫能發(fā)電以滿足用電需求。部分企業(yè)還會將氫氣混摻入天然氣管網(wǎng)，通過氣網(wǎng)進(jìn)一步拓展儲能規(guī)模，實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)—?dú)饩W(wǎng)”融合，推動電能實(shí)現(xiàn)高效利用。
據(jù)全球長時儲能協(xié)會測算，當(dāng)新能源電量在電力系統(tǒng)中的占比達(dá)到60%~70%時，就需要跨季節(jié)的長時間儲能，以保證電力安全穩(wěn)定運(yùn)行。在我國光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源裝機(jī)占比持續(xù)提升過程中，加快推動氫儲能發(fā)展，不僅能夠降低新能源發(fā)電波動性、隨機(jī)性對電網(wǎng)安全有序運(yùn)行的不利影響，還能將超過用電需求的棄風(fēng)、棄光資源有效利用，使之成為新型電力系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。
圖5 不同儲能類型特性對比
一般來說，電化學(xué)儲能兆瓦級容量的儲能時間是以日為單位，抽水蓄能吉瓦級容量的儲能時間是以月為單位，而氫能儲能太瓦級容量則可提供超過1年以上的儲能周期，且可以跨越區(qū)域限制。因此，相較其他儲能方式，當(dāng)前只有氫儲能能夠在容量規(guī)模（百吉瓦級別）、時間（最長達(dá)數(shù)月）兩方面同時占據(jù)優(yōu)勢，在大容量長周期調(diào)節(jié)的場景中能夠展現(xiàn)更高經(jīng)濟(jì)性。
2022年7月，我國首座兆瓦級氫能綜合利用示范站在安徽六安投運(yùn)，標(biāo)志中國首次實(shí)現(xiàn)兆瓦級制氫—儲氫—?dú)淠馨l(fā)電的全鏈條技術(shù)貫通。這一電站采用質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)，最高發(fā)電功率達(dá)1.2兆瓦，能夠?qū)崿F(xiàn)從綠電到綠氫再到綠電的低碳循環(huán)。
項(xiàng)目建設(shè)期間，其技術(shù)團(tuán)隊自主研制了兆瓦級質(zhì)子交換膜電解槽、兆瓦級質(zhì)子交換膜氫燃料電池等國內(nèi)首臺首套設(shè)備，為推動我國氫能規(guī)模化發(fā)展貢獻(xiàn)積極力量。
目前，我國氫儲能的轉(zhuǎn)換效率相對較低，經(jīng)過“電—?dú)洹姟边^程的兩次能源轉(zhuǎn)換，整體效率僅為40%，而抽水儲能、鋰電池儲能等儲能方式的能源轉(zhuǎn)化率為近70%，兩者存在明顯差距，還需企業(yè)通過更深層次的技術(shù)研發(fā)提升氫儲能運(yùn)行效率。
2.氫能發(fā)電
氫能發(fā)電，是指利用摻氫天然氣或者純氫替代天然氣，帶動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。氫能發(fā)電在發(fā)電過程中碳排放低、效率高，且15分鐘就可以將負(fù)荷從零拉滿，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)需求，具有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
氫氣輪機(jī)是氫能發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備。目前，純氫氣燃?xì)廨啓C(jī)在全球均未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。我國首臺純氫燃?xì)廨啓C(jī)示范項(xiàng)目已于2022年10月核準(zhǔn)建設(shè)，計劃于2023年年底正式投運(yùn)。
由于氫能成本相對較高，目前，全球氫能發(fā)電領(lǐng)域均主要采用氫氣與天然氣混摻的方式，且天然氣占比接近90%，完全不符合綠色低碳的發(fā)展要求。下一階段，需通過進(jìn)一步技術(shù)研發(fā)，大幅降低項(xiàng)目運(yùn)行成本，并在氫含量增加的情況下保證項(xiàng)目安全、可靠運(yùn)行，才能推動真正清潔的純氫發(fā)電實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
得益于自身儲能特性，氫能發(fā)電能夠有效提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)的靈活性，實(shí)現(xiàn)能源跨地域、跨季節(jié)的優(yōu)化配置，且顯著降低發(fā)電過程中的碳排放，為我國電力系統(tǒng)綠色低碳轉(zhuǎn)型增添助力。
2023年3月25日，國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)率先在廣州和昆明同時實(shí)現(xiàn)，這也是我國首次將光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能應(yīng)用于電力系統(tǒng)。
廣州南沙電氫智慧能源站將7個最高壓力為80兆帕的固態(tài)儲氫裝置，用以儲存200立方米的氫氣，在需要時升溫釋放高壓氫氣，為新能源汽車加氫。云南站存儲的165千克氫能，在用電高峰時可持續(xù)穩(wěn)定出力23小時、發(fā)供電2300千瓦時。兩個項(xiàng)目的成功投運(yùn)，為推進(jìn)我國固態(tài)儲氫及氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化進(jìn)程提供有益探索。
從規(guī)模來看，氫能在電力領(lǐng)域的應(yīng)用可以分為發(fā)電站和小型發(fā)電裝置兩種類型。目前，發(fā)電站建設(shè)在我國尚處于起步階段，還需通過降本增效提升其經(jīng)濟(jì)性，以進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行。小型發(fā)電裝置中應(yīng)用最廣泛的氫燃料電池，當(dāng)前已擁有一定技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在國家相關(guān)政策的支持下正處于加速發(fā)展中。
（二）交通領(lǐng)域
在國家政策的積極引導(dǎo)下，我國氫能產(chǎn)業(yè)以交通領(lǐng)域?yàn)橥黄瓶?，推動氫燃料電池行業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。尤其是兩批燃料電池示范應(yīng)用城市群名單的相繼公布，為氫燃料電池行業(yè)提供了明確發(fā)展目標(biāo)和有力政策支持。
圖6 我國燃料電池汽車產(chǎn)銷量（2015—2022年）
1.燃料電池技術(shù)持續(xù)提升
氫燃料電池的工作原理是以氫為原料，將進(jìn)行反應(yīng)的氫氣通過被催化劑吸附離解成氫離子，再從燃料電池的陽極到達(dá)陰極與氧氣及電子反應(yīng)后產(chǎn)生直流電。
從結(jié)構(gòu)看，氫燃料電池可分為電堆和支持系統(tǒng)兩部分。其中，電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心部分，主要由多層膜電極、雙極板堆疊而成。
膜電極被稱為燃料電池的“心臟”，其成本約占電堆成本的60%，制備技術(shù)能直接決定電池性能，并在降低電池成本、提高電池比功率與比能量等方面發(fā)揮重要作用。膜電極的核心材料主要有質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層三種類型。其中，國內(nèi)催化劑材料的產(chǎn)品性能已達(dá)到國際一流水平，如規(guī)模出現(xiàn)明顯增長，或其中采用的鉑金材料用量下降，成本依然存在下行空間；質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層材料的國產(chǎn)化率較低，驗(yàn)證比例偏低，產(chǎn)品的升級和迭代速度很慢，尚有較大降本空間。
雙極板按照材料的不同，可分為石墨雙極板和金屬雙極板。石墨雙極板易加工、耐腐蝕、壽命長，國內(nèi)技術(shù)已相對成熟，占據(jù)市場主要份額。
據(jù)測算，石墨板的材料成本與人工成本均占到其總成本的三成左右，未來可通過進(jìn)一步優(yōu)化流程設(shè)計、提高設(shè)備自動化程度、材料升級等方式，推動成本持續(xù)下行。金屬雙極板的厚度薄，更適用于大功率高效電堆，涂層性能可直接影響整個雙極板的壽命。通過工藝改良及生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，金屬雙極板還存在較大降本空間。
總的來看，目前，我國在電堆的關(guān)鍵材料、制造技術(shù)、發(fā)電效率、衰減率等方面較國際先進(jìn)水平還有一定差距，且工程化、產(chǎn)業(yè)化程度低，行業(yè)還有較大提升空間。
2.應(yīng)用場景持續(xù)拓展
近年來，伴隨技術(shù)的持續(xù)迭代升級，我國氫燃料電池功率快速提升，最高達(dá)到300千瓦左右，使氫燃料電池汽車能夠滿足礦山、港口、長途重載、干線物流等場景的使用需求，應(yīng)用場景快速拓展。
2022年北京冬奧會期間，氫燃料電池汽車在全部賽事交通服務(wù)用車中的占比達(dá)85.84%，在小客車中的占比達(dá)100%，堪稱全球最大規(guī)模的一次燃料電池汽車示范應(yīng)用。
除了氫燃料電池汽車，伴隨全球船舶行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷收緊，氫燃料電池在船舶領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用。國內(nèi)氫燃料電池船的研制工作主要由中船重工第七一二研究所推進(jìn)。
2019年底，七一二研究所推出自主研發(fā)的500千瓦級船用氫燃料電池系統(tǒng)，關(guān)鍵性能指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，標(biāo)志我國燃料電池清潔船舶研究取得重大突破。
總的來看，我國已積累了一批氫燃料電池相關(guān)核心技術(shù)，具備一定的產(chǎn)業(yè)裝備及燃料電池整車生產(chǎn)能力，驅(qū)動氫燃料電池成本持續(xù)下行，為氫燃料電池及氫燃料電池汽車商業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。同時，我國氫燃料電池技術(shù)還不夠成熟，氫能供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施體系尚未完善，與傳統(tǒng)化石能源車相比經(jīng)濟(jì)性較差，與國際先進(jìn)水平仍存在差距，還需進(jìn)一步加快產(chǎn)品更新迭代、增加政策扶持力度，以推動氫燃料電池汽車盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。
（三）工業(yè)領(lǐng)域
我國工業(yè)發(fā)展高度依賴于傳統(tǒng)化石能源，其碳排放量在全國能源相關(guān)二氧化碳排放總量中的占比排名第一，脫碳空間小、難度大。為加快提升工業(yè)領(lǐng)域的電氣化水平，清潔、高效的氫能成為化石能源的理想替代品之一。
作為高品質(zhì)能源燃料和工業(yè)原料，氫能在我國工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于氫冶金和氫化工兩方面。當(dāng)前，工業(yè)已成為我國氫能應(yīng)用的最大領(lǐng)域。
1.氫冶金
作為重要的基礎(chǔ)工業(yè)部門，鋼鐵工業(yè)是僅次于電力行業(yè)的碳排放大戶。近年來，氫冶金已成為鋼鐵工業(yè)“脫碳”的一條有效路徑。
氫冶金是指在鋼鐵的還原冶煉過程中，主要使用氫氣作為還原劑，從源頭降低項(xiàng)目的二氧化碳排放量。由于鋼鐵行業(yè)的碳排放主要集中在碳還原反應(yīng)環(huán)節(jié)，若氫還原能完全替代碳還原，理論上可降低碳排放量約34%~62%，減排空間巨大。
目前，我國氫冶金工藝主要可分為富氫還原高爐、非高爐氫基還原冶煉兩種類型。其中，富氫還原高爐是指通過在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體，替代部分碳還原反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)“部分氫冶金”，碳減排空間約為10%，減排潛力有限；非高爐氫基還原冶煉技術(shù)包括氫基直接還原冶煉、氫基熔融還原冶煉等工藝，目前技術(shù)尚處于起步階段，理論減排空間可達(dá)50%~95%。
在“雙碳”目標(biāo)引導(dǎo)下，國內(nèi)寶武集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)等鋼鐵企業(yè)積極布局氫冶金項(xiàng)目，在氫直接還原、新能源制氫聯(lián)產(chǎn)無碳燃料等多個領(lǐng)域深化技術(shù)創(chuàng)新，持續(xù)為氫冶金的規(guī)模化發(fā)展提供技術(shù)積累。
在現(xiàn)行階段，我國氫冶金技術(shù)還處于起步階段，在助力鋼鐵行業(yè)降碳減排的同時，也為行業(yè)發(fā)展帶來諸多挑戰(zhàn)。首先，我國鐵礦石是以低品位磁鐵礦為主，高品位鐵礦資源匱乏。而氫基直接還原工藝要求鐵精粉品位超過68%、脈石含量低于4%，以我國現(xiàn)有鐵礦蘊(yùn)藏量很難滿足大規(guī)模開展直接還原鐵生產(chǎn)的需求。其次，全氫直接還原煉鐵技術(shù)無法直接在現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。一方面，氫還原為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，將影響到反應(yīng)器內(nèi)的溫度場分布；另一方面，通過提高還原氣溫度和增加還原氣流量來補(bǔ)充熱量時，將影響到氫氣在豎爐中的流速，對設(shè)備安全性提出更高要求。兩重因素疊加，將降低氫氣的利用效率，大大增加反應(yīng)能耗。因此，還需對現(xiàn)有高爐—轉(zhuǎn)爐工藝進(jìn)行革新以提升項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性。
2.氫化工
化工行業(yè)是以化石燃料為主要能源基礎(chǔ)和原料的高耗能高碳排放行業(yè)，也是我國開展氫氣替代的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。據(jù)統(tǒng)計，我國超過70%的氫氣消費(fèi)被用于合成氨、甲醇、煉油等工業(yè)原料，其中僅合成氨一項(xiàng)的每年耗氫量就達(dá)千萬噸，消費(fèi)占比接近全國總量的三分之一，還有部分副產(chǎn)氫氣被用作回爐助燃的工業(yè)燃料。
一直以來，我國化工行業(yè)的氫源主要來自于化石能源制氫。在能源發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型的背景下，以綠氫為原料參與煤化工生產(chǎn)來開展綠氫替代，發(fā)展綠氫耦合現(xiàn)代煤化工，從源頭降碳減煤，成為行業(yè)脫碳發(fā)展的必然方向。
當(dāng)前，全球多個國家、地區(qū)已提出綠氫化工的明確發(fā)展規(guī)劃。《歐洲氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》明確，到2030年，超低碳?xì)涞娜种粚⒂糜诎捰蛷S和氨生產(chǎn)在內(nèi)的化工產(chǎn)業(yè)?！睹绹鴼淠芙?jīng)濟(jì)路線圖》明確，到2026年，氨、甲醇和石化產(chǎn)品的生產(chǎn)將過渡到使用低碳?xì)涞哪Ｊ健Ｎ覈l(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》明確表示，將積極引導(dǎo)合成氨、合成甲醇、煉化、煤制油氣等行業(yè)由高碳工藝向低碳工藝轉(zhuǎn)變，促進(jìn)高耗能行業(yè)綠色低碳發(fā)展。
據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年2月，我國規(guī)劃綠氫項(xiàng)目四十余個，規(guī)劃產(chǎn)能超800萬噸。伴隨多個氫化工項(xiàng)目的相繼落地投產(chǎn)，我國氫化工、尤其是綠氫化工行業(yè)探索步伐不斷加快。
2021年4月，寶豐能源“國家級太陽能電解水制氫綜合示范項(xiàng)目”投產(chǎn)。這一項(xiàng)目是通過光伏發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，再利用生產(chǎn)出的綠氫替代煤作為原料和燃料，直供化工系統(tǒng)生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯等上百種高端化工產(chǎn)品。據(jù)測算，這一項(xiàng)目全部投產(chǎn)后，每年有望減少煤炭消耗25.4萬噸、減少二氧化碳排放約44.5萬噸，能夠?yàn)槲覈苿託淠芤?guī)模化提供技術(shù)積累及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
業(yè)內(nèi)預(yù)計，未來10年，伴隨優(yōu)質(zhì)低硫燃料的需求激增，以及輕質(zhì)低硫燃油的減少，我國氫化工規(guī)模會出現(xiàn)明顯增長。在規(guī)模化及技術(shù)提升的雙重驅(qū)動下，低碳?xì)浼傲闾細(xì)溆型蔀榛净ぴ?。隨著綠氫成本的持續(xù)下降，甚至綠氫也將成為化工生產(chǎn)常規(guī)原料。
總而言之，供應(yīng)穩(wěn)定、成本低廉的氫源，是工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)氫能規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵，也是我國綠氫技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。
當(dāng)前，部分精細(xì)化工的產(chǎn)品附加值較高，且氫氣僅用作保護(hù)氣用量不大，現(xiàn)有利潤空間即可支持企業(yè)開展綠氫替代；但對于鋼鐵、氫化工等大宗商品生產(chǎn)類行業(yè)來說，大規(guī)模的氫氣用量使其對氫能價格更為敏感。按照現(xiàn)有技術(shù)水平，綠氫化工的成本約為灰氫化工的2~3倍，并不具備規(guī)模化應(yīng)用的條件，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較低，需持續(xù)通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)降本增效。
氫能產(chǎn)業(yè)商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)與建議
（一）深化技術(shù)研發(fā)能力，驅(qū)動氫能加快實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?/strong>
經(jīng)過多年快速發(fā)展，我國氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，已初步掌握氫能制備、儲運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝。但總體來看，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強(qiáng)、技術(shù)裝備水平不高、關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率偏低，導(dǎo)致行業(yè)整體發(fā)展距離國際先進(jìn)水平還存在一定差距。
下一階段，我國應(yīng)集中突破氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸，持續(xù)推動氫能、尤其是綠氫在制取、儲存、運(yùn)輸、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。通過產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持政策體系，引導(dǎo)企業(yè)著力提升關(guān)鍵設(shè)備的主要性能指標(biāo)和批量化生產(chǎn)能力，持續(xù)推動先進(jìn)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、重大產(chǎn)品的示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，不斷提升氫能產(chǎn)業(yè)競爭力和創(chuàng)新力，為氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。
（二）完善政策體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展
目前，我國已發(fā)布一系列氫能發(fā)展相關(guān)政策，范圍覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈“制—儲—輸—用”各個環(huán)節(jié)，包含財政資金支持、稅率優(yōu)惠、示范引導(dǎo)等多種措施，日益完善的規(guī)范體系為行業(yè)發(fā)展提供了有力支撐。
為引導(dǎo)行業(yè)有序發(fā)展，我國還應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化氫能產(chǎn)業(yè)政策體系建設(shè)，著力破除制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制度性障礙和政策性瓶頸，不斷夯實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度基礎(chǔ)。首先，持續(xù)完善氫能頂層設(shè)計，全面建立產(chǎn)業(yè)垂直管理與監(jiān)管體系，完善氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運(yùn)營有關(guān)規(guī)定，研究探索可再生能源發(fā)電制氫支持性電價政策，并根據(jù)行業(yè)發(fā)展實(shí)際情況制定更詳盡的行業(yè)發(fā)展階段性目標(biāo)及具體路徑。其次，制定更加明確的部門協(xié)調(diào)合作機(jī)制，明確主體責(zé)任，為氫能與電網(wǎng)、交通、工業(yè)等領(lǐng)域的順利銜接提供依據(jù)。
（三）建立完善標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展
目前，我國氫能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系已初步構(gòu)建，但產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)體系還存在空缺，部分環(huán)節(jié)在不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，影響氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。例如，盡管加氫站建設(shè)是連接制氫端與用氫端的重要環(huán)節(jié)，但目前我國還沒有從國家層面對加氫站的建設(shè)和運(yùn)營建立明確規(guī)范，且在法律監(jiān)管性質(zhì)上對加氫站屬于危險化學(xué)品經(jīng)營場所還是城市燃?xì)庠O(shè)施也沒有明確界定，影響了加氫站的整體布局建設(shè)。
因此，我國需加快建立完善氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)圍繞建立健全氫能質(zhì)量、氫安全等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，制氫、儲運(yùn)氫裝置、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，交通、儲能等氫能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，增加標(biāo)準(zhǔn)有效供給。同時，統(tǒng)一地方產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推動氫能產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證體系建設(shè)，鼓勵龍頭企業(yè)、業(yè)內(nèi)專家積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作，為引導(dǎo)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力保障。
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責(zé)任編輯：張棟鈞
