氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

一、氫能概述

氫氣有兩個(gè)屬性。一是化學(xué)屬性，氫氣作為化工原料得到廣泛應(yīng)用，如用于合成氨、合成甲醇、煉油、煤炭深加工等，目前全球91%、我國(guó)95%的氫氣用做工業(yè)原料。二是能源屬性，氫氣具有熱值高(單位質(zhì)量的熱值約為煤炭的4倍、汽油的3.1倍、天然氣的2.6倍)、終端利用無(wú)污染、便于大規(guī)模儲(chǔ)存、可與多種能源便捷轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)際能源署譽(yù)為“未來(lái)能源架構(gòu)的核心”，可應(yīng)用于動(dòng)力、電力、家庭用能等多個(gè)領(lǐng)域。隨著化石能源資源緊缺、氣候變暖等問(wèn)題加劇，以及氫能產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)技術(shù)的日漸成熟，氫能利用將越來(lái)越廣泛。

二、氫能發(fā)展現(xiàn)狀

(一)制氫

制氫環(huán)節(jié)主要包括電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、生物質(zhì)制氫、光解制氫、熱化學(xué)制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等方式。

電解水制氫是未來(lái)重要發(fā)展方向。電解水制氫具有制取過(guò)程無(wú)污染物和溫室氣體排放、氫氣純度高等優(yōu)勢(shì)。從制取成本看，化石能源制氫約10元/kg，工業(yè)副產(chǎn)氫約21元/kg，電解水制氫約30元/kg。受成本因素影響，目前全球約96%的氫氣來(lái)源于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，僅有約4%的氫氣來(lái)源于電解水。2018年，中國(guó)年氫氣產(chǎn)量約2100萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的比例超過(guò)30%，是世界第一大氫氣生產(chǎn)國(guó)，其中電解水制氫僅占約5%。隨著可再生能源規(guī)?；l(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)日趨完善，電解水制氫已逐步成為各國(guó)能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。

電價(jià)是制約電制氫發(fā)展的關(guān)鍵。目前電價(jià)占電制氫總成本比重約為85%，按電制氫電價(jià)約0.4～0.6元/kWh計(jì)算，我國(guó)電制氫成本約30～40元/kg。當(dāng)電價(jià)降低到0.1元/kWh時(shí)，電制氫成本可下降至10元/kg，與化石能源制氫價(jià)格相當(dāng)。目前各地發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，其中氫氣主要來(lái)源于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫。

(二)儲(chǔ)氫

根據(jù)狀態(tài)，儲(chǔ)氫可分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的氫氣存儲(chǔ)形式，其中35MPa儲(chǔ)氫瓶已批量化應(yīng)用，70MPa儲(chǔ)氫瓶也步入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫被認(rèn)為是前景較好的氫氣大規(guī)模存儲(chǔ)發(fā)展方向之一，但目前我國(guó)液氫僅用于航天和軍事領(lǐng)域，與國(guó)外70%左右氫氣采用液氫運(yùn)輸相比差距較大，且成本是美國(guó)等技術(shù)壟斷國(guó)的20倍以上。

(三)運(yùn)氫

運(yùn)氫主要方式包括氣氫拖車(chē)、液氫槽車(chē)、管道運(yùn)輸。

目前國(guó)外以液氫槽車(chē)和管道運(yùn)輸為主，國(guó)內(nèi)絕大部分采用氣氫拖車(chē)運(yùn)輸并建有少量氫氣管道。國(guó)內(nèi)氣氫拖車(chē)運(yùn)輸發(fā)展非常成熟，設(shè)計(jì)制造技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;液氫槽車(chē)運(yùn)輸在我國(guó)僅應(yīng)用于航天領(lǐng)域，尚不允許民用領(lǐng)域開(kāi)展液氫公路運(yùn)輸，但長(zhǎng)期來(lái)看液氫槽車(chē)將取代氣氫拖車(chē)成為主要運(yùn)氫方式;管道運(yùn)輸仍處于試點(diǎn)示范階段，我國(guó)氫氣管道里程僅約400km，占比不到全球總規(guī)模的8%，最具代表性的大口徑氫氣管道有濟(jì)源-洛陽(yáng)(25km)、巴陵-長(zhǎng)嶺(43km)等。受運(yùn)輸技術(shù)及成本限制，短期內(nèi)氫能消納以就近消納為主，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸消納。

(四)用氫

目前我國(guó)生產(chǎn)的氫氣95%作為化工行業(yè)的原材料應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，其余5%用于以氫燃料電池為核心的能源網(wǎng)絡(luò)。其中，氫能主要有動(dòng)力、電力、家庭三個(gè)應(yīng)用方向。

1.動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

動(dòng)力方面，氫氣可用于汽車(chē)、飛機(jī)、輪船、火箭等領(lǐng)域，其中目前最主要、前景最廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景是氫燃料電池車(chē)。

氫能汽車(chē)包括氫燃料內(nèi)燃機(jī)車(chē)、氫燃料電池車(chē)兩種。氫燃料電池車(chē)能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%～80%，而氫燃料內(nèi)燃機(jī)車(chē)能量轉(zhuǎn)化效率僅30%左右，所以業(yè)界將氫燃料電池車(chē)作為氫能汽車(chē)主要發(fā)展方向。相比于純電動(dòng)汽車(chē)，氫燃料電池汽車(chē)具有續(xù)航里程長(zhǎng)、燃料加注快(3到5分鐘)、低溫性能好、回收無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離、載重大、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的商用車(chē)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前氫燃料電池汽車(chē)成本明顯高于燃油和純電動(dòng)車(chē)型，燃油車(chē)百公里油費(fèi)約為50元，純電動(dòng)汽車(chē)百公里電費(fèi)約為6元(家用充電)～15元(商用充電)，氫燃料電池車(chē)燃料費(fèi)用約100元(百公里耗氫量為1.5kg，氫氣價(jià)格70元/kg)。在氫氣加注方面，我國(guó)具備設(shè)計(jì)建造35MPa加氫站的能力，而國(guó)際主流的70MPa加氫站及其關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)仍處于示范驗(yàn)證階段。截至2019年底，累計(jì)在運(yùn)加氫站共52座，在建/擬建加氫站72座，到2030年將建成1000座加氫站。目前，加氫站氫氣加注成本對(duì)政府補(bǔ)貼依賴(lài)較大。

2.電力領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，氫儲(chǔ)能主要優(yōu)勢(shì)是環(huán)保性能好，但其投資成本遠(yuǎn)超抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能，且響應(yīng)速度慢、效率低，如果制氫電價(jià)為0.1元/kWh，則氫儲(chǔ)能能源成本將下降到0.5元/kWh左右，低于電化學(xué)儲(chǔ)能能源成本。

3.家庭領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

主要用途是家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。該方面外國(guó)企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)水平尚不具備商業(yè)化條件。

4.國(guó)內(nèi)氫燃料電池現(xiàn)狀

氫能應(yīng)用的核心技術(shù)和產(chǎn)品是氫燃料電池。國(guó)內(nèi)氫燃料電池與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定差距，主要表現(xiàn)為使用壽命較短，車(chē)用氫燃料電池壽命一般為2000～3000小時(shí)，國(guó)際領(lǐng)先水平可達(dá)到5000小時(shí)，另外氫燃料電池關(guān)鍵零部件質(zhì)子交換膜目前僅有美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家具備商業(yè)化供應(yīng)能力，催化劑等核心材料也主要依賴(lài)進(jìn)口。

三、初步認(rèn)識(shí)

一是氫氣能量密度高，環(huán)保性能好，是能源低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。近年來(lái)，全球氣候變化和化石能源枯竭問(wèn)題日益突出，作為一種綠色高效的二次能源，氫能具有熱值高、無(wú)污染、可儲(chǔ)存、與可再生能源便捷轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，在交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在終端能源消費(fèi)領(lǐng)域替代石油、天然氣等化石能源，有利于保障國(guó)家能源安全。

二是國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)取得了一些突破，但仍有大量關(guān)鍵技術(shù)、零部件依賴(lài)國(guó)外。在全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速背景下，國(guó)內(nèi)企業(yè)持續(xù)進(jìn)行自主研發(fā)，但與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在明顯差距，制氫及氫燃料電池中的催化劑和質(zhì)子交換膜、儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的液氫加工技術(shù)、運(yùn)氫環(huán)節(jié)的長(zhǎng)距離輸送技術(shù)和用氫環(huán)節(jié)的加氫站內(nèi)關(guān)鍵材料制備技術(shù)都掌握在加、美、日、韓、德、法等國(guó)家手中，進(jìn)口依賴(lài)高，議價(jià)能力差，制約我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外，我國(guó)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施總量不足以支撐氫燃料電池汽車(chē)大規(guī)模使用，技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的雙重掣肘導(dǎo)致氫能全產(chǎn)業(yè)鏈成本高。

三是全球范圍內(nèi)正掀起氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱潮，將極大推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在全球加速能源低碳化轉(zhuǎn)型背景下，發(fā)達(dá)國(guó)家結(jié)合自身資源稟賦和產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，逐步明確氫能源在國(guó)家能源體系中的定位，加速引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，全球?qū)⒂瓉?lái)“氫能社會(huì)”發(fā)展熱潮。目前我國(guó)正處于氫能產(chǎn)業(yè)培育期，地方政府投資熱情高漲，但國(guó)家層面缺乏頂層設(shè)計(jì)，尚未明確氫能在國(guó)家能源戰(zhàn)略層面的重要定位，且部分補(bǔ)貼門(mén)檻高、落地困難，大量標(biāo)準(zhǔn)尚為空白或已經(jīng)過(guò)時(shí)，近期國(guó)家相關(guān)部委正在組織制定氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和氫燃料電池車(chē)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)，將有效推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

四是國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)石化能源企業(yè)紛紛布局氫能業(yè)務(wù)。目前，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)處在培育期，預(yù)計(jì)2021年將進(jìn)入快速發(fā)展期。在具體路線(xiàn)圖和詳細(xì)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃尚未出臺(tái)的情況下，國(guó)家能源集團(tuán)、中石油、中石化、國(guó)電投等大型傳統(tǒng)化石能源企業(yè)從加強(qiáng)新能源發(fā)電消納、工業(yè)副產(chǎn)氫價(jià)值利用等角度出發(fā)，超前謀劃、搶抓市場(chǎng)機(jī)遇，紛紛布局氫氣管道、加氫站、油氫電綜合智慧能源站等業(yè)務(wù)，氫能產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)群雄逐鹿態(tài)勢(shì)。

五是氫能尚不具備應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的條件。目前氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率僅為電化學(xué)儲(chǔ)能的50%左右、抽水蓄能的60%左右。未來(lái)隨著單項(xiàng)技術(shù)的突破和研發(fā)體系的構(gòu)建、配套基礎(chǔ)設(shè)施的加速建設(shè)，技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)化程度將不斷提高，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)效率有望提升，但超過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能和抽水蓄能系統(tǒng)效率的難度較大。