国内外氢能产业发展状况与思考（2022年最新版）

国内外氢能产业发展状况与思考0引言寻找储量丰富、清洁安全的新能源是人类社会可持续发展的重大课题。氢能是一种具有多种优势的二次能源：氢的来源多样，可利用化石燃料生产，也可利用可再生能源发电再电解水来生产；氢便于储运，适应大规模储能；氢的用途广泛，可供发电、供热、交通利用，使用过程不产生污染；氢的能量密度大，热值是汽油的3倍。1970年，约翰•鲍克里斯（JohnBockris）首次提出“氢能经济”概念，但由于全球化石能源大规模消费及氢能利用受技术瓶颈制约，氢能产业长期发展缓慢。近年来，油气资源的供应波动、人类可持续发展要求和氢能全产业链的技术进步共同推动了氢能产业高速发展。当今，氢能利用被视作与化石燃料清洁低碳利用、可再生能源规模化利用相并行的一种可持续能源利用路径，氢能在能源转型过程中的角色价值日益凸显，化石能源、新能源及氢电二次能源网络的互联互动将成为一种长期应用场景。国际氢能委员会（TheHydrogenCouncil）认为：全球将从2030年开始大规模利用氢能，2040年氢能将承担全球终端能源消费量的18%，2050年氢能利用可以贡献全球二氧化碳减排量的20%。另据壳牌、法国液化空气集团、梅塞尔等公司预测，全球氢气需求量年均增长率2018－2021年为3.5%～6%，2020－2050年为23%～35%。氢能已成为国内外各方关注的新能源发展热点，越来越多的能源、汽车、金融公司开始涉足氢能相关业务，多产业协同创新发展的新格局初现端倪。1国内外氢能产业链发展现状1.1氢的生产近年来，全球每年制氢总量约为5500万吨。氢的主要用途是化工原料，例如用于石油炼制、合成氨等，仅有1%～2%用作交通燃料。氢的产生方式约50%来自天然气重整，30%来自重油重整，18%来自煤气化。中国工业体系完善，制氢工业基础良好，氢气作为原料气体及工业气体的生产和使用规模都很庞大。规模最大的制氢方式是化石燃料制氢，主要为煤气化制氢以及烃类蒸气转化制氢（原料包括天然气、炼厂焦化干气、液化石油气、石脑油等），约占全国制氢产能的96%左右。每年，焦炭、氯碱、甲醇和合成氨生产过程中副产大量氢气，成为中国制氢的显著特色。2015年以来，中国每年制氢总量在2400万吨左右。以2016年为例，全国煤气化制氢约1100万吨，天然气制氢约360万吨，炼厂制氢（多为自产自用）约300万吨，焦炭和氯碱装置的副产氢气约600万吨。另外，利用大量的弃水、弃风、弃光、弃核发电制氢，可能成为中国制氢工业的又一特色，近年中国每年“四弃”发电制氢的潜在产能为340万吨左右，与全国炼厂制氢规模相当。中国庞大的制氢基础为氢能的规模化利用提供了前提。国内氢能领域权威学者认为，中国化石能源制氢、工业副产氢、弃电制氢产量可能在2030年达到最大规模后开始缓慢下降，这3种制氢方式作为氢气主要来源的局面将持续至2050年；可再生能源发电制氢将从2030年开始逐步实现规模化和商业化。各种制氢方式的成本差异较大（见表1）。目前，煤制氢是中国最成熟、最便宜的制氢方式，其成本约为天然气制氢的70%～80%。可再生能源发电再电解水制氢的成本主要依赖于发电效率及成本，随着风电、光伏发电等产业规模扩大和技术进步，可再生能源制氢成本还有大幅下降的空间。许多国家还开展了多种前沿制氢技术研发，几种有望商业化的制氢方式，其效率不断提升，成本逐年下降。例如，日本人工光合制氢技术效率已达到7%左右，美国聚合物电解质膜电解水制氢和生物质气化制氢的成本已分别降为当地天然气重整制氢的2倍和1.6倍左右。1.2氢的储运和加注氢的储运高度依赖技术进步和基础设施建设，是氢能产业发展的难点。氢的大规模储存有气态、液态和固态储存3种方式。气态氢可由压力容器或洞穴加压储存，液态氢可用绝热容器直接储存或用有机化合物储存，还可利用固态金属氢化物储氢。目前，氢的长距离输送方式主要是将高压氢气和液态氢通过车船运输或长输管道输送，这几种方式在国内外均有应用。截至2017年底，全球共铺设输氢管道4284千米，其中美国2400千米、欧洲1500千米。世界最长的氢气管道位于法国和比利时之间，长度400千米。中国已有数条氢气长输管道建成并安全运营，最具代表性的有：2014年5月建成的中国石化巴陵石化—长岭炼化42千米氢气长输管线，2017年6月建成的河南济源市工业园区—洛阳市吉利区24千米氢气长输管线。BP公司研究提出，氢气可以利用天然气管网混合输送，体积分数可达到10%，不需要对已有管道进行系统改造，混合气体可用于工业和家庭消费。荷兰、德国、英国等欧洲国家已允许氢气以一定比例混入天然气管网运输，允许的氢气比例可达10%。近年来，日本、德国、美国等发达国家和中国的加氢站建设呈加速发展之势。2018年全球加氢站新增48座，年底已达到369座，其中欧洲152座、亚洲136座、北美80座。在全部加氢站中，有273座作为燃料零售商对外开放运营，其余为公交车和商业车队等用户群提供专门服务。全球加氢站数量排名前4名的国家分别是日本（100座）、德国（71座）、美国（71座）和中国（24座）。多个国家正在积极部署加氢站建设，计划建设加氢站较多的国家有德国（38座）、荷兰（17座）、法国（12座）、加拿大（8座）、韩国（27座）等。截至2018年12月，中国已建成和在建的加氢站多数供示范车辆加注使用，其规划设计、能否独立制氢及氢源选择、工艺流程及设备配置和自动控制系统等尚难以满足规模化、商业化运营要求，对运营经济性、长期性的验证还较少，加氢能力大多为200～500千克/日（见表2）。中国还有数十座加氢站在建，中国汽车工程学会在《节能与新能源汽车技术路线图》中提出，到2020、2025、2030年，中国加氢站数量将分别超过100座、300座和1000座。1.3氢能的终端消费氢能的终端消费有交通利用和固定式应用两种方式，均通过燃料电池系统实现。1.3.1氢能的交通利用氢能的交通利用即以氢燃料电池驱动汽车、船舶、火车、城市轻轨及飞机等交通工具。氢燃料电池汽车是目前最主要的交通利用方式，在一些国家已开始小规模商业化应用。在美国，氢燃料电池动力系统已开始用于叉车和电动车备用电源，燃料电池汽车发展规模最大、产业最成熟的是加利福尼亚州，截至2018年12月，已有超过5000辆燃料电池汽车在使用，预计2024年将达到4.72万辆。在日本，2018年共有2800辆燃料电池汽车在使用，计划2020年达到4万辆。2018年，中国燃料电池客车和货车产销量分别是1418辆和109辆，共1527辆，比2017年增长20%，全国燃料电池汽车总量已达到5000辆，提前两年达到《节能与新能源汽车技术路线图》提出的2020年计划。世界已有多家知名汽车公司生产氢燃料电池汽车。例如，本田公司2007年推出的FCXClarity、奔驰公司2010年推出的F-Cell、现代公司2014年推出的Tucson和2018年推出的Nexo、丰田公司2015年推出的Mirai等。中国的佛山飞驰、北汽、成都客车、金龙客车、上汽大通、东风汽车等汽车厂商已开始生产燃料电池客车和物流车，郑州宇通、申沃客车、青年汽车、申龙客车等公司已取得生产牌照并积极筹划生产。燃料电池火车和城市轻轨也是各国的关注点。2002年，美国VehicleProjects公司研制了世界上第一列氢燃料电池动力火车。2015年3月，中国南车集团生产了世界第一列燃料电池有轨电车，同年12月，中车集团成功生产国内第一列燃料电池火车，但由于铁路路线问题未能成功运行。2016年9月，法国阿尔斯通（Alstom）公司生产的燃料电池火车首次上路试运行，火车可搭载300名乘客，最高时速达到140千米，目前在德国境内铁路上运行。近年来，日本、德国、英国等国制定的氢能利用计划中均包含了燃料电池火车和轻轨计划。1.3.2氢能的固定式应用氢能的固定式应用主要是以氢燃料电池系统作为建筑、社区等的供能载体和备用能源。微型燃料电池热电联供装置（FCmCHP）是氢能固定式应用的重要分支，也是一种备受关注的新型分布式能源技术。装置将天然气或城市燃气重整制氢，并用燃料电池系统发电，将发电过程副产的热量综合利用，输出功率通常不超过5千瓦，发电效率和热利用效率可分别达到40%，能源综合利用效率超过80%。与目前领先的供热锅炉相比，虽然这种装置的整体能效优势不大，但将能源供应从集中式转变为分布式；在满足房屋供热需求的同时，承担部分电力供应，可以与风电、光伏发电等波动性发电系统互补使用。微型燃料电池热电联供装置在全球的发展分布很不均衡，主要发展区域仅有日本和欧洲。日本自2009年开始推广家用燃料电池热电联供系统（Ene-farm），这是目前世界上规模最大、推广最成功的商业化燃料电池利用系统。家用燃料电池热电联供系统利用城市管网天然气或液化石油气，通过燃料电池技术同时生产电和热水，一套装置大约可提供日本普通家庭平均能耗的40%～60%。到2018年7月，家用燃料电池热电联供系统已累计售出23万套，单个装置成本比推广初期下降了60%以上。欧洲国家大多既要解决居民供暖问题，又要避免电网铺设的高额投资问题，开展氢能固定式应用是一种较好的解决方案。目前，欧洲的微型燃料电池热电联供装置推广规模远小于日本。欧洲燃料电池和氢能联合组织（FCHJU）主导实施了Ene-field示范项目。该项目在2012－2017年共花费资金5200万欧元，11个国家支持推广了1046套300～500瓦的微型燃料电池热电联供装置。2017年，该组织又启动了新一期五年计划“PACE项目”，预算9000万欧元，计划在11个国家推广2800套装置。2各国氢能战略计划和大能源企业氢能产业进展2.1世界各国氢能战略计划和产业发展近年来，美国、日本、欧盟等国家和地区相继制定了氢能发展战略（见表3）。澳大利亚作为世界上最大的煤炭出口国和第二大液化天然气（LNG）出口国，也开始计划以太阳能、风能制氢并向东亚地区出口液氢，打造下一个能源出口产业，目标是到2030年在中、日、韩、新加坡4国开发70亿美元市场。英国气候变化委员会认为，到2030年，氢气可能取代天然气，成为低碳电力系统的备用能源，并呼吁新建的天然气发电厂及早做好利用氢能的准备。2016年，中国国家能源局发布《能源技术革命创新行动计划（2016－2030年）》，部署“氢能与燃料电池技术创新”任务。一些地方政府开始把氢能产业作为经济发展新引擎，特别是东部、南部省份对氢能与燃料电池产业发展的推进力度较大。江苏省如皋市从2010年起开始布局氢燃料产业，2016年被联合国开发计划署命名为“中国氢经济示范城市”。广东省佛山市于2017年11月建成国内首个商业化运营加氢站。上海市发布《上海市燃料电池汽车发展规划》，山东省计划在济南建设“中国氢谷”，并于近日启动了山东氢能源中长期发展规划方案编制。武汉市于2018年3月出台《武汉经济技术开发区（汉南区）加氢站审批及管理办法》，这是全国首个加氢站审批及监管的地方性政策。2.2大型能源企业氢能业务进展在各类新能源中，氢能与传统油气产业链关系最为紧密，具有与油气可类比的万亿美元级市场空间。石油公司具有资源规划、炼化生产（制氢用氢）、油气储运以及零售终端建设与运维等多方面的技术基础与整合优势。早在1978年，BP公司就申请了第一件氢燃料电池相关专利。近十年来，以壳牌、BP、道达尔为代表的石油公司围绕氢气制取、储运以及加氢站建设已有丰富的实践案例，是世界氢能产业发展的积极推动者。BP认为，氢能兼有二次能源和储能媒介双重角色，并将在2030－2050年得到广泛应用。BP拥有超过40年的制氢经验和超过10年的汽车加氢站运营经验。BP已参与多个氢能示范项目，包括同戴姆勒克莱斯勒公司、福特公司合作研究先进燃料电池技术，在北京建成中国第一座加氢站等。壳牌全面进军氢能领域。壳牌2013年发布的《新视野——世界能源转型的视角》（NewLensScenarios）指出，未来石油在乘用车领域的占比将逐年下降；电能和氢能则将快速增长，2030年二者合计占比将达到5%，2050、2060年将分别达到40%和60%，到2070年，乘用车市场将全面脱离对化石燃料的依赖，电动汽车和氢燃料汽车将得到全面普及。基于上述预测，壳牌开始在氢能领域全面发力。2016年，壳牌与川崎重工签署协议，合作开发液氢运输船；壳牌还与日本岩谷产业、日本电源开发公司合作，将澳大利亚丰富的低质褐煤转化为氢气，液化后船运至日本。2017年2月，壳牌与丰田正式达成合作协议，在加利福尼亚州建造7座加氢站，并将在2024年增加至100座。两家公司将为该项目出资1140万美元，加州能源委员会将出资1640万美元。壳牌在2018年发布的《能源转型报告》中指出，将于2030年前在英国投资加氢设施。道达尔积极推进加氢站布局。2013年在德国政府的主导下，道达尔与壳牌、戴姆勒等公司启动了H2Mobility项目。该项目计划在2023年前在德国建设400座加氢站。截至目前，道达尔已经在德国建成了10座加氢站。道达尔还与林德公司、宝马公司在氢气加注技术等方面开展了合作。中国传统大型能源企业已加大在氢能领域的投入力度。2018年2月，国家能源集团牵头成立了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟（简称中国氢能联盟），高调进军氢能产业，并已在江苏如皋建成商业加氢站；10月，国家能源集团下属3家单位（准能集团、氢能科技公司、低碳清洁能源研究院）与潍柴集团共同签署了《200吨级以上氢能重载矿用卡车研发合作框架协议》。中国石化在全国开展氢气的制、储、运、加整体布局，目前已确立10余座加氢站选址。借助2022年北京冬奥东风，公司与亿华通公司签订协议，在氢气供应、车辆加氢、加氢站运营等方面展开合作，为北京－张家口冬奥会氢燃料电池车运营提供保障。考虑到氢能产业发展初期难以实现投资回报，中国石化于2018年7月成立了中国石化集团资本有限公司，专门支持氢能和其他新兴产业的发展。中化集团把氢能确立为公司新能源四大重点领域之一，于2018年10月在江苏省如皋市成立了中化能源国际氢能与燃料电池科技创新中心，专注于研发氢燃料电池，其新能源业务进入了战略突破和攻坚阶段。3对中国氢能产业未来发展的建议从世界各国的经验来看，氢能产业实现商业化发展需要解决技术突破、政策协调、产业配套、经济可行、社会认知等多方面问题。近年来，中国多地政府大力推进氢能产业发展，汽车企业、燃料电池供应企业以及投资机构热情高涨，多家企业积极进入制氢供氢产