氢能发展现状与前景展望

氢能产业发展现状与前景岫近期，氢能作为推动全球能源转型的一种可行技术路线，逐渐成为世界能源领域的热点话题，从欧美政府到国际能源署等重要国际组织，都对氢能经济寄予厚望。我国也在今年国民经济和社会发展计划的主要任务中，首次提出要制定国家氢能产业发展战略规划。全球氢能产业处于快速发展前期，预计随着技术研发和产业资本的持续投入，未来10~20年全球氢能产业将迎来快速发展的重大机遇期。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）制氧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。2(三)运氧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。㈣用氧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。.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3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。.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。.”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。.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。止矽卜，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。•氢能发展潜力再获国际关注・20世纪70年代以来，受石油价格冲击，各国开始关注氢能研发与应用。21世纪初以来，受全球气候变化和环境问题影响，节能减排和能源清洁化步伐加快，氢能在能源转型中的潜力再次获得人们关注。氢能是理想的清洁二次能源，用可再生能源制氢，用储氢材料储氢，用氢燃料电池发电，将构成〃净零排放〃可持续利用的氢能系统，成为可再生能源之外实现〃深度脱碳〃的重要路径。氢能发展潜力越来越被国际认可，欧美日韩等地区和国家积极制定支持氢能投资政策。截至目前，占世界GDP70%的18个国家制定了氢能发展战略，全球直接支持氢能源部署的政策总计约50项。美国自2010年以来，每年对氢能和燃料电池的资助达1亿~2.8亿美元。欧洲燃料电池和氢能联合组织于2019年2月发布《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》研究报告，提出了欧盟面向2030年、2050年的氢能发展路线图;欧盟委员会于2020年3月10日宣布成立〃清洁氢能联盟〃旧本将〃氢能社会〃纳入国家发展战略，2014年以来先后制定《第四次能源基本计划》《氢能基本战略》《第五次能源基本计划》《氢能与燃料电池路线图》，计划到2025年，燃料电池汽车数量达到20万辆，到2030年达到80万辆，燃料补给网络包括900个加氢站，是目前的9倍左右。欧美日韩等地区和国家在积极推动氢能发展的同时，相互之间的合作意愿强烈，在2019年G20（大阪）峰会召开期间，美日欧三方签署《关于未来氢能和燃料电池技术合作的联合声明》，致力于未来氢能及燃料电池技术全面合作，引导能源体系向氢能过渡。近日，加拿大正在制定国家氢能战略，以加速推进能源产业清洁转型;而德国则联合法国、荷兰、奥地利、比利时与卢森堡等国，呼吁欧盟尽快就氢能源技术进行立法并增加资金支持。虽然氢能在能源转型中的潜力再受关注，但全球制氢的最主要原料是化石能源。目前，全球氢气年产量约为7000万吨，其中76%以天然气为原料，剩余部分（23%）几乎都以煤炭为原料，电解法制氢仅占1%。每年氢气生产共消耗天然气约2050亿立方米（占全球天然气总消耗量6%）煤炭1.07亿吨（占全球煤炭总消耗量的2%）。尽管化石能源制氢技术相对成熟，但存在碳排放问题，加装碳捕捉与封存装置（CCS）是缓解碳排放的一个措施。随着近年来可再生能源发电成本快速下降，直接利用可再生电力电解水制氢成为关注焦点。当前，越来越多的国家和机构投入到大型可再生能源制氢的研究与项目开发中。近日，由欧洲氢能组织、沙漠计划、非洲氢能伙伴计划、乌克兰氢能委员会等机构联合发布的《绿色制氢：欧洲2x4000万千瓦倡议》提出，在北非和欧洲地区分别建设4000万千瓦清洁光伏/风电电解制氢设备和互联互通管道设施，并预计到2025年制氢成本可降至1.62~2.16美元/千克。全球正在推进中的可再生能源制氢项目规模迅速扩大从2019年10月份的320万千瓦提高到2020年3月底的820万千瓦，近期新增在建项目的单个容量都在10万千瓦及以上，主要分布在澳大利亚、法国、德国、葡萄牙、英国、美国、荷兰、巴拉圭。・面临五大挑战•近年来，氢能作为潜在新兴能源，逐步进入中央和地方政府中长期规划视野。在《中国制造2025》《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》《〃十三五〃国家战略性新兴产业发展规划》等多个国家规划中，明确提出将〃氢能与燃料电池〃作为战略重点，《能源法(征求意见稿)》中首次将氢能列入能源范畴。2019年、2020年，氢能均写入国务院政府工作报告。在地方政府层面，仅在2019年，山东等多个省市就出台了70多条氢能和燃料电池汽车激励政策。事实上，我国已经是世界上最大的氢能生产国和消费国。全球投入运营的煤气化厂达130座，其中80%位于我国。国家能源集团拥有煤气化炉80座，年产氢气总量达800万吨，约占全球氢气总产量的12%。2017年以来，我国氢能及燃料电池汽车产业快速发展，截至2019年年底，在建和已建的加氢站有130多座，其中61座已经建成，投入运营的加氢站有52座。目前，我国已形成京津冀、长三角、珠三角、华中、西北、西南、东北7个氢能产业集群，相关的产业配套和商业化应用体系也在逐渐探索和完善在示范运营区域运行的各类汽车近4000辆，燃料电池商用车产销和商业示范应用的规模位居国际前列。尽管我国氢能产业发展已经具备一定基础，但是要破解我国能源发展难题，发挥氢能在我国能源转型中的巨大潜力，还有不少现实问题和挑战亟待解决。第一是公众认知问题。氢气的化学性质活泼，长期以来，我国一直将氢气作为危化品进行管理，应用领域局限在化学品，未将氢能作为能源管理，公众认知水平较低。事实上，各种实验数据表明，氢气的危险系数低于油气。只要具备较强的技术支撑和安全运行管理能力才按照规范操作和使用，氢的安全性是可控的。第二是顶层设计问题。不论是从氢能的生产、储运，还是技术要求等环节，目前国家对于氢能的支持仅出现于新能源发展等政策中，还没有专门的氢能政策，尚未制定专门的氢能产业发展规划，也没有出台能够提振市场预期的发展路线图，上下游产业不协调问题较为突出，氢能产业长期可持续发展将受到严重制约。第三是技术装备问题。燃料电池等氢能装备关键零部件较多、系统较复杂，用材特殊、制作工艺繁琐，但我国相关核心技术和设备自主化程度不足，核心零部件和关键材料尚依赖进口。氢由化学品转为能源，在生产、储运、终端设施以及应用领域产品开发等全产业链上都需要有创新型技术作为长期支撑和引领。第四是基础设施问题。氢能基础设施尤其是加氢站的建设布局，在很大程度上限制了氢能经济的规模化，制约了氢能汽车的市场发展。截至目前，我国加氢站仅有寥寥数十座，分布到有关省市更是屈指可数，加氢站建设主体众多，缺乏国家统筹和政策配套措施。加氢站及相关基础设施的布局能否快速启动，其实又取决于氢成本的下降速度以及加氢站运营过程中政府的补贴力度。第五是发展成本问题。氢气需要二次制取，运氢、储氢、加氢各环节成本较高，引发人们对氢能经济性的质疑。现阶段氢能成本高，是技术原因，更是应用规模有限所致，国际能源署、国际氢能委员会、彭博新能源财经等机构的研究均表明，产业规模化是降低氢能成本的关键。当前，可再生能源制氢成本高达3〜7.5美元/千克，但随着可再生能源成本的下降和氢气产量扩大，到2030年利用可再生能源制氢的成本可以在目前的基础上下降30%。目前车用氢燃料电池的成本为230美元/千瓦，预计近期可以降到180美元/千瓦，远期下降到50〜75美元/千瓦，届时高里程氢燃料电池汽车的经济性将超过电动汽车。・需多方协同发力・从世界范围看，氢能发展已经越来越受到各国政府、能源生产企业、装备制造企业和研究机构的关注。国际氢能委员会预测，到2050年全球氢能占能源比重约为18%，氢能产业链产值将超过2.5万亿美元。全球氢能产业已处于快速发展前期，预计随着技术研发和产业资本的持续投入，未来10~20年全球氢能产业将迎来快速发展的重大机遇期。我国是世界第一大能源生产国和消费国，能源生产和消费结构均以化石能源为主，应对气候变化、保护生态环境面临巨大压力和挑战，氢能巨大发展潜力为破解我国能源发展难题提供了新的可能性。鉴于氢能技术要求高、产业链复杂、投资需求大，需要政府、企业和行业组织等多方协同发力，抢占未来氢能经济发展先机。