胡曉雨，曹偉煒，余 浩，任盈盈，丁桂平，潘 磊

( 中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102 )

0 引言

氫能源具有來源豐富、儲存周期長、清潔低碳及安全可控等特點(diǎn)，是除電能外可廣泛應(yīng)用的零碳終端能源唯一載體[1]。加快氫能制取、儲運(yùn)和應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈的培育和發(fā)展可以減少對傳統(tǒng)化石能源依賴，保障我國能源安全，緩解再生能源消納問題，助力我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。本文在梳理國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游制氫環(huán)節(jié)、中游儲運(yùn)環(huán)節(jié)和下游應(yīng)用環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀。

1 國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展概況

1.1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈的組成

氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及應(yīng)用發(fā)展迅猛，氫能產(chǎn)業(yè)鏈大致可以劃分為上游制氫、中游儲運(yùn)和下游應(yīng)用3 個環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

1.2 國外氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展概況

20 世紀(jì)70 年代，美國開啟了對燃料電池車的研發(fā)，隨后投入大量資金解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程重大難題。近年來，美國依然能保持1 億美元/a 以上的資金投入，其加氫站數(shù)量位居世界第三[2]。

德國致力于推動汽車制造從常規(guī)內(nèi)燃機(jī)向氫能燃機(jī)型轉(zhuǎn)變。經(jīng)過多年發(fā)展，德國氫能產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力僅次于日美。近期，歐盟頒布了《歐洲氫戰(zhàn)略》，提出預(yù)計到2030 年投入240 ～420 億歐元用于安裝4 000 萬kW 的電解設(shè)施，產(chǎn)生1 000 萬t 的“綠色氫”[3]。

日本以氫燃料電池為突破口，帶動氫能高速發(fā)展。日本的燃料電池車銷量已突破1 萬輛，先后在東京、名古屋等地建成100 余座加氫站[4]，相繼出臺了《基本氫能戰(zhàn)略》《NEDO 氫能源白皮書》和“氫能利用進(jìn)度表”，在國家政策方面確定了未來氫能發(fā)展計劃和舉措。

韓國在稅收減免、補(bǔ)貼支持及研發(fā)投入等多方面支撐氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，大力推行氫燃料電池巴士，在公共交通領(lǐng)域逐步使用氫燃料電池垃圾車取代傳統(tǒng)燃油車[5]。

沙特“2030 愿景”提出到2030 年實(shí)現(xiàn)400 萬t 氫氣年產(chǎn)量和出口量的目標(biāo)，旨在創(chuàng)造一個更加多樣化和可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)體，減少對石油經(jīng)濟(jì)的依賴，鼓勵私營企業(yè)的發(fā)展，改善營商環(huán)境。

1.3 國內(nèi)氫能發(fā)展概況

我國目前是世界上最大的產(chǎn)氫國，2022 年產(chǎn)量達(dá)3 781 萬t，占全球需求的三分之一。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)測，到2030 年我國氫氣的年需求量預(yù)計達(dá)到3 715 萬t，在終端能源消費(fèi)中占比約為5%；到2060 年，我國氫氣的年需求量將增至1.3 億t 左右，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%，如圖2 所示。

圖2 中國氫能需求量預(yù)測

我國于2006 年發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020 年)》，對制氫、儲存、輸配技術(shù)和燃料電池技術(shù)提出了指導(dǎo)規(guī)劃。2014 年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020 年)》正式將“氫能與燃料電池”作為能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向。2019 年，國務(wù)院《政府工作報告》首次明確提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。2021 年，國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》。

2022 年3 月，國家發(fā)改委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035 年)》，進(jìn)一步明確了氫能在中國未來能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略性定位，制定了中國氫能產(chǎn)業(yè)階段性的發(fā)展目標(biāo)，并提出了氫能在中國的應(yīng)用場景。2023 年8 月，國家標(biāo)準(zhǔn)委與國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、應(yīng)急管理部、國家能源局六部門近日聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023 版)》，旨在貫徹落實(shí)國家關(guān)于發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的決策部署，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范和引領(lǐng)作用。

當(dāng)前，我國各省都在加大對氫能的投入力度。華北區(qū)域的河北省借建設(shè)雄安新區(qū)和舉辦北京冬奧會的重大機(jī)遇，依靠豐富的可再生能源和工業(yè)副產(chǎn)氫，推動氫能在交通、電力、熱力、鋼鐵、化工、通信、天然氣管道混輸?shù)阮I(lǐng)域的推廣應(yīng)用。華東區(qū)域山東省依托豐富的工業(yè)副產(chǎn)氫資源，全力打造“中國氫谷”“東方氫島”兩大品牌，培育壯大“魯氫經(jīng)濟(jì)帶”；江蘇省內(nèi)已初步形成包括氫氣制備—儲運(yùn)—應(yīng)用、整車制造、加氫站運(yùn)營、產(chǎn)品檢測認(rèn)證等較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈條，已成為國內(nèi)重要的氫能產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。華中區(qū)域的四川省充分利用本地水電資源優(yōu)勢，使用調(diào)峰棄水電量電解水制氫，致力于將四川打造成為國際知名的氫能產(chǎn)業(yè)基地、示范應(yīng)用特色區(qū)域和綠氫輸出基地。

2 氫能制取

目前，我國氫氣制取主要有3 種成熟的技術(shù)路線：1)以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫；2)以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；3)電解水制氫。太陽能光催化分解水制氫、生物質(zhì)直接制氫等技術(shù)路線仍處于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)階段，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求。

2.1 化石燃料制氫

煤氣化制氫和天然氣蒸汽重整制氫是我國目前兩種主流化石燃料制氫的技術(shù)路線[6]。我國化石能源“富煤少氣”的特點(diǎn)，使得化石燃料制氫以煤制氫為主；我國天然氣中含硫量高，預(yù)處理工藝復(fù)雜繁瑣，價格不穩(wěn)定。經(jīng)過測算，煤炭價格在450 ～950 元/t 時，煤制氫價格介于9.73 ～13.70 元/kg；天然氣價格在1.67 ～2.74 元/m3時，天然氣制氫價格介于9.81 ～13.65 元/kg[6]，如圖3 所示。我國煤炭產(chǎn)量充足，天然氣對外依存度較高，因此，在我國大部分地區(qū)煤制氫更具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性?；剂现茪浼夹g(shù)路線成熟、成本低，但碳排放量高，且化石燃料不可再生，產(chǎn)能擴(kuò)張空間有限。

圖3 煤制氫成本和天然氣制氫成本對比

2.2 工業(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè)副產(chǎn)氫指生產(chǎn)化工產(chǎn)品時同時得到的副產(chǎn)物氫氣，其制氫成本在9.3 ～22.4 元/kg 之間[6]。焦?fàn)t煤氣、氯堿化工、輕烴利用(丙烷脫氫、乙烷裂解)、合成氨、合成甲醇等工業(yè)均會產(chǎn)生副產(chǎn)物氫氣。目前，在國內(nèi)產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)氫中部分作為化工原材料或鍋爐燃料使用，部分直接放空。氫氣的制備規(guī)模由主產(chǎn)品制備規(guī)模決定，擴(kuò)張空間有限。

2.3 電解水制氫

目前，我國電解水制氫主要通過堿性電解和質(zhì)子交換膜電解，固體氧化物電解仍處于試驗(yàn)階段，不同工藝路線比較見表1 所列?？稍偕娏﹄娊馑茪浞Q之為“綠氫”，是零碳排、可持續(xù)的“終極路線”[7]，但成本仍是制約其推廣的瓶頸因素。中國北部內(nèi)蒙和西北新疆地區(qū)全年日照等效可利用小時數(shù)達(dá)1 500 ～ 1 800 h，能夠有效降低當(dāng)?shù)乜稍偕娏Τ杀?，從而推動可再生電力電解水制氫發(fā)展。

表2 不同儲氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 氫能儲運(yùn)

3.1 儲氫

氫能存儲技術(shù)主要包涵高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲氫技術(shù)、有機(jī)液體儲氫技術(shù)和固態(tài)儲氫技術(shù)。目前，高壓儲氫技術(shù)發(fā)展較為成熟，氫氣釋放過程簡單，在車用氫能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)70 MPa 的IV 型儲氫瓶、90 MPa站用儲氫容器和50 MPa 及以上纖維纏繞復(fù)合儲氫設(shè)備的規(guī)模應(yīng)用；國內(nèi)III 型儲氣瓶技術(shù)已經(jīng)成熟，開始引進(jìn)IV 型儲氣瓶。低溫液態(tài)儲氫在國內(nèi)的應(yīng)用僅限于航空領(lǐng)域，暫未在民用領(lǐng)域推廣；液氨/甲醇儲氫在國內(nèi)已有規(guī)模試點(diǎn)項目建設(shè)；氫化物吸附儲氫、有機(jī)液體儲氫等技術(shù)在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化極少，基本處于小規(guī)模試驗(yàn)階段；固態(tài)儲氫技術(shù)還處于技術(shù)研發(fā)示范階段，技術(shù)成本較高，暫無大規(guī)模的商業(yè)示范項目[8]。

3.2 輸氫

氫能輸送路線主要包括長管拖車輸送、管道輸送、液氫車船輸送和固態(tài)氫輸送。20 MPa長管拖車是我國應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的氣態(tài)輸氫方式。壓縮機(jī)將氫氣壓縮至20 MPa，充入高壓氣瓶內(nèi)，再用長管拖車托運(yùn)至用氫地點(diǎn)。長管拖車輸氫僅適用于200 km 以內(nèi)、用氫量不大的場合。管道輸送可以滿足大規(guī)模、長距離的氫氣輸送需求，目前，中國輸氫管道全長約400 km，但中國尚未建立統(tǒng)一的輸氫管網(wǎng)規(guī)劃。液氫和固態(tài)氫輸送技術(shù)要求高，經(jīng)濟(jì)性較差，在我國仍處于發(fā)展階段。

4 氫能應(yīng)用

我國的氫能主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、能源、建筑及工業(yè)等領(lǐng)域。

4.1 交通運(yùn)輸領(lǐng)域的氫能應(yīng)用

在我國產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼和政策支持下，氫燃料客車、物流等商用車得到了長足發(fā)展。氫燃料電池成本是制約其市場化發(fā)展的重要因素。2022 年，億華通燃料電池系統(tǒng)成本降到約2 500 元/kW。相比純電動重卡，氫能燃料電池重卡補(bǔ)給時間更短、重量更輕、續(xù)航更遠(yuǎn)。隨著質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的成熟及設(shè)備的規(guī)?；瘧?yīng)用，氫能重卡、乘用車等車型的市場化占有量將大幅提升。

加氫站是氫能產(chǎn)業(yè)鏈上不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。到目前為止，中國在建和已建成的加氫站數(shù)量可達(dá)180 余座。廣東省加氫站保有量居全國首位，山東、江蘇、上海次之[9]。當(dāng)前，中國加氫站的儲氫罐、隔膜式壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著氫能應(yīng)用端需求的變化，加氫站的加注壓力將從35 MPa 提至70 MPa，但中國70 MPa 加氫站的相關(guān)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還不夠成熟[10]。

4.2 能源領(lǐng)域的氫能應(yīng)用

氫能能量密度高，便于存儲，可以實(shí)現(xiàn)以月度或季度為單位的長周期儲存能量[11]。未來三年內(nèi)，中國規(guī)劃總規(guī)模超過200 MW 的氫儲能項目將陸續(xù)落地[12]。

目前，國內(nèi)氫儲能系統(tǒng)建設(shè)成本高達(dá)1.3 萬元/kW。相比于建設(shè)成本7 000 元/kW 左右的抽水蓄能和2 000 元/kW 左右鋰電池儲能，氫儲能系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟(jì)性[12]。

隨著工藝進(jìn)步和制氫成本降低，煉鋼、氫化工和天然氣摻氫將成為綠氫主要的應(yīng)用場景。目前，國內(nèi)已在湖北、廣東等地開展了摻氫燃?xì)廨啓C(jī)示范項目：我國某重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)公司計劃在湖北開展F 級燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒示范項目；廣東某能源集團(tuán)在惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站開展兩臺摻氫體積比例為10%的9HA.01 重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組示范項目。國家能源集團(tuán)在2022 年以35%摻燒比例在40 MW 燃煤鍋爐上實(shí)現(xiàn)了混氨燃燒工業(yè)應(yīng)用，安徽某能源集團(tuán)也于2023 年宣布實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)役煤電機(jī)組100 ～300 MW多種工況負(fù)荷下?lián)桨?0%～35%平穩(wěn)運(yùn)行。

4.3 建筑領(lǐng)域的氫能應(yīng)用

氫能與建筑融合，是近年興起的一種綠色建筑新理念。在碳中和背景下，各國政府將天然氣摻氫項目作為氫能應(yīng)用場景探索大力推廣，例如：英國將從2025 年起禁止新建住宅使用燃燒化石燃料的燃?xì)忮仩t和燃油鍋爐，必須使用低碳供暖技術(shù)。在主電網(wǎng)覆蓋地區(qū)，電力熱泵或?yàn)槭走x解決方案，但是在制氫設(shè)施附近的人口稀疏地區(qū)，氫能或?qū)l(fā)揮重要作用。

在建筑領(lǐng)域，也可以通過分布式能源供應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。在氫氣運(yùn)輸至建筑終端方面，可以借助較為完善的家庭天然氣管網(wǎng)，探索低比例天然氣摻氫技術(shù)，將氫氣運(yùn)輸至家庭用戶。

4.4 工業(yè)領(lǐng)域的氫能應(yīng)用

氫氣在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。2021 年，全球氫氣需求量超過9 400 萬t，工業(yè)領(lǐng)域的需求量占比超過99%[12]，如圖4 所示。

圖4 全球氫需求量占比示意圖

目前，我國氫氣主要用于化工冶金領(lǐng)域，其中：占比最大的是作為生產(chǎn)合成氨的中間原料，占比約為30%；其次是生產(chǎn)甲醇的中間原料，占比約為28%；焦炭副產(chǎn)氫利用與石油煉化用氫次之，占比分別為15%和12%。此外，還有煤化工用氫占比約為10%；以及其他領(lǐng)域用氫占比約為5%[13]。

若能采用“綠氫”替代煤制氫來合成氨，將大幅度減少合成氨工業(yè)原煤消耗、降低碳排放，同時也可以為綠氫規(guī)?；瘧?yīng)用創(chuàng)造場景。

氫冶金作為綠色冶金新技術(shù)，是當(dāng)前冶金領(lǐng)域低碳發(fā)展的重要方向。兩家能源集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將合作開展超高溫氣冷堆核能制氫技術(shù)的研發(fā)，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳超低排放和綠色制造；某鋼鐵集團(tuán)與意大利某集團(tuán)企業(yè)商定在氫冶金技術(shù)方面開展深入合作，利用制氫和氫還原技術(shù)同研發(fā)、建設(shè)120 萬t 規(guī)模氫冶金示范工程；我國兩家鋼鐵集團(tuán)簽訂了合作協(xié)議，擬合作建設(shè)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的年產(chǎn)50 萬t 氫冶金及高端鋼材制造產(chǎn)線。

4.5 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

長期以來，國內(nèi)制氫項目屬于危險化學(xué)品(簡稱“?；贰?生產(chǎn)領(lǐng)域，須安置在化工園區(qū)內(nèi)，且需要取得?；飞a(chǎn)許可證，這在一定程度上提高了氫能制造產(chǎn)業(yè)成本。國內(nèi)已有部分省市針對制氫項目出臺了相關(guān)寬松政策：2023 年6 月28 日，廣東省12 個部門聯(lián)合印發(fā)的《廣東省燃料電池汽車加氫站建設(shè)管理暫行辦法》，指出規(guī)定允許在非化工園區(qū)建設(shè)制加氫一體化站；7 月5 日，河北省政府發(fā)布了《河北省氫能產(chǎn)業(yè)安全管理辦法(試行)》的通知，明確了氫能企業(yè)按行業(yè)類別歸口監(jiān)督管理，綠氫生產(chǎn)不需取得危險化學(xué)品安全生產(chǎn)許可。政策的松綁對我國氫能發(fā)展起到促進(jìn)作用。

目前我國氫能還存在供需不確定，技術(shù)路徑多，發(fā)展成熟度不一致，投資決策難等問題。為了滿足市場需求，企業(yè)或相關(guān)部門需要新建、擴(kuò)大或改進(jìn)他們的氫工廠。投資回報率的未知性或低回報率都會制約氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。將氫氣液化或轉(zhuǎn)化為氨等其他載體，會導(dǎo)致能量損失；運(yùn)輸氫氣也需要額外的能量輸入，氫能應(yīng)用效率低也是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

5 結(jié)語

我國目前已經(jīng)初步形成涵蓋“制—儲—運(yùn)—用”的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但氫能相關(guān)技術(shù)、市場仍處于產(chǎn)業(yè)化初期階段。隨著新能源發(fā)電裝機(jī)量逐漸提升，綠氫生產(chǎn)成本逐漸降低，各行業(yè)降碳需求不斷增加，綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程將加速。在碳中和目標(biāo)下，化工、鋼鐵和重型運(yùn)輸行業(yè)存在綠氫替代灰氫的減碳空間，在交通、能源、建筑等領(lǐng)域尚未規(guī)模化發(fā)展階段，化工和煉化領(lǐng)域有望成為綠氫規(guī)?；瘧?yīng)用的首要場景，帶動綠氫產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模發(fā)展和降本。未來氫能將深刻推動中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，并對中國能源體系、經(jīng)濟(jì)社會產(chǎn)生巨大影響。