氫能產(chǎn)業(yè)鏈分別為上游制氫、中游儲運以及下游用氫。
上游制氫工藝目前大部分還是通過化石能源作為原料制取的“灰氫”，但隨著清潔能源發(fā)電規(guī)模的提高以及技術(shù)的進(jìn)步，通過電解水制取的“綠氫”將是未來主流的工藝方式。氫的儲運根據(jù)使用場景的不同，形成以長管拖車為主，液氫槽罐車、管道運輸為輔的多元化運輸體系。下游最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是氫能源汽車以及與之配套的加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，目前還處于快速發(fā)展階段。
受頂層設(shè)計、政策利好驅(qū)動，氫能產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步發(fā)展。預(yù)計未來 10 年內(nèi)將形成完整氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。氫能最終將納入我國終端能源體系，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
01 氫能技術(shù)的特點與戰(zhàn)略定位
氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。國際可再生能源機構(gòu)預(yù)計，在實現(xiàn) 1.5°目標(biāo)情境下到 2050 年氫能產(chǎn)量達(dá)到 6.14 億噸/年，在總能源消耗中的占比達(dá)到 12%。
(一)低碳環(huán)保，促進(jìn)實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”
氫氣在氧氣中的燃燒化學(xué)方程式為：2H2+O2=2H2O，與其他化石能源的燃燒不同，氫氣燃燒不生成二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體，燃燒產(chǎn)物只有水，是世界上最清潔的能源之一。
目前，我國每年的二氧化碳排放量在全球位列第一，2020 年為 98.93 億噸，2021 年為 105.23 億噸，2022 年的碳排量預(yù)計下降 0.9%，但也處于超過 100 億噸的高排放水平，高于位列二、三、四位國家碳排放量的總和。“雙碳” 目標(biāo)的提出，意味著我國進(jìn)入了高質(zhì)量綠色發(fā)展的新階段，但我國的能源消費結(jié)構(gòu)還較為依賴化石能源，原煤在能源消費結(jié)構(gòu)中占比依然超過 50%，其他化石能源諸如石油、天然氣也分別占有較大的比重，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，如果沒有核心技術(shù)的創(chuàng)新，這個目標(biāo)將難以實現(xiàn)。在我國當(dāng)今的工業(yè)體系、生產(chǎn)模式下，通過“拉閘限電”等模式來減排是不現(xiàn)實的。
氫能或?qū)⒊袚?dān)這一歷史使命，氫能可以幫助人類脫碳、固碳，甚至實現(xiàn)負(fù)碳。對于終端用能來說，可以把氫作為主要能源，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，通過氫電互補體系實現(xiàn)工業(yè)用能領(lǐng)域二氧化碳排放量的減少。在交通等方面，以氫能代替柴油、汽油等能源，也可以實現(xiàn)減排甚至“零排”，對于促進(jìn)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要作用。
(二)熱值高、存在范圍廣泛，安全性高，未來在我國能源安全中或扮演重要角色
氫氣的熱值為 143kj/g，約為甲烷(天然氣主要成分)的 2.4 倍，汽油的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍，是除核能以外熱值最高的燃料。并且氫元素存在廣泛，作為元素周期表排名第一位的元素，是宇宙中最豐富的元素，總質(zhì)量占所有元素綜合的 75%之多，氫元素在自然界多大多以水的方式存在，取之不盡，用之不竭。
除此之外，氫氣的安全性也相對較高。首先氫氣本身無毒無味，也不具有放射性，吸入少量氫，對人體沒有任何危害，甚至對人體有益。其次氫氣相對也不易爆炸，氫氣在開放的大氣中，很容易快速逃逸，而不像汽油蒸汽揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散，相對較為安全。
我國因受“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦限制，高度依賴石油、天然氣的進(jìn)口。目前全球貿(mào)易摩擦越演越烈、 俄烏沖突持續(xù)升級，在地緣政治與能源供應(yīng)風(fēng)險驟增的背景下，能源安全的重要性被提到了一個新的高度，因此，必須抓緊推動能源轉(zhuǎn)型，盡快實現(xiàn)技術(shù)突破，減少對外部能源以及傳統(tǒng)能源的依賴，“先立后破”，將能源安全的主動權(quán)掌握在自己手中，才能夠在動蕩的國際形勢下獨善其身，確保國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運行，未來，氫能或?qū)⑹菄夷茉大w系中的重要組成部分。
(三)科技含量高，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向
理論上來說，液氫是氫能利用的最佳形態(tài)，它密度高，是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣密度的 850 倍，是 70MPa 高壓氫氣 1.8 倍。并且液氫易于點火，燃燒穩(wěn)定且效率高，液氫的臨界壓力低，它高于熱容量，適合作為推力室中的再生冷卻器，各種動力循環(huán)方案適用，有利于發(fā)動機方案的優(yōu)化和可靠性設(shè)計。但液氫的形成要求-253℃的低溫，這對制備、儲存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)要求極其嚴(yán)苛。液氫的儲存和運輸一直是制約氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。之前，國內(nèi)液氫主要用于航天等尖端領(lǐng)域，很難進(jìn)入民用領(lǐng)域，較難形成大規(guī)模商業(yè)化。
未來，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向，突破氫能核心技術(shù)和關(guān)鍵材料瓶頸，加速產(chǎn)業(yè)升級壯大，可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈良性循環(huán)和創(chuàng)新發(fā)展。
02 我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀
(一)氫能產(chǎn)業(yè)鏈概況
我國目前是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約 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。另外，我國可再生能源裝機量全球位列第一，在低碳清潔的氫能供給上具有巨大潛力。
目前，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢，已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。
全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)超過 300 家，集中分布在長三角、粵港澳大灣區(qū)、京津冀等區(qū)域。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈分別為上游制氫企業(yè)、中游儲運商以及下游用氫企業(yè)，包括加氫站的建設(shè)運營商，氫能源汽車是目前我國氫能應(yīng)用最主要的領(lǐng)域，或也是未來氫能產(chǎn)業(yè)最重要的應(yīng)用發(fā)展方向。
2022 年 11 月 16 日，第二屆氫能國際(中國·南海)主題峰會在線上舉行。在會上發(fā)布了 2022 全球氫能企業(yè) TOP100 榜單，評分方式主要采用定性分析 和定量分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，最終評選出國外50家氫能、國內(nèi)50家氫能企業(yè)進(jìn)入“2022全球氫能企業(yè)TOP100” 榜單。
(二)上游：化石能源制氫方式為主
目前氫氣的生產(chǎn)方式主要分為三種，分別為化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫。化石燃料制氫主要是 以煤炭為還原劑水蒸氣為氧化劑，在高溫下將碳轉(zhuǎn)化為 CO 和 H2為主的合成氣，然后經(jīng)過煤氣凈化、CO 轉(zhuǎn)化以及 H2提純等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，最終生成氫氣。工業(yè)副產(chǎn)制氫是指在生產(chǎn)過程中，利用富含氫氣的終端廢棄物或副產(chǎn)物作為原材料，采用變壓吸附法(PSA)回收提純制取氫氣。電解水制氫，顧名思義是通過對加入電解液的水通電，分解成為氫氣和氧氣。
根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可以把氫氣分為“灰氫”“藍(lán)氫”“綠氫”，灰氫指的是以化石能源為原料，通過燃燒或重整等方式制取的氫氣，灰氫制取成本相對較低，但在整個工藝流程中碳排放量較高，不利于“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。
藍(lán)氫是指在生產(chǎn)過程中使用了碳捕集、利用與封存(CCUS)等先進(jìn)技術(shù)制成的氫氣，該技術(shù)可捕獲溫室氣體，能夠減少生產(chǎn)過程中的碳排放量。綠氫則是通過清潔能源發(fā)電，電解水制成的氫氣。電解水制氫的技術(shù)裝備簡單，工藝流程也較為穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中幾乎沒有碳排放，但是缺點是成本較高，單位成本約為灰氫的 4-5 倍，這也是目前電解水制氫發(fā)展的最大瓶頸。
目前全球主流的制氫方式是甲烷水蒸氣催化重整工藝(SMR)，SMR 是指在一定的反應(yīng)條件下, 使用催化劑促使甲烷的 C-H 鍵斷裂，并重新組合生成新的化學(xué)鍵過程，具有工藝簡單、成熟等優(yōu)點，但我國因資源稟賦的特點，仍以煤制氫的方式為主，相較于 SMR 工藝排放的二氧化碳更多，而電解水低碳環(huán)保的制氫方式我國和全球其他國 家占比都不到 1%。
(三)儲運：長管拖車為主，液氫槽罐車、管道運輸為輔多種方式齊頭并進(jìn)
根據(jù)氫的存在形態(tài)不同，儲存主要也分為三種方式，分別為氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。氣態(tài)儲存是目前最為常見的儲存方式，具有成本低、充放速度快、能耗低、可在常溫操作等優(yōu)點，但缺點也很明顯，氣態(tài)氫密度低， 會導(dǎo)致儲存體積過大，增加運輸難度，并且也存在儲氫容器氫氣泄漏和爆炸等安全隱患。液氫相比對氣態(tài)氫氣，具有能量密度大、體積小、加注便捷等優(yōu)點，然而轉(zhuǎn)化液氫的成本較高，對絕熱的要求高，目前還主要用于航天和軍事領(lǐng)域。固態(tài)氫理論上來說是最為理想，具有安全性好、密度更大、純度高、運輸便利等優(yōu)點，但是目前還存于技術(shù)的研發(fā)階段，并且使用起來對于工況的要求較為苛刻，未來隨著科技與技術(shù)的進(jìn)步，將會有更多商業(yè)化的應(yīng)用。
運輸方面，最佳的氫運輸方式應(yīng)根據(jù)運輸距離、運輸規(guī)模等多因素進(jìn)行考量而后進(jìn)行選擇。例如運輸場景為小規(guī)模、短距離時，高壓氣態(tài)長管拖車就是最為經(jīng)濟(jì)的運輸方式，一旦運輸距離上升，就會隨著車輛的使用成本與維護(hù)成本的上升而變得不再經(jīng)濟(jì)。長距離、點對點、超大規(guī)模的氫氣運輸可使用管道運輸，但運輸管道前期投入成本 較高，且建設(shè)難度大，目前還沒有實現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)前，我國純氫管道建設(shè)處于起步階段，規(guī)模較小，總里程約 400 公里，主要分布在環(huán)渤海灣、長江三角洲等區(qū)域，已建項目以化工園區(qū)內(nèi)應(yīng)用為主。大規(guī)模、中長距離的運輸可將氫氣液化后運輸液氫，液氫體積小、穩(wěn)定性高，便于運輸，并且可以進(jìn)行海運。
(四)下游：氫能源汽車發(fā)展未來可期
目前我國氫能應(yīng)用最主要的領(lǐng)域是氫能源汽車以及與之配套的加氫站等配套基礎(chǔ)設(shè)施。
相比于傳統(tǒng)的燃油車，氫能源車可實現(xiàn)真正的零排放無污染，相比于電動汽車，氫能源車在補能時間上有巨大的優(yōu)勢，一次補充燃料僅需要幾分鐘，與燃油車所需時間持平。并且，氫能源汽車還具有能量轉(zhuǎn)換效率高、續(xù)航里程長等優(yōu)勢。然而，因目前氫能源汽車成本較高，以及相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，且與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善等原因，民眾使用起來并不方便，導(dǎo)致購買意愿不強烈，氫能源汽車在我國還沒有得到大范圍的應(yīng)用。
截至 2021 年 12 月，我國累計推廣氫燃料電池汽車 8941 輛，累計建成加氫站 205 座，其中，廣東、山東、浙江、江蘇等地區(qū)加氫站建設(shè)走在全國前列，已分別建成加氫站 45 座、22 座、19 座和 19 座。湖北、河南、河北等地也在加快推進(jìn)加氫站建設(shè)。
為了促進(jìn)氫能源汽車的快速發(fā)展，多地在與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施方面都提出了要求和支持措施，以北京市為例， 2022 年北京市政府發(fā)布了《北京市氫燃料電池汽車車用加氫站發(fā)展規(guī)劃(2021—2025 年)》，提出到 2025 年，建設(shè)加氫站 74 座，在制氫廠氫氣制備規(guī)模充分、運氫車投運數(shù)量充足的前提下，日加氫總能力達(dá)到 148 噸以上，滿 足 126 噸/日的車用氫能需求。
03 我國氫能產(chǎn)業(yè)未來展望
總體來看，我國氫能產(chǎn)業(yè)從制氫-儲運-應(yīng)用，已經(jīng)初步形成較完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。受頂層設(shè)計、政策利好驅(qū)動，氫能產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步發(fā)展。
預(yù)計未來 10 年內(nèi)將形成完整氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。
制氫方面，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，優(yōu)化我國能源消費結(jié)構(gòu)，《規(guī)劃》中提出未來要構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫。由此可見，通過可再生能源發(fā)電電解水制取的綠氫，一定是我國未來的主流制氫方式。
綠氫的生產(chǎn)成本主要由用電成本與設(shè)備成本構(gòu)成，因此大力發(fā)展清潔能源發(fā)電方式，降低度電價格，以及優(yōu)化電解槽技術(shù)，是我國實現(xiàn)規(guī)模化、工業(yè)化制氫的關(guān)鍵。
目前，國家能源集團(tuán)、國家電投、明陽智能(15.190, 0.28, 1.88%)等多家發(fā)電企業(yè)與新能源企業(yè)布局“風(fēng)、光、儲、氫”一體化項目，實現(xiàn)一體耦合、風(fēng)光帶氫、氫促風(fēng)光、產(chǎn)融結(jié)合的深度協(xié)同。綠氫取代灰氫，將成為我國以及全球氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。
儲運方面，預(yù)計未來，我國氫的運輸還是以高壓氣態(tài)長管拖車的方式為主，管道運輸為輔的運輸方式，同時積極研發(fā)固態(tài)、深冷高壓、有機液體等儲運方式，形成高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運體系。
用氫方面，我國推廣氫燃料汽車之路仍任重道遠(yuǎn)、前路艱辛，但氫燃料汽車遠(yuǎn)景美好未來可期是毋容置疑的。相信未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，氫能源汽車面臨的技術(shù)瓶頸將會得到解決，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的完善，成本也會逐漸降低，氫能源汽車或有一天走進(jìn)尋常百姓的生活。
相信氫能最終將納入我國終端能源體系，與電力協(xié)同互補，共同成為我國終端能源體系的消費主體，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
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