氢能产业发展现状分析

氢能专家：王博士，长期从事氢能与燃料电池以及能源新技术战略规划的研究工作

北京冬奥会：“飞扬”火炬采用氢燃料，包括高压储氢容器、大减压比供氢系统以及氢燃烧装置；绿色氢交通服务，制氢、加氢站、燃料电池车、燃料电池无人机等。

1、氢能发展背景
碳中和政策给氢能设置了时间点，加速了氢能的发展，2060年前氢能肯定是要有重大突破。氢能有3大优势：发展氢能有利于实现大规模可再生能源的高比例消纳；有利于实现终端难减排领域的碳中和；有利于早日实现能源独立。氢能规划将成为双碳“1+N”政策体系中的一个，且发布速度较快；氢能将成为碳中和能源体系中的重要组成部分，将气、电、热等网络有机联系起来，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系；国际氢能委员会估计到2050年全球终端能源的18%由氢能承担，2060年氢在我国终端能源体系中的占比至少20%，市场规模提升8-10倍。

2、全球氢能应用现状
总体情况：全球氢气产量7000万吨/年，天然气制氢占比48%、石油制氢30%、煤制氢18%、电解水制氢4%，主要应用于化工冶炼、合成氨等领域，逐步拓展到交通、分布式供能、家用热电联产、天然气部分替代、氢冶金等领域。

3、国内外氢能政策
各国发展氢能的诉求：美国是电力供应，欧洲是深度脱碳，日本和韩国是能源安全。2020年底全球16个国家制定了国家氢能战略，还有11个国家正在制定。
美国：分布式供能：利用天然气重整制取氢气，通过燃料电池发电
德国：利用可再生能源电解水制氢，将氢气掺入到天然气管道中
日本：燃料电池车和加氢站（目前燃料电池车近3000辆，加氢站有100多座）；家用热电联产ENE-FARM（2018年累计装机超过30万台）
中国氢能：氢气产能4100万吨/年，产量3342万吨，来源与全球结构不同，煤制氢占比约63%，副产氢约22%，天然气制氢约14%，电解水制氢约1.5%。我国多数氢气用于合成甲醇、合成氨和石油炼化，少量作为工业燃料使用；交通、发电、建筑等领域的消费量目前较小，需求逐步增加。商用车中重卡是当前应用热点，燃料电池车产业链已经形成，1/3央企布局氢能产业；2021年底加氢站运营和在建超200座；发电热电联产在广州大学城（300kw）和辽宁大连营口三证公司也有示范（2MW）。
国内氢能政策：国家高度重视氢能产业的健康快速发展。国家发改委、能源局、工信部、科技部、财政部等多个部委从产业结构和产业技术出台了多项国家政策，支持氢能产业的健康快速发展
2006年-2014年，氢能技术推广阶段；
2014年-2019年，氢能技术产业化阶段
2019年首次写入《政府工作报告》；2020年写入《能源法》，明确了氢气的能源属性；国家发改委制氢氢能规划
燃料电池汽车示范城市群：2020年9月，财政部等五部门发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，将采取“以奖代补”方式，对符合条件的城市群开展关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励。重点是对核心技术的研发突破，对零部件厂商进行直接补贴和支持，依托城市群的完整产业链。奖励规模合计大概17亿元，其中制氢2亿元、燃料电池车推广15亿元；补贴力度比较高，补贴细则比较多。关键点：①需求和攻击互补：加氢站选址布局是关键；②产业链完整性：关键核心零部件生产企业（膜、碳纸、催化剂等）。

国内氢气发展展望：到2030年，氢能源需求3715万吨，终端消费占比5%。到2060年，氢能源需求1.3亿吨左右，终端消费占比20%；工业领域用氢占比仍然最大，约7,794万吨，占氢总需求量60%；交通运输领域用氢4,051万吨，建筑领域用氢585万吨，发电与电网平衡用氢600万吨。未来可再生能源制取绿氢市场规模会提升比较大。
制约因素：氢气和天然气属于危险化学品，爆炸极限比较宽泛，氢气安全是重中之重。氢气生产需要许可证（《危险化学品安全生产许可证》、《危险化学品经营许可证》、《工业产品生产许可证》、《气瓶充装许可证》）。氢气生产属于《国民经济行业分类》中的“2619其他基础化学原料制造”，要求进入化工园区，建议：推动氢能向能源品管理，发展制氢母站。

4、氢能产业链分析
制氢：当前煤制氢为主，但不可持续且减排成本高，适合大规模制氢；电解水制氢发展潜力大，但是电价成为制约其应用的最大障碍。
运氢：国内以长管拖车为主，经济距离在200公里以内，8-10元/百公里，需要解决长距离运氢难题，液氢和管道输氢很有前景。国外2/3氢气是液氢运输；管道输氢可以借助天然气管道掺氢，百公里千克输氢成本在1元以下；国内年消费3000亿方天然气中掺混部分氢气可以笑纳大概300多万吨绿氢。截至2020年，全球共有40多个示范工程，每年有2900吨氢气掺入天然气管网，掺氢比例最高可达20%。欧洲35%在营或在建的可再生能源制氢项目用于天然气掺氢。
储氢：高压储氢为主；逐渐向液氢储存发展，是大规模氢能应用的方向。车载储氢瓶方面，国内是35MPa三型瓶为主，逐渐向70Mpa四型瓶过渡。
应用：氢能冶金、合成氨原材料、燃料电池车、家用热电联产等。

国内氢能仍有技术上的难点。国家科技部也设立了氢能独立研发专项，逐步攻克各个难点。

5、Q&A
Q：氢能产业发展的主要瓶颈在哪里？
A：制氢和燃料电池应用、化工行业的应用等都有很多企业在突破，大规模的应用推广上的关键瓶颈还是在储运。推广液氢和输氢管道，实现氢气的大规模、长距离应用。2021年国家发布了3项液氢标准，国内头部企业在做。利用好已有的天然气管道掺氢来输氢，可以减低到成本1元/千克·百公里，可以掺氢比例20%。

Q：氢能应用场景方面，交通领域的燃料电池车和锂电车相比怎么看待？
A：氢车和电车是互补发展。电车是“先易后难”，对于基础设施要求比较低，前期投入较少，但电车普及后也会带来电网大规模改造的投资，经济性也会有一定折扣，后续需要考虑这样的问题。氢车是“先难后易”，丰田认为稀缺资源还是会成为产业发展的瓶颈，丰田把燃料电池车的专利都已经申请了，后来放开专利，让全球都在研发，也带动加氢站的发展，氢车现在发展很缓慢，但后续随着加氢站的完善，氢车发展速度会提升。
其次，氢车和电车需要因地制宜。比如氢气稀缺的地区发展氢能是强人所难，未来如果储氢和运氢成本降低后可以大规模普及，两三年前电堆价格20000元/kw，现在甚至有报价2000元/kw的。高寒地区也适合发展氢车。无人机领域也是燃料电池的续航力会更强，续航是之前的1.5-2倍。氢能有自己的优势，而至于乘用车领域，氢车也不会轻易放弃乘用车领域，最终还是是看消费者的偏好。

Q：电解水制氢中，电力-氢气-发电是否会造成效率的损失？
A：至于氢储能，从两个方面理解：1）关键不在于效率，油车效率也很低，但是经济性很好，如果是储存比较容易储存的电可以用电池等方式，如果是储存比较难储存的氢气，虽然电-水-电效率低，但是经济性还不错，也可以发展。2）如果储存下来的氢气用途是“热+电”而不是只用“电”，则效率会很高；燃料电池热电联产的综合效率可以达到65%-95%，综合能效是很高的。氢气是和灵活的，氢气的应用方式有很多种，电、热等。

Q：天然气管网掺氢的安全性如何，现有管道设备是否要更新？混入天然气再提纯氢气的技术和成本如何？掺氢氢直接做为燃料比直接燃烧天然气有什么好处？
掺氢比例在10%以内时的管道安全管理和安全措施基本和天然气是一致的，燃气具的适用性也是可以的；掺氢比例达到40%以上时需要做重点安全问题关注；国家还需要相关标准的完善；从国家科技部立项和应用示范来看，标准的问题会得到解决。氢脆问题，只有在高压（ 7Mpa以上）、高比例氢气容易发生，在使用低强度钢和低压强时氢脆不容易发生，而且现在很多管网开始使用塑料管网。
小规模的分离提纯技术是比较成熟的，在氢气掺混比例太低的情况下不建议使用分离提纯技术；掺混和提纯的成本1元/kg·百公里。
掺氢10%可以降低3%-4%的二氧化碳，掺氢20%可以降低8%的二氧化碳；也可以降低Nox的排放。
在天然气大规模普及之前使用的人工煤气中含有20%-50%的氢气，掺氢的使用不是新鲜事。天然气管网掺氢10%可以消纳300万吨绿氢。

Q：我们看到在新疆库车等地正在建设很大的光伏+电解碱水制绿氢的产能。请问电解碱水制氢的灵活性是否真正适合波动的光伏？
碱性电解水制氢的灵活性现在还是比较难满足光伏的波动性，宝丰能源等还是以来电网做支撑。未来还是有技术提升的空间的，清华大学等科研机构和高校都在研发，国家科技部也对电解水制氢技术做了专门立项，以前的应用场景中压根没有对灵活性的要求。技术改进方案：对隔膜的孔隙率和穿透率做提升，在更低的负荷下运转；对辅机做优化。另外，灵活性的电解槽也是可以和PEM电解槽做结合，或者和其他储能方式做结合。