氫能被國(guó)際社會(huì)譽(yù)為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，氫能科技?chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)得到各國(guó)青睞。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將氫能上升為國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，2022 年 3 月 23 日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035 年)》，部署了推動(dòng)氫 能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各階段目標(biāo)。
氫能低碳環(huán)保，燃燒的產(chǎn)物只有水，是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。另外，氫能在我國(guó)能源安全中也將扮演重要角色，可減少我國(guó)對(duì)于石油、天然氣的進(jìn)口依賴(lài)，將能源安全的主動(dòng)權(quán)掌握在自己手中。同時(shí)，氫能也是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈分別為上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)以及下游用氫。上游制氫工藝目前大部分還是通過(guò)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(guò)電解水制取的“綠氫”將是未來(lái)主流的工藝方式。氫的儲(chǔ)運(yùn)根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，形成以長(zhǎng)管拖車(chē)為主，液氫槽罐車(chē)、管道運(yùn)輸為輔的多元化運(yùn)輸體系。下游最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是氫能源汽車(chē)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(jì)、政策利好驅(qū)動(dòng)，氫能產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步發(fā)展。預(yù)計(jì)未來(lái) 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(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。氫能最終將納入我國(guó)終端能源體系，對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
氫能被國(guó)際社會(huì)譽(yù)為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，氫能科技?chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)得到各國(guó)青睞。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將氫能上升為國(guó)家戰(zhàn)略，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)和制高點(diǎn)。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，2022 年 3 月 23 日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021- 2035 年)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《規(guī)劃》”)，部署了推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各階段目標(biāo)。
一、氫能技術(shù)的特點(diǎn)與戰(zhàn)略定位
氫能是一種來(lái)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(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，在實(shí)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(shí)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(guó)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(jì)下降 0.9%，但也處于超過(guò) 100 億噸的高排放水平，高于位列二、三、四位國(guó)家碳排放量的總和。“雙碳” 目標(biāo)的提出，意味著我國(guó)進(jìn)入了高質(zhì)量綠色發(fā)展的新階段，但我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)還較為依賴(lài)化石能源，原煤在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比依然超過(guò) 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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，如果沒(méi)有核心技術(shù)的創(chuàng)新，這個(gè)目標(biāo)將難以實(shí)現(xiàn)。在我國(guó)當(dāng)今的工業(yè)體系、生產(chǎn)模式下，通過(guò)“拉閘限電”等模式來(lái)減排是不現(xiàn)實(shí)的。
氫能或?qū)⒊袚?dān)這一歷史使命，氫能可以幫助人類(lèi)脫碳、固碳，甚至實(shí)現(xiàn)負(fù)碳。對(duì)于終端用能來(lái)說(shuō)，可以把氫作為主要能源，是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，通過(guò)氫電互補(bǔ)體系實(shí)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(shí)現(xiàn)減排甚至“零排”，對(duì)于促進(jìn)實(shí)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(lái)在我國(guó)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(duì)較高。首先氫氣本身無(wú)毒無(wú)味，也不具有放射性，吸入少量氫，對(duì)人體沒(méi)有任何危害，甚至對(duì)人體有益。其次氫氣相對(duì)也不易爆炸，氫氣在開(kāi)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(duì)較為安全。
我國(guó)因受“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦限制，高度依賴(lài)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(jí)，在地緣政治與能源供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)驟增的背景下，能源安全的重要性被提到了一個(gè)新的高度，因此，必須抓緊推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，減少對(duì)外部能源以及傳統(tǒng)能源的依賴(lài)，“先立后破”，將能源安全的主 動(dòng)權(quán)掌握在自己手中，才能夠在動(dòng)蕩的國(guó)際形勢(shì)下獨(dú)善其身，確保國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行，未來(lái)，氫能或?qū)⑹菄?guó)家能源體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(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向
理論上來(lái)說(shuō)，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(diǎn)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(dòng)力循環(huán)方案適用，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)方案的優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)。但液氫的形成要求-253℃的低溫，這對(duì)制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)要求極其嚴(yán)苛。液氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸一直是制約氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。之前，國(guó)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(lái)，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)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(jí)壯大，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈良性循環(huán)和創(chuàng)新發(fā)展。
二、我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀
(一)氫能產(chǎn)業(yè)鏈概況
我國(guó)目前是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約 3300 萬(wàn)噸，其中，達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約 1200 萬(wàn)噸。另外，我國(guó)可再生能源裝機(jī)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(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢(shì)，已初步掌握氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、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(chē)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(guò) 300 家，集中分布在長(zhǎng)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(chǔ)運(yùn)商以及下游用氫企業(yè)，包括加氫站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)商，氫能源汽車(chē)是目前我國(guó)氫能應(yīng)用最主要的領(lǐng)域，或也是未來(lái)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?chē)?guó)際(中國(guó)·南海)主題峰會(huì)在線上舉行。在會(huì)上發(fā)布了 2022 全球氫能企業(yè) TOP100 榜單，評(píng)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(píng)選出國(guó)外50家氫能、國(guó)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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(guò)燃燒或重整等方式制取的氫氣，灰氫制取成本相對(duì)較低，但在整個(gè)工藝流程中碳排放量較高，不利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。藍(lán)氫是指在生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中的碳排放量。綠氫則是通過(guò)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(jiǎn)單，工藝流程也較為穩(wěn)定，在生產(chǎn)過(guò)程中幾乎沒(méi)有碳排放，但是缺點(diǎn)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(guò)程，具有工藝簡(jiǎn)單、成熟等優(yōu)點(diǎn)，但我國(guó)因資源稟賦的特點(diǎn)，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(guó)和全球其他國(guó) 家占比都不到 1%。
(三)儲(chǔ)運(yùn)：長(zhǎng)管拖車(chē)為主，液氫槽罐車(chē)、管道運(yùn)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(chǔ)存主要也分為三種方式，分別為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。氣態(tài)儲(chǔ)存是目前最為常見(jiàn)的儲(chǔ)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(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯，氣態(tài)氫密度低， 會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存體積過(guò)大，增加運(yùn)輸難度，并且也存在儲(chǔ)氫容器氫氣泄漏和爆炸等安全隱患。液氫相比對(duì)氣態(tài)氫氣，具有能量密度大、體積小、加注便捷等優(yōu)點(diǎn)，然而轉(zhuǎn)化液氫的成本較高，對(duì)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(lái)說(shuō)是最為理想，具有安全性好、密度更大、純度高、運(yùn)輸便利等優(yōu)點(diǎn)，但是目前還存于技術(shù)的研發(fā)階段，并且使用起來(lái)對(duì)于工況的要求較為苛刻，未來(lái)隨著科技與技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)有更多商業(yè)化的應(yīng)用。
運(yùn)輸方面，最佳的氫運(yùn)輸方式應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸距離、運(yùn)輸規(guī)模等多因素進(jìn)行考量而后進(jìn)行選擇。例如運(yùn)輸場(chǎng)景為小規(guī)模、短距離時(shí)，高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車(chē)就是最為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，一旦運(yùn)輸距離上升，就會(huì)隨著車(chē)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(zhǎng)距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、超大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸可使用管道運(yùn)輸，但運(yùn)輸管道前期投入成本 較高，且建設(shè)難度大，目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；陌l(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)前，我國(guó)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(zhǎng)江三角洲等區(qū)域，已建項(xiàng)目以化工園區(qū)內(nèi)應(yīng)用為主。大規(guī)模、中長(zhǎng)距離的運(yùn)輸可將氫氣液化后運(yùn)輸液氫，液氫體積小、穩(wěn)定性高，便于運(yùn)輸，并且可以進(jìn)行海運(yùn)。
(四)下游：氫能源汽車(chē)發(fā)展未來(lái)可期
目前我國(guó)氫能應(yīng)用最主要的領(lǐng)域是氫能源汽車(chē)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(chē)，氫能源車(chē)可實(shí)現(xiàn)真正的零排放無(wú)污染，相比于電動(dòng)汽車(chē)，氫能源車(chē)在補(bǔ)能時(shí)間上有巨大的優(yōu)勢(shì)，一次補(bǔ)充燃料僅需要幾分鐘，與燃油車(chē)所需時(shí)間持平。并且，氫能源汽車(chē)還具有能量轉(zhuǎn)換效率高、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。然而，因目前氫能源汽車(chē)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(lái)并不方便，導(dǎo)致購(gòu)買(mǎi)意愿不強(qiáng)烈，氫能源汽車(chē)在我國(guó)還沒(méi)有得到大范圍的應(yīng)用。截至 2021 年 12 月，我國(guó)累計(jì)推廣氫燃料電池汽車(chē) 8941 輛，累計(jì)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(guó)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(chē)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(chē)車(chē)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(yùn)氫車(chē)投運(yùn)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(chē)用氫能需求。
三、我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)未來(lái)展望
總體來(lái)看，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)從制氫-儲(chǔ)運(yùn)-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(jì)、政策利好驅(qū)動(dòng)，氫能產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步發(fā)展。預(yù)計(jì)未來(lái) 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(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。
制氫方面，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，優(yōu)化我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，《規(guī)劃》中提出未來(lái)要構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點(diǎn)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(jiàn)，通過(guò)可再生能源發(fā)電電解水制取的綠氫，一定是我國(guó)未來(lái)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(jià)格，以及優(yōu)化電解槽技術(shù)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、工業(yè)化制氫的關(guān)鍵。目前，國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投、明陽(yáng)智能等多家發(fā)電企業(yè)與新能源企業(yè)布局“風(fēng)、光、儲(chǔ)、氫”一體化項(xiàng)目，實(shí)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(guó)以及全球氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
儲(chǔ)運(yùn)方面，預(yù)計(jì)未來(lái)，我國(guó)氫的運(yùn)輸還是以高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車(chē)的方式為主，管道運(yùn)輸為輔的運(yùn)輸方式，同時(shí)積極研發(fā)固態(tài)、深冷高壓、有機(jī)液體等儲(chǔ)運(yùn)方式，形成高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲(chǔ)運(yùn)體系。
用氫方面，我國(guó)推廣氫燃料汽車(chē)之路仍任重道遠(yuǎn)、前路艱辛，但氫燃料汽車(chē)遠(yuǎn)景美好未來(lái)可期是毋容置疑的。相信未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，氫能源汽車(chē)面臨的技術(shù)瓶頸將會(huì)得到解決，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的完善，成本也會(huì)逐漸降低，氫能源汽車(chē)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(guó)終端能源體系，與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為我國(guó)終端能源體系的消費(fèi)主體，對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
評(píng)論