氫能發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景岫近期，氫能作為推動全球能源轉(zhuǎn)型的一種可行技術路線，逐漸成為世界能源領域的熱點話題，從歐美政府到國際能源署等重要國際組織，都對氫能經(jīng)濟寄予厚望。我國也在今年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃的主要任務中，首次提出要制定國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。全球氫能產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展前期，預計隨著技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來10~20年全球氫能產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的重大機遇期。一,氫能概述氫氣有兩個屬性。一是化學屬性，氫氣作為化工原料得到廣泛應用，如用于合成氨、合成甲醇、煉油、煤炭深加工等，目前全球91%、我國95%的氫氣用做工業(yè)原料。二是能源屬性，氫氣具有熱值高（單位質(zhì)量的熱值約為煤炭的4倍、汽油的3.1倍、天然氣的2.6倍）、終端利用無污染、便于大規(guī)模儲存、可與多種能源便捷轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，被國際能源署譽為〃未來能源架構的核心〃，可應用于動力、電力、家庭用能等多個領域。隨著化石能源資源緊缺、氣候變暖等問題加劇，以及氫能產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)技術的日漸成熟，氫能利用將越來越廣泛。二、氫能發(fā)展現(xiàn)狀（一）制氧制氫環(huán)節(jié)主要包括電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、生物質(zhì)制氫、光解制氫、熱化學制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等方式。電解水制氫是未來重要發(fā)展方向。電解水制氫具有制取過程無污染物和溫室氣體排放、氫氣純度高等優(yōu)勢。從制取成本看，化石能源制氫約10元/kg，工業(yè)副產(chǎn)氫約21元/kg，電解水制氫約30元/kg。受成本因素影響，目前全球約96%的氫氣來源于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，僅有約4%的氫氣來源于電解水。2018年，中國年氫氣產(chǎn)量約2100萬噸，占全球總產(chǎn)量的比例超過30%，是世界第一大氫氣生產(chǎn)國，其中電解水制氫僅占約5%。隨著可再生能源規(guī)?；l(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)建設日趨完善，電解水制氫已逐步成為各國能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。電價是制約電制氫發(fā)展的關鍵。目前電價占電制氫總成本比重約為85%,按電制氫電價約0.4?0.6元/kWh計算，我國電制氫成本約30?40元/kg。當電價降低到0.1元/kWh時，電制氫成本可下降至10元/kg,與化石能源制氫價格相當。目前各地發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，其中氫氣主要來源于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫。（二）儲氫根據(jù)狀態(tài)，儲氫可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫是我國目前應用最廣泛的氫氣存儲形式，其中35MPa儲氫瓶已批量化應用，70MPa儲氫瓶也步入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。低溫液態(tài)儲氫被認為是前景較好的氫氣大規(guī)模存儲發(fā)展方向之一，但目前我國液氫僅用于航天和軍事領域，與國外70%左右氫氣采用液氫運輸相比差距較大，且成本是美國等技術壟斷國的20倍以上。2(三)運氧運氫主要方式包括氣氫拖車、液氫槽車、管道運輸。目前國外以液氫槽車和管道運輸為主，國內(nèi)絕大部分采用氣氫拖車運輸并建有少量氫氣管道。國內(nèi)氣氫拖車運輸發(fā)展非常成熟，設計制造技術已達到國際先進水平;液氫槽車運輸在我國僅應用于航天領域，尚不允許民用領域開展液氫公路運輸，但長期來看液氫槽車將取代氣氫拖車成為主要運氫方式;管道運輸仍處于試點示范階段，我國氫氣管道里程僅約400km，占比不到全球總規(guī)模的8%，最具代表性的大口徑氫氣管道有濟源-洛陽(25km)、巴陵-長嶺(43km)等。受運輸技術及成本限制短期內(nèi)氫能消納以就近消納為主，難以實現(xiàn)遠距離運輸消納。㈣用氧目前我國生產(chǎn)的氫氣95%作為化工行業(yè)的原材料應用于傳統(tǒng)工業(yè)領域，其余5%用于以氫燃料電池為核心的能源網(wǎng)絡。其中，氫能主要有動力、電力、家庭三個應用方向。.動力領域應用現(xiàn)狀動力方面，氫氣可用于汽車、飛機、輪船、火箭等領域，其中目前最主要、前景最廣闊的應用場景是氫燃料電池車。氫能汽車包括氫燃料內(nèi)燃機車、氫燃料電池車兩種。氫燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率可達60%?80%，而氫燃料內(nèi)燃機車能量轉(zhuǎn)化效率僅30%左右，所以業(yè)界將氫燃料電池車作為氫能汽車主要發(fā)展方向。相比于純電動汽車，氫燃料電池汽車具有續(xù)航里程長、燃料加注快(3到5分鐘)、低溫性能好、回收無污染等優(yōu)勢，在遠距離、載重大、點對點的商用車領域具有良好的應用前景。目前氫燃料電池3汽車成本明顯高于燃油和純電動車型，燃油車百公里油費約為50元，純電動汽車百公里電費約為6元（家用充電）?15元（商用充電），氫燃料電池車燃料費用約100元（百公里耗氫量為1.5kg，氫氣價格70元/kg）。在氫氣加注方面，我國具備設計建造35MPa加氫站的能力，而國際主流的70MPa加氫站及其關鍵設備領域在國內(nèi)仍處于示范驗證階段。截至2019年底，累計在運加氫站共52座，在建/擬建加氫站72座，到2030年將建成1000座加氫站。目前，加氫站氫氣加注成本對政府補貼依賴較大。.電力領域應用現(xiàn)狀與其他儲能技術相比，氫儲能主要優(yōu)勢是環(huán)保性能好，但其投資成本遠超抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能，且響應速度慢、效率低，如果制氫電價為0.1元/kWh,則氫儲能能源成本將下降到0.5元/kWh左右，低于電化學儲能能源成本。.”領域應用現(xiàn)狀主要用途是家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該方面外國企業(yè)技術優(yōu)勢明顯，國內(nèi)企業(yè)技術水平尚不具備商業(yè)化條件。.國內(nèi)氫燃料電池現(xiàn)狀氫能應用的核心技術和產(chǎn)品是氫燃料電池。國內(nèi)氫燃料電池與國際先進水平還存在一定差距主要表現(xiàn)為使用壽命較短車用氫燃料電池壽命一般為2000?3000小時，國際領先水平可達到5000小時，另外氫燃料電池關鍵零部件質(zhì)子交換膜目前僅有美國、日本、德國等發(fā)達國家具備商業(yè)化供應能力，催化劑等核心材料也主要依賴進口。三、初步認識一是氫氣能量密度高，環(huán)保性能好，是能源低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。近年來，全球氣候變化和化石能源枯竭問題日益突出，作為一種綠色高效的二次能源，氫能具有熱值高、無污染、可儲存、與可再生能源便捷轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，在交通、工業(yè)、建筑等領域具有廣闊的應用前景，有望在終端能源消費領域替代石油、天然氣等化石能源，有利于保障國家能源安全。二是國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)取得了一些突破，但仍有大量關鍵技術、零部件依賴國外。在全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速背景下，國內(nèi)企業(yè)持續(xù)進行自主研發(fā)，但與國際先進水平仍存在明顯差距，制氫及氫燃料電池中的催化劑和質(zhì)子交換膜、儲氫環(huán)節(jié)的液氫加工技術、運氫環(huán)節(jié)的長距離輸送技術和用氫環(huán)節(jié)的加氫站內(nèi)關鍵材料制備技術都掌握在加、美、日、韓、德、法等國家手中，進口依賴高，議價能力差，制約我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。止矽卜，我國加氫站等基礎設施總量不足以支撐氫燃料電池汽車大規(guī)模使用，技術和基礎設施的雙重掣肘導致氫能全產(chǎn)業(yè)鏈成本高。三是全球范圍內(nèi)正掀起氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱潮，將極大推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在全球加速能源低碳化轉(zhuǎn)型背景下，發(fā)達國家結合自身資源稟賦和產(chǎn)業(yè)技術現(xiàn)狀，逐步明確氫能源在國家能源體系中的定位，加速引導氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，全球?qū)⒂瓉怼淠苌鐣òl(fā)展熱潮。目前我國正處于氫能產(chǎn)業(yè)培育期，地方政府投資熱情高漲，但國家層面缺乏頂層設計，尚未明確氫能在國家能源戰(zhàn)略層面的重要定位，且部分補貼門檻高、落地困難，大量標準尚為空白或已經(jīng)過時，近期國家相關部委正在組織制定氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和氫燃料電池車發(fā)展指導意見，將有效推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。四是國內(nèi)傳統(tǒng)石化能源企業(yè)紛紛布局氫能業(yè)務。目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)處在培育期，預計2021年將進入快速發(fā)展期。在具體路線圖和詳細專項規(guī)劃尚未出臺的情況下，國家能源集團、中石油、中石化、國電投等大型傳統(tǒng)化石能源企業(yè)從加強新能源發(fā)電消納、工業(yè)副產(chǎn)氫價值利用等角度出發(fā)，超前謀劃、搶抓市場機遇，紛紛布局氫氣管道、加氫站、油氫電綜合智慧能源站等業(yè)務，氫能產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)群雄逐鹿態(tài)勢。五是氫能尚不具備應用于儲能領域的條件。目前氫儲能系統(tǒng)效率僅為電化學儲能的50%左右、抽水蓄能的60%左右。未來隨著單項技術的突破和研發(fā)體系的構建、配套基礎設施的加速建設，技術國產(chǎn)化和量產(chǎn)化程度將不斷提高，氫儲能系統(tǒng)效率有望提升，但超過電化學儲能和抽水蓄能系統(tǒng)效率的難度較大。?氫能發(fā)展?jié)摿υ佾@國際關注?20世紀70年代以來，受石油價格沖擊，各國開始關注氫能研發(fā)與應用。21世紀初以來，受全球氣候變化和環(huán)境問題影響，節(jié)能減排和能源清潔化步伐加快，氫能在能源轉(zhuǎn)型中的潛力再次獲得人們關注。氫能是理想的清潔二次能源，用可再生能源制氫，用儲氫材料儲氫，用氫燃料電池發(fā)電，將構成〃凈零排放〃可持續(xù)利用的氫能系統(tǒng)，成為可再生能源之外實現(xiàn)〃深度脫碳〃的重要路徑。氫能發(fā)展?jié)摿υ絹碓奖粐H認可，歐美日韓等地區(qū)和國家積極制定支持氫能投資政策。截至目前，占世界GDP70%的18個國家制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，全球直接支持氫能源部署的政策總計約50項。美國自2010年以來，每年對氫能和燃料電池的資助達1億~2.8億美元。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織于2019年2月發(fā)布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》研究報告，提出了歐盟面向2030年、2050年的氫能發(fā)展路線圖;歐盟委員會于2020年3月10日宣布成立〃清潔氫能聯(lián)盟〃舊本將〃氫能社會〃納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，2014年以來先后制定《第四次能源基本計劃》《氫能基本戰(zhàn)略》《第五次能源基本計劃》《氫能與燃料電池路線圖》，計劃到2025年，燃料電池汽車數(shù)量達到20萬輛，到2030年達到80萬輛，燃料補給網(wǎng)絡包括900個加氫站，是目前的9倍左右。歐美日韓等地區(qū)和國家在積極推動氫能發(fā)展的同時，相互之間的合作意愿強烈，在2019年G20（大阪）峰會召開期間，美日歐三方簽署《關于未來氫能和燃料電池技術合作的聯(lián)合聲明》，致力于未來氫能及燃料電池技術全面合作，引導能源體系向氫能過渡。近日，加拿大正在制定國家氫能戰(zhàn)略，以加速推進能源產(chǎn)業(yè)清潔轉(zhuǎn)型;而德國則聯(lián)合法國、荷蘭、奧地利、比利時與盧森堡等國，呼吁歐盟盡快就氫能源技術進行立法并增加資金支持。雖然氫能在能源轉(zhuǎn)型中的潛力再受關注，但全球制氫的最主要原料是化石能源。目前，全球氫氣年產(chǎn)量約為7000萬噸，其中76%以天然氣為原料，剩余部分（23%）幾乎都以煤炭為原料，電解法制氫僅占1%。每年氫氣生產(chǎn)共消耗天然氣約2050億立方米（占全球天然氣總消耗量6%）煤炭1.07億噸（占全球煤炭總消耗量的2%）。盡管化石能源制氫技術相對成熟，但存在碳排放問題，加裝碳捕捉與封存裝置（CCS）是緩解碳排放的一個措施。隨著近年來可再生能源發(fā)電成本快速下降，直接利用可再生電力電解水制氫成為關注焦點。當前，越來越多的國家和機構投入到大型可再生能源制氫的研究與項目開發(fā)中。近日，由歐洲氫能組織、沙漠計劃、非洲氫能伙伴計劃、烏克蘭氫能委員會等機構聯(lián)合發(fā)布的《綠色制氫：歐洲2x4000萬千瓦倡議》提出，在北非和歐洲地區(qū)分別建設4000萬千瓦清潔光伏/風電電解制氫設備和互聯(lián)互通管道設施，并預計到2025年制氫成本可降至1.62~2.16美元/千克。全球正在推進中的可再生能源制氫項目規(guī)模迅速擴大從2019年10月份的320萬千瓦提高到2020年3月底的820萬千瓦，近期新增在建項目的單個容量都在10萬千瓦及以上，主要分布在澳大利亞、法國、德國、葡萄牙、英國、美國、荷蘭、巴拉圭。?面臨五大挑戰(zhàn)?近年來，氫能作為潛在新興能源，逐步進入中央和地方政府中長期規(guī)劃視野。在《中國制造2025》《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》《〃十三五〃國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等多個國家規(guī)劃中，明確提出將〃氫能與燃料電池〃作為戰(zhàn)略重點，《能源法(征求意見稿)》中首次將氫能列入能源范疇。2019年、2020年，氫能均寫入國務院政府工作報告。在地方政府層面，僅在2019年，山東等多個省市就出臺了70多條氫能和燃料電池汽車激勵政策。事實上，我國已經(jīng)是世界上最大的氫能生產(chǎn)國和消費國。全球投入運營的煤氣化廠達130座，其中80%位于我國。國家能源集團擁有煤氣化爐80座，年產(chǎn)氫氣總量達800萬噸，約占全球氫氣總產(chǎn)量的12%。2017年以來，我國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，截至2019年年底，在建和已建的加氫站有130多座，其中61座已經(jīng)建成，投入運營的加氫站有52座。目前，我國已形成京津冀、長三角、珠三角、華中、西北、西南、東北7個氫能產(chǎn)業(yè)集群，相關的產(chǎn)業(yè)配套和商業(yè)化應用體系也在逐漸探索和完善在示范運營區(qū)域運行的各類汽車近4000輛，燃料電池商用車產(chǎn)銷和商業(yè)示范應用的規(guī)模位居國際前列。盡管我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)具備一定基礎，但是要破解我國能源發(fā)展難題，發(fā)揮氫能在我國能源轉(zhuǎn)型中的巨大潛力，還有不少現(xiàn)實問題和挑戰(zhàn)亟待解決。第一是公眾認知問題。氫氣的化學性質(zhì)活潑，長期以來，我國一直將氫氣作為?；愤M行管理，應用領域局限在化學品，未將氫能作為能源管理，公眾認知水平較低。事實上，各種實驗數(shù)據(jù)表明，氫氣的危險系數(shù)低于油氣。只要具備較強的技術支撐和安全運行管理能力才按照規(guī)范操作和使用，氫的安全性是可控的。第二是頂層設計問題。不論是從氫能的生產(chǎn)、儲運，還是技術要求等環(huán)節(jié)，目前國家對于氫能的支持僅出現(xiàn)于新能源發(fā)展等政策中，還沒有專門的氫能政策，尚未制定專門的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，也沒有出臺能夠提振市場預期的發(fā)展路線圖，上下游產(chǎn)業(yè)不協(xié)調(diào)問題較為突出，氫能產(chǎn)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展將受到嚴重制約。第三是技術裝備問題。燃料電池等氫能裝備關鍵零部件較多、系統(tǒng)較復雜，用材特殊、制作工藝繁瑣，但我國相關核心技術和設備自主化程度不足，核心零部件和關鍵材料尚依賴進口。氫由化學品轉(zhuǎn)為能源，在生產(chǎn)、儲運、終端設施以及應用領域產(chǎn)品開發(fā)等全產(chǎn)業(yè)鏈上都需要有創(chuàng)新型技術作為長期支撐和引領。第四是基礎設施問題。氫能基礎設施尤其是加氫站的建設布局，在很大程度上限制了氫能經(jīng)濟的規(guī)?；萍s了氫能汽車的市場發(fā)展。截至目前，我國加氫站僅有寥寥數(shù)十座，分布到有關省市更是屈指可數(shù)，加氫站建設主體眾多，缺乏國家統(tǒng)籌和政策配套措施。加氫站及相關基礎設施的布局能否快速啟動，其實又取決于氫成本的下降速度以及加氫站運營過程中政府的補貼力度。第五是發(fā)展成本問題。氫氣需要二次制取，運氫、儲氫、加氫各環(huán)節(jié)成本較高，引發(fā)人們對氫能經(jīng)濟性的質(zhì)疑?，F(xiàn)階段氫能成本高，是技術原因，更是應用規(guī)模有限所致，國際能源署、國際氫能委員會、彭博新能源財經(jīng)等機構的研究均表明，產(chǎn)業(yè)規(guī)?；墙档蜌淠艹杀镜年P鍵。當前，可再生能源制氫成本高達3?7.5美元/千克，但隨著可再生能源成本的下降和氫氣產(chǎn)量擴大，到2030年利用可再生能源制氫的成本可以在目前的基礎上下降30%。目前車用氫燃料電池的成本為230美元/千瓦，預計近期可以降到180美元/千瓦，遠期下降到50?75美元/千瓦，屆時高里程氫燃料電池汽車的經(jīng)濟性將超過電動汽車。?需多方協(xié)同發(fā)力?從世界范圍看，氫能發(fā)展已經(jīng)越來越受到各國政府、能源生產(chǎn)企業(yè)、裝備制造企業(yè)和研究機構的關注。國際氫能委員會預測，到2050年全球氫能占能源比重約為18%，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值將超過2.5萬億美元。全球氫能產(chǎn)業(yè)已處于快速發(fā)展前期，預計隨著技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來10~20年全球氫能產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的重大機遇期。我國是世界第一大能源生產(chǎn)國和消費國，能源生產(chǎn)和消費結構均以化石能源為主，應對氣候變化、保護生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力和挑戰(zhàn)，氫能巨大發(fā)展?jié)摿槠平馕覈茉窗l(fā)展難題提供了新的可能性。鑒于氫能技術要求高、產(chǎn)業(yè)鏈復雜、投資需求大，需要政府、企業(yè)和行業(yè)組織等多方協(xié)同發(fā)力，搶占未來氫能經(jīng)濟發(fā)展先機。