氢气在能源领域应用现状

林涛

上海市节能减排中心有限公司 上海 200001

氢元素位于元素周期表的第一位，在自然中分布很广。若按原子百分数计算，在地壳中氢原子所占比例高达17.0%。氢气（H2）由双氢原子组成的，无色无味无臭，极易燃烧的气体，是氢的单质形态。其在常温常压下为气态，密度仅为0.0899kg/m3。16世纪初，氢气才通过将金属置于强酸中的方法被人工生成。现已被广泛应用于医疗、工业生产及能源等多个领域。

每千克氢气燃烧后产生的热量为142.4MJ，约为汽油的3.0倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃烧产物为水。作为一种二次新能源，氢气具有资源蕴含丰富，来源多样，可储存，可再生，燃烧热值高，清洁无污染等特点，现已被世界多个国家视作战略性能源来发展，将在21世纪世界能源舞台上起到举足轻重的作用[1]。

1 国内氢气生产及制氢成本分析

1.1 国内氢气产量及来源

2009年，我国成为全球氢气产量最大的国家。至2016年，我国氢气产量达到2188.0万吨，占世界总产量的34.0%。其主要来源包括：煤气化制氢、天然气制氢、石油制氢、工业副产制氢及电解水制氢等，其中：煤气化制氢、天然气制氢、石油制氢、工业副产制氢产量占全国总产量的96.0%，电解水制氢产量仅占4.0%。

图1 2014-2016年我国氢气产量

图2 中国氢气产量结构图

1.2 制氢企业分布情况

从制氢企业分布来看，我国的制氢企业主要集中在北京市、山东省、江苏省、上海市、广东省等省和直辖市，其氢产量超过全国总量的60.0%；从地区分布和行业发展速度来看，呈现东部沿海制氢企业多、发展较快，内陆制氢企业少、发展缓慢的特点[2]。

1.3 主要工艺制氢成本分析

根据有关行业研究资料显示，我国煤气化制氢成本约为6.0至10.0元/kg（0.5元/m3至0.9元/Nm3）；天然气制氢成本约为13.0至23.0元/kg（1.2元/Nm3至2.1元/Nm3）；石油制氢成本约为18.0元/kg（1.6元/Nm3）；工业副产氢成本约为10.0元/kg至16.0元/kg（0.9元/Nm3至1.4元/Nm3）；电解水制氢成本约为19.0元/kg至38.9元/kg（1.7元/Nm3至3.5元/Nm3）。

图3 制氢成本分析

2 氢气在能源领域的应用

2.1 氢气的主要应用

经过几个世纪的发展，氢气现已在化工原料、医疗健康、能源等多个领域得到广泛地应用。目前，在能源领域，氢气用量仍较少。未来，氢燃料电池、可再生能源利用、化石能源清洁利用等方面的应用，将是氢气在能源领域规模化利用的主要途径。

表1 氢气在能源领域的主要用途

2.2 在燃料电池领域的应用

目前，我国燃料电池主要应用于燃料电池汽车、无人机、通信基站、分布式发电系统（微网发电系统）及备用电源（应急电源）等领域。根据不同的应用领域，功率从0.03kW至200.0kW，适应温度从-20.0℃至60.0℃的燃料电池，均有较成熟产品已投入市场[3]。

据有关资料统计，截至2015年底，我国氢燃料电池产业产值已超过200亿元。预计在未来3至5年内，行业年产值将超过2000亿元。从1998年至2017年9月，我国约有215家注册企业直接从事氢燃料电池相关业务，分布于27个省和直辖市，逐步形成了京津冀、华东、华南、华中等4个氢燃料电池产业集群。

近年来，国内外氢燃料电池的发展尤为迅速。本田、奔驰、现代及丰田等多家世界知名汽车，从2007年开始陆续推出了自有品牌的氢燃料电池汽车。2018年公告的燃料电池汽车车型有80款，以客车和专用车为主，年销量为1527辆，氢燃料电池汽车保有量已超过5000辆[4]。

表2 主要氢燃料电池系统企业及产品参数

加氢站是连接燃料电池汽车应用上下游的重要纽带。根据香橙会前瞻产业研究院及其他公开资料整理，截至2020年12月，我国已建成的氢气加注站共有118座，在建和拟建的加氢站数量达到为167座。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》（2019版）预测，到2035年，我国加氢站总数量将达到1000座及以上。从各省直辖市已建成加氢站的分布来看，广东省最多，其次是山东、上海、江苏和四川等省市。从加注能力来看，已建成加氢站加注压力大多为35.0Mpa，日加注量在200kg至2000kg之间不等，其中，日加注量在200kg至500kg之间的加氢站数量最多。

2.3 在可再生能源领域的应用

在可再生能源利用方面的应用，是氢气在能源领域规模化利用的有效途径和行业发展的主要动力。到2020年底，我国可再生能源发电总装机容量中，风力发电为2800GW，光伏发电为2500GW。风电、光电具有间歇性和不可预见性的特点，发电暂未被完全消纳，造成能源的大量浪费。通过电解制氢，将富余风电、光电转化为氢气并储存，可平稳风力电站和光伏电站负载，减小对电网的影响，并有效降低弃风弃光率。目前，采用氢储能技术消纳可再生能源的方式，已作为法国、英国、美国、挪威等世界上多个国家推动可再生能源发展的重要方式。2010年至2019年，我国江苏、安徽、山西、河北及吉林等多个省市分别建成了示范项目，利用风电、光电制取氢气[5]。

2.4 在化石能源清洁利用领域的应用

加氢是化石能源清洁利用的主要途径，主要包括掺氢天然气、油品质量提升和煤制油、气的加氢。

据资料显示，从2004年开始，美国以及德国、法国、荷兰等欧洲国家专门开展了天然气掺氢的相关研究和利用现有天然气管道输送氢气的试点工程。根据管材、配件、天然气成分和地理环境的不同，基于现有燃气管网，掺氢体积分数可达12%至20%。掺氢天然气可广泛用于交通、工业和居民生活。掺氢天然气的大规模应用，可带来显著的二氧化碳减排效益。

油品质量提升过程中的裂化和精制过程，煤制气的气化过程以及煤制油的液化过程，均需要消耗大量的氢气。以油品质量提升为例，在炼油过程中，一般氢气耗量约为原油质量的0.8%至1.4%。按2019年我国炼油产能86000万t计算，则氢气耗量约为688万t至1204万t。受日益严格的环保因素影响，炼油工艺的提升，大量煤制气、煤制油项目的陆续成功投产，氢气消耗量将持续增加，有望进一步推动氢气在能源领域的规模化应用。

3 结语

（1）目前，我国是全球氢气产量最大的国家。氢气的应用主要集中在化工原料、医疗健康、清洁能源及能源载体等多个领域。其中，氢气用作化工原料的耗量最大，用作能源的耗量比例仍较小。现有氢气产量中可用作能源的用量有待进一步理清。

（2）氢气作为一种清洁的二次新能源，同时满足资源环境和可持续发展的要求。随着人们对环境保护重视程度的不断加强，氢能在未来具有较好的发展前景。氢燃料电池、可再生能源利用、化石能源清洁利用等方面的应用，将是氢气在能源领域规模化利用的主要途径。

（3）氢气的制取、储运和应用技术依然是影响氢气在能源领域应用的关键因素。产业装备关键性能指标和生产成本与国外先进水平仍存在差距，部分关键部件仍然依赖进口。产业装备制造、标准、法规和政策等方面存在的瓶颈有待进一步突破[6]。

（4）在现有技术条件下，加氢成本较加注等能量水平下的汽柴油成本偏高。随着氢气的制取、储运和应用等技术的升级，产业装备的规模化生产以及供氢基础设施的不断完善，有助于氢气在能源领域的应用成本进一步降低，未来有望大规模进入市场。