氢能产业分析及发展对策

刘进亮

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出：要实现能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放总量持续减少，生态环境持续改善。2020 年中央经济工作会议也明确提出我国二氧化碳排放力争2030 年前达到峰值，力争2060 年前实现碳中和。大力发展可再生能源是减少碳排放的重要途径，氢能作为一种绿色、高效的二次能源，既可以通过再生能源制备，也可以通过传统能源制取，具有能量密度高、来源广泛、无污染、安全、高效、可持续等特点，被视为最具前景的能源之一，有望成为能源使用的终极形式。发展氢能产业市场前景广阔、生态意义重大，是新能源产业重要的发展方向，也是我国能源转型和产业布局的重要战略选择。大力发展氢能产业，将是实现十四五规划目标和二〇三五年远景目标，实现化石能源清洁化与清洁能源规模化，实现人类社会绿色能源可持续发展的重要路径。

1 氢能源产业概述

氢能系统是指氢的制备、储存、输配和应用系统的总称。相对应的氢经济是一种以氢的生产、运输、储存、转化、应用，以及相关标准规范等要素构成的经济结构。氢能源产业链可以分为上游氢气的制备，中游氢气的储运和下游氢能的应用三个方面。完整的氢能产业链主要包括制氢、储氢、运氢、加氢及氢燃料电池和氢能汽车等应用。

（1） 氢气的制备

氢气的制备是氢能产业链的最前端环节，当前主要技术方式有化石燃料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢、电解水制氢，以及新型制氢技术等。化石燃料制氢主要是通过煤炭、石油、天然气制取氢气，如煤炭在蒸汽条件下汽化可以产生含氢混合气体，再经过变换分离制氢；化工原料制氢指用甲醇、氨气等含氢化合物分解制氢，如甲醇水蒸气重整制氢工艺为甲醇与水蒸气重整制得氢气、一氧化碳、二氧化碳的合成气，再经过变换提纯获得氢气；工业尾气副产氢主要分布在钢铁、化工行业，主要是从氯碱工业副产气、煤化工焦炉煤气、合成氨产生的尾气，以及炼油厂副产尾气中提纯制氢，最常用的提纯技术是变压吸附；电解水制氢是对电解液通电进行水解，分解为氢气和氧气。

氢能的发展路线取决于能源结构和能源禀赋，不存在单一最优模式，需要因地制宜选择适应当地资源禀赋、经济发展水平等客观条件的制氢方法。如我国基础工业发达的各省市，用工业尾气副产氢相对广泛。因此，从短中期看，化工副产氢气使以往被浪费的副产氢气得到充分利用，最适合大规模推广，有可能成为燃料电池的主要供氢来源，从长远看，化工副产氢气主要附属于主产品生产，势必受产能等因素的制约，电解水制氢最为环保，在解决成本问题和实现技术突破后有望后来居上，成为长期供氢的主要来源。

（2） 氢气的储运

氢气在常温常压下为气态，密度仅为空气的十四分之一，是一种易燃、易爆的高能燃料，与空气混合能形成爆炸性混合物，很难高密度存储，所以储存是目前氢能开发的主要技术障碍之一。氢气的储存技术可以分为高压气态、液态、固体金属氢化物和有机物储氢等四类，其中高压气态一般将氢气压缩到一定高压，再装入钢瓶储存；液态是指氢气在低温下变为液体，再存储在绝热的低温容器中，液氢储运最大优点是储氢密度高，但成本较高，且存在蒸发损失；固体金属储氢是利用某些金属具备捕捉氢的能力，使其在一定的温度和压力下吸收氢气，使用时再将其加热分解释放氢气；有机物储氢利用苯和甲苯与氢发生化学反应，在使用时通过催化脱氢反应产氢。固体金属储氢和有机物储氢目前仍处于试验阶段，成熟度相对较低。

相对成熟的高压气态和液态储运技术目前已经得到了一定程度的运用。在高压气态运输方面，主要是通过钢瓶运输或者管道运输，其中钢瓶运输技术实现简单，成本较低，国内应用较多，但存在一定安全隐患。管道运输速度快、效率高，但由于初始投资较高，在国内应用较少，在美国及欧洲应用较多。在液态运输方面，一般采用低温槽罐车进行运输，液态氢体积能量密度高，运输效率大幅提升，但由于液态运输对保温要求极高，因而单位成本依然较高。

加氢站是连接上游氢气制备、储运及下游氢燃料电池用氢的重要枢纽，按照氢气输送方式和储存形态的不同，分为高压储氢加氢站和液氢加氢站。高压储氢加氢站是通过外部供氢或站内制氢获得氢气后，再通过高压储氢罐储存加注；液氢加氢站以液氢形式储存氢气再进行加注。目前全球约三分之一加氢站为液氢加氢站，主要分布在美、欧、日本等国，国内已建成加氢站大多为高压储氢加氢站。根据氢气来源不同，加氢站分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站，外供氢加氢站的氢气由外部运输至加氢站，再经由氢气压缩机增压后储存至站内的高压储罐中，站内制氢供氢加氢站利用站内制氢设备产生氢气。

（3） 氢能的应用

氢气可应用于包括交通运输、工业燃料、发电等领域，目前核心应用领域是燃料电池和燃料电池汽车。燃料电池产业则包含加氢基础设施建设、燃料电池制造及燃料电池车整车制造。氢燃料电池汽车由于具有排放无污染、续航里程长、使用便利等优势，被认为是新能源汽车发展的终极目标。电池和氢能汽车等任何一个细分环节都可以造就若干个千亿级规模的市场。

燃料电池系统由电堆及辅助系统构成，电堆是核心，包括质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板。目前，我国氢燃料电池系统的集成技术比较成熟，但距国际先进水平还有一定差距。燃料电池是氢能最具发展潜力的下游应用之一。近年来，全球燃料电池出货量保持快速增长，2020 年已超过1.3 GW，其中交通领域占据了最大的比例。氢燃料电池与锂电池相比，在续航里程、加注时间、低温适应性上具有一定优势，更适于长距离、大功率的商用车场景。与传统内燃机相比，氢燃料电池的能量转换效率超过50%，是传统内燃机的2～3 倍。从发展阶段来看，目前氢能尚属于行业早期阶段，只有随着氢燃料电池技术的进步，实现规模化生产后，氢气制取、储运成本显著下降，氢能产业的发展才能加速突破。燃料电池车相比传统汽车，具有无污染、“零排放”、无噪声、无传动部件的优势，相比电动车，具有续航里程长、充电时间短、起动快的优势，发展前景广阔。

2 国内外氢能发展现状

2.1 世界各国高度关注氢能产业

美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家，上世纪70 年代美国就提出“氢经济”概念，布什政府提出氢经济发展蓝图，奥巴马政府发布《全面能源战略》，特朗普政府将氢能和燃料电池作为美国优先能源战略,开展前沿技术研究。2018 年，美国宣布10 月8 日为美国国家氢能与燃料电池纪念日。美国政府对氢能和燃料电池给予持续支持，近十年的支持规模超过16 亿美元，并积极为氢能基础设施的建立和氢燃料的使用制定相关财政支持标准和减免法规。目前美国在液氢技术、规模、产量和价格方面均处于绝对优势。

日本也高度重视氢能产业的发展，提出“成为全球第一个实现氢能社会的国家”。由于日本国土面积狭小、人口稠密，出于能源结构调整和能源安全方面的考虑，日本的氢能发展速度全球最快。在过去的30 年里，日本政府先后投入数千亿日元用于氢能及燃料电池技术的研究和推广，并对加氢基础设施建设和终端应用进行补贴。目前，日本氢能和燃料电池技术拥有专利数全球第一，已实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广应用。日本丰田首款量产的燃料电池汽车“MIRAI”正式上市销售，目前已经在日本和美国与欧洲地区销售五千多辆。

欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障，欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》报告，明确提出欧洲在氢燃料电池车、氢能发电、家庭和建筑物用氢、工业制氢方面的具体目标。欧盟委员会已投入13.3 亿欧元支持氢燃料电池研发和示范项目建设，实施周期为2014～2024 年，示范项目将验证氢能作为欧洲未来能源及运输系统重要组成部分的可行性，对欧洲实现2050 年向低碳经济转型做出贡献。德国是欧盟国家中最早启动氢能产业化研究的国家，2016 年德国实现氢能商业化运营，2017 年德国启动加氢站大规模建设，氢能源汽车开始进入市场，预计到2023 年，德国将建成约400 座加氢站。

美日欧等国家和地区在积极推动自身氢能发展的同时，也积极推进相互合作，在2019 年G20（大阪） 峰会召开期间，美日欧三方签署《关于未来氢能和燃料电池技术合作的联合声明》，致力于未来氢能及燃料电池技术全面合作，引导能源体系向氢能过渡。近两年间，与以往主要来自美、日、欧等有限几个国家的关注不同，先后有20 余个国家发布了相关产业公告，既有发达国家、可再生能源利用较为普及的国家，也有发展中国家和以化石能源为主的国家，说明不同的国家均认可氢能在未来能源领域具有潜在的价值和广泛的应用。

2.2 国内氢能发展现状

中国具有较为完整的氢能制备产业基础，现在已经是世界最大的制氢国和消耗国，但应用仍以工业原料为主，氢作为能源消费的市场规模依然较小。根据国家能源局发布的数据，2019 年全国氢气产量估测为2 000～2 200 万t，预计2030 年中国氢气需求将达到3500 万t，2050 年将达到6 000万t，产业链年产值约12 万亿元。截止2020 年底，加氢站建成128 座，已经形成京津冀、长三角、珠三角、华中、西北、西南、东北7 个氢能产业集群，为我国开放利用新能源、加快迈入氢能经济时代创造了有利条件。

从氢能产业链上看，我国已经初步掌握氢能制备储运、加氢设施和燃料电池的主要技术和生产工艺，在部分地区实现了氢燃料电池汽车的小规模示范应用。从氢能结构上看，我国煤炭资源储量丰富，由于煤炭资源容易获取，原料成本相对较低，煤制氢技术成熟，可支持规模化生产等原因，煤制氢一直是我国主要制氢路径之一。从市场布局上看，我国氢能及氢燃料电池行业主要以民营企业和中小企业为主，中央企业和大型国有企业参与程度不高，而国外丰田汽车、法国液化空气等大型集团早已积极介入氢能领域。

近年来，我国政府高度重视氢能和燃料电池产业发展。在《国家创新驱动发展战略纲要》、《能源技术革命创新行动计划（2016～2030 年）》、《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》等国家级规划中已明确氢能与燃料电池产业的战略地位。2020 年财政部等四部委发布《关于调整完善新能源汽车补贴政策的通知》，对氢燃料电池车补贴方案调整为“以奖代补”，拟通过4 年左右时间，建立氢能和燃料电池汽车产业链，并取得关键核心技术的突破。各地方政府也对氢能发展显示出极大热情，据统计目前北京、上海、河北、陕西、安徽、湖北、四川、辽宁、山东、江苏、浙江、广东等超过30 个省市地区发布了与氢能相关的地方产业政策。此外，为推动中国氢能产业高质量发展，19 家能源生产、装备制造、交通运输、基础材料等领域的大型骨干企业、知名高校及科研院所、金融机构共同发起成立了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟，致力于推动我国氢能源及燃料电池产业高质量发展。

2.3 存在的主要问题

我国是世界上氢能产量最大的国家，具有世界上最大的消费市场和最完整的产业链，有的技术已经处于世界领先地位，在氢能装备生产制造上具备成本优势，但要实现氢能在消费市场规模化应用，还存在不少问题需要进一步改进。

（1） 缺乏国家层面的顶层设计

我国尚未制定统一的产业发展规划，氢能整体发展路线不明晰。尽管各地方政府和企业较为积极，氢能产业呈现出自下而上的发展态势，但由于缺乏统筹规划，地方政府和企业各自为政，处于低水平的重复建设和无序竞争状态，短时间内面临产能过剩风险。

（2） 氢能能源属性及管理部门待明确

氢气在我国作为工业原料应用，被列为危化品管理。涉及氢能产业链各环节的规划、安全、标准、项目核准等没有明确主管部门。

（3） 氢能标准体系不健全

国内尚未建立系统全面的标准、计量、检测和认证体系，氢气的危化品属性使得氢气生产区域受限、运输模式受限、加氢站审批受限。

（4） 氢能结构有待优化

国内氢能主要以煤炭为主，煤制氢占比62%，天然气制氢占比19%，而电解水制氢仅占比1%，相对于氢能结构更为清洁的日本，其主要依靠“可再生能源”发电，再通过电解水制氢，水解制氢的占比超过60%，氢能结构上还有很大优化空间。

（5） 氢能产业链技术全而不精

兆瓦级电解制氢装备、储氢瓶组、燃料电池电堆催化剂、膜电极、空压机、氢循环泵、氢气品质检测、氢气泄露测试等基础材料、核心技术或关键部件的工程化水平较低，高端产品基本依靠进口，且多为国际少数企业垄断，存在被“卡脖子”风险。

（6） 制氢成本高影响规模化推广

有关机构测算，目前国内主流的加氢站氢气成本约60 元/kg，只有当成本降到30 元/kg 和20 元/kg 时，氢气相对于汽油、柴油等传统能源和锂电池才具备竞争优势，特别是水解制氢，如果大规模推广，需要耗费大量电能，极大地影响氢能大规模使用。

（7） 产业体系和商业模式尚不成熟

产业链企业主要分布在燃料电池零部件及应用环节，上游氢气储运及加氢基础设施薄弱，下游除交通领域外，储能、分布式发电、工业、建筑等领域尚未开展应用示范，适合中国国情的氢能商业化发展模式仍在探索中。

3 央企参与氢能发展的思考

李克强总理在2020 年政府工作报告中提出，要保障能源安全，推动煤炭清洁高效利用，发展可再生能源，提升能源储备能力。我国石油高度依赖进口，推进氢能规模化应用，实现化石能源替代，将是保障国家能源安全，构建清洁低碳能源体系的重要环节。当今世界正处于百年未有之大变局，中央企业应加快抢占氢能产业发展制高点，加速促进氢能全产业链发展取得革命性突破。

（1） 加强自主创新，实现核心技术突破

党的十九届五中全会明确提出要加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，中央企业要加快突破氢能核心装备和关键材料研发制造，充分利用全球创新资源，积极参与全球氢能技术合作，同时要把核心技术掌握在自己手里，避免受制于人。具体实现路径上，要在尊重企业市场主体地位的前提下，更好发挥政府引导作用，完善产业政策体系，明确相关行业规范标准，推动氢能行业健康发展。国资委层面可以对具备一定氢能产业基础的中央企业给予政策支持，如在投资计划备案过程中，探索将企业氢能产业投资视为拟发展主业，不占企业非主业投资比例；在考核中，对企业投资氢能产业建立容错机制，对工资总额予以放宽，解决企业后顾之忧。

（2） 依托中央企业特点，优化氢能产业结构

氢能技术要求高、产业链复杂、投资需求大，一家中央企业不可能在全产业链布局，要依托中央企业现有的技术和产业优势，按照地区资源禀赋，整体规划企业氢能产业重点发展方向，提出完整的中央企业全链条氢能发展路线图，整体规划企业氢能制备、储运、加注、应用发展路径，加强企业间协同，尽可能降低投资成本，提高投资成功率。在技术路径方面，中央企业具备大型的石油石化企业和钢铁产业基础，结合国内煤炭资源丰富的优势，在初期要继续发展工业副产制氢和煤制氢工艺，中长期要加快电解水制氢技术的突破，利用峰谷电价差降低水解制氢成本，推动氢能源结构持续优化，实现氢能绿色可持续规模化发展。在氢能加注方面，适度超前布局，积极探索利用现有加油站场地扩建改造加氢站。在应用场景方面从推动氢燃料电池在乘用车方面的示范应用开始，逐渐将氢燃料电池推广运用到船舶、无人机等中央企业优势领域，不断拓展氢能应用规模。

（3） 加快国际合作，实现氢能技术弯道超车。

2015 年，丰田宣布将5 680 项有关氢燃料电池专利，包括氢燃料电池汽车“MIRAI”的1970 项关键技术专利开放，中央企业应充分借鉴先发国的经验技术优势，积极参与氢能领域国际合作，服务国内氢能产业升级。中央企业是“走出去”的主力军，要充分发挥多年深耕国外市场的优势，在参与“一带一路”建设过程中与沿线国家开展氢能开发合作，特别是与氢能技术领先的国家或地区开展项目合作，积极参与国际氢能标准制定，提高在国际氢能体系中的话语权。同时，中央企业要充分利用国内率先复工复产的优势，利用国外疫情爆发难得的战略机遇期，在氢能相关技术企业估值下降、现金流紧张的特殊时点进行战略收购，获取氢能开发储备关键技术，保障国内氢能产业创新可持续发展。

4 结 语

目前，全球氢能源发展都属于早期阶段，产业链的各个环节都有很大的发展空间。如果说光伏、风电的发展步入建设期，氢能源目前还仅仅在研究实验阶段，大规模应用的基础仍有待进一步夯实。因此，中央企业在产业布局的同时，要充分发挥产业基础扎实、应用场景丰富、发展平台宽广、企业管理规范等先天优势，积极与其他市场主体开展多形式的合作，探索形成平等互利、运转高效、取长补短、协调有序的产业发展新模式，充分发挥龙头企业引领示范作用，调动配置优势创新资源，加快突破或掌握一批关键环节的核心技术，带动我国氢能产业高质量发展，保障我国“双碳”战略目标如期实现。