中國氫能產業展望（一）——發展氫能的必要性

中國氫能產業展望

近年來，氫能產業的發展受到越來越多的關注。隨著極端氣候事件的多發，各國政府對于有效應對氣候變化愈發重視，碳中和成為了各國政府所關注的重要議題之一。與此同時，化石能源危機的逐漸凸顯，也呼喚清潔能源在全球范圍內的系統性發展，以建立真正可持續、零排放的全新能源體系。

氫能是一種廣泛存在于自然界的清潔能源。在碳中和戰略背景下，可再生能源發電的波動性和間歇性使得氫能具有了獨特的意義和價值。通過“電—氫”轉化，波動性的綠電可以大規模轉化為氫能，進行長周期的儲存、運輸和能源化使用，從而使得氫能有望在未來能源結構中占據重要地位。

2022年3月，國家發展改革委、國家能源局發布了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》。作為國家級規劃，文件明確了氫能在中國未來能源結構中的戰略性定位，制定了中國氫能產業階段性發展目標，并首次系統性提出了氫能在交通領域以外的多個規?；瘧脠鼍暗陌l展規劃，包括儲能、發電與工業。該規劃為中國氫能產業的發展指引了明確的方向，并注入了強大的信心。

氫能產業的發展，離不開終端應用場景對氫的規?；{，從而對氫產業鏈形成有效拉動。具備這樣特點的應用場景主要是氫交通、氫儲能和氫化工，三大場景均蘊藏著巨大的市場空間。氫交通在燃料電池汽車等領域已具備較好的發展基礎，而隨著技術持續突破 與商業化模式的成熟，氫交通在短中期將是氫能產業發展的“先導性應用”,促進“從制氫到用氫”全產業鏈的商業化落地和持續發展。氫儲能是氫最具前景的應用領域，通過發揮氫的長時儲能特性，可以賦能可再生能源的應用，提升可再生能源在全球能源結構中的份額。氫化工是當前氫最主要的消納場景，隨著氫能產業鏈的成熟和成本的持續下降，工業領域將通過“綠氫替代灰氫”,推動全球工業逐步實現低碳轉型。

實現上述發展，離不開氫能產業鏈各環節的關鍵性技術突破。

在制氫領域，真正面向大規模綠電制氫場景，當前各技術路線均需實現經濟性、安全性、智能化管理等方面的體系性技術突破——無論是相對更具商業化基礎的堿性電解水制氫(AEC)技術，還是尚處于發展階段的質子交換膜(PEMEC)技術，以及更早期的陰離子膜(AEMEC)技術與固體氧化物(SOEC)技術。在氫儲運領域，壓縮氣氫是目前中國主流的氫儲運方式，其研發創新方向主要是提升工作壓力以提高氫氣密度，同時保障安全性；

液氫儲運已在海外市場率先實現了商業化；其他各類氫載體的儲運技術目前也處于積極的商業化應用探索階段。

“氫一電”轉化是氫能利用的關鍵技術，目前在小功率分布式場景下以固定式燃料電池發電為主，而大功率集中式發電則將采用氫燃氣輪機或鍋爐摻氨燃燒方案。三種方案下，均已有明確的技術發展路線和示范場景，成熟的商用產品預計將在2030年以前推出并實現應用。

氫安全管理則是近年來受到關注的一個新興領域。大規模用氫場景下的氫安全體系化管理是一項全新的挑戰，需要從本征安全、主動安全、被動安全三方面著手，并結合數字化手段，對氫能全鏈條進行有效管理。

氫能產業已經迎來新的發展浪潮，在政策、技術、市場、資本等多方的合力推動下，全球氫能產業鏈各環節都將實現全方位的突破發展，在未來十年構建下一個萬億級新能源市場，成為推動全球能源綠色低碳轉型的新動能。

目    錄

第一部分  發展氫能的必要性分析

一、能源危機和能源消費結構的變化

二、氫能的優勢

三、中國氫能發展的有利環境

第二部分 氫能的應用場景

一、氫交通

二、氫儲能

三、氫工業、

第三部分 氫能產業鏈發展的關鍵技術

一、氫氣制取

二、氫儲運

三、氫一電轉化

四、氫安全

結 語

第一部分  發展氫能的必要性分析

      2023年7月，全球經歷了有記錄以來的最炎熱月份，極端熱浪席卷了中國、歐洲和美國部分地區。自2015年以來，極端高溫天氣不斷增多，警示人們全球變暖正在加劇。為了避免氣候變化帶來難以承受的后果，我們亟需通過清潔能源轉型實現碳減排。

      在能源轉型的歷程中，氫能這一綠色能源因其零排放、高熱值等諸多優勢，在過去的幾十年中獲得了越來越多的關注。而中國作為應對全球氣候變化中負責任的大國，在實現“3060雙碳目標”愿景的征程中，正不斷為氫能產業發展創造良好的環境。

      一、能源危機和能源消費結構的變化

      在過去的200年中，世界共發生了三次能源結構轉型(參閱圖1)。

      第一次是19世紀末，伴隨著第一次工業革命，發生了從傳統生物燃料到煤炭的轉型。

      第二次發生在20世紀上半葉，內燃機的廣泛應用推動了從煤炭到石油和天然氣的能源轉型。

      當前正在進行第三次能源轉型，可再生能源有望在未來取代化石燃料。

      第三次能源轉型的驅動因素之一就是能源危機。在過去的60年里，全球一次能源消費量幾乎翻了兩番。長期依賴化石燃料不可持續，且近年來各國能源資源的不平等和地區緊張局勢進一步加劇了能源危機的影響，加速了能源轉型的勢頭。

      碳中和是能源轉型的另一個驅動因素。2015年，聯合國的196個成員國通過了《巴黎協定》，目標是將全球平均氣溫升幅限制在工業化前水平以上2℃之內，并努力將氣溫升幅限制在1.5℃之內。據此目標計算，到2050年，至少65%的最終能源消費將來自可再生能源(參閱圖2)。

      在此背景下，氫能有望發揮重要作用。

      ●  氫能的利用是達成碳中和的關鍵路徑，其釋放能量的過程中零碳排放。

      ●  氫能可以賦能可再生能源的規模利用。風光等可再生能源的發電具有天然的波動性，致使電力供應與負荷需求不匹配。氫能作為一種適宜長周期儲存和運輸、能夠用于再發電的能源載體，可以有效緩解可再生能源電力供需不匹配的問題。

      隨著能源轉型的不斷推進，在2050年凈零排放情景下，氫能在全球最終能源消費占比預計將達到10%-15%(參閱圖3)。

       二、氫能的優勢

       盡管目前氫能在全球最終能源消費中占比還不到1%，但得益于其獨特的優勢，氫能具有非常廣泛的應用潛力(參閱圖4)。

       零排放：氫是一種獨特的清潔能源，在燃燒產熱時的唯一副產物為水，不會產生任何碳排放或其他溫室氣體排放。雖然目前全球絕大多數氫氣仍然產自化石燃料，生產過程中會產生碳排放，但隨著電解水制氫和可再生能源的不斷發展，綠氫的占比將逐步增加，氫能在未來能夠成為一種完全脫碳的清潔能源。

       熱值高：氫的熱值比各類化石燃料都高，能夠達到汽油的三倍多、褐煤的九倍多，所以運輸效率更高、能量釋放更強。

       靈活變電：氫和電通過相互轉化，可以形成一個“電—氫”耦合的能量系統。由于電力在當前和未來都會是應用最廣泛的最終能源之一（2021年約占20%，預計2050年將增加到50%)，“氫—電”轉化的靈活性使氫能能夠廣泛應用于多種場景。

      易獲?。?/span>氫氣可以通過電解水的方式快速制取，而電和水這兩種物質都較為豐富且容易獲取。

       三、中國氫能發展的有利環境

       作為世界第二大經濟體，全球最大的能源消費國和碳排放國，中國已在碳減排方面付諸行動，這對遏制全球變暖至關重要。

       在實現碳中和的舉措中，發展氫能是一項重要抓手。中國是目前是世界上最大的產氫國，年產量達3300萬噸，占全球需求的三分之一。據預測，中國的氫氣需求在2030年將達到3500萬噸，2050年將達6000萬噸。中國的氫氣供應能力強，需求量大，發展前景廣闊。

       （一）中國發布國家級氫能產業發展規劃

       在中國，氫能已獲得了多年的政策關注。早在2006年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中就對制氫、氫儲存和輸配技術和燃料電池技術提出了指導規劃。2022年3月發布的《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》(以下簡稱《規劃》)是中國首個氫能產業中長期規劃，作為國家級規劃，其進一步明確了氫能在中國未來能源結構中的戰略性定位，制定了中國氫能產業階段性的發展目標，并提出了氫能在中國的應用場景，對中國氫能產業的發展具有深遠的意義(參閱圖5)。

       1. 戰略定位

       在《規劃》中，氫能和氫能產業的戰略定位被明確為：

       （1）未來國家能源體系的重要組成部分；

       （2）用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體；

       （3）戰略性新興產業和未來產業的重點發展方向。

       2. 發展目標

       《規劃》以每五年為一個階段，明確了各階段的氫能和氫能產業發展目標；

        （1）到2025年，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設一批加氫站?？稍偕茉粗茪淞窟_到10-20萬噸/年，成為新增氫能消費的重要組成部分，實現二氧化碳減排100-200萬噸/年。

       （2）到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系，產業布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應用，有力支撐碳達峰目標實現。

       （3）到2035年，形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態?？稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費中的比重明顯提升，對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。

       3.  應用場景

       除交通領域的試點應用外，《規劃》還強調了氫能在工業和能源（包括氫能、電能和熱能）領域的多元應用，通過引導用能終端的能源消費轉型和高耗能、高排放行業綠色發展，發揮氫能對碳達峰、碳中和目標的支撐作用。

       此前，中國大多數氫能產業政策都集中在交通領域，尤其是燃料電池汽車的應用。隨著國家和地方性政策的逐步落地，氫能在交通領域的先導性應用將為其他場景起到示范性作用，帶動其他的氫能下游應用領域的進一步發展。

      （二）中國可再生能源供給的快速增長將促進氫能消費

       中國風光等可再生能源裝機的快速增長，將會推動中國氫能產業發展成為可再生能源消納的有效途徑。

       2011年至2021年，中國的風能和太陽能發電裝機量以29%的年復合增長率從48吉瓦迅速增長至635吉瓦，占2021年全國發電總裝機量的27%。然而，2021年發電量只有12%來自于風能和太陽能發電?？稍偕茉囱b機量與發電量之間的巨大差異，是由于風光等可再生能源天然的間歇性和波動性導致的供需不匹配，同時由于缺乏調節手段面臨送出難、消納難的困境，從而造成大量棄電。在中國的北部和西部部分地區，風能和太陽能年度棄電率可高達30%。

       波動性的風光發電資源如無法被充分利用，中國能源結構轉型的宏偉目標將受到挑戰，因此持續發展建設可再生能源發電勢在必行。隨著可再生能源裝機量的不斷提升，發電側與負荷側的不匹配將持續增大，促使業內尋求高效利用可再生能源的方法，以突破可再生能源的發展瓶頸。

       氫能被視作是一個前景無限的答案。通過將電能轉換成氫能，再通過多種途徑將氫能加以利用，可以部分克服可再生能源本身的局限性，從而更好地匹配能源供給和需求。氫能也可以直接應用于豐富的下游場景，包括氫能交通、工業脫碳、大規模儲能和運輸等。

       在中國，隨著下游氫能消費市場的增長和應用場景的拓展，上游可再生能源市場玩家紛紛投資布局氫能產業，推動氫能全產業鏈的發展。

       （三）中國西北地區具有得天獨厚的綠氫發展優勢

       綠氫產業的發展，離不開可再生能源的稟賦?？v觀中國的版圖，具有豐富風光資源的地區，集中分布在中國北部的內蒙古地區到西北部的新疆地區之間，以及東南沿海地區。其中，北部的內蒙古到新疆地區，呈一條弧形帶分布著我國的沙漠與戈壁，具有光照強、風力大的特點，具備優越的可再生能源自然資源條件。比如，在內蒙古地區，全年有效日照時數可達到1,500-1,800小時，位居全國首位。豐富的可再生資源將有效降低當地可再生電力的獲取和使用成本，進而推動綠氫產業發展。

       綠氫產業的發展，需要一定的水資源支撐。作為電解水制氫的最主要原料，水的可獲取性同樣決定了綠氫產業發展的成本及推廣的難度。在內蒙古鄂爾多斯地區，黃河流過并形成“幾”字灣，為當地的綠氫產業發展提供了關鍵的水資源保障。

       綠氫產業的發展，更需要地方政府的決心與推動。2022年全國超70%的綠氫示范項目規劃落地內蒙古地區，其中鄂爾多斯示范區是重點區域。當地政府的決心體現在全球頂尖的科研能力構建、全方面的優渥政策引導，以及大規模的投資與引資計劃，進而從技術研發、項目落地、產業鏈成熟三方面引領綠氫產業在全國的發展。