撥云霧，睹“氫”天——從氫能源產(chǎn)業(yè)鏈看行業(yè)發(fā)展

 核心摘要：
發(fā)展氫能源是優(yōu)化替代傳統(tǒng)化石能源，真正實(shí)現(xiàn)碳中和的優(yōu)選之舉。我國碳排放量位列全球第一，長期發(fā)展會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化且能源危機(jī)日益顯著，已嚴(yán)重威脅到我國在國際中的能源發(fā)展地位，促使我國走上發(fā)展新能源之路。其中氫能憑借：取環(huán)保、獲多元、儲有量、用有需且高效，既為燃料亦為能源發(fā)展使用，成為我國走經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展之路的必要路徑。
2060年中國氫能需求量達(dá)約1.3億噸，使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源減少碳稅效率高達(dá)76.7%，合計(jì)可節(jié)約超過700億美元碳稅。從碳排放降本角度看，2060年工業(yè)用氫占比最大超過60%，可實(shí)現(xiàn)減少碳排放量141.1億噸，節(jié)約423.3億美元的碳稅；為交通運(yùn)輸領(lǐng)域減少碳排放量72.76億噸和建筑及其他部分減少21.01億噸，分別實(shí)現(xiàn)減少218億美元和約63億美元的碳稅。逐步實(shí)現(xiàn)2060年碳中和降本、優(yōu)化能源格局提升國際地位的多元目標(biāo)。
成本是制約氫能發(fā)展最主要的因素，制儲運(yùn)加注各個(gè)環(huán)節(jié)成本均有下降空間。目前，制氫環(huán)節(jié)上，主要依托化石燃料合化工生產(chǎn)中副產(chǎn)物作為主供氫源的原材料以節(jié)省制氫成本，未來最優(yōu)解綠氫主要通過國家政策引導(dǎo)，從原料供應(yīng)、技術(shù)及相關(guān)設(shè)備三維度突破；儲氫環(huán)節(jié)上，一方面高壓氣態(tài)瓶改造成為重點(diǎn)，另一方面，需推動(dòng)低溫液態(tài)儲氫和介質(zhì)儲氫的發(fā)展；運(yùn)氫環(huán)節(jié)未來趨勢主要在液氫運(yùn)輸以及管道運(yùn)輸，通過技術(shù)發(fā)展與規(guī)模化生產(chǎn)雙向驅(qū)動(dòng)降成本之路；加注環(huán)節(jié)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，利用傳統(tǒng)能源企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢合建加氫站降本。新能源出現(xiàn)的原因和重要性
環(huán)境惡化和能源危機(jī)促使我國發(fā)展新能源
2020中國碳排放量全球范圍排名第一，碳減排迫在眉睫。交通工具的普及，疊加工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑等各領(lǐng)域生產(chǎn)制造等因素，使用能源帶來了大量碳排放，加劇溫室效應(yīng)形成。據(jù)《bp世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020年中國碳排放量總計(jì)9899.3百萬噸。在全球范圍內(nèi)碳排放總量排名第一，約占全球排放總量的30.7%。長期不節(jié)制排放會使得氣溫繼續(xù)升高，從而引發(fā)出區(qū)域天氣奇變、海洋酸化、自然界生態(tài)系統(tǒng)紊亂、物種滅絕等一系列威脅人類生存環(huán)境和身體健康等不良后果。所以碳減排迫在眉睫。
轉(zhuǎn)型發(fā)展新能源可以助力減少碳排放帶來的危害。新能源來源干凈（風(fēng)、水、太陽等）、污染物排放少，可直接實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境目的、遏制溫室效應(yīng)加劇。同時(shí)我國能源結(jié)構(gòu)不平衡屬于煤多缺油少氣，天然氣和石油依賴進(jìn)口使用，發(fā)展新能源亦可逐漸減少和替代化石能源的使用，調(diào)整能源使用不均衡局面，逐步拜托依賴，建立自有能源發(fā)展體系。開發(fā)新能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、緩解自有能源危機(jī)、走經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展之路的必要路徑。能源結(jié)構(gòu)布局影響國際發(fā)展
碳中和、能源結(jié)構(gòu)布局關(guān)乎國際發(fā)展格局
截至2021年11月份，全球制定碳中和目標(biāo)的國家和地區(qū)有66個(gè)。有191個(gè)國家提交了第一輪“國家自主貢獻(xiàn)”文件，涉及的減排量涵蓋了全球90%以上的二氧化碳排放量。另有27個(gè)國家和歐盟已按照《巴黎協(xié)定》的要求通報(bào)了低溫室氣體排放的長期發(fā)展戰(zhàn)略，這其中也包括“凈零承諾”。各國均在向碳達(dá)峰、碳中和努力推進(jìn)。歐洲國家碳排放定價(jià)普遍偏高
凈零碳承諾需要有嚴(yán)格的短期及中期行動(dòng)來支持，國家間正在制定愈加嚴(yán)格的碳定價(jià)工具。從碳排放交易機(jī)制來看，日本、新加坡等亞太國家制定價(jià)格為2-3美元/噸二氧化碳；與中國人均碳排放相近的法國、英國等歐洲國家定價(jià)已高于20美元/噸，采取更嚴(yán)厲的機(jī)制力達(dá)凈零碳承諾。我國能源結(jié)構(gòu)布局
傳統(tǒng)能源仍然占據(jù)主要地位，政策鼓勵(lì)氫能開發(fā)使用
國際氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。美國、歐洲、俄羅斯、日本等主要工業(yè)化國家和地區(qū)都已將氫能納入國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃。根據(jù)國際氫能委員會發(fā)布的報(bào)告，全球范圍內(nèi)已有131個(gè)大型氫能開發(fā)項(xiàng)目，全球項(xiàng)目總數(shù)達(dá)到359個(gè)。預(yù)計(jì)到2030年，全球氫能領(lǐng)域的投資將激增到5000億美元，2050年全球氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3000萬個(gè)工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，在全球能源消費(fèi)占比重的達(dá)到18%。
我國計(jì)劃于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。截止2020年，火力發(fā)電仍然占據(jù)中國發(fā)電結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)，占比達(dá)到57%。同年世界平局水平為33.8%，中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變迫在眉睫。
氫氣作為高效低碳的二次能源，是雙碳目標(biāo)戰(zhàn)略下的必然選擇。為了實(shí)現(xiàn)碳中和2060的目標(biāo)，我國氫氣的年需求量從目前的3342萬噸增加到1.3億噸左右，在終端能源體系中占比達(dá)到20%。中國未來有望領(lǐng)跑全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。氫能源與傳統(tǒng)能源對比
高效減排，儲量豐富，來源廣泛，降低使用成本
儲藏有量，用有需。中國目前煤炭儲量較為豐富，占世界探明儲量的13.3%，石油、天然氣較為稀缺。但儲產(chǎn)比情況不樂觀，以目前的探明儲量，石油資源還可以繼續(xù)開采18.2年，天然氣43.3年，煤炭37年。
清潔氫能，熱值強(qiáng)，縮成本。熱值是指單位重量燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量，是評價(jià)燃料質(zhì)量的重要指標(biāo)，單位以兆焦/千克（MJ/kg）表示。平均來看，石油為41.87MJ/kg，天然氣為38.97MJ/kg，原煤為20.93MJ/kg，而氫氣的熱值達(dá)到142.4MJ/kg。國際上多以標(biāo)準(zhǔn)燃料應(yīng)用的基熱值（標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量）29.27MJ/kg計(jì)量,石油、天然氣折算標(biāo)準(zhǔn)燃料系數(shù)分別為1.4286和1.33，氫氣達(dá)到4.865，是極為優(yōu)質(zhì)高效的清潔能源。根據(jù)國際貨幣基金組織給出的全球碳排放平均價(jià)格和美國能源協(xié)會公布的中國碳排放量數(shù)據(jù)計(jì)算得出，2019年我國煤炭、石油和天然氣排放的二氧化碳的碳稅價(jià)格已經(jīng)達(dá)到323.2億美元。氫能源使用對于實(shí)現(xiàn)時(shí)間短、任務(wù)重的碳中和目標(biāo)有重大戰(zhàn)略意義。氫能源與其他新能源對比
氫能綜合能力優(yōu)于其他可再生能源氫能源戰(zhàn)略價(jià)值
從傳統(tǒng)能源替代角度看氫能減排價(jià)值
根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》，當(dāng)前我國氫氣產(chǎn)能約每年4100萬噸，產(chǎn)量約3342萬噸，是世界第一產(chǎn)氫國，到2030年我國可再生能源制氫有望實(shí)現(xiàn)平價(jià)，在2060年碳中和情境下可再生能源制氫規(guī)模有望達(dá)到1億噸。需求方面，2030年我國氫氣的年需求量將增加至3715萬噸，2050年可到9690萬噸，2060年則增加至1.3億噸。
已知2020年中國氫氣需求量大約為3.34億噸，其中化石能源制氫（灰氫）占比最大，約為67%左右，灰氫量大約為2.24億噸，而2020年綠氫占比僅3%，約有0.1億噸。《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計(jì)到2050年，中國氫氣需求量將達(dá)到9.69億噸，其中灰氫制取比例從67%降至20%，綠氫制取比例提升至80%。（即灰氫約為1.938億噸，綠氫為7.752億噸）
因?yàn)榛覛渫ㄟ^燃燒化石燃料產(chǎn)氫仍會帶來一定的碳排放量，而綠氫完全通過可再生能源和生物制氫等技術(shù)將實(shí)現(xiàn)零碳排放。相比之下2050年由于綠氫的占比不斷增加，優(yōu)化灰氫，碳排放將會大幅度減少，逐步實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)。使用氫能減少的碳排放
使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源減少碳稅效率高達(dá)76.7%
此處氫能源減少的碳排放量計(jì)算為：（氫能需求量同等熱量條件下所需傳統(tǒng)能源的碳排放量-制取氫能源過程中產(chǎn)生的碳排放量）*每單位碳稅價(jià)格。
其中等量氫需求量下所需傳統(tǒng)能源的碳排放量可用其產(chǎn)生的熱值作為換算依據(jù)，以2050年為例：所需的9.69億噸氫將會釋放的能量約等于65.93億噸煤釋放的熱量， 其產(chǎn)生的碳排放等于65.93億噸煤*化石燃料燃燒過程二氧化碳排放因子（2.64噸CO2 /噸標(biāo)煤)，也就是174.05億噸CO2，假設(shè)每單位碳稅為3美元，則將會產(chǎn)生522.15億美元的碳稅。
而制取氫能源過程中產(chǎn)生的碳排放量，主要理解為非綠氫制取中產(chǎn)生的碳排放量，根據(jù)北京理工大學(xué)能源與環(huán)境政策研究中心發(fā)布的《碳中和背景下煤炭制氫的低碳發(fā)展》研究可知，煤炭制氫將排放約20.90KG CO2e/kg H2，前面信息可得2050年我國灰氫量大約為1.938億噸，因此灰氫的制取過程將會產(chǎn)生40.50億噸二氧化碳。
綜合來看，到2050年，若氫氣完全替代煤炭作為能源，將減少133.46億噸二氧化碳排放。假設(shè)每單位碳稅為3美元，則節(jié)約的碳稅價(jià)格達(dá)到400.38億美元，綜上，氫能減少的碳稅效率高達(dá)400.38億美元/522.15億美元=76.7%。有效實(shí)現(xiàn)降碳稅節(jié)約我國能源發(fā)展成本。氫能源戰(zhàn)略價(jià)值
從不同應(yīng)用領(lǐng)域看氫能減排價(jià)值
到2060年我國氫氣利用結(jié)構(gòu)中工業(yè)占比最大（約占60%），其次為交通（31%）。利用于工業(yè)領(lǐng)域，如煉油、氨生產(chǎn)、煉鋼等，氫不僅可以當(dāng)作能源亦可以當(dāng)作燃料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。其次氫能憑借其高儲能、高效釋放和優(yōu)秀燃料電池等特性，將有31%用于交通領(lǐng)域下，尤其在商用車、重型卡車中替代率高。
在預(yù)計(jì)2060年我國氫需求量大約為1.3億噸的前提下：工業(yè)領(lǐng)域用氫7.8億噸，相當(dāng)于減少53.07億噸煤炭用量（利用熱值對比氫得出）；交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4.03億噸，相當(dāng)于減少27.56億噸煤炭用量；建筑及其他領(lǐng)域用氫1.17億噸，相當(dāng)于減少7.96億噸煤炭。根據(jù)化石燃料燃燒過程二氧化碳排放因子，工業(yè)、交通和其他領(lǐng)域減少的碳排放量分別為141.1、 72.76和21.01億噸，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)減少423.3億美元的碳稅，由于工業(yè)領(lǐng)域具有規(guī)模大占比高、多為B、G端為主導(dǎo)發(fā)展制造、自我傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型壓力大，產(chǎn)生的碳排放成本龐大等特點(diǎn)，所以氫能優(yōu)先大規(guī)模布局工業(yè)領(lǐng)域一方面可以加速實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排綠色環(huán)保碳中和目標(biāo)，另一方面高效減少碳稅，幫助企業(yè)和國家在國際舞臺中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，其次是交通領(lǐng)域的用量將提升， 2060年將實(shí)現(xiàn)減少218.28億美元碳稅的成果。從產(chǎn)業(yè)鏈看氫能目前發(fā)展困境
成本技術(shù)為主要制約因素制氫環(huán)節(jié)現(xiàn)狀分析
灰氫仍是主流，綠氫為最終利用理想形態(tài)，以藍(lán)氫作為過渡
根據(jù)制取方式和碳排放量的不同，分為灰氫，藍(lán)氫及綠氫。灰氫是通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤）燃燒產(chǎn)生的氫氣；藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳捕捉、碳封存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳制氫；綠氫是通過光伏發(fā)電、風(fēng)電以及太陽能等可再生能源電解水制氫，在制氫過程中基本上不會產(chǎn)生碳排放，被稱為“零碳?xì)錃?rdquo;。目前主要有三種主流制取路徑：
1）以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；
2）以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；
3）電解水制氫。我國現(xiàn)階段約97%的氫氣都是由化石能源制氫或副產(chǎn)氫獲得。氫能源儲運(yùn)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀分析
氫的特性對儲運(yùn)提出挑戰(zhàn)，長管拖車高壓氣態(tài)儲運(yùn)為主流
儲運(yùn)環(huán)節(jié)是制約氫能源成本的重要因素。氫能源的儲運(yùn)可以分為高壓氣態(tài)儲運(yùn)、低溫液態(tài)儲運(yùn)、有機(jī)液態(tài)儲運(yùn)、固態(tài)介質(zhì)儲運(yùn)、合成燃料儲運(yùn)等多種方式。現(xiàn)階段我國儲運(yùn)處于早期階段，普遍采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞剑囕d高壓儲氫瓶我國目前主要采用35MPa。
質(zhì)量能量密度最高：氫在常溫下為氣態(tài)，體積能量密度較低，僅為天然氣的1/3(20MPa），約為硬煤的1/20。所以與天然氣等相比，氫氣的儲運(yùn)更需要考慮壓縮密度提高運(yùn)輸效率，當(dāng)前的措施主要為高壓壓縮以及液化處理。
氫流速更快：氫氣在管道中的流速大約為天然氣的2.8倍，可以改善氫體積密度低的缺陷，采用天然氣管道的氫氣運(yùn)輸可以達(dá)到80%-90%的原始輸送能力。
氫脆特性：過量的氫原子進(jìn)入金屬基體后 ,在應(yīng)力作用下, 會引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發(fā)生斷裂(通常是亞微觀的斷裂) 或者突然脆性失效。加氫站建設(shè)現(xiàn)狀分析
加氫站成本較高，頂層設(shè)計(jì)加快推動(dòng)企業(yè)積極布局
我國加氫站數(shù)量處于全球第一，但建設(shè)主要受政策驅(qū)動(dòng)，存在審批、成本等困境：1）加氫站土地審批流程繁瑣，還涉及環(huán)評、消防審批等；2）我國加氫站設(shè)備成本約占70%以上，據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，建設(shè)一座500kg、加注壓力35MPa的加氫站的成本為1200萬元（不含土地費(fèi)用），相當(dāng)于傳統(tǒng)加油站的3倍，單位加注成本約13-18元/kg；3）氫氣壓縮機(jī)、加注機(jī)成本占據(jù)65%左右，關(guān)鍵設(shè)備及其核心零部件的進(jìn)口依賴度高。
2022年3月發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》提出部署建設(shè)一批加氫站，各地也針對性進(jìn)行了加氫站布局，如內(nèi)蒙古提出到2025年累計(jì)建成60座加氫站，四川成都最高給予1500萬元建設(shè)運(yùn)營補(bǔ)助，合力推動(dòng)加氫站發(fā)展。全球氫能發(fā)展現(xiàn)狀
與其他發(fā)達(dá)國家相比，我國運(yùn)輸環(huán)節(jié)存在巨大空間
相較我國，美、日、歐發(fā)展氫能時(shí)間長，技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟與完善，在儲運(yùn)環(huán)節(jié)液態(tài)運(yùn)輸技術(shù)及配設(shè)設(shè)施較為成熟，而我國現(xiàn)階段氫的運(yùn)輸主要以高壓氣態(tài)長管拖車運(yùn)輸為主，管道運(yùn)輸仍為短板弱項(xiàng)，需積極推進(jìn)進(jìn)行天然氣摻氫、管道輸氫、有機(jī)液體儲運(yùn)、固體材料儲運(yùn)等技術(shù)的開發(fā)和布局，尚存廣闊發(fā)展空間。此外，美、日、歐也建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟協(xié)同上中下游各個(gè)企業(yè)協(xié)同發(fā)展。從產(chǎn)業(yè)鏈看氫能未來之路
技術(shù)革新+政策引導(dǎo)共同推動(dòng)綠氫發(fā)展之路
我國氫能源發(fā)展起步晚，速度快，目前主要依托化工生產(chǎn)中的副產(chǎn)物作為主供氫源的原材料，以節(jié)省制氫成本。然而，依托于工業(yè)原料及副產(chǎn)物所制的“灰氫”及結(jié)合CCUS技術(shù)的“藍(lán)氫”仍會產(chǎn)生較大碳排放，根據(jù)國際氫能委員會測算，2030年碳排成本約為50美元/噸二氧化碳，使得灰氫成本達(dá)46.22元/kg，或與“綠氫”同價(jià)，須加快推動(dòng)通過可再生能源、電解水等方法，實(shí)現(xiàn)全程百分之百零碳排、零污染的“綠氫”繼續(xù)發(fā)展。目前，“綠氫”的制取方式為電解水制氫，主要的制取工藝為堿性電解、PEM電解（質(zhì)子交換膜電解）、固體氧化物（SOEC）電解，其中ALK堿性電解與PEM電解技術(shù)應(yīng)用較為成熟。“綠氫”降成本基本路徑主要通過國家政策積極引導(dǎo)，從原料供應(yīng)、技術(shù)及相關(guān)設(shè)備三維度突破。技術(shù)、成本多環(huán)節(jié)突破，發(fā)展多樣化儲氫方式
從氫的儲存來看，氫的大規(guī)模應(yīng)用下，一方面高壓氣態(tài)瓶改造成為重點(diǎn)，另一方面，需推動(dòng)低溫液態(tài)儲氫和介質(zhì)儲氫的發(fā)展。高壓氫能瓶未來主流為金屬內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III型）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV型），VI型瓶內(nèi)膽采用樹脂，在70MPa標(biāo)準(zhǔn)下可以實(shí)現(xiàn)更長的壽命，助力氫儲存降本增效。低溫液態(tài)儲氫從儲能密度來看是最為理想的儲氫方式，但對容器絕熱性能要求很高，目前主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。介質(zhì)儲氫主要分為固態(tài)金屬、有機(jī)液體（甲苯、二芐基甲苯等）、合成燃料（甲醇、氨等）等，其中固態(tài)儲氫方式通過化學(xué)或物理吸附原理將氫氣吸附后儲存，載體一般為納米材料或者金屬氫化物。液態(tài)有機(jī)儲氫可以利用傳統(tǒng)的石油基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸、加注，方便建立加氫網(wǎng)絡(luò)。儲運(yùn)環(huán)節(jié)發(fā)力管道輸送，加注環(huán)節(jié)合建加氫站降本
氫能源儲運(yùn)環(huán)節(jié)主要瓶頸在于解決高成本、低能效、安全性難題，從氫能規(guī)模化來看，目前的長管拖車高壓氣氫不能滿足大面積區(qū)域輻射，未來趨勢主要在液氫運(yùn)輸以及管道運(yùn)輸，其中，液氫技術(shù)門檻較高，國產(chǎn)化程度低，大規(guī)模應(yīng)用還難以滿足，可先通過駁船應(yīng)用于洲際運(yùn)輸。美國、歐洲分別已有氫氣管道2500km、1598km，我國僅有400km左右，發(fā)展較為滯后。管道運(yùn)輸?shù)某杀倦y題主要是初始投入高，但隨著規(guī)模化應(yīng)用，后期運(yùn)輸成本很低，是氫能儲運(yùn)的未來所在。
單一的加氫站審批程序復(fù)雜，成本高昂，合建加氫站可分為油-氫合建站、CNG-氫合建站以及LNG-氫合建站，可利用現(xiàn)有加油加氣站的場地設(shè)施改擴(kuò)建，探索站內(nèi)制氫、儲氫和加氫站一體化的加氫站等新模式部分。中國石油、中國石化等企業(yè)擁有龐大的加油站，具有發(fā)揮氫能業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。