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(gòu)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)制氫

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)模化發(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。

(三)運氫

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。

(四)用氫

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。

1.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。

2.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。

3.家庭領域應用現(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。

4.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。此外，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(jié)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?ldquo;氫能社會”發(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(gòu)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。