中国氢能产业展望（一）——发展氢能的必要性

中国氢能产业展望

近年来，氢能产业的发展受到越来越多的关注。随着极端气候事件的多发，各国政府对于有效应对气候变化愈发重视，碳中和成为了各国政府所关注的重要议题之一。与此同时，化石能源危机的逐渐凸显，也呼唤清洁能源在全球范围内的系统性发展，以建立真正可持续、零排放的全新能源体系。

氢能是一种广泛存在于自然界的清洁能源。在碳中和战略背景下，可再生能源发电的波动性和间歇性使得氢能具有了独特的意义和价值。通过“电—氢”转化，波动性的绿电可以大规模转化为氢能，进行长周期的储存、运输和能源化使用，从而使得氢能有望在未来能源结构中占据重要地位。

2022年3月，国家发展改革委、国家能源局发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。作为国家级规划，文件明确了氢能在中国未来能源结构中的战略性定位，制定了中国氢能产业阶段性发展目标，并首次系统性提出了氢能在交通领域以外的多个规模化应用场景的发展规划，包括储能、发电与工业。该规划为中国氢能产业的发展指引了明确的方向，并注入了强大的信心。

氢能产业的发展，离不开终端应用场景对氢的规模化消纳，从而对氢产业链形成有效拉动。具备这样特点的应用场景主要是氢交通、氢储能和氢化工，三大场景均蕴藏着巨大的市场空间。氢交通在燃料电池汽车等领域已具备较好的发展基础，而随着技术持续突破 与商业化模式的成熟，氢交通在短中期将是氢能产业发展的“先导性应用”,促进“从制氢到用氢”全产业链的商业化落地和持续发展。氢储能是氢最具前景的应用领域，通过发挥氢的长时储能特性，可以赋能可再生能源的应用，提升可再生能源在全球能源结构中的份额。氢化工是当前氢最主要的消纳场景，随着氢能产业链的成熟和成本的持续下降，工业领域将通过“绿氢替代灰氢”,推动全球工业逐步实现低碳转型。

实现上述发展，离不开氢能产业链各环节的关键性技术突破。

在制氢领域，真正面向大规模绿电制氢场景，当前各技术路线均需实现经济性、安全性、智能化管理等方面的体系性技术突破——无论是相对更具商业化基础的碱性电解水制氢(AEC)技术，还是尚处于发展阶段的质子交换膜(PEMEC)技术，以及更早期的阴离子膜(AEMEC)技术与固体氧化物(SOEC)技术。在氢储运领域，压缩气氢是目前中国主流的氢储运方式，其研发创新方向主要是提升工作压力以提高氢气密度，同时保障安全性；

液氢储运已在海外市场率先实现了商业化；其他各类氢载体的储运技术目前也处于积极的商业化应用探索阶段。

“氢一电”转化是氢能利用的关键技术，目前在小功率分布式场景下以固定式燃料电池发电为主，而大功率集中式发电则将采用氢燃气轮机或锅炉掺氨燃烧方案。三种方案下，均已有明确的技术发展路线和示范场景，成熟的商用产品预计将在2030年以前推出并实现应用。

氢安全管理则是近年来受到关注的一个新兴领域。大规模用氢场景下的氢安全体系化管理是一项全新的挑战，需要从本征安全、主动安全、被动安全三方面着手，并结合数字化手段，对氢能全链条进行有效管理。

氢能产业已经迎来新的发展浪潮，在政策、技术、市场、资本等多方的合力推动下，全球氢能产业链各环节都将实现全方位的突破发展，在未来十年构建下一个万亿级新能源市场，成为推动全球能源绿色低碳转型的新动能。

目    录

第一部分  发展氢能的必要性分析

一、能源危机和能源消费结构的变化

二、氢能的优势

三、中国氢能发展的有利环境

第二部分 氢能的应用场景

一、氢交通

二、氢储能

三、氢工业、

第三部分 氢能产业链发展的关键技术

一、氢气制取

二、氢储运

三、氢一电转化

四、氢安全

结 语

第一部分  发展氢能的必要性分析

      2023年7月，全球经历了有记录以来的最炎热月份，极端热浪席卷了中国、欧洲和美国部分地区。自2015年以来，极端高温天气不断增多，警示人们全球变暖正在加剧。为了避免气候变化带来难以承受的后果，我们亟需通过清洁能源转型实现碳减排。

      在能源转型的历程中，氢能这一绿色能源因其零排放、高热值等诸多优势，在过去的几十年中获得了越来越多的关注。而中国作为应对全球气候变化中负责任的大国，在实现“3060双碳目标”愿景的征程中，正不断为氢能产业发展创造良好的环境。

      一、能源危机和能源消费结构的变化

      在过去的200年中，世界共发生了三次能源结构转型(参阅图1)。

      第一次是19世纪末，伴随着第一次工业革命，发生了从传统生物燃料到煤炭的转型。

      第二次发生在20世纪上半叶，内燃机的广泛应用推动了从煤炭到石油和天然气的能源转型。

      当前正在进行第三次能源转型，可再生能源有望在未来取代化石燃料。

      第三次能源转型的驱动因素之一就是能源危机。在过去的60年里，全球一次能源消费量几乎翻了两番。长期依赖化石燃料不可持续，且近年来各国能源资源的不平等和地区紧张局势进一步加剧了能源危机的影响，加速了能源转型的势头。

      碳中和是能源转型的另一个驱动因素。2015年，联合国的196个成员国通过了《巴黎协定》，目标是将全球平均气温升幅限制在工业化前水平以上2℃之内，并努力将气温升幅限制在1.5℃之内。据此目标计算，到2050年，至少65%的最终能源消费将来自可再生能源(参阅图2)。

      在此背景下，氢能有望发挥重要作用。

      ●  氢能的利用是达成碳中和的关键路径，其释放能量的过程中零碳排放。

      ●  氢能可以赋能可再生能源的规模利用。风光等可再生能源的发电具有天然的波动性，致使电力供应与负荷需求不匹配。氢能作为一种适宜长周期储存和运输、能够用于再发电的能源载体，可以有效缓解可再生能源电力供需不匹配的问题。

      随着能源转型的不断推进，在2050年净零排放情景下，氢能在全球最终能源消费占比预计将达到10%-15%(参阅图3)。

       二、氢能的优势

       尽管目前氢能在全球最终能源消费中占比还不到1%，但得益于其独特的优势，氢能具有非常广泛的应用潜力(参阅图4)。

       零排放：氢是一种独特的清洁能源，在燃烧产热时的唯一副产物为水，不会产生任何碳排放或其他温室气体排放。虽然目前全球绝大多数氢气仍然产自化石燃料，生产过程中会产生碳排放，但随着电解水制氢和可再生能源的不断发展，绿氢的占比将逐步增加，氢能在未来能够成为一种完全脱碳的清洁能源。

       热值高：氢的热值比各类化石燃料都高，能够达到汽油的三倍多、褐煤的九倍多，所以运输效率更高、能量释放更强。

       灵活变电：氢和电通过相互转化，可以形成一个“电—氢”耦合的能量系统。由于电力在当前和未来都会是应用最广泛的最终能源之一（2021年约占20%，预计2050年将增加到50%)，“氢—电”转化的灵活性使氢能能够广泛应用于多种场景。

      易获取：氢气可以通过电解水的方式快速制取，而电和水这两种物质都较为丰富且容易获取。

       三、中国氢能发展的有利环境

       作为世界第二大经济体，全球最大的能源消费国和碳排放国，中国已在碳减排方面付诸行动，这对遏制全球变暖至关重要。

       在实现碳中和的举措中，发展氢能是一项重要抓手。中国是目前是世界上最大的产氢国，年产量达3300万吨，占全球需求的三分之一。据预测，中国的氢气需求在2030年将达到3500万吨，2050年将达6000万吨。中国的氢气供应能力强，需求量大，发展前景广阔。

       （一）中国发布国家级氢能产业发展规划

       在中国，氢能已获得了多年的政策关注。早在2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中就对制氢、氢储存和输配技术和燃料电池技术提出了指导规划。2022年3月发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》(以下简称《规划》)是中国首个氢能产业中长期规划，作为国家级规划，其进一步明确了氢能在中国未来能源结构中的战略性定位，制定了中国氢能产业阶段性的发展目标，并提出了氢能在中国的应用场景，对中国氢能产业的发展具有深远的意义(参阅图5)。

       1. 战略定位

       在《规划》中，氢能和氢能产业的战略定位被明确为：

       （1）未来国家能源体系的重要组成部分；

       （2）用能终端实现绿色低碳转型的重要载体；

       （3）战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。

       2. 发展目标

       《规划》以每五年为一个阶段，明确了各阶段的氢能和氢能产业发展目标；

        （1）到2025年，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站。可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。

       （2）到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，产业布局合理有序，可再生能源制氢广泛应用，有力支撑碳达峰目标实现。

       （3）到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

       3.  应用场景

       除交通领域的试点应用外，《规划》还强调了氢能在工业和能源（包括氢能、电能和热能）领域的多元应用，通过引导用能终端的能源消费转型和高耗能、高排放行业绿色发展，发挥氢能对碳达峰、碳中和目标的支撑作用。

       此前，中国大多数氢能产业政策都集中在交通领域，尤其是燃料电池汽车的应用。随着国家和地方性政策的逐步落地，氢能在交通领域的先导性应用将为其他场景起到示范性作用，带动其他的氢能下游应用领域的进一步发展。

      （二）中国可再生能源供给的快速增长将促进氢能消费

       中国风光等可再生能源装机的快速增长，将会推动中国氢能产业发展成为可再生能源消纳的有效途径。

       2011年至2021年，中国的风能和太阳能发电装机量以29%的年复合增长率从48吉瓦迅速增长至635吉瓦，占2021年全国发电总装机量的27%。然而，2021年发电量只有12%来自于风能和太阳能发电。可再生能源装机量与发电量之间的巨大差异，是由于风光等可再生能源天然的间歇性和波动性导致的供需不匹配，同时由于缺乏调节手段面临送出难、消纳难的困境，从而造成大量弃电。在中国的北部和西部部分地区，风能和太阳能年度弃电率可高达30%。

       波动性的风光发电资源如无法被充分利用，中国能源结构转型的宏伟目标将受到挑战，因此持续发展建设可再生能源发电势在必行。随着可再生能源装机量的不断提升，发电侧与负荷侧的不匹配将持续增大，促使业内寻求高效利用可再生能源的方法，以突破可再生能源的发展瓶颈。

       氢能被视作是一个前景无限的答案。通过将电能转换成氢能，再通过多种途径将氢能加以利用，可以部分克服可再生能源本身的局限性，从而更好地匹配能源供给和需求。氢能也可以直接应用于丰富的下游场景，包括氢能交通、工业脱碳、大规模储能和运输等。

       在中国，随着下游氢能消费市场的增长和应用场景的拓展，上游可再生能源市场玩家纷纷投资布局氢能产业，推动氢能全产业链的发展。

       （三）中国西北地区具有得天独厚的绿氢发展优势

       绿氢产业的发展，离不开可再生能源的禀赋。纵观中国的版图，具有丰富风光资源的地区，集中分布在中国北部的内蒙古地区到西北部的新疆地区之间，以及东南沿海地区。其中，北部的内蒙古到新疆地区，呈一条弧形带分布着我国的沙漠与戈壁，具有光照强、风力大的特点，具备优越的可再生能源自然资源条件。比如，在内蒙古地区，全年有效日照时数可达到1,500-1,800小时，位居全国首位。丰富的可再生资源将有效降低当地可再生电力的获取和使用成本，进而推动绿氢产业发展。

       绿氢产业的发展，需要一定的水资源支撑。作为电解水制氢的最主要原料，水的可获取性同样决定了绿氢产业发展的成本及推广的难度。在内蒙古鄂尔多斯地区，黄河流过并形成“几”字湾，为当地的绿氢产业发展提供了关键的水资源保障。

       绿氢产业的发展，更需要地方政府的决心与推动。2022年全国超70%的绿氢示范项目规划落地内蒙古地区，其中鄂尔多斯示范区是重点区域。当地政府的决心体现在全球顶尖的科研能力构建、全方面的优渥政策引导，以及大规模的投资与引资计划，进而从技术研发、项目落地、产业链成熟三方面引领绿氢产业在全国的发展。