我國氫應用發展現狀及趨勢展望

張景新 孟嘉樂 呂坤鍵 王興艷

隨著清潔能源應用技術的不斷成熟和我國能源結構調整的持續推進，氫能行業發展勢頭持續向好，并于2019年被首次寫入《政府工作報告》。2020年國家發展和改革委、國家能源局等中央多部委已多次提及氫能，2020年11月2日《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》的發布，標志著我國氫能商業化應用邁出重要的一步。

1 我國氫能產業發展現狀

1.1 產業規模不斷擴大

2013—2019年，我國氫氣產量規模逐年遞增，2019年突破2 200萬t，成為世界第一產氫大國（圖1）。其中，煤氣化制氫近1 100萬t、工業副產氫達800萬t，而電解水制氫和生物制氫由于技術和成本限制，占制氫總量比例較低（約2%～4%），氫應用行業工業產值接近4 000億元。

1.2 企業數量持續增加

據統計，截至2020年8月，我國氫能產業鏈相關企業工商登記數量達到2 196家。其中，2018年新增 271家，2019年新增529家，同比增長47.8%；2020年雖受新冠疫情影響，1-6月我國氫能領域新注冊企業依然達到242家，較2019年同期基本持平，而近5年氫能相關企業新增注冊量增長達457%（圖2）。從企業層面看，我國氫能領域大多為重資產企業，有63%的企業注冊資本在500萬元以上，其中42%的企業注冊資本超過1 000萬元。從企業分布看，廣東省以381家的企業數量排名第1，約占全國總量的17.35%，江蘇、山東分列第2位和第3位，分別為229家和159家（圖3）。

1.3 技術路線日漸明確

我國在氫的制取、儲存、運輸和應用等產業鏈關鍵環節加快布局，初步形成了較為完整的產業鏈條。

上游制氫與純化：我國擁有相對成熟的規?；a技術（化石原料制氫、工業副產氫）和較明確的長期發展方向（可再生能源電解水制氫）。

中游儲運：氫氣的大規模安全儲運是現階段氫能商業化應用亟待突破的“瓶頸”。目前高壓氣態儲氫為主要技術方向，如車用儲氫罐、運輸儲氫罐、固定式儲氫設備（加氫站）等，液氫罐車、管道等大規模運輸尚處于研究階段。

氫應用：我國有超過90%的氫能消費集中在石油化工、鋼鐵冶金等工業原料領域，氫作為能源消費的市場規模依然較小，近幾年氫在建筑領域、民用液氫等領域發展潛力凸顯，氫健康、氫農業也有望成為未來氫消費新的增長點。

1.4 產業布局初步形成

2019年，廣東、山西等10個?。ㄗ灾螀^、直轄市）將發展氫能寫入政府工作報告，北京、上海、江蘇、山東、河北等20余個?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^）依托自身資源優勢出臺本地氫能產業發展規劃或行動計劃，并先行先試推動氫能產業化進程。園區布局方面，目前全國處于規劃或建設的氫能產業園、氫能小鎮、氫谷等園區約30個，其中華東地區氫能產業園區數量最多，共有14個，華南地區有5個，華北地區4個，東北地區2個，初步形成了以環渤海、長三角、珠三角和川渝鄂為代表的4個產業集聚區。

2 氫應用場景分析

2.1 氫工業：化工、石油煉制和冶金是最主要的應用領域

目前，我國已具備一定的氫應用基礎，但是仍以工業原料為主。據統計，有約90%～95%的氫能消費應用集中在石油化工、鋼鐵冶金等領域，其中化工領域合成氨用氫占比最高，石油煉制工業用氫量次之。今后，氫在冶金領域的應用十分值得期待，一方面氫氣不僅可以用作清潔燃料，還可以用作還原氣，另一方面將金屬氧化物還原成金屬，氫氣還可以作為保護氣以使金屬不被氧化。目前中國寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開始可再生能源制氫-氫能冶金立項，探尋循環經濟的可行性。

2.2 氫交通：產業正迎來黃金發展期

2019年我國氫燃料電池裝機量為128.1MW，同比增長140.5%，增速是上一年度的2倍有余，上海重塑能源科技有限公司、北京億華通科技股份有限公司、江蘇清能新能源技術股份有限公司成為中國氫燃料電池系統裝機量排名前3的企業。2019年，中國燃料電池汽車產銷分別完成2 833輛和2 737輛，同比分別增長85.5%和79.2%（圖4）。目前，全國燃料電池車累計數量突破6 000輛，廣東、北京、河北3地的燃料電池車銷售量約占全國80%。雖然受疫情影響，2020年一季度燃料電池汽車產銷分別完成了183臺和207臺，同比下降19.7%和7.2%，但長期來看，氫在交通領域的應用將大有作為。

2.3 綠氫出口：中國氫能商品化優勢突出

根據S&P最新報告顯示，隨著歐洲脫碳轉型、日韓氫能社會的持續推進，未來十年綠色氫能（以下簡稱“綠氫”）行業將擁有大量的增長機會，圖5所示為可再生能源制備綠氫示意圖。研究表明，中國具備大規模生產綠氫的潛力，預計“十四五”期間全國風能裝機容量和太陽能裝機容量分別可達53GW和58GW，到2025年，可實現非化石能源占整體能源結構的19%的目標，這將為中國未來綠氫出口提供堅實的基礎。同時，利用可再生能源生產綠氫可以降低其在傳統電網運輸中的損耗，使可再生能源以電網、氫網形式輸出（“輸電+輸氫”結構），進而較好地解決“棄光、棄風、棄水”的問題。

中國綠氫貿易區位優勢突出。一方面，山東、遼寧、吉林等地鄰近綠氫消費大國日本、韓國，可利用當地豐富的氫氣資源，圍繞綠氫制備、儲運打造產業基地，通過航運、管道運輸等形式向日韓出口。另一方面，發揮新疆、甘肅、內蒙古等地區太陽能、風能資源優勢，在中西部地區布局綠氫生產基地，通過中歐國際班列出口綠氫。

2.4 民用液氫：液氫加氫站將是重要發展方向

截至2019年底，全球單日液氫總產能已突破470t/天，其中，美國的液氫生產和應用的全球占比達85%，而中國僅占1%。從建設規模來看，美國有超過15座液氫工廠，產能達326t/天，居全球首位；亞洲擁有16座，總產能38.3t/天，其中日本占亞洲2/3。歐洲已建成4座液氫工廠，產能為24t/天。未來隨著中國民用氫液化、儲運技術和標準加快創新，及氫能和燃料電池關鍵技術的持續突破，國內民用液氫市場將迎來高速發展期，涉及相關企業有成都深冷液化設備股份有限公司、江蘇國富氫能技術裝備有限公司、鴻達興業集團有限公司、北京中科富海低溫科技有限公司等。

2.5 其他方向

氫在健康領域應用研究處于初期，利用氫氣的抗氧化性用于輔助治療也有所報道，但要警惕市場過度炒作；氫在提升植物抵御逆環境脅迫能力以及提高蔬菜、瓜果和花卉的生產和延長保鮮等方面有一些基礎研究，但從目前發展來看，農業生產中大規模運用氫技術、氫的使用方法和經濟價值仍待進一步研究和創新。

3 需要關注的問題

3.1 頂層設計亟待進一步完善

目前，美、日、澳、韓、德等發達國家已經發布了國家氫能產業發展規劃（或路線圖），明確了氫能產業發展方向和戰略定位。而我國作為世界第一產氫大國，具有豐富的資源基礎，盡管從戰略層面肯定氫能產業的發展，并且有20多個省市發布相關規劃，但國家層面在氫能產業發展戰略、目標和重點方向上，更多的是將氫能作為新能源汽車產業發展的一部分進行設計和規劃，在頂層設計、產業配套方面亟待加強，一定程度暫緩了氫能產業化應用進程。

3.2 核心技術自主創新能力有待突破

我國氫能產業發展取得了長足的進步，初步具備產業化條件，但仍存在某些環節核心技術、關鍵部件和材料被少數發達國家壟斷自主性不強的問題，導致我國裝車的氫燃料電池汽車中采用國外電堆和技術占比超過70%。另外，氫氣的供應鏈體系還不健全，傳統技術在氫氣制備、儲運和整個供應鏈體系依然占比較大，從清潔能源中提取的氫氣占比非常小，氫應用主要集中在工業領域和交通領域，其他應用方向拓展速度較慢。

3.3 體制機制亟需創新

氫燃料電池在交通領域的應用已成為氫能發展的強勁動力，但相關行業法規標準、體制機制難以滿足產業快速發展的需求，關于氫品質、儲運、應用的全行業測試標準和監管體系不健全，使得產業鏈條下產品的市場化進程相對較慢?；A設施建設審批程序和運營監管標準不完善，尤其在加氫站建設方面，無明確的歸屬管理部門，建站標準法規、政策體系相對老化或缺失，導致加氫站審批難度較大、周期長，基礎設施不足已成為燃料電池汽車發展的第一大難題。

3.4 商業化運作模式尚不成熟

全產業鏈成本高是制約商業化運行的重要原因。制氫環節，現有制氫技術的經濟性和環保風險（灰氫）依然存在，可再生能源制氫相對效率低、綜合成本高、市場化受限。儲氫環節，高效、安全、穩定的低成本儲氫技術與國外差距相對較大，與大規模商業化應用仍有一定距離。用氫環節，關鍵核心技術國產化程度低，導致氫應用成本高，企業盈利較為困難，而加氫站等基礎設施的“自我輸血”能力難以達到收支平衡，也會影響氫能商業化推廣應用。

4 氫應用趨勢及展望

4.1 氫能在天然氣行業的應用將成為世界趨勢

近年來，氫能作為向脫碳能源系統過渡過程中必不可少的手段，日本、澳大利亞、德國、意大利等建設了大量的天然氣輸配基礎設施，并試點通過天然氣輸配管網摻混氫氣。研究表明，當氫氣含量較低時，可以在不做重大技術調整和重大投資的情況下摻混至天然氣，隨著經濟性和安全性的不斷提升，以及在現有基礎設施的基礎上加快建設“運氫走廊”，氫能在天然氣行業的應用將成為一種趨勢。

4.2 “綠氫”有望在傳統化工行業轉型升級中發揮重要作用

在全球性控制碳排放的背景下，各國面臨煤炭消費壓減和二氧化碳（CO2）減排的巨大壓力，“綠氫”為傳統化工產業綠色化、高端化發展提供新思路。一是代替灰氫作為原料應用在煤化工領域（“綠氫煤化工”），可有效降低能源產品（如甲醇、二甲醚等）生產中的CO2排放和煤炭消耗量，實現煤炭的清潔高效利用。二是與高端煤基新材料產業鏈有效融合，生產甲醇和烯烴等高端材料，實現可再生能源向高端化工新材料的有效轉化。

4.3 氫能與可再生能源融合將帶動更多新應用場景

氫能技術和可再生能源技術相互結合，將加快以清潔能源為主的多元能源供給系統向其他行業滲透，推動以煤炭、油氣、電力集中式資源供給，向集中式與“分散式”并重發展，尤其是隨著新能源汽車、人工智能、區塊鏈等新技術的迅速發展，引發交通運輸、能源、建筑等傳統產業變革并催生氫能社區、氫能電站、能源互聯網等新產品、新業態。未來隨著交通運輸場景發生顛覆性的改變，更多的驅動系統會應用到氫能，氫能在商用卡車、大巴車、無人機等領域持續滲透，并在鐵路、航運、航空等重型運輸場景實現新突破，助力社會經濟發展和生活消費的綠色轉型。

5 結語

在全球綠色低碳轉型的大方向下，以氫能為代表的清潔能源正迎來重要的發展機遇期，江蘇、廣東、江蘇、山東等地加快在氫應用環節布局，競相搶占未來氫能市場的突破口。未來氫應用發展方向將更加貼近生活，并借助一個個新場景，成為更加綠色高效、安全可持續的朝陽產業。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.010