世界氢能技术与产业发展趋势

发表于：2020-09-17 来源：能源情报

文/何盛宝李庆勋王奕然李知春，中国石油石油化工研究院，石油科技论坛

习近平总书记从保障国家能源安全的全局高度，提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，要求以绿色低碳为方向，分类推动技术创新、产业创新、商业模式创新，把能源技术及其关联产业培育成带动我国产业升级的新增长点。

氢能是全球能源技术革命的重要方向，加快发展氢能产业，是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的战略选择，是贯彻落实党的十九大精神、构建“清洁低碳、安全高效”能源体系、推动能源供给侧结构性改革的重要举措。2019年，氢能首次写进了政府工作报告，要求“推动充电、加氢等设施建设”，国内氢能产业迎来发展良机。2020年5月22日，国家发改委受国务院委托，提请十三届全国人大三次会议审查的《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》中明确指出制定国家氢能产业发展战略规划，这是氢能首次被写入年度国民经济和社会发展计划。

氢能发展前景广阔，国际氢能委员会预计，到2050年，氢能将承担全球18%的能源终端需求，可能创造超过2.5万亿美元的市场价值，减少60亿t二氧化碳排放，燃料电池汽车将占据全球车辆的20%~25%，届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。国家能源局发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》将氢能划入了能源种类，并明确提出国家能源战略要实施节约优先、立足国内、绿色低碳和创新驱动的能源发展战略。把氢能从危险化学品中分离出来，将进一步推动我国氢能经济的健康有序发展。

1　世界氢能产业与技术发展现状及主要趋势

氢能是一种二次能源，不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采，必须由化石燃料或水通过化学反应制取。氢气一直是氨和甲醇生产的基础原料，随着油品质量升级，炼厂成为氢气最大的消费领域，全球的氢相关工业快速发展，市场规模从2011年的1871亿美元增长到2017年的2515亿美元。美国、欧洲和日本等发达国家和地区纷纷加大氢能研发投入和政策支持，重点研究乘用车、加氢站、公共汽车、电解水制氢装置、卡车五大应用领域。氢燃料电池乘用车整车成本已从2005年前的100万美元/辆，降到5~10万美元/辆的可接受范围。

1.1　氢气作为基础原料被广泛使用

氢来源广泛，工业氢气主要来源于天然气水蒸气重整和煤气化，氯碱、钢铁、焦化等工业也副产大量氢气，未来生物质、可再生能源制氢可获得无碳排放清洁氢气。氢化工原料的利用是目前最有希望实现氢能规模化利用的有效途径。2018年，全球纯氢消费量约为7390万t，合成甲醇、金属冶炼等产品中的含氢量约为4200万t，其中炼油及合成氨产业消费量达到纯氢总消费量的94.3%（表1）。随着氢能在能源领域的快速发展，未来氢气的需求量将快速增长。

世界氢能技术与产业发展趋势

1.2　美国、欧洲和日本氢能产业发展情况

能源转型背景下，发展氢能已经成为发达经济体的共识，美国、欧盟和日本等都将发展氢能产业作为国家能源战略，氢能与燃料电池在交通领域持续升温。

尤其是日本，政府全力支持氢能，汽车界、能源界和科技界全力参与，成为国际氢能领跑者。

1.2.1　美国氢能产业起步早、发展稳

美国一直重视新能源的开发与利用，在全球率先提出氢经济概念，先后出台《1990年氢气研究、开发及示范法案》《氢能前景法案》。进入21世纪，美国大力推进氢能领域的投入，2002年发布“国家氢能发展路线图”，标志着氢经济从构想转入行动阶段。2004年发布《氢立场计划》，明确氢经济发展要经过研发示范、市场转化、基础建设和市场扩张以及完成向氢能经济转化4个阶段。2012年，联邦预算63亿美元用于氢能、燃料电池等清洁能源的研发，并对境内氢能基础设施实行30%~50%的税收抵免。2019年，宣布为29个项目提供约4000万美元资金，跨部门实现低负担且可靠的规模化“制氢、运氢、储氢和氢应用”，推进氢能产业规模化。

1.2.2　欧洲氢能产业注重发挥整体作用

欧洲在氢能领域给予大量政策支持。2003年，欧盟25国开展“欧洲氢能和燃料电池技术平台”研究，对燃料电池和氢能技术发展进行重点攻关。2009年，欧盟完成“天然气管道运输掺氢”项目研究；壳牌、道达尔、法国液化空气集团、林德、戴姆勒等公司共同签署了H2Mobility项目合作备忘录，将在10年中投资3.5亿欧元，在德国境内建设加氢站；2015年和2016年分别启动了H2ME1计划和H2ME2计划，共投资1.7亿欧元，建设49座加氢站。截至2019年底，欧洲共建成运营177座加氢站，其中，德国87座、法国26座。

1.2.3　日本氢能产业发展重点突出

日本极力推进“氢能源社会”建设，曾计划以2020年东京奥运会为契机推广燃料电池汽车，全面利用氢能满足奥运村需求。日本政府强力支持关键氢能项目，燃料电池热电联供系统已安装34万台，计划2030年安装530万台。丰田、本田氢燃料电池汽车商业化，2019年9月全球第10000辆Mirai下线。加氢基础设施重点是基础研究和材料、车载储氢容器、氢气运输及加氢站，截至2019年底，日本建成运营的加氢站共114座。

1.2.4　美欧日依据本国特点制定各自氢能发展路线图

为了更好地推进氢能产业发展，促进技术开发，美国、欧洲和日本分别公布了氢能发展路线图。美国氢能发展主要关注氢能产业推广，对氢燃料电池车、加氢站数量有明确预测；日本氢能发展更多关注技术开发，加氢站建设及运营成本、氢燃料电池车价格每经过一个阶段都有较大幅度下降；欧洲则更关注氢能发展对二氧化碳减排的作用（图1）。

世界氢能技术与产业发展趋势

1.3　氢能技术发展现状及主要趋势

氢能产业链包括制氢、储存、运输及氢气利用，不同技术路线会在不同的时间节点推动乃至引领氢能产业链发展。“灰氢不可取，蓝氢可以用，废氢可回收，绿氢是方向”获得业界认同，预计2050年加氢站用氢将实现100%绿色制氢（表2）。

世界氢能技术与产业发展趋势

1.3.1　零碳排放制氢快速发展

天然气制氢是主要的制氢方式，占全球氢气产量的76%，每年用于制氢消耗的天然气超过2000亿m3；煤气化制氢是另一种重要氢气来源，每年有超过1亿t煤炭用于氢气生产。能源公司多倾向将天然气制氢+CCS作为向绿氢过渡阶段的主要制氢技术，近年来建成的大型制氢装置不断增加。虽然可再生电力电解水制氢现阶段只占全球氢气产量的2%左右，但潜力巨大。碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水是3类主要的电解水制氢技术，其中，碱性电解水制氢已商业化应用多年，质子交换膜制氢产品纯度高、设备体积小、重量轻，固体氧化物制氢用电效率高、燃料费用低。

1.3.2　高效低成本储运氢是关键

目前，氢气主要以自产自用的方式大规模投入使用，欧美炼厂氢气主要来源于专业气体生产商。长距离输送时，管道输氢具有很强的竞争力，但全球输氢管道总长不超过5000km。美国拥有2500km的输氢管道，空气产品公司在美国墨西哥湾地区管道输运氢气量超过4000万m3/d。中国目前仅有100km输氢管道，最长的两条是中国石化巴陵石化—长岭炼化42km输氢管线和河南济源—洛阳吉利24km输氢管线。随着氢能产业发展，大宗氢气跨境贸易的发展潜力巨大。

1.3.3　稳步推进加氢站建设

氢燃料电池汽车运行成本高的主要原因是加氢站基础设施尚处在建设初期，各国都在加快加氢站网络建设。截至2019年底，全球建成投用的加氢站共计432座，约30%为液氢储运加氢站，主要分布于日本和美国，中国现主要以高压氢气站为主，欧洲大多数加氢站则采用电解水方式制氢。美国供应氢燃料电池汽车的单个加氢站数量最多，中国加氢站主要为公共汽车等大型车辆提供加氢服务，日本虽然加氢站数量全球第一，但氢气加注量远低于中美两国。2019年，美国、中国、日本的氢气加注量分别为6000t、2500t、200t。

1.3.4　低铂/无铂燃料电池开发加快

车用燃料电池主要是质子交换膜燃料电池。经过全球范围内近10年的持续研发，车用燃料电池在能量效率、功率密度、低温启动等方面已取得突破性进展，新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。氢燃料电池催化剂以Pt/C催化剂为主，目前铂用量保持在0.3~0.5g/kW的水平，降低铂用量并寻求廉价替代催化剂是发展目标，预计铂用量可降至0.1g/kW。

1.3.5　燃料电池和氢能标准不断完善

氢能产业链长、技术门槛高，标准化工作有利于促进技术的国际应用和推广，提升产品质量。环保、经济、安全、高效运行均离不开标准化。ISO/TC197是主要负责氢能安全性、加氢站、氢燃料等重要领域的标准化工作，已发布标准18项。IEC/TC105主要负责燃料电池及其应用相关的国际标准制定，涉及燃料电池发电系统、交通工具用燃料电池等，已发布标准14项。中国已分别发布氢能、燃料电池标准19项、30项。

2　中国氢能产业和技术发展迅速

我国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初，当时主要为火箭生产液氢燃料。进入21世纪后，我国出台了一系列政策以支持民用氢能的发展。

2.1　政府持续出台扶持政策

2006年，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，重点研究高效低成本化石能源制氢、可再生能源制氢、氢气储存和输配技术。“十三五”以来，相继发布《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》《中国制造2025》等顶层规划，并将“推进加氢设施建设”写入2019年政府工作报告，引导和鼓励氢能及燃料电池产业发展。

2.2　成立创新战略联盟，行业投资踊跃

2018年，由国家能源集团牵头，17家能源、装备制造、交通运输、冶金材料等行业的大型企业、知名高校和研究机构发起，成立了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟，旨在推动中国氢能及燃料电池产业的协同创新、资源整合、推广应用，目前该联盟的成员数量已达72家单位。据不完全统计，2019年，国内氢能投资超过2000亿元，呈现井喷态势，投资领域遍及氢能全产业链。

2.3　技术研发直追先进国家，产业化和市场培育尚有差距

在制氢方面，国内已拥有大规模煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢的工程技术集成能力，并掌握了氢气液化关键技术，具备碱性电解水设备制造、工艺集成能力；在加氢站方面，具有自主研发生产35MPa加氢机能力，完成70MPa加氢机实验样机开发；在氢气压缩机方面，具备45MPa小流量自主研发制造能力，拥有87.5MPa压力试验样机；燃料电池技术储备较好，处于应用示范阶段，目前仍落后于国际领先水平；氢安全具备一定技术基础。总体看，我国氢能基础研究与国际水平相近，甚至有超越趋势，但产业化开发和市场培育与先进国家相比尚有差距。

2.4　氢能产业集群已具雏形

当前，我国氢能产业仍处于商业化初期。近年来，在国家政策大力支持下，地方政府和企业对发展氢能表现出极大热情，投资热潮不断。我国已形成京津冀、长三角、珠三角、华中、西北、西南、东北7个氢能产业集群，氢能产业示范园和氢能小镇如雨后春笋般涌现，相关的产业配套和商业化应用体系也在逐渐探索和完善，完整的氢能产业链逐步形成。

3　石油公司加快推进氢能产业与技术发展的重要意义

氢能与石油公司的传统产业链关系十分紧密，与石油石化行业契合度极高。氢能产业链长，涵盖氢气制取、储存、运输和应用，这与交通燃料油、天然气供应模式高度符合，推进氢能产业与技术发展既可对现有业务形成有益补充，提供清洁能源，更可促进石油公司向综合性能源公司转型。

3.1　推进氢能产业是保障国家能源安全的战略需要

当前，世界能源格局正在深刻调整，新一轮能源革命已经开始，氢能是解决能源资源危机和环境危机的重要探索方向。全球各国把氢能源作为战略资源，积极开发氢能，逐步摆脱对化石能源的依赖。随着可再生能源技术不断进步，风电、光电将在不远的将来成为主力能源品种。氢能可灵活实现氢电转换，既解决了可再生能源不稳定的问题，还可以生产含碳化学品，降低二氧化碳排放，降低能源对外依存度。

3.2　加快氢能科技创新是适应新能源科技革命的必然选择

清洁化与低碳化是全球能源发展大势，发达经济体正处于从“油气时代”向“天然气+可再生能源时代”的转型，石油公司须提前谋划接替性的能源业务。以壳牌、BP、道达尔、中国石化、中国石油为代表的国内外大石油公司，在化石能源制氢、可再生能源制氢、加氢站建设运营领域进行了长期技术积累和产业培育，壳牌、BP计划在2050年甚至更早实现净零碳排放。

3.3　突破氢能关键技术是提升企业核心竞争力的现实需要

以电动汽车为代表的新能源汽车产销量迅速增加，预计2025年，氢燃料汽车迎来商业化推广阶段，将促使传统加油站产业发生根本性变革，甚至可能颠覆整个传统油气行业，石油公司必须未雨绸缪。在氢气生产方面，炼厂副产氢提纯供应加氢站，短期内是有经济竞争力的氢源，长期看，油田矿区面积大、光照好，适于可再生能源大规模低成本开发；在加氢站建设运营方面，石油公司加油站数量庞大，区位优势显著，可部分改造为加油加氢一体站，既节约宝贵的土地资源，又可快速培育忠实客户群。

3.4　发展氢能将助力石油公司向油气电氢协同转型

全球电能占终端能源消费的比重持续提高，2035年比重将接近40%，2050年预计超过50%，成为终端能源消费的绝对主体。石油公司发展氢能是介入电能业务的又一契机，也是公司未来业务可持续发展的必然选择。一方面，风能、太阳能等可再生能源发电已经实现商业化，但由于输出电力波动性大的特点，需要调峰电源和储能介质，天然气发电及氢储能可以解决上述问题。另一方面，可再生能源的就地消纳符合国家能源发展战略，也符合国家在能源生产基地发展高载能产业的要求，未来具备较好的市场空间和发展不依赖于大电网的供售电模式。石油公司发展氢能可以助力可再生能源连续稳定供应，拓展业务领域，实现油气电氢协同可持续发展。

4　石油公司发展氢能产业与技术的思考与建议

中国在全球氢能产业发展中扮演重要角色，氢能产业开发要立足于自身资源禀赋，开发氢气制取、储运和高效利用技术“硬翼”，同时制定和完善标准、专利等知识产权“软翼”，“一体两翼”推进氢能开发利用（图2）。

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