中國(guó)將加快氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展 氫能源行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

• 2020年12月22日 HaoChenChong來源：至誠(chéng)財(cái)經(jīng) 444 22
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國(guó)新辦21日發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書指出，加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化已進(jìn)入快速通道。

中國(guó)將加快氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

國(guó)新辦21日發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書指出，加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化已進(jìn)入快速通道。

有關(guān)人士測(cè)算，2021年系統(tǒng)和電堆平均成本分別為3827元/kW、1700元/kW，相較2018年降幅60%左右。行業(yè)遠(yuǎn)期市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到萬億級(jí)別。

氫能源行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

近年來，隨著氫能利用技術(shù)發(fā)展成熟，以及應(yīng)對(duì)氣候變化壓力持續(xù)增大，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，氫能已經(jīng)納入我國(guó)能源戰(zhàn)略，成為我國(guó)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和保障國(guó)家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的前置條件，能帶動(dòng)高端裝備制造業(yè)快速發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)涵豐富，主要包括氫源、氫能儲(chǔ)存與輸送、氫能加注及氫安全等。我國(guó)氫源資源豐富多樣，包括化石燃料制氫、可再生能源制氫及工業(yè)副產(chǎn)氣制氫等;水電解制氫及變壓吸附提純氫等制氫技術(shù)與裝備發(fā)展成熟;氫安全技術(shù)發(fā)展緊跟國(guó)際先進(jìn)水平，高壓氫氣瓶和儲(chǔ)罐技術(shù)已取得重大突破;氫能加注基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展滯后于美國(guó)、日本及德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，但近幾年來呈現(xiàn)快速遞增趨勢(shì);氫能與燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建完成，積極與國(guó)際接軌，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用逐步顯現(xiàn)。

到2020年，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展將取得重大突破。其中，以能源形式利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)到720億m3;加氫站數(shù)量達(dá)到100座;燃料電池車輛達(dá)到10000輛;氫能軌道交通車輛達(dá)到50列;行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3000億元。到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破10000億元;加氫站數(shù)量達(dá)到1000座，燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬輛，高壓氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)里程達(dá)到3000km，氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系完善程度迫近發(fā)達(dá)國(guó)家水平，氫能與燃料電池檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展及服務(wù)平臺(tái)建設(shè)形成對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效支撐。

根據(jù)中研普華研究院報(bào)告《2020-2025年中國(guó)氫能源行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)分析顯示：

一、世界氫能源行業(yè)發(fā)展概況

18世紀(jì)60年代歐洲開始工業(yè)革命(The Industrial Revolution)，化石燃料(原煤、原油和天然氣)就成為人類主要利用的一次能源，并且消費(fèi)量逐年增高，從而造成環(huán)境污染以及全球氣候暖化。盡管這種現(xiàn)實(shí)目前還無法改變，但清潔能源以快速增長(zhǎng)取代化石燃料，將逐步走向清潔的氫能時(shí)代。

在宇宙誕生時(shí)，就存在氫和氦。氫為95%，氦為4%，1%為重陽子。當(dāng)星球發(fā)生核聚變反應(yīng)，生成了較重的元素，氫降低到90%，其他元素則增加，因此，氫是地球上最多的元素。

氫(Hydrogen)是元素周期表中第一位元素。化學(xué)式H2，無色無味的氣體。很難液化(沸點(diǎn)-252.870C，臨界溫度-239.90C)，凝固點(diǎn)-259.140C。化學(xué)性質(zhì)活潑，能燃燒，能與許多金屬和非金屬直接化合。

利用液態(tài)氫可以獲得低溫，也可作高速火箭的燃料，氫也是燃料電池的能源。氫存在于自然界中的水、烴類等化合物中，但氫不能以一種單獨(dú)的資源形式存在于地球上，所以不是一次能源。

氫能時(shí)代

氫能時(shí)代(HydrogenEra)以氫能作為主要能源的時(shí)代，將是一種理想的能源時(shí)代。氫能時(shí)代是以天然氣作為過渡能源，向氫能時(shí)代逐步發(fā)展。氫能將是人類社會(huì)遠(yuǎn)期主要的、絕對(duì)清潔的能源。

制氫途徑

氫能是一種二次能源，因?yàn)樗峭ㄟ^一定的方法利用其他能源來制取的。在自然界中，氫(H2)和氧(O2)結(jié)合成水(H2O)而存在的，必須采用熱分解或電解的方法分離出來氫。

分離方式很多，可以采用化石燃料、核燃料或再生能源分離方式，簡(jiǎn)言之，一次能源都可以分離水的氫和氧，但采用化石燃料燃燒所產(chǎn)生的熱或所轉(zhuǎn)換成的電能來分解水制氫，經(jīng)濟(jì)上不可行。

圖表：全球一次能源制取氫的途徑分析

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院

1、化石燃料制氫

利用化石燃料(以天然氣最方便)制氫時(shí)，燃料通過與氧或空氣作用主要生成氫和一氧化碳，然后在催化反應(yīng)器里使一氧化碳和蒸汽反應(yīng)，以產(chǎn)生二氧化碳和更多的氫。這種方式通常應(yīng)用于生產(chǎn)合成氨和其他化工產(chǎn)品。

如丹麥托普索公司(HaldorTopsoe)開發(fā)的一種部分氧化制氫法，其工藝過程是將天然氣或石腦油與蒸汽的混合物預(yù)熱到540～6500C，引入到自熱反應(yīng)器頂部，在此與另一股預(yù)熱過的富氧空氣與蒸汽的混合物混合，產(chǎn)生部分燃燒，使溫度升高，并在鎳(Ni)催化劑作用下完成蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。溫度為930～9800C的合成氣通過廢熱鍋爐降溫后，再經(jīng)過變換，二氧化碳脫除和甲烷化等過程，最后獲得高純度氫氣。

2、核燃料制氫

利用核燃料生產(chǎn)氫有兩種方式：

(1)水電解制氫。核能生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣;

(2)熱化學(xué)循環(huán)制氫。該法既可以降低反應(yīng)溫度，又可以避免氫-氧分離問題，而循環(huán)中所用的其他試劑都可以循環(huán)使用。

3、再生能源制氫

利用再生能源生產(chǎn)氫有兩種方式：

(1)水電解制氫。再生能源生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣;

(2)蒸汽轉(zhuǎn)化制氫。各種生物質(zhì)經(jīng)由蒸汽催化轉(zhuǎn)化制取氫。

可再生氫

當(dāng)前全球氫氣生產(chǎn)48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，而水電解只占4%。這里談及的“氫能”主要指再生能源制取氫，也不排斥核能生產(chǎn)氫，但跟化石燃料制取氫無關(guān)。利用可再生能源制取氫是新能源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，被稱為拯救地球的動(dòng)力。

已經(jīng)提出了“可再生氫(renewablehydrogen)”的概念，正在開展的研究包括：利用可再生電力電解水制氫、生物質(zhì)氣化和蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫、生物質(zhì)熱解制取氫、光電化學(xué)法制取氫和太陽能與熱化學(xué)循環(huán)耦合制取氫等。如果在這些生產(chǎn)過程中使用可再生能源或核能制取氫，那么整個(gè)制氫流程的二氧化碳排放可以趨向于零。

可再生能源如光伏、風(fēng)電場(chǎng)、海洋能等生產(chǎn)的電力是間歇性的、不穩(wěn)定的，而且多數(shù)在電力需求小的邊遠(yuǎn)地區(qū)。如果能夠聯(lián)網(wǎng)直接供給消費(fèi)地如沿海地區(qū)，問題就簡(jiǎn)單了，當(dāng)其再生電力無法使用，于是產(chǎn)生“棄風(fēng)限電”這種現(xiàn)象。風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電力過剩，采用電解水產(chǎn)生氫，然后注入燃料電池汽車。電解生產(chǎn)的氫經(jīng)由壓縮機(jī)儲(chǔ)存在200bar(1bar=0.98692標(biāo)準(zhǔn)氣壓)的儲(chǔ)罐里，以便供應(yīng)給燃料電池汽車。

氫氣儲(chǔ)存

氫氣儲(chǔ)能可看作是一種化學(xué)儲(chǔ)能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風(fēng)電場(chǎng)制氫儲(chǔ)能技術(shù)為例，其核心思想是當(dāng)風(fēng)電充足但無法聯(lián)網(wǎng)、需要棄風(fēng)時(shí)，利用風(fēng)電將水電解制成氫氣(和氧氣)，將氫氣儲(chǔ)存起來;當(dāng)需要電能時(shí)，將儲(chǔ)存的氫氣通過不同方式(內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或其他方式)轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。

通常所指的氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是電-氫-電的循環(huán)，且不同于常規(guī)的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環(huán)節(jié)，多以功率(kW)計(jì)算容量，代表氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的“充電”功率;后端的燃料電池環(huán)節(jié)，也以功率(kW)計(jì)算容量，表示氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的“放電”功率;中間的儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，多以氫氣的體積(標(biāo)準(zhǔn)立方米Nm3)計(jì)算容量，儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的容量大小決定了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)“充電”或“放電”的時(shí)長(zhǎng)，所以如果想增加電能的儲(chǔ)存容量，加大儲(chǔ)氫罐的體積或壓力即可。

已被確認(rèn)并被使用的氫氣儲(chǔ)存是經(jīng)由壓縮或液化的純氫儲(chǔ)存;常用的氫氣儲(chǔ)存是壓縮氫氣。隨著壓力的增加，氫密度隨之增加。

另外還有兩種成熟的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)：

1、地下儲(chǔ)存氫(Undergroundhydrogenstorage)是在地下洞穴、鹽丘和枯竭的油氣田儲(chǔ)存氫氣。ICI(英國(guó)帝國(guó)石油公司)把大量的氫儲(chǔ)存在地下沒有發(fā)生任何困難，大量液態(tài)氫儲(chǔ)存可作為電網(wǎng)儲(chǔ)能使用。地下儲(chǔ)存氫往返效率約40%(抽水儲(chǔ)能為75～80%)，其費(fèi)用高于抽水儲(chǔ)能，但地下儲(chǔ)存氫氣仍被采用，其原因是初次建設(shè)費(fèi)用低，容量大。

2、電轉(zhuǎn)氣(Powertogas，簡(jiǎn)寫P2G)是將電能轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)，解決再生能源電力儲(chǔ)存的難題的一項(xiàng)技術(shù)。目前采用三種方式，但所有的方法都是借助于電力將水分解為氫和氧。

第一種方法是將所產(chǎn)生的氫氣輸入天然氣管網(wǎng)作為交通運(yùn)輸燃料或工業(yè)利用。

第二種方法是將氫和二氧化碳相結(jié)合，把這兩種氣體采用甲烷化反應(yīng)如薩巴捷反應(yīng)(Sabatierreaction)轉(zhuǎn)化為甲烷(天然氣)，或者采用生物甲烷化，但會(huì)造成8%額外能量損失，然后輸入天然氣管網(wǎng)。

氫氣儲(chǔ)存仍然處于研究之中，燃料電池汽車是未來汽車發(fā)展的方向。燃料電池汽車氫儲(chǔ)存有三種方式;

壓縮后儲(chǔ)存在高壓容器中;

液化后儲(chǔ)存在絕熱容器中;

與某些金屬及合金化合后以固體氫化物儲(chǔ)存。在這種儲(chǔ)存方法中，金屬及合金的氫化物吸附氫就像海綿吸水一樣，儲(chǔ)氫效率高。

目前，世界上三種儲(chǔ)氫方法都有試驗(yàn)樣車。如美國(guó)邁阿密汽車使用壓縮氫氣;加利福尼亞公共汽車使用氫化物儲(chǔ)存氫;德國(guó)的一些示范公共汽車使用液態(tài)氫。

要使氫能達(dá)到規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用其關(guān)鍵問題是：

⑴制氫技術(shù)。由于氫是一種二次能源，現(xiàn)有的制氫技術(shù)能耗大，效率低，價(jià)格昂貴。

⑵安全可靠的儲(chǔ)運(yùn)方法。由于液氫溫度很低(-253攝氏度)，易氣化、著火、爆炸，因此需解決氫能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。

因此，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的研究一直在進(jìn)行中，名目繁多，其中儲(chǔ)氫合金特別值得關(guān)注。

利用儲(chǔ)氫合金(金屬氫化物)來儲(chǔ)存氫氣。在一定的溫度和壓力條件下，儲(chǔ)氫金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。然后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會(huì)分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。這種會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱為“儲(chǔ)氫合金”。

儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。單位體積儲(chǔ)氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲(chǔ)存了1000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。

由于儲(chǔ)氫合金都是固體，既不用儲(chǔ)存高壓氫氣的鋼瓶，又不需存放液態(tài)氫極低的溫度條件，需要儲(chǔ)氫時(shí)，使合金與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物并放出熱量，需要用氫時(shí)通過加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋放出來。因此儲(chǔ)氫合金是一種簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。

儲(chǔ)氫合金主要有鈦系儲(chǔ)氫合金、鋯系儲(chǔ)氫合金、鐵系儲(chǔ)氫合金及稀土系儲(chǔ)氫合金。

想要了解更多氫能源行業(yè)專業(yè)分析，請(qǐng)關(guān)注中研普華研究院報(bào)告《2020-2025年中國(guó)氫能源行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告》

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