氢能产业链之-用氢篇

嘉兴市长三角氢能产业促进会 2023-12-20

氢能产业应用场景广泛氢能产业应用场景广泛，燃料电池为初期应用主要突破口。氢能产业是科技和资本密集型产业，涉及领域包括新材料、电力装备、新能源汽车、航空航天、国防军工等，能有效带动传统产业转型升级并催生新的产业链。氢能应用场景广泛分为交通、工业、发电和储能四个方向。

01 氢能产业应用场景广泛

氢能产业应用场景广泛，燃料电池为初期应用主要突破口。氢能产业是科技和资本密集型产业，涉及领域包括新材料、电力装备、新能源汽车、航空航天、国防军工等，能有效带动传统产业转型升级并催生新的产业链。氢能应用场景广泛分为交通、工业、发电和储能四个方向。目前由于氢能技术尚处在发展时期，其储运问题、应用稳定性等问题尚未完全解决，因此目前交通领域是氢能初期应用的主要突破口，也是商业化应用前景较为清晰的市场。未来随着氢能技术的不断成熟以及制氢成本的不断下降，氢能在工业、发电和储能领域的应用会更加广泛。

我国已明确提出了2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标，但想实现这个目标并非易事。据统计，我国目前年二氧化碳排放量在100亿吨左右，已达到全球年排放总量的25%左右。目前，在我国所有碳排放量中，发电（供热）的占比为45%，工业占比39%，交通占比10%。而发电（供热）的主要终端消费者为工业(64.6%)和建筑(28%)。根据碳排放交易网，二氧化碳的主要排放源为工业（68.1%左右）、建筑（17.6%左右）与交通（10.2%左右）。

图 1 不同领域碳排放量占比

氢能是实现“双碳”目标的重要工具。减少CO2的排放，其中一个重要的途径就是从源头上减少CO2的排放。氢能在工业、建筑、交通等领域均有大规模取代传统能源的潜力，在工业领域，氢能可代替传统的燃料参与炼钢，可参与化工行业的多个环节；在建筑领域，氢能可掺杂进天然气中作为日常能源来源，可代替传统燃料进行供暖；在交通领域，氢能可作为燃料电池的燃料，用于氢燃料电池乘用车、公交车，氢燃料电池叉车，氢燃料电池飞机以及氢燃料电池船只等多种交通工具。氢能可以从多个领域极大地减少CO2排放，具有优良性能，特别是在某些难以利用清洁电力深度脱碳的领域，例如锂电池替代能力较差的重载交通领域、利用灰氢的传统炼化、合成、炼钢等领域的深度脱碳。

02交通领域

在交通领域，氢能主要应用于氢能源汽车、重型机械、飞机船舶等方面。氢动力汽车是氢能主要利用方式之一，氢的热能高，每千克氢能产生33.6kW/h能量，是汽油的2.8倍，且氢的燃点很低，火焰的传播速度较快，比汽油汽车具有更高的燃料利用率，也不会排出污染气体、温室气体。我国的氢能应用遵循氢燃料电池商用车先于乘用车发展的特点，在产业补贴和国家政策支持下，中国氢燃料电池客车、物流车等商用车的应用领先于其他氢燃料电池车型。

氢燃料电池汽车将掀起新能源变革浪潮。氢燃料电池汽车作为氢能重要的下游应用领域，已进入示范导入期。随着加氢站等基础设施建设日益完善，制氢、储氢等环节技术的不断突破，燃料电池汽车低排放、加氢时间短、续航里程长的优势将逐渐显现，产销量将呈现上升趋势。氢燃料电池汽车将以客车和城市物流车为切入领域，向乘用车拓展，再向其他交通领域布局。逐步建立完备的燃料电池材料、部件、系统制备与生产产业链。据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测，到2035年，我国燃料电池汽车保有量将达到100万辆左右。2050年燃料电池汽车保有量将达到1000万辆。

图 2 我国交通领域氢能应用概览及企业推荐

氢燃料电池是氢能应用于交通领域的重要技术路线，其中氢能源商用车和氢能源重型工程机械是中国现阶段氢能交通领域应用的主要形式。氢燃料电池汽车目前造价成本较高，加氢站覆盖率低，且市场氢能教育水平不足，民众购买氢燃料电池乘用车意愿较低。但氢燃料电池汽车具备续航时间长、充电便捷、耐低温等优势，相较于锂电池汽车，其性能属性更加贴合商用车场景需求。商用车虽使用数量较乘用车少，但其每日运营里程远超乘用车，政府通过制定补贴和比例政策，推动市政和企业购买意愿向氢燃料电池商用车倾斜，从而带动氢能源汽车的发展。2025年中国氢能源燃料电池汽车保有量有望增长至10万辆，市场规模达800亿元。

据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》报告显示，预计2050 年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到10%，氢气需求量接近6000 万吨，其中交通运输领域用氢2458 万吨，约占该领域用能比例19%，燃料电池车产量达到520 万辆/年。

03工业领域

氢能利用是工业领域深度脱碳的重要实现路径。随着国家碳达峰、碳中和“顶层设计”的落地，氢能产业不断获得国家政策的加持，氢在多个难以脱碳领域的“不可替代性”正备受关注，工信部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》提出，提升清洁能源消费比重，鼓励氢能等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。传统的冶金、水泥、化工等难以脱碳的领域，除来自国家碳减排政策越来越大的压力外，欧美发达国家设置的绿色能源和绿色产品壁垒也已影响到这些行业的出口和销售，而这类传统工业领域要达到减碳的目的，用氢能、绿电等替代传统化石能源是唯一的选择。

工业部门用氢需求大，因此能够以规模效益来降低氢能供应链成本；同时，工业企业决策相对集中，可在基础设施等方面率先行动，并带动全社会氢能发展。未来氢能在工业领域的应用前景广泛，氢能炼钢、绿氢化工和天然气掺氢将成为主要应用场景。

在工业领域，氢能将广泛应用于钢铁、化工、石化等行业，替代煤炭、石油等化石能源, 预计2050年工业领域氢能需求将超过3500万吨，其中氢冶金用氢可望达到1000多万吨。在环保政策趋严的背景下，氢冶金技术可助力实现不同程度的减排，成为钢铁绿色发展的重点之一。氢冶金主要包括高炉富氢还原炼铁和氢基竖炉直接还原两类。其中，前者用氢气代替部分焦炭作为还原剂，可实现10%以上的碳减排幅度；后者采用氢气作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁(DRI)，再通过电炉冶炼，可实现50%以上的碳减排。

氢能冶金。氢能冶金是金属冶炼行业碳减排的一种重要途径，目前的研发应用主要集中在钢铁领域。钢铁是世界上最大的碳排放源之一，炼钢过程中会产生很多的二氧化碳。在全球应对气候变化形势下，主要国家或经济体制定了碳减排目标，钢铁企业纷纷进行减碳技术研究，以应对已经到来的碳减排挑战。

氢冶金工艺目前主要有富氢还原高炉与气基直接还原竖炉两类工艺。富氢还原高炉工艺是对现有长流程工艺的改进，减碳幅度为10%-20%，减排潜力有限；气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上，减排潜力较大，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。但气基竖炉存在吸热效应强、入炉 H2气量增大、生产成本升高、H2还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢能冶金在内的低碳冶金技术路线图，加快研发、试验和应用，为实现碳中和目标寻求工艺技术突破。目前国内部分钢铁企业已发布氢冶金规划，建成示范工程并投产，取得一定的创新突破，但示范工程尚处于工业性试验阶段，还存在基础设施不完善、相关标准空白、成本较高、安全用氢等问题，而且现阶段考虑气源、制备、储运、成本等因素所用氢气多数仍为“灰氢”，距离实现“绿氢冶金”还有很长的路要走。未来还需深入研究分布式绿色能源利用、氢气制备与存储、氢冶金、CO脱除等领域的关键技术，形成以氢能为核心的新型钢铁冶金生产工艺。

炼油加氢。在炼油过程中,需要使用氢气对油品进行加氢裂化、加氢精制等处理除去杂质,提高中间馏分油的精收效率，以获得更多高附加值产品。

氢化工。氢能可以促进传统化石能源的转型升级，由燃料向原料彻底转变，杜绝了将煤炭作为原料使用时中间过程排放的二氧化碳，从而实现煤炭作为原料利用过程二氧化碳零排放。用绿氢耦合煤化工产业，可实现压煤减碳、节能降耗的目标。用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工业原料和燃料。

水泥煅烧。水泥是世界上使用最广泛的制造材料，但水泥厂通常都规模小、分散且资金不足，要敦促它们为人类的福祉服务十分困难。在印度和非洲等地，水泥（与水和骨料混合以生产混凝土）的需求势必飙升。这意味着还将生成巨量二氧化碳。氢能作为燃料，替代化石能源，实现二氧化碳减排，可以用于水泥煅烧。

陶瓷产业。建陶产业一直都是能源消耗大户，加快能源结构调整是转型升级中的重要一环。在“双碳”的战略目标之下，氢能无疑为陶企的脱碳之路开辟了一条新道路。目前，包括蒙娜丽莎、科达、萨克米、Porcelanosa（宝路莎）等国内外多家头部陶企已启用氢能的相关应用和研发，国内几大窑炉公司也将氢能等非化石燃料作为窑炉能源替代的研究方向。

天然气掺氢。将风/光能转化的部分电能用于电解水制氢，并将氢气以一定比例掺入天然气，形成掺氢天然气，再利用新建管网或在役天然气管网输送至用户终端、加气站和储气库等，可起到储能和电力负荷削峰填谷的作用，同时避免了新建输氢管道所需的高昂建造成本。

04储能领域

氢储能是极具发展潜力的规模化储能技术，可用于可再生能源消纳、电网削峰填谷、用户冷热电气联供、微电网等场景等诸多场景。例如具备快速响应及启停能力的电解制氢系统，在用电高峰时可用于调峰调频辅助服务；电解制氢+储氢+氢燃料电池发电用于构建微电网系统，进行氢、热、电联供，实现偏远地区可靠供能。

图 3 氢储能应用场景

国内氢储能技术目前还处于示范应用阶段。国内首个兆瓦级氢储能项目2022年7月6号在安徽六安投运，工程采用单槽250千瓦四槽并联控制技术，应用国内首个兆瓦级质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统，额定制氢功率下产氢量220标方/小时，系统制氢能效达到85%。

张家口200MW/800MWh 氢储能发电工程2021年11月13日通过专家评审。其中整个发电区是由80套大型电解水制氢装置、96套吸放氢金属固态储氢装置、384台640kW燃料电池模块、以及逆变、升压电气设备组成的大型制氢储氢、发电系统。该项目计划2023年建成投运，标志着我国氢能在大规模储能调峰应用场景迈出实质性一步。

图 4 我国氢储能项目汇总（部分）

氢储能产业链：氢储能上游主要是氢电解槽和质子交换膜，氢电解槽主要生产企业有考克利尔竞立、中国船舶集团第七一八研究所等，质子交换膜主要企业有科恒股份、南都电源等；中游建设承包方面主要有国家电网、中国能建负责，制氢储氢方面国家电网也负责氢储能电站的运行，同时安泰科技、巨化集团等在制氢储氢方面具有知识储备；下游发电侧包括国家电网、东方电气、南都电源等企业，主要用于氢燃料电池发电；电网侧氢储能作为清洁绿色的能源可以进行氢、热、电联供，实现偏远地区可靠供能。氢储能整体产业链重叠度较高，例如国家电网、南都能源等企业产业链多处均有参与。下游用户侧主要是参与微电网调节功能，主要参与企业是安思卓新能源。

05建筑领域

氢能可以用于建筑的供暖和热水。传统的供暖方式主要依靠燃煤、燃气等化石能源，这些能源的燃烧会产生大量的二氧化碳和其他有害气体，对环境造成严重污染。而氢能的燃烧只会产生水和少量氧气，不会对环境造成污染。因此，将氢能应用于建筑的供暖和热水，不仅可以减少环境污染，还可以提高建筑的能源利用效率。

氢能可用于建筑的电力供应。目前，许多建筑都采用太阳能、风能等可再生能源发电，但这些能源的不稳定性和不可控性限制了其应用范围。而氢能可以通过电解水制备氢气，再将氢气与氧气反应产生电能，这种方式可以实现可控、可靠的电力供应。此外，氢能还可以与燃料电池结合，实现高效、低碳的电力供应。

氢能可用于建筑的储能。建筑的能源需求存在时段性和季节性变化，因此需要一种可靠的储能方式来平衡能源供需。氢能可以通过电解水制备氢气，再将氢气储存起来，需要时再将氢气与氧气反应产生电能。这种方式可以实现高效、可靠的能源储存和利用。

本文内容来源于：嘉兴市长三角氢能产业促进会，责任编辑：胡静，审核人：李峥

氢能产业链之-用氢篇

热点文章