（北京科技大學(xué)金屬冶煉重大事故防控技術(shù)支撐基地）

摘要：氫能源是公認(rèn)的清潔能源，近年來作為低碳能源正在脫穎而出，廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、航天等領(lǐng)域。本文介紹了目前國內(nèi)外氫能源發(fā)展的概況，分析了氫能源全產(chǎn)業(yè)鏈。氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景，對我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有極重要的戰(zhàn)略價值。

關(guān)鍵詞：氫能源；產(chǎn)業(yè)鏈；制氫；儲運；應(yīng)用

來源：2022年鋼鐵企業(yè)超低排放與環(huán)境安全應(yīng)急管控關(guān)鍵技術(shù)交流會論文集

氫能源作為一種綠色、高效的二次能源，具有熱值較高、儲量豐富、來源多樣、應(yīng)用廣泛、利用形式多等特點，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級的重要助力。隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的興起，全球迎來“氫能社會”發(fā)展熱潮，各國家和地區(qū)均出臺相應(yīng)政策，將發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。

1  氫能源行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展概況

隨著應(yīng)對氣候變化壓力增大、能源低碳轉(zhuǎn)型加速，氫能源以其清潔、高效和應(yīng)用場景豐富的優(yōu)勢備受世界矚目。氫能源是實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的關(guān)鍵能源，當(dāng)前已有多個國家制定了氫能源發(fā)展路線圖。歐美等國家和地區(qū)通過戰(zhàn)略引領(lǐng)、路線規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)支持政策以及持續(xù)投資，在氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展上取得了實質(zhì)性進(jìn)展。我國已將氫能源產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從鼓勵創(chuàng)新與投資、獎勵與優(yōu)惠等多方面頒布了多個支持政策，各級地方政府與企業(yè)積極開展產(chǎn)業(yè)布局和項目建設(shè)。

1.1   國外氫能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢

美國、俄羅斯、日本、歐盟等多個國家和地區(qū)都開展了氫能源戰(zhàn)略布局。美國重視氫能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢的建立和前瞻技術(shù)的研發(fā)，發(fā)布了《美國氫能經(jīng)濟(jì)路線圖——減排及驅(qū)動氫能在全美實現(xiàn)增長》，在氫能源經(jīng)濟(jì)的迅速興起和發(fā)展進(jìn)程中，不斷壯大相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動；俄羅斯新版《2035年能源戰(zhàn)略草案》明確將氫能源作為能源行業(yè)戰(zhàn)略重點，目標(biāo)是通過擴(kuò)大氫氣產(chǎn)能到2035年成為全球重要的氫能源經(jīng)濟(jì)國家。俄羅斯聯(lián)邦能源部公布本國第一份氫能源戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，提出2024年前在俄境內(nèi)建立一個完全由傳統(tǒng)能源企業(yè)主導(dǎo)的、涉及上下游的氫能源產(chǎn)業(yè)鏈；日本高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于構(gòu)建氫能源社會和氫經(jīng)濟(jì)，明確提出將氫能源社會納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。先后制定發(fā)布了《氫能源基本戰(zhàn)略》和《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，規(guī)劃實現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線；歐盟將氫能源作為能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要保障，加大了氫能產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)步伐，推出《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》，宣布建立歐盟氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將綠氫作為未來氫能源發(fā)展重點，大力促進(jìn)氫能源特別是可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及氫能源的廣泛應(yīng)用。

各國除了明確了氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，還制定了一系列產(chǎn)業(yè)支持政策，還不斷完善氫能源產(chǎn)業(yè)政策體系。

1.2  國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢

我國是全球最大的氫生產(chǎn)國，豐富的資源為發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。自2011年以來，我國持續(xù)出臺支持氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，從戰(zhàn)略定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新、財政金融等多個方面相繼發(fā)布了一系列支持政策，引導(dǎo)鼓勵氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》首次提出我國氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖，制定了我國在氫能源領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施和燃料電池汽車的發(fā)展目標(biāo)；2019年，加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)寫進(jìn)了《政府工作報告》，明確提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展良機(jī)。《中國制造2025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，將發(fā)展氫燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度^[1]。2020年，國家發(fā)改委提請十三屆全國人大三次會議審查的《關(guān)于2019年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展計劃執(zhí)行情況與2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展計劃草案的報告》中明確指出制定國家氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，這是氫能源首次被寫入年度國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展計劃。2020年4月，在《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》中，首次將“氫能”納入能源范疇。氫能產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正迎來政策性利好的發(fā)展機(jī)遇。

近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，各省市相繼出臺了多元化跟進(jìn)政策并示范實施，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈特點和各自的優(yōu)勢，提出了各自的發(fā)展重點。目前，我國已初步形成京津冀、長三角、珠三角、山東半島及中部地區(qū)等氫能源產(chǎn)業(yè)集群和示范應(yīng)用。隨著我國氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國氫能源產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向及產(chǎn)業(yè)定位逐漸明朗。2019年10月召開的國家能源委員會會議指出，探索先進(jìn)儲能、氫能等商業(yè)化路徑。2020年，國家能源局發(fā)布關(guān)于《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》首次將“氫能”納入能源范疇；近日，財政部下發(fā)燃料電池汽車推廣意見征求稿，決定以獎勵替代補(bǔ)貼的形勢支持燃料電池汽車的推廣和示范。

2  氫能源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)呛�蓋氫氣制備、儲存、運輸、加注、燃料電池到終端應(yīng)用的龐大產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈整體具有技術(shù)含量高、投入大、產(chǎn)出慢、市場化程度高、政策依賴性強(qiáng)等特點。近年來，我國氫能源產(chǎn)業(yè)鏈在技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施方面都初具規(guī)模，但是國外相比還有一定的差距。

2.1  氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游為制氫環(huán)節(jié)，包含氫氣制取（見圖1）(主要技術(shù)方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副制氫、高溫分解制氫、電解水制氫以及其他工藝制氫)、氫氣純化等環(huán)節(jié)^[2]。氫氣制取方式的不同會極大影響制氫成本，主要的影響因素包括制氫設(shè)備、規(guī)模和原料成本等。目前，我國超過95%的氫氣生產(chǎn)主要依靠化石燃料制氫。化石燃料制氫工藝成熟，原料價格較低，適合大規(guī)模制氫，但是碳排放和常規(guī)污染物排放量大，不符合清潔低碳的綠色氫能要求。工業(yè)副制氫成本低，技術(shù)比較成熟，但是受制于原料供應(yīng)，建設(shè)地點受到約束。高溫分解制氫污染少、產(chǎn)氫純度高，但是能耗和成本較高。電解水制氫是各類制氫方式中中碳排放最低的工藝，尤其是可再生能源電解水制氫呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。其他工藝制氫，包括生物質(zhì)制氫和核能制氫等新型制氫技術(shù)，目前尚處于研發(fā)示范階段，制氫成本受實際生產(chǎn)條件影響大。

氫氣純化是指利用物理或化學(xué)的方法，除去氫氣中的雜質(zhì)。由于自然界中的氫總是以化合物的形式存在，因此在制氫時就會帶有雜質(zhì)。氫氣中有雜質(zhì)，就帶來了安全隱患，容易發(fā)生爆炸，這就要求對氫氣原料進(jìn)行純化。常用的氫氣純化技術(shù)有膜分離法、低溫分離法、變壓吸附法、金屬氫化物法、催化脫氧法等。通過各類氫氣純化技術(shù)，可以制取高純氫和超純氫，滿足工業(yè)上對各種高純氫的需求。

圖1 氫氣制取方式

2.2  氫能源產(chǎn)業(yè)鏈中游

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的中游就是儲運環(huán)節(jié)。由于制氫與用氫不在同一地點，必然需要儲存和運輸。在實際工業(yè)應(yīng)用中，氫能的儲存、運輸系統(tǒng)要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷，因此氫能的儲運技術(shù)是實現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。

氫氣儲存方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)氫化物儲氫和固態(tài)儲氫^[3-7]。高壓氣態(tài)儲氫是最常見的儲氫方式，氫氣的密度小，需用1.5 MPa以上的高壓才可用特制的鋼瓶貯存；低溫液態(tài)儲氫是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將氫氣降溫至零下252.72攝氏度變?yōu)橐后w，然后保存在特制的高度真空的絕熱容器中，目前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域；有機(jī)氫化物儲氫，儲氫密度高，但脫氫溫度也高，尚未應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。固態(tài)儲氫一般是用金屬合金儲氫，儲氫密度大，成本低，安全性穩(wěn)定性高，但是技術(shù)尚未成熟，目前還停留在實驗室階段。

氫氣運輸方式主要有氣氫拖車、液氫罐車以及氣氫管道運輸。氣氫拖車運輸技術(shù)成熟，是國內(nèi)最普遍的運氫方式，但運輸效率低，適用于小規(guī)模的短途運輸。氣氫管道運輸輸送量大，供應(yīng)可靠性高，是實現(xiàn)長距離大規(guī)模運輸氫的重要環(huán)節(jié)，我國正處于起步階段，目前氫氣管網(wǎng)僅有300-400公里。相對于氣氫儲運，液氫儲運最大的優(yōu)勢在于其運輸?shù)臍淠苊芏雀摺⑦\輸周期短，是一種極為理想和有效的儲存、運輸方式，是未來氫儲運的重要方向。但同時也存在一些不足：氫氣液化過程將消耗大量的外部能量，儲存液氫的容器為特制液氫罐，增加了液氫儲運容器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與加工成本。目前，國內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力發(fā)展相對落后，液化設(shè)備依賴進(jìn)口，與國外技術(shù)差距明顯。

2.3  氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游

氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游為加氫及氫的綜合應(yīng)用，涉及到加氫站建設(shè)以及交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用。加氫站是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至2020年11月21日我國累計建成88座加氫站，其中已投入運營的有80座，另有50座正在建設(shè)當(dāng)中，還有99座正在規(guī)劃中。氫燃料電池是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)和制高點，它是由燃料電堆及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，燃料電堆是核心，包括質(zhì)子交換膜、催化劑、擴(kuò)散層、雙極板。降低燃料電堆成本的關(guān)鍵在于核心組件膜電極的技術(shù)突破。國內(nèi)外企業(yè)紛紛開展技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，競爭激烈，未來需求量大，需要與氫燃料電池汽車等動力裝置配套發(fā)展。目前我國氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)比較成熟，但距國際先進(jìn)水平還有一定差距。在交通領(lǐng)域，氫燃料電池汽車屬于氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的終端應(yīng)用，相比傳統(tǒng)燃油汽車，具有無污染、無噪聲、無傳動部件的優(yōu)勢；相比電動汽車，具有高續(xù)航、加注時間短的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。我國出臺的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等重要文件中，明確提及要大力發(fā)展氫燃料汽車。未來隨著技術(shù)進(jìn)步以及規(guī)模效應(yīng)帶來的成本下降，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。

除此之外，氫能源除了作為移動能源外，還可以用于固定能源，作為建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源；還可以用于氫冶金、汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接等多個領(lǐng)域，擴(kuò)大低碳?xì)涞墓�業(yè)應(yīng)用范圍。

3  氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

從中長期看，由于氫能源獨特的優(yōu)勢、能源轉(zhuǎn)型的大趨勢以及掌握核心技術(shù)、替代進(jìn)口的戰(zhàn)略需求，我國的氫能源產(chǎn)業(yè)具有非常大的發(fā)展空間。中國氫能聯(lián)盟2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計，到2030年，我國氫氣需求量將達(dá)到3500萬噸，在終端能源消費中占比5%，燃料電池商用車銷量將達(dá)到36萬輛；到2050年，氫能源將在我國終端能源消費中占比至少達(dá)到10%，氫氣需求量接近6000萬噸，可減排CO₂約7億噸，其中交通運輸領(lǐng)域用氫約2500萬噸，約占該領(lǐng)域用能的20%。氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景，對我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有極重要的戰(zhàn)略價值。
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