國內外氫能產業發展狀況與思考0引言尋找儲量豐富、清潔安全的新能源是人類社會可持續發展的重大課題。氫能是一種具有多種優勢的二次能源：氫的來源多樣，可利用化石燃料生產，也可利用可再生能源發電再電解水來生產；氫便于儲運，適應大規模儲能；氫的用途廣泛，可供發電、供熱、交通利用，使用過程不產生污染；氫的能量密度大，熱值是汽油的3倍。1970年，約翰?鮑克里斯（JohnBockris）首次提出“氫能經濟”概念，但由于全球化石能源大規模消費及氫能利用受技術瓶頸制約，氫能產業長期發展緩慢。近年來，油氣資源的供應波動、人類可持續發展要求和氫能全產業鏈的技術進步共同推動了氫能產業高速發展。當今，氫能利用被視作與化石燃料清潔低碳利用、可再生能源規模化利用相并行的一種可持續能源利用路徑，氫能在能源轉型過程中的角色價值日益凸顯，化石能源、新能源及氫電二次能源網絡的互聯互動將成為一種長期應用場景。國際氫能委員會（TheHydrogenCouncil）認為：全球將從2030年開始大規模利用氫能，2040年氫能將承擔全球終端能源消費量的18%，2050年氫能利用可以貢獻全球二氧化碳減排量的20%。另據殼牌、法國液化空氣集團、梅塞爾等公司預測，全球氫氣需求量年均增長率2018－2021年為3.5%～6%，2020－2050年為23%～35%。氫能已成為國內外各方關注的新能源發展熱點，越來越多的能源、汽車、金融公司開始涉足氫能相關業務，多產業協同創新發展的新格局初現端倪。1國內外氫能產業鏈發展現狀1.1氫的生產近年來，全球每年制氫總量約為5500萬噸。氫的主要用途是化工原料，例如用于石油煉制、合成氨等，僅有1%～2%用作交通燃料。氫的產生方式約50%來自天然氣重整，30%來自重油重整，18%來自煤氣化。中國工業體系完善，制氫工業基礎良好，氫氣作為原料氣體及工業氣體的生產和使用規模都很龐大。規模最大的制氫方式是化石燃料制氫，主要為煤氣化制氫以及烴類蒸氣轉化制氫（原料包括天然氣、煉廠焦化干氣、液化石油氣、石腦油等），約占全國制氫產能的96%左右。每年，焦炭、氯堿、甲醇和合成氨生產過程中副產大量氫氣，成為中國制氫的顯著特色。2015年以來，中國每年制氫總量在2400萬噸左右。以2016年為例，全國煤氣化制氫約1100萬噸，天然氣制氫約360萬噸，煉廠制氫（多為自產自用）約300萬噸，焦炭和氯堿裝置的副產氫氣約600萬噸。另外，利用大量的棄水、棄風、棄光、棄核發電制氫，可能成為中國制氫工業的又一特色，近年中國每年“四棄”發電制氫的潛在產能為340萬噸左右，與全國煉廠制氫規模相當。中國龐大的制氫基礎為氫能的規模化利用提供了前提。國內氫能領域權威學者認為，中國化石能源制氫、工業副產氫、棄電制氫產量可能在2030年達到最大規模后開始緩慢下降，這3種制氫方式作為氫氣主要來源的局面將持續至2050年；可再生能源發電制氫將從2030年開始逐步實現規模化和商業化。各種制氫方式的成本差異較大（見表1）。目前，煤制氫是中國最成熟、最便宜的制氫方式，其成本約為天然氣制氫的70%～80%。可再生能源發電再電解水制氫的成本主要依賴于發電效率及成本，隨著風電、光伏發電等產業規模擴大和技術進步，可再生能源制氫成本還有大幅下降的空間。許多國家還開展了多種前沿制氫技術研發，幾種有望商業化的制氫方式，其效率不斷提升，成本逐年下降。例如，日本人工光合制氫技術效率已達到7%左右，美國聚合物電解質膜電解水制氫和生物質氣化制氫的成本已分別降為當地天然氣重整制氫的2倍和1.6倍左右。1.2氫的儲運和加注氫的儲運高度依賴技術進步和基礎設施建設，是氫能產業發展的難點。氫的大規模儲存有氣態、液態和固態儲存3種方式。氣態氫可由壓力容器或洞穴加壓儲存，液態氫可用絕熱容器直接儲存或用有機化合物儲存，還可利用固態金屬氫化物儲氫。目前，氫的長距離輸送方式主要是將高壓氫氣和液態氫通過車船運輸或長輸管道輸送，這幾種方式在國內外均有應用。截至2017年底，全球共鋪設輸氫管道4284千米，其中美國2400千米、歐洲1500千米。世界最長的氫氣管道位于法國和比利時之間，長度400千米。中國已有數條氫氣長輸管道建成并安全運營，最具代表性的有：2014年5月建成的中國石化巴陵石化—長嶺煉化42千米氫氣長輸管線，2017年6月建成的河南濟源市工業園區—洛陽市吉利區24千米氫氣長輸管線。BP公司研究提出，氫氣可以利用天然氣管網混合輸送，體積分數可達到10%，不需要對已有管道進行系統改造，混合氣體可用于工業和家庭消費。荷蘭、德國、英國等歐洲國家已允許氫氣以一定比例混入天然氣管網運輸，允許的氫氣比例可達10%。近年來，日本、德國、美國等發達國家和中國的加氫站建設呈加速發展之勢。2018年全球加氫站新增48座，年底已達到369座，其中歐洲152座、亞洲136座、北美80座。在全部加氫站中，有273座作為燃料零售商對外開放運營，其余為公交車和商業車隊等用戶群提供專門服務。全球加氫站數量排名前4名的國家分別是日本（100座）、德國（71座）、美國（71座）和中國（24座）。多個國家正在積極部署加氫站建設，計劃建設加氫站較多的國家有德國（38座）、荷蘭（17座）、法國（12座）、加拿大（8座）、韓國（27座）等。截至2018年12月，中國已建成和在建的加氫站多數供示范車輛加注使用，其規劃設計、能否獨立制氫及氫源選擇、工藝流程及設備配置和自動控制系統等尚難以滿足規模化、商業化運營要求，對運營經濟性、長期性的驗證還較少，加氫能力大多為200～500千克/日（見表2）。中國還有數十座加氫站在建，中國汽車工程學會在《節能與新能源汽車技術路線圖》中提出，到2020、2025、2030年，中國加氫站數量將分別超過100座、300座和1000座。1.3氫能的終端消費氫能的終端消費有交通利用和固定式應用兩種方式，均通過燃料電池系統實現。1.3.1氫能的交通利用氫能的交通利用即以氫燃料電池驅動汽車、船舶、火車、城市輕軌及飛機等交通工具。氫燃料電池汽車是目前最主要的交通利用方式，在一些國家已開始小規模商業化應用。在美國，氫燃料電池動力系統已開始用于叉車和電動車備用電源，燃料電池汽車發展規模最大、產業最成熟的是加利福尼亞州，截至2018年12月，已有超過5000輛燃料電池汽車在使用，預計2024年將達到4.72萬輛。在日本，2018年共有2800輛燃料電池汽車在使用，計劃2020年達到4萬輛。2018年，中國燃料電池客車和貨車產銷量分別是1418輛和109輛，共1527輛，比2017年增長20%，全國燃料電池汽車總量已達到5000輛，提前兩年達到《節能與新能源汽車技術路線圖》提出的2020年計劃。世界已有多家知名汽車公司生產氫燃料電池汽車。例如，本田公司2007年推出的FCXClarity、奔馳公司2010年推出的F-Cell、現代公司2014年推出的Tucson和2018年推出的Nexo、豐田公司2015年推出的Mirai等。中國的佛山飛馳、北汽、成都客車、金龍客車、上汽大通、東風汽車等汽車廠商已開始生產燃料電池客車和物流車，鄭州宇通、申沃客車、青年汽車、申龍客車等公司已取得生產牌照并積極籌劃生產。燃料電池火車和城市輕軌也是各國的關注點。2002年，美國VehicleProjects公司研制了世界上第一列氫燃料電池動力火車。2015年3月，中國南車集團生產了世界第一列燃料電池有軌電車，同年12月，中車集團成功生產國內第一列燃料電池火車，但由于鐵路路線問題未能成功運行。2016年9月，法國阿爾斯通（Alstom）公司生產的燃料電池火車首次上路試運行，火車可搭載300名乘客，最高時速達到140千米，目前在德國境內鐵路上運行。近年來，日本、德國、英國等國制定的氫能利用計劃中均包含了燃料電池火車和輕軌計劃。1.3.2氫能的固定式應用氫能的固定式應用主要是以氫燃料電池系統作為建筑、社區等的供能載體和備用能源。微型燃料電池熱電聯供裝置（FCmCHP）是氫能固定式應用的重要分支，也是一種備受關注的新型分布式能源技術。裝置將天然氣或城市燃氣重整制氫，并用燃料電池系統發電，將發電過程副產的熱量綜合利用，輸出功率通常不超過5千瓦，發電效率和熱利用效率可分別達到40%，能源綜合利用效率超過80%。與目前領先的供熱鍋爐相比，雖然這種裝置的整體能效優勢不大，但將能源供應從集中式轉變為分布式；在滿足房屋供熱需求的同時，承擔部分電力供應，可以與風電、光伏發電等波動性發電系統互補使用。微型燃料電池熱電聯供裝置在全球的發展分布很不均衡，主要發展區域僅有日本和歐洲。日本自2009年開始推廣家用燃料電池熱電聯供系統（Ene-farm），這是目前世界上規模最大、推廣最成功的商業化燃料電池利用系統。家用燃料電池熱電聯供系統利用城市管網天然氣或液化石油氣，通過燃料電池技術同時生產電和熱水，一套裝置大約可提供日本普通家庭平均能耗的40%～60%。到2018年7月，家用燃料電池熱電聯供系統已累計售出23萬套，單個裝置成本比推廣初期下降了60%以上。歐洲國家大多既要解決居民供暖問題，又要避免電網鋪設的高額投資問題，開展氫能固定式應用是一種較好的解決方案。目前，歐洲的微型燃料電池熱電聯供裝置推廣規模遠小于日本。歐洲燃料電池和氫能聯合組織（FCHJU）主導實施了Ene-?eld示范項目。該項目在2012－2017年共花費資金5200萬歐元，11個國家支持推廣了1046套300～500瓦的微型燃料電池熱電聯供裝置。2017年，該組織又啟動了新一期五年計劃“PACE項目”，預算9000萬歐元，計劃在11個國家推廣2800套裝置。2各國氫能戰略計劃和大能源企業氫能產業進展2.1世界各國氫能戰略計劃和產業發展近年來，美國、日本、歐盟等國家和地區相繼制定了氫能發展戰略（見表3）。澳大利亞作為世界上最大的煤炭出口國和第二大液化天然氣（LNG）出口國，也開始計劃以太陽能、風能制氫并向東亞地區出口液氫，打造下一個能源出口產業，目標是到2030年在中、日、韓、新加坡4國開發70億美元市場。英國氣候變化委員會認為，到2030年，氫氣可能取代天然氣，成為低碳電力系統的備用能源，并呼吁新建的天然氣發電廠及早做好利用氫能的準備。2016年，中國國家能源局發布《能源技術革命創新行動計劃（2016－2030年）》，部署“氫能與燃料電池技術創新”任務。一些地方政府開始把氫能產業作為經濟發展新引擎，特別是東部、南部省份對氫能與燃料電池產業發展的推進力度較大。江蘇省如皋市從2010年起開始布局氫燃料產業，2016年被聯合國開發計劃署命名為“中國氫經濟示范城市”。廣東省佛山市于2017年11月建成國內首個商業化運營加氫站。上海市發布《上海市燃料電池汽車發展規劃》，山東省計劃在濟南建設“中國氫谷”，并于近日啟動了山東氫能源中長期發展規劃方案編制。武漢市于2018年3月出臺《武漢經濟技術開發區（漢南區）加氫站審批及管理辦法》，這是全國首個加氫站審批及監管的地方性政策。2.2大型能源企業氫能業務進展在各類新能源中，氫能與傳統油氣產業鏈關系最為緊密，具有與油氣可類比的萬億美元級市場空間。石油公司具有資源規劃、煉化生產（制氫用氫）、油氣儲運以及零售終端建設與運維等多方面的技術基礎與整合優勢。早在1978年，BP公司就申請了第一件氫燃料電池相關專利。近十年來，以殼牌、BP、道達爾為代表的石油公司圍繞氫氣制取、儲運以及加氫站建設已有豐富的實踐案例，是世界氫能產業發展的積極推動者。BP認為，氫能兼有二次能源和儲能媒介雙重角色，并將在2030－2050年得到廣泛應用。BP擁有超過40年的制氫經驗和超過10年的汽車加氫站運營經驗。BP已參與多個氫能示范項目，包括同戴姆勒克萊斯勒公司、福特公司合作研究先進燃料電池技術，在北京建成中國第一座加氫站等。殼牌全面進軍氫能領域。殼牌2013年發布的《新視野——世界能源轉型的視角》（NewLensScenarios）指出，未來石油在乘用車領域的占比將逐年下降；電能和氫能則將快速增長，2030年二者合計占比將達到5%，2050、2060年將分別達到40%和60%，到2070年，乘用車市場將全面脫離對化石燃料的依賴，電動汽車和氫燃料汽車將得到全面普及。基于上述預測，殼牌開始在氫能領域全面發力。2016年，殼牌與川崎重工簽署協議，合作開發液氫運輸船；殼牌還與日本巖谷產業、日本電源開發公司合作，將澳大利亞豐富的低質褐煤轉化為氫氣，液化后船運至日本。2017年2月，殼牌與豐田正式達成合作協議，在加利福尼亞州建造7座加氫站，并將在2024年增加至100座。兩家公司將為該項目出資1140萬美元，加州能源委員會將出資1640萬美元。殼牌在2018年發布的《能源轉型報告》中指出，將于2030年前在英國投資加氫設施。道達爾積極推進加氫站布局。2013年在德國政府的主導下，道達爾與殼牌、戴姆勒等公司啟動了H2Mobility項目。該項目計劃在2023年前在德國建設400座加氫站。截至目前，道達爾已經在德國建成了10座加氫站。道達爾還與林德公司、寶馬公司在氫氣加注技術等方面開展了合作。中國傳統大型能源企業已加大在氫能領域的投入力度。2018年2月，國家能源集團牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟（簡稱中國氫能聯盟），高調進軍氫能產業，并已在江蘇如皋建成商業加氫站；10月，國家能源集團下屬3家單位（準能集團、氫能科技公司、低碳清潔能源研究院）與濰柴集團共同簽署了《200噸級以上氫能重載礦用卡車研發合作框架協議》。中國石化在全國開展氫氣的制、儲、運、加整體布局，目前已確立10余座加氫站選址。借助2022年北京冬奧東風，公司與億華通公司簽訂協議，在氫氣供應、車輛加氫、加氫站運營等方面展開合作，為北京－張家口冬奧會氫燃料電池車運營提供保障。考慮到氫能產業發展初期難以實現投資回報，中國石化于2018年7月成立了中國石化集團資本有限公司，專門支持氫能和其他新興產業的發展。中化集團把氫能確立為公司新能源四大重點領域之一，于2018年10月在江蘇省如皋市成立了中化能源國際氫能與燃料電池科技創新中心，專注于研發氫燃料電池，其新能源業務進入了戰略突破和攻堅階段。3對中國氫能產業未來發展的建議從世界各國的經驗來看，氫能產業實現商業化發展需要解決技術突破、政策協調、產業配套、經濟可行、社會認知等多方面問題。近年來，中國多地政府大力推進氫能產業發展，汽車企業、燃料電池供應企業以及投資機構熱情高漲，多家企業積極進入制氫供氫產