氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇：氫能已經成為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要能源。歐、美、日、韓等發達國家紛紛制定氫能路線圖，加快推進氫能產業技術研發和產業化布局。氫能產業已成為我國能源戰略布局的重要組成。2019年氫燃料電池產業相關投資及規劃資金1805億元。盡管受到疫情影響，2020年氫能投資金額仍有1600億元，市場對于氫能產業依舊充滿信心。
我國氫氣生產以西北、華北為主，主要來自化石能源：2020年我國氫能產量和消費量均已突破2500萬噸，已成為世界第一大制氫大國。從區域分布看，氫能生產主要產生在西北和華北地區，產量超過400萬噸的省份有內蒙和山東，產量超過300萬噸的省份有新疆、陜西和山西。氫能源按生產來源劃分，可以分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。目前，我國氫氣主要來自灰氫。未來與大規模光伏發電或風力發電配套的電解水制綠氫將成為發展趨勢。
副產氣制氫在技術經濟環境方面具有顯著優勢：氫氣生產方式較多，有氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據優勢。比如丙烷脫氫成本約13元/kg，水電解制氫成本約30元/kg。各地區發展氫能產業鏈時，應充分結合區域能源結構，優先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
氫能冶金領域處于研究示范階段：我國鋼鐵行業碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，面臨較大的碳減排壓力。從生產工藝來看，鋼鐵行業碳排放主要來自焦炭。國內外鋼鐵企業均有嘗試使用氫氣替代焦炭冶煉，按照2020年生產10.5億噸粗鋼，估算需要3.5萬億kWh電生產氫氣，大約占2020年電力生產的47%。
氫能用于交通領域進入推廣應用階段：我國燃料電池汽車已進入商業化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。預計2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，交通運輸領域用氫2458萬噸，約占該領域用能比例19%，燃料電池車產量達到520萬輛/年。
投資建議：氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇。隨著氫能逐步用于汽車、鋼鐵等行業，氫能的利用量將逐步增長，焦化、氯堿、丙烷脫氫和乙烷裂解等產業受益副產氫氣應用。氫能煉鋼還處于研究和示范階段，建議關注頭部公司的示范進展。氫燃料電池車輛由于能量效率高、安全性高、無排放、壽命長等優點，有望逐步推廣。
風險提示：1）碳中和政策實施不及預期；2）氫能價格難以大幅下降；3）燃料電池成本下降不及預期；4）氫能冶金技術發展不及預期。
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氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇
氫能（氫的能源利用）受到全球廣泛關注，成為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要產業方向。歐、美、日、韓等發達國家紛紛制定氫能路線圖，加快推進氫能產業技術研發和產業化布局。
當前，我國氫氣生產利用主要在以石化化工行業為主的工業領域，以“原料”利用為主，“燃料”利用為輔。我國發展氫能具有良好基礎，也面臨諸多挑戰。綠氫供應、氫儲運路徑和基礎設施建設、氫燃料電池核心技術裝備、氫燃料電池汽車技術裝備等均待逐一攻破，必須實事求是、客觀冷靜、積極創新，爭取少走彎路，開創氫能技術突破和產業化新局面。
氫能產業已成為我國能源戰略布局的重要部分。2020年，氫能被納入《能源法》（征求意見稿）。2021年，氫能列入《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》未來產業布局。
氫能產業發展初期，依托現有氫氣產能、就近提供便捷廉價氫源，支持氫能中下游產業發展，降低氫能產業起步難度，具有積極的現實意義。綠氫在“碳中和”中可以用在綠電無法發揮作用的領域實現互補，如氫冶金、化工、重卡交通燃料、供熱等。面向未來，當綠氫成為穩定足量的低價氫源時，綠氫促進工業脫碳將更好地發揮氫能價值。
疫情未改變氫能產業投資積極局面。根據公開信息初步統計，2019年氫燃料電池產業相關投資及規劃資金1805億元。盡管受到疫情影響，2020年氫能產業整體發展速度有所放緩，但在投資方面，投資金額1600億元，僅有11%左右的降幅，顯示了市場對于氫能產業依舊充滿信心。
02
當前中國氫氣生產分布和來源
（1）以煤為原料制氫
煤制氫的本質是以煤中碳取代水中的氫，最終生成氫氣和二氧化碳。這里，碳起到還原作用并為置換反應提供熱。
以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：
一是煤的焦化（或稱高溫干餾），煤在隔絕空氣條件下，在900-1000℃制取焦炭，副產品為焦爐煤氣。焦爐煤氣組份中含氫氣55%-60%(體積）、甲烷23%-27%、一氧化碳5%-8%等。每噸煤可得煤氣300-350m3，作為城市煤氣，亦是制取氫氣的原料。
二是煤的氣化，使煤在高溫常壓或加壓下，與水蒸汽或氧氣（空氣）等反應轉化成氣體產物。氣體產物中氫氣的含量隨不同氣化方法而異。
（2）天然氣制氫
天然氣的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氫。和煤制氫相比，用天然氣制氫產量高、加工成本較低，排放的溫室氣體少，因此天然氣成為國外制造氫氣的主要原料。其中天然氣蒸汽轉化是較普遍的制造氫氣方法。
（3）重油部分氧化制造氫氣
重油是煉油過程中的殘余物，可用來制造氫氣。重油部分氧化過程中碳氫化合物與氧氣、水蒸氣反應生成氫氣和二氧化碳。該過程在一定的壓力下進行，可以采用催化劑，這取決于所選原料與過程。
（4）水電解制造氫氣
水電解制得的氫氣純度高，操作簡便，但需耗電。水電解制氫的效率一般在75%-85%，一般生產1m3氫氣和0.5m3氧氣的電耗為4-5kWh。根據熱力學原理，電解水制得1m3氫氣和0.5m3氧氣的最低電耗要2.95度電。
根據石油和化學工業規劃院統計，我國電解水制氫裝置約1500-2000套，產量約10-20萬噸。與大規模光伏發電或風力發電配套的電解水制氫裝置正在進行小規模示范。
項目1：河北建投張家口沽源風電制氫綜合利用示范項目
投資方：河北建投新能源有限公司
建設規模：200MW風電場、10MW電解水制氫和氫氣綜合利用系統
制氫能力：1752萬標準立方米
制氫規模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：20.3億元
年銷售收入：2.6億元
項目2：吉林省長嶺龍鳳湖20萬千瓦風電制氫示范項目
投資方：北京天潤新能有限公司
建設規模：200MW風電場、700萬立方米制氫、CNG混氫項目（H2：CNG＝2：8混合進CNG汽車）
制氫規模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：25.5億元
（5）生物質制造氫氣
家庭、農業、林業等產生的生物質可用于生產氫氣。原料包括楊樹、柳樹和柳枝，以及來自厭氧消化或垃圾填埋所產生的沼氣等。生物質可以使用成熟的技術進行氣化，甚至在氣化過程中與煤或廢塑料共同反應，如果與碳捕獲技術結合，就有可能生產出負碳氫。沼氣有額外的凈化要求，可以通過類似于蒸汽甲烷重整（SMR）的過程進行改造以產生氫氣。
（6）工業副產氫氣凈化
焦爐氣、氯堿、丙烷脫氫制丙烯和乙烷裂解制烯烴副產的粗氫氣可以經過脫硫、變壓吸附和深冷分離等精制工序后作為燃料電池車用氫源，成本遠低于化工燃料制氫、甲醇重整制氫和水電解制氫等路線。
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不同技術制氫的技術經濟環境性分析
氫氣生產方式較多，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣等副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據優勢。各地區發展氫能產業鏈時，應充分結合區域能源結構，優先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
從能源效率來看，氯堿副產氣制氫、干氣制氫、焦爐煤氣提取制氫能源效率均在80%以上，天然氣制氫、乙烷裂解副產氣制氫、PDH副產氣制氫、甲醇制氫、焦爐煤氣轉化制氫能源效率60%-80%，煤制氫能源效率在50%-60%，電解水制氫能源效率在50%以下。
從污染物排放來看，排污強度由小到大分別為：電解水制氫<天然氣制氫~甲醇制氫~副產氣制氫<煤制氫。
從碳排放來看，副產氣制氫<天然氣制氫<干氣制氫<甲醇制氫<煤制氫電解<電解水制氫（基于現有電網電力結構），如果考慮清潔能源（光伏、風電、水電等），清潔能源電解水碳排放接近為零。
從成本來看，制氫成本與原料價格關系最大，控制氫能價格需要控制原料價格；根據設定的價格范圍，從平均成本看，焦爐煤氣制氫<煤制氫<其他副產氣制氫<甲醇制氫<天然氣制氫<水電解制氫。因地制宜，選擇合適原料制氫，氫氣出廠價格可低于15元/kg，可與煤制氫成本相當。
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氫能冶金領域處于研究示范階段
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氫能用于交通領域進入推廣應用階段
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原文始發于微信公眾號（氫能汽車網）：碳中和下的氫能發展報告
