氫能源丨研究報告
核心摘要：
發展氫能源是優化替代傳統化石能源，真正實現碳中和的優選之舉。我國碳排放量位列全球第一，長期發展會導致生態環境不斷惡化且能源危機日益顯著，已嚴重威脅到我國在國際中的能源發展地位，促使我國走上發展新能源之路。其中氫能憑借：取環保、獲多元、儲有量、用有需且高效，既爲燃料亦爲能源發展使用，成爲我國走經濟社會可持續發展之路的必要路徑。
2060年中國氫能需求量達約1.3億噸，使用氫能代替傳統能源減少碳稅效率高達76.7%，合計可節約超過700億美元碳稅。從碳排放降本角度看，2060年工業用氫占比最大超過60%，可實現減少碳排放量141.1億噸，節約423.3億美元的碳稅；爲交通運輸領域減少碳排放量72.76億噸和建築及其他部分減少21.01億噸，分別實現減少218億美元和約63億美元的碳稅。逐步實現2060年碳中和降本、優化能源格局提升國際地位的多元目標。
成本是制約氫能發展最主要的因素，制儲運加注各個環節成本均有下降空間。目前，制氫環節上，主要依托化石燃料合化工生産中副産物作爲主供氫源的原材料以節省制氫成本，未來最優解綠氫主要通過國家政策引導，從原料供應、技術及相關設備三維度突破；儲氫環節上，一方面高壓氣態瓶改造成爲重點，另一方面，需推動低溫液態儲氫和介質儲氫的發展；運氫環節未來趨勢主要在液氫運輸以及管道運輸，通過技術發展與規模化生産雙向驅動降成本之路；加注環節加強頂層設計，利用傳統能源企業基礎設施優勢合建加氫站降本。
新能源出現的原因和重要性
環境惡化和能源危機促使我國發展新能源
2020中國碳排放量全球範圍排名第一，碳減排迫在眉睫。交通工具的普及，疊加工業、農業、建築等各領域生産制造等因素，使用能源帶來了大量碳排放，加劇溫室效應形成。據《bp世界能源統計年鑒》，2020年中國碳排放量總計9899.3百萬噸。在全球範圍內碳排放總量排名第一，約占全球排放總量的30.7%。長期不節制排放會使得氣溫繼續升高，從而引發出區域天氣奇變、海洋酸化、自然界生態系統紊亂、物種滅絕等一系列威脅人類生存環境和身體健康等不良後果。所以碳減排迫在眉睫。
轉型發展新能源可以助力減少碳排放帶來的危害。新能源來源幹淨（風、水、太陽等）、汙染物排放少，可直接實現保護環境目的、遏制溫室效應加劇。同時我國能源結構不平衡屬于煤多缺油少氣，天然氣和石油依賴進口使用，發展新能源亦可逐漸減少和替代化石能源的使用，調整能源使用不均衡局面，逐步拜托依賴，建立自有能源發展體系。開發新能源是保護生態環境、緩解自有能源危機、走經濟社會可持續發展之路的必要路徑。
能源結構布局影響國際發展
碳中和、能源結構布局關乎國際發展格局
截至2021年11月份，全球制定碳中和目標的國家和地區有66個。有191個國家提交了第一輪“國家自主貢獻”文件，涉及的減排量涵蓋了全球90%以上的二氧化碳排放量。另有27個國家和歐盟已按照《巴黎協定》的要求通報了低溫室氣體排放的長期發展戰略，這其中也包括“淨零承諾”。各國均在向碳達峰、碳中和努力推進。
歐洲國家碳排放定價普遍偏高
淨零碳承諾需要有嚴格的短期及中期行動來支持，國家間正在制定愈加嚴格的碳定價工具。從碳排放交易機制來看，日本、新加坡等亞太國家制定價格爲2-3美元/噸二氧化碳；與中國人均碳排放相近的法國、英國等歐洲國家定價已高于20美元/噸，采取更嚴厲的機制力達淨零碳承諾。
我國能源結構布局
傳統能源仍然占據主要地位，政策鼓勵氫能開發使用
國際氫能産業進入快速發展期。美國、歐洲、俄羅斯、日本等主要工業化國家和地區都已將氫能納入國家能源戰略規劃。根據國際氫能委員會發布的報告，全球範圍內已有131個大型氫能開發項目，全球項目總數達到359個。預計到2030年，全球氫能領域的投資將激增到5000億美元，2050年全球氫能産業將創造3000萬個工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，在全球能源消費占比重的達到18%。
我國計劃于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。截止2020年，火力發電仍然占據中國發電結構的主導，占比達到57%。同年世界平局水平爲33.8%，中國能源結構轉變迫在眉睫。
氫氣作爲高效低碳的二次能源，是雙碳目標戰略下的必然選擇。爲了實現碳中和2060的目標，我國氫氣的年需求量從目前的3342萬噸增加到1.3億噸左右，在終端能源體系中占比達到20%。中國未來有望領跑全球氫能産業發展。
氫能源與傳統能源對比
高效減排，儲量豐富，來源廣泛，降低使用成本
儲藏有量，用有需。中國目前煤炭儲量較爲豐富，占世界探明儲量的13.3%，石油、天然氣較爲稀缺。但儲産比情況不樂觀，以目前的探明儲量，石油資源還可以繼續開采18.2年，天然氣43.3年，煤炭37年。
清潔氫能，熱值強，縮成本。熱值是指單位重量燃料燃燒時所産生的熱量，是評價燃料質量的重要指標，單位以兆焦/千克（MJ/kg）表示。平均來看，石油爲41.87MJ/kg，天然氣爲38.97MJ/kg，原煤爲20.93MJ/kg，而氫氣的熱值達到142.4MJ/kg。國際上多以標准燃料應用的基熱值（標准煤當量）29.27MJ/kg計量,石油、天然氣折算標准燃料系數分別爲1.4286和1.33，氫氣達到4.865，是極爲優質高效的清潔能源。根據國際貨幣基金組織給出的全球碳排放平均價格和美國能源協會公布的中國碳排放量數據計算得出，2019年我國煤炭、石油和天然氣排放的二氧化碳的碳稅價格已經達到323.2億美元。氫能源使用對于實現時間短、任務重的碳中和目標有重大戰略意義。
氫能源與其他新能源對比
氫能綜合能力優于其他可再生能源
氫能源戰略價值
從傳統能源替代角度看氫能減排價值
根據《中國氫能源及燃料電池産業白皮書2020》，當前我國氫氣産能約每年4100萬噸，産量約3342萬噸，是世界第一産氫國，到2030年我國可再生能源制氫有望實現平價，在2060年碳中和情境下可再生能源制氫規模有望達到1億噸。需求方面，2030年我國氫氣的年需求量將增加至3715萬噸，2050年可到9690萬噸，2060年則增加至1.3億噸。
已知2020年中國氫氣需求量大約爲3.34億噸，其中化石能源制氫（灰氫）占比最大，約爲67%左右，灰氫量大約爲2.24億噸，而2020年綠氫占比僅3%，約有0.1億噸。《中國氫能源及燃料電池産業白皮書》預計到2050年，中國氫氣需求量將達到9.69億噸，其中灰氫制取比例從67%降至20%，綠氫制取比例提升至80%。（即灰氫約爲1.938億噸，綠氫爲7.752億噸）
因爲灰氫通過燃燒化石燃料産氫仍會帶來一定的碳排放量，而綠氫完全通過可再生能源和生物制氫等技術將實現零碳排放。相比之下2050年由于綠氫的占比不斷增加，優化灰氫，碳排放將會大幅度減少，逐步實現2060年碳中和目標。
使用氫能減少的碳排放
使用氫能代替傳統能源減少碳稅效率高達76.7%
此處氫能源減少的碳排放量計算爲：（氫能需求量同等熱量條件下所需傳統能源的碳排放量-制取氫能源過程中産生的碳排放量）*每單位碳稅價格。
其中等量氫需求量下所需傳統能源的碳排放量可用其産生的熱值作爲換算依據，以2050年爲例：所需的9.69億噸氫將會釋放的能量約等于65.93億噸煤釋放的熱量， 其産生的碳排放等于65.93億噸煤*化石燃料燃燒過程二氧化碳排放因子（2.64噸CO2 /噸標煤)，也就是174.05億噸CO2，假設每單位碳稅爲3美元，則將會産生522.15億美元的碳稅。
而制取氫能源過程中産生的碳排放量，主要理解爲非綠氫制取中産生的碳排放量，根據北京理工大學能源與環境政策研究中心發布的《碳中和背景下煤炭制氫的低碳發展》研究可知，煤炭制氫將排放約20.90KG CO2e/kg H2，前面信息可得2050年我國灰氫量大約爲1.938億噸，因此灰氫的制取過程將會産生40.50億噸二氧化碳。
綜合來看，到2050年，若氫氣完全替代煤炭作爲能源，將減少133.46億噸二氧化碳排放。假設每單位碳稅爲3美元，則節約的碳稅價格達到400.38億美元，綜上，氫能減少的碳稅效率高達400.38億美元/522.15億美元=76.7%。有效實現降碳稅節約我國能源發展成本。
氫能源戰略價值
從不同應用領域看氫能減排價值
到2060年我國氫氣利用結構中工業占比最大（約占60%），其次爲交通（31%）。利用于工業領域，如煉油、氨生産、煉鋼等，氫不僅可以當作能源亦可以當作燃料實現大規模應用。其次氫能憑借其高儲能、高效釋放和優秀燃料電池等特性，將有31%用于交通領域下，尤其在商用車、重型卡車中替代率高。
在預計2060年我國氫需求量大約爲1.3億噸的前提下：工業領域用氫7.8億噸，相當于減少53.07億噸煤炭用量（利用熱值對比氫得出）；交通運輸領域用氫4.03億噸，相當于減少27.56億噸煤炭用量；建築及其他領域用氫1.17億噸，相當于減少7.96億噸煤炭。根據化石燃料燃燒過程二氧化碳排放因子，工業、交通和其他領域減少的碳排放量分別爲141.1、 72.76和21.01億噸，工業領域將實現減少423.3億美元的碳稅，由于工業領域具有規模大占比高、多爲B、G端爲主導發展制造、自我傳統能源轉型壓力大，産生的碳排放成本龐大等特點，所以氫能優先大規模布局工業領域一方面可以加速實現節能減排綠色環保碳中和目標，另一方面高效減少碳稅，幫助企業和國家在國際舞台中實現可持續發展，其次是交通領域的用量將提升， 2060年將實現減少218.28億美元碳稅的成果。
從産業鏈看氫能目前發展困境
成本技術爲主要制約因素
制氫環節現狀分析
灰氫仍是主流，綠氫爲最終利用理想形態，以藍氫作爲過渡
根據制取方式和碳排放量的不同，分爲灰氫，藍氫及綠氫。灰氫是通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤）燃燒産生的氫氣；藍氫是在灰氫的基礎上，應用碳捕捉、碳封存技術，實現低碳制氫；綠氫是通過光伏發電、風電以及太陽能等可再生能源電解水制氫，在制氫過程中基本上不會産生碳排放，被稱爲“零碳氫氣”。目前主要有三種主流制取路徑：
1）以煤炭、天然氣爲代表的化石能源重整制氫；
2）以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫爲代表的工業副産氣制氫；
3）電解水制氫。我國現階段約97%的氫氣都是由化石能源制氫或副産氫獲得。
氫能源儲運環節現狀分析
氫的特性對儲運提出挑戰，長管拖車高壓氣態儲運爲主流
儲運環節是制約氫能源成本的重要因素。氫能源的儲運可以分爲高壓氣態儲運、低溫液態儲運、有機液態儲運、固態介質儲運、合成燃料儲運等多種方式。現階段我國儲運處于早期階段，普遍采用20MPa氣態高壓儲氫與集束管車運輸的方式，車載高壓儲氫瓶我國目前主要采用35MPa。
質量能量密度最高：氫在常溫下爲氣態，體積能量密度較低，僅爲天然氣的1/3(20MPa），約爲硬煤的1/20。所以與天然氣等相比，氫氣的儲運更需要考慮壓縮密度提高運輸效率，當前的措施主要爲高壓壓縮以及液化處理。
氫流速更快：氫氣在管道中的流速大約爲天然氣的2.8倍，可以改善氫體積密度低的缺陷，采用天然氣管道的氫氣運輸可以達到80%-90%的原始輸送能力。
氫脆特性：過量的氫原子進入金屬基體後 ,在應力作用下, 會引起金屬韌性或承載能力的降低 , 從而發生斷裂(通常是亞微觀的斷裂) 或者突然脆性失效。
加氫站建設現狀分析
加氫站成本較高，頂層設計加快推動企業積極布局
我國加氫站數量處于全球第一，但建設主要受政策驅動，存在審批、成本等困境：1）加氫站土地審批流程繁瑣，還涉及環評、消防審批等；2）我國加氫站設備成本約占70%以上，據中國氫能聯盟數據，建設一座500kg、加注壓力35MPa的加氫站的成本爲1200萬元（不含土地費用），相當于傳統加油站的3倍，單位加注成本約13-18元/kg；3）氫氣壓縮機、加注機成本占據65%左右，關鍵設備及其核心零部件的進口依賴度高。
2022年3月發布的《氫能産業發展中長期規劃（2021-2035）》提出部署建設一批加氫站，各地也針對性進行了加氫站布局，如內蒙古提出到2025年累計建成60座加氫站，四川成都最高給予1500萬元建設運營補助，合力推動加氫站發展。
全球氫能發展現狀
與其他發達國家相比，我國運輸環節存在巨大空間
相較我國，美、日、歐發展氫能時間長，技術與産業鏈更加成熟與完善，在儲運環節液態運輸技術及配設設施較爲成熟，而我國現階段氫的運輸主要以高壓氣態長管拖車運輸爲主，管道運輸仍爲短板弱項，需積極推進進行天然氣摻氫、管道輸氫、有機液體儲運、固體材料儲運等技術的開發和布局，尚存廣闊發展空間。此外，美、日、歐也建立産業聯盟協同上中下遊各個企業協同發展。
從産業鏈看氫能未來之路
技術革新+政策引導共同推動綠氫發展之路
我國氫能源發展起步晚，速度快，目前主要依托化工生産中的副産物作爲主供氫源的原材料，以節省制氫成本。然而，依托于工業原料及副産物所制的“灰氫”及結合CCUS技術的“藍氫”仍會産生較大碳排放，根據國際氫能委員會測算，2030年碳排成本約爲50美元/噸二氧化碳，使得灰氫成本達46.22元/kg，或與“綠氫”同價，須加快推動通過可再生能源、電解水等方法，實現全程百分之百零碳排、零汙染的“綠氫”繼續發展。目前，“綠氫”的制取方式爲電解水制氫，主要的制取工藝爲堿性電解、PEM電解（質子交換膜電解）、固體氧化物（SOEC）電解，其中ALK堿性電解與PEM電解技術應用較爲成熟。“綠氫”降成本基本路徑主要通過國家政策積極引導，從原料供應、技術及相關設備三維度突破。
技術、成本多環節突破，發展多樣化儲氫方式
從氫的儲存來看，氫的大規模應用下，一方面高壓氣態瓶改造成爲重點，另一方面，需推動低溫液態儲氫和介質儲氫的發展。高壓氫能瓶未來主流爲金屬內膽纖維纏繞瓶（III型）和塑料內膽纖維纏繞瓶（IV型），VI型瓶內膽采用樹脂，在70MPa標准下可以實現更長的壽命，助力氫儲存降本增效。低溫液態儲氫從儲能密度來看是最爲理想的儲氫方式，但對容器絕熱性能要求很高，目前主要應用于航天領域。介質儲氫主要分爲固態金屬、有機液體（甲苯、二苄基甲苯等）、合成燃料（甲醇、氨等）等，其中固態儲氫方式通過化學或物理吸附原理將氫氣吸附後儲存，載體一般爲納米材料或者金屬氫化物。液態有機儲氫可以利用傳統的石油基礎設施進行運輸、加注，方便建立加氫網絡。
儲運環節發力管道輸送，加注環節合建加氫站降本
氫能源儲運環節主要瓶頸在于解決高成本、低能效、安全性難題，從氫能規模化來看，目前的長管拖車高壓氣氫不能滿足大面積區域輻射，未來趨勢主要在液氫運輸以及管道運輸，其中，液氫技術門檻較高，國産化程度低，大規模應用還難以滿足，可先通過駁船應用于洲際運輸。美國、歐洲分別已有氫氣管道2500km、1598km，我國僅有400km左右，發展較爲滯後。管道運輸的成本難題主要是初始投入高，但隨著規模化應用，後期運輸成本很低，是氫能儲運的未來所在。
單一的加氫站審批程序複雜，成本高昂，合建加氫站可分爲油-氫合建站、CNG-氫合建站以及LNG-氫合建站，可利用現有加油加氣站的場地設施改擴建，探索站內制氫、儲氫和加氫站一體化的加氫站等新模式部分。中國石油、中國石化等企業擁有龐大的加油站，具有發揮氫能業務的網絡優勢。