智研精品報(bào)告

2019年中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及未來發(fā)展前景分析[圖]

氫能李玲玲 2019-08-29 06:43 來源：智研咨詢

我國已布局了較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。氫作為一個(gè)穩(wěn)定介質(zhì)，通過可再生能源制氫，可將不穩(wěn)定的可再生能源變得穩(wěn)定。在氫能及燃料電池領(lǐng)域，我國已經(jīng)初步形成從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到示范演示的全方位格局，布局了完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋制氫（含純化）、儲(chǔ)運(yùn)、加注、應(yīng)用等4個(gè)環(huán)節(jié)。未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

氫氣制備：因地制宜，前景廣闊

人工制氫依賴化石資源，國內(nèi)煤制氫占比較大。目前，全球人工制氫的主要原料以石油、天然氣、煤炭等化石資源為主，相較其他的制氫工藝（如：電解水制氫、光解水制氫、微生物制氫等工藝），化石資源制氫的工藝相對(duì)成熟、原料成本低廉，產(chǎn)量較高，但會(huì)排放大量溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。2017年，全球主要人工制氫原料的96%以上是化石資源，其中約48%為天然氣，僅4%左右來源于電解水。從國內(nèi)的制氫原料結(jié)構(gòu)看，煤炭是我國人工制氫的主要原料，占比高達(dá)為62%，符合我國“富煤但油氣不足”的資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，天然氣制氫的占比次之，約19%。

人工制氫技術(shù)對(duì)比

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

全球人工制氫原料占比

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

中國人工制氫原料占比

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

化石資源制氫的成本優(yōu)勢明顯，具備較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。以天然氣裂解制氫（水蒸氣轉(zhuǎn)化法+變壓吸附凈化工藝）、甲醇裂解制氫（變壓吸附聯(lián)合工藝）、電解水制氫（三塔流程純化工藝）等三種制氫路線為例，假設(shè)天然氣、甲醇、工業(yè)用電價(jià)格分別為2.6元/m³、2300元/噸、0.6元/kWh，測算出天然氣制氫、甲醇制氫、電解水制氫三種工藝的單位制氫成本分別為1.97元/Nm³、1.99元/Nm³、3.31元/Nm³。與電解水工藝制氫相比，化石資源制氫成本低廉，具備較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益，但天然氣制氫的一次性投資較高，一般適合1000Nm³/h以上的制氫產(chǎn)能。

工業(yè)尾氣制氫為當(dāng)前我國燃料電池所用氫氣的主要來源，看好氯堿副產(chǎn)氫氣。從我國氫氣原料結(jié)構(gòu)來看，利用煤為原料制備的氫氣占全部制氫產(chǎn)量的62%，但由于煤制氫氣中含有的雜質(zhì)較多，對(duì)于純化裝置要求較高，從而抬高了生產(chǎn)總成本，因此我國燃料電池原料主要采用氯堿工業(yè)副產(chǎn)品的氫氣。氯堿廠以食鹽水為原料，采用離子膜或石棉隔膜電解槽，生產(chǎn)出燒堿、氯氣、以及副產(chǎn)品氫氣。大部分氯堿廠采用物理吸附法PSA法，將其副產(chǎn)品氫氣提純，可獲得高純度氫氣，該工藝具備能耗低、投資少、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品純度高、無污染等優(yōu)勢。目前國內(nèi)氯堿廠對(duì)副產(chǎn)的氫氣有兩種利用方式，其一為與氯氣反應(yīng)制備鹽酸或制備其它化工品，其二為燃燒釋放熱能（前期投資大），較高比例的氫氣被直接放空，形成資源浪費(fèi)。考慮到氯堿工業(yè)副產(chǎn)制氫的成本只有1.3-1.5元/Nm³，且氫氣純度可高達(dá)99.99%以上，與其他制備方法相比，成本、環(huán)保優(yōu)勢凸顯。產(chǎn)量上看，2018年國內(nèi)燒堿產(chǎn)量達(dá)到3420萬噸，按每生產(chǎn)1噸燒堿副產(chǎn)270立方米氫氣計(jì)算可知，2018年我國氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫氣理論產(chǎn)量為83萬噸，理論上可供應(yīng)超過250萬輛燃料電池車，足以滿足國內(nèi)現(xiàn)有需求。

國內(nèi)氯堿副產(chǎn)品氫氣理論產(chǎn)量

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

氫氣儲(chǔ)運(yùn)、加注：多種路線并行發(fā)展

我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展路線

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

我國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)發(fā)展路線

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸主要技術(shù)路線比較

儲(chǔ)氫方式分為物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫兩大類。物理儲(chǔ)氫主要有液氫儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、活性碳吸附儲(chǔ)存、碳纖維和碳納米管儲(chǔ)存等。化學(xué)儲(chǔ)氫法主要有金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液氫化物儲(chǔ)氫、無機(jī)物儲(chǔ)氫等。衡量儲(chǔ)氫技術(shù)性能的主要參數(shù)是儲(chǔ)氫體積密度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、充—放氫的可逆性、充放氫速率、可循環(huán)使用壽命及安全性等。

從技術(shù)條件和目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，高壓儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)運(yùn)及固態(tài)儲(chǔ)氫（復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)）三種方式更適用于商用要求。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要使用大容量輕質(zhì)高壓氣罐或傳統(tǒng)鋼瓶來儲(chǔ)存氣態(tài)氫，具有較高的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度，但其體積儲(chǔ)氫密度低、壓力高、安全性差，而且占用汽車空間大，難以保證汽車的實(shí)用空間，同時(shí)，壓縮氫氣還需使用加壓設(shè)備，增加了成本和能耗，純氫的壓縮還會(huì)導(dǎo)致純氫的純度降低；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫氣冷卻到-253℃使之液化，然后灌裝到低溫絕熱儲(chǔ)氫罐進(jìn)行儲(chǔ)存，其儲(chǔ)氫密度高，但能耗大、成本高，對(duì)隔熱裝置要求苛刻，而且存在揮發(fā)損失及安全性差等問題；固態(tài)儲(chǔ)氫是將儲(chǔ)氫材料存入密閉容器中，利用儲(chǔ)氫材料的吸氫能力實(shí)現(xiàn)氫氣的固態(tài)儲(chǔ)存，具有很高的體積儲(chǔ)氫密度。常用的儲(chǔ)氫材料主要有金屬氫化物、配位氫化物、納米儲(chǔ)氫材料、液態(tài)有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料等。其中，金屬氫化物是最為常見的儲(chǔ)氫材料。但是固態(tài)儲(chǔ)氫方式的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度相對(duì)較低，且吸放氫過程受到熱量交換的限制，使得固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的充裝和釋放速率較慢。

根據(jù)供氫方式不同，加氫站各系統(tǒng)的設(shè)備有所不同，但差異不大，與現(xiàn)有較為成熟的壓縮天然氣（CNG)加氣站相似。主要包括卸氣柱、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、加氫機(jī)、管道、控制系統(tǒng)、氮?dú)獯祾哐b置、放散裝置以及安全監(jiān)控裝置等，其主要的核心設(shè)備是壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫灌和加氣機(jī)。

1)壓縮機(jī)

目前加氫站使用的壓縮機(jī)主要有隔膜式壓縮機(jī)和離子式壓縮機(jī)兩種。隔膜式壓縮機(jī)因無需潤滑油潤滑，從而能夠獲得滿足燃料電池汽車純度要求的高壓氫氣。但隔膜式壓縮機(jī)在壓縮過程中需要采用空氣冷卻或液體冷卻的方式進(jìn)行降溫。離子式壓縮機(jī)能實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，但因技術(shù)尚未成熟，沒有大規(guī)模使用。目前，國內(nèi)氫能源用壓縮機(jī)主要以進(jìn)口為主，國外供應(yīng)商Hydro-Pac和美國PDC為主，國內(nèi)代表機(jī)構(gòu)是中船重工718研究所，國內(nèi)可能具備加氫站壓縮機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品儲(chǔ)備的國內(nèi)相關(guān)上市公司主要有金通靈等。

2)儲(chǔ)氫容器

儲(chǔ)氫罐是加氫站的核心設(shè)備之一，很大程度上決定了加氫站的氫氣供給能力。加氫站內(nèi)的儲(chǔ)氫罐通常采用低壓(20～30MPa)、中壓(30～40MPa)、高壓(40～75MPa)三級(jí)壓力進(jìn)行儲(chǔ)存。有時(shí)氫氣長管拖車也作為一級(jí)儲(chǔ)氣(10～20MPa)設(shè)施，構(gòu)成4級(jí)儲(chǔ)氣的方式。
當(dāng)前國內(nèi)企業(yè)采用較多的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，高壓儲(chǔ)氫時(shí)的加氫過程是一個(gè)儲(chǔ)氫氣源與使用單元的物質(zhì)和能量交換，使大量的高能氣體進(jìn)入到空氣瓶中的過程。根據(jù)生產(chǎn)和使用的不同應(yīng)用方式，高壓儲(chǔ)氫設(shè)備大致可分為三種：車用高壓儲(chǔ)氫容器、高壓氫氣輸運(yùn)設(shè)備、固定式高壓氫氣儲(chǔ)存設(shè)備。

3)加氫機(jī)

加氫機(jī)是實(shí)現(xiàn)氫氣加注服務(wù)的設(shè)備，加氫機(jī)上裝有壓力傳感器、溫度傳感器、計(jì)量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等等。當(dāng)燃料電池汽車需要加注氫氣時(shí)，若加氫站是采用4級(jí)儲(chǔ)氣的方式，則加氫機(jī)首先從氫氣長管拖車中取氣;當(dāng)氫氣長管拖車中的氫氣壓力與車載儲(chǔ)氫瓶的壓力達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)由低壓儲(chǔ)氫罐供氣;依此類推，然后分別是從中壓、高壓儲(chǔ)氫罐中取氣;當(dāng)高壓儲(chǔ)氫罐的壓力無法將車載儲(chǔ)氫瓶加注至設(shè)定壓力時(shí)，則啟動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行加注。加注完成后，壓縮機(jī)按照高、中、低壓的順序?yàn)槿?jí)儲(chǔ)氫罐補(bǔ)充氫氣，以待下一次的加注。這樣分級(jí)加注的方式有利于減少壓縮機(jī)的功耗。

氫能是能源技術(shù)革命的重要方向，全球發(fā)展進(jìn)入快車道

全球逐步形成發(fā)展氫能的共識(shí)，普遍認(rèn)為氫能是21世紀(jì)最具潛力的清潔能源之一。美國通用汽車公司的技術(shù)研究中心于20世紀(jì)70年代提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念，1976年美國斯坦福研究院就開展了氫經(jīng)濟(jì)的可行性研究。20世紀(jì)90年代中期以來城市空氣污染、能源自主可控、二氧化碳過量排放及全球氣候變化、可再生能源電量儲(chǔ)存等問題的凸顯，增加了氫能經(jīng)濟(jì)的吸引力。氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，逐步形成全球共識(shí)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬侨祟惖膽?zhàn)略能源發(fā)展方向。

預(yù)計(jì)到2050年世界將正式進(jìn)入“氫能時(shí)代”。2016年全球氫能的下游應(yīng)用的90%仍為工業(yè)，25%用于冶金，65%用于化工領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2050年氫能將占到人類能源總供給的18%，貢獻(xiàn)58EJ的總能量，其中主要的增量來自于交通運(yùn)輸，將消耗約22EJ的能量，占?xì)淠芟掠螒?yīng)用的約38%。

氫能下游應(yīng)用占比

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

2050E總能量供給中氫能及其下游應(yīng)用情況（單位:EJ）

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

歐美日韓中計(jì)劃到2025年建成加氫站共計(jì)2000座，是目前五個(gè)國家及地區(qū)在營加氫站數(shù)量的4.81倍。2018年全球加氫站新增48座，截止到2018年底，全球加氫站數(shù)目達(dá)到369座。分地區(qū)來看，歐洲152座，亞洲136座，北美78座；在全部369座加氫站中，有273座對(duì)外開放。日本、德國和美國加氫站共有198座，占全球總數(shù)的54%，顯示出三國在氫能與燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展及領(lǐng)先地位。

全球2018年底在營加氫站及未來計(jì)劃建設(shè)加氫站情況

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

美、日、德等傳統(tǒng)汽車強(qiáng)國已自上而下布局氫能產(chǎn)業(yè)

美、日、德在國家層面已出臺(tái)了具有頂層設(shè)計(jì)的全國性專項(xiàng)規(guī)劃文件。2007年，德國政府、工業(yè)和科學(xué)界啟動(dòng)氫和燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)新計(jì)劃（NIP）的長達(dá)10年的重大項(xiàng)目。2006-2016年間，NIP為750個(gè)項(xiàng)目總計(jì)投入約7億歐元，共240家企業(yè)，50家科研和教育機(jī)構(gòu)以及公共部門得到NIP的資助。聯(lián)邦政府正在實(shí)施第二階段即2016至2026年的氫和燃料電池技術(shù)計(jì)劃（NIP2）以確保研究和開發(fā)的繼續(xù)，預(yù)計(jì)在接下來十年內(nèi)提供14億歐元左右扶持資金。

日本政府在2014年4月制定的《第四次能源基本計(jì)劃》中，明確提出了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略方向。2014年6月，日本經(jīng)濟(jì)通產(chǎn)?。∕ETI）發(fā)布了《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，提出實(shí)現(xiàn)“氫能社會(huì)”目標(biāo)分三步走的發(fā)展路線圖。2017年12月，日本政府發(fā)布了《氫能基本戰(zhàn)略》，確定2050年“氫能社會(huì)”建設(shè)的目標(biāo)。

日本氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖“氫能社會(huì)”三階段示意圖

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

日本第四次能源基本計(jì)劃“氫能社會(huì)”戰(zhàn)略方向

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

2002年11月，美國能源部發(fā)布《國家氫能發(fā)展路線圖》，明確了氫能的發(fā)展目標(biāo)，制定了詳細(xì)的發(fā)展路線。2014年，美國頒布《全面能源戰(zhàn)略》，開啟了新的氫能計(jì)劃，重新確定了氫能在交通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用。2019年3月，美國能源部宣布將高達(dá)3100萬美元的資金用于推進(jìn)“H2@Scale”概念。“H2@Scale”的重點(diǎn)是在美國多個(gè)部門實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的大規(guī)模制氫、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和利用。截止2018年6月，加州擁有36座對(duì)外開放的加氫站，符合政府產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

加州截止2018年6月的對(duì)公眾開放的加氫站分布

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

德、日、美三個(gè)國家均設(shè)置了氫能源管理機(jī)構(gòu)。2014年日本經(jīng)濟(jì)通產(chǎn)省能源效率和可再生能源部（EnergyEfficiencyandRenewableEnergyDepartment）下設(shè)立了氫能與燃料電池戰(zhàn)略辦公室（HydrogenandFuelCellsStrategyOffice）。2005年美國能源部下設(shè)氫燃料電池技術(shù)咨詢委員會(huì)（HTAC），就氫能研究、開發(fā)和示范項(xiàng)目向能源部長提供咨詢建議，下設(shè)燃料電池技術(shù)辦公室（FCTO）負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)美國能源部氫和燃料電池項(xiàng)目的研發(fā)活動(dòng)。2004年德國政府牽頭成立了國家氫能與燃料電池組織（NOW）；2015年由法液空、戴姆勒、林德、OMV、殼牌和道達(dá)爾六家龍頭企業(yè)結(jié)成H2Mobility聯(lián)盟，與NOW共同支持德國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

同時(shí)，三國已創(chuàng)建了相對(duì)科學(xué)安全的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)測體系。截至2018年底，美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）已發(fā)布?xì)淠芗夹g(shù)現(xiàn)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)27項(xiàng)。德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)（DIN）也已發(fā)布?xì)淠芗夹g(shù)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)，日本發(fā)布?xì)淠芗夹g(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)29項(xiàng)。

工業(yè)用氫制取技術(shù)相對(duì)成熟，低成本氫氣供給較充足

工業(yè)用氫制取技術(shù)相對(duì)成熟，電解制氫或是未來趨勢?，F(xiàn)有制氫技術(shù)主要有煤制氫、水電解制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等。其中煤制氫成本最低，生產(chǎn)每立方米氫氣成本只需0.7~0.8元，也是目前的主要制氫方式；工業(yè)副產(chǎn)氫的成本約為1~2元每立方米，但目前的儲(chǔ)運(yùn)條件無法控制遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)某杀?。水電解制氫電費(fèi)成本占80%，設(shè)備成本小于10%，技術(shù)生產(chǎn)每立方米氫氣大約耗電4~5kwh，若電費(fèi)低于0.2元/kwh，那么水電解制氫就可以作為規(guī)?；a(chǎn)氫的方式。2050年電解制氫將占整體制氫量的70%，成為主流的制氫方式。

2018年制氫技術(shù)成本比較

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

中國是世界上最大的制氫國，可為氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期階段提供低成本氫氣供給。2018年中國氫氣產(chǎn)量約為2100萬噸，現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能為2500萬噸/年，同時(shí)每年中國的可再生能源棄電約1000億kwh，可用于電解水制氫約200萬噸。2018年中國氫氣需求量約為1900萬噸，供略過于求，低成本氫氣供給相對(duì)充足。

2017-2050E氫氣年需求量

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展有望拉動(dòng)千萬噸氫氣需求，對(duì)應(yīng)萬億氫能產(chǎn)值
2050年中國氫氣需求中性情況下將達(dá)到近6000萬噸，主要增量來自于交通運(yùn)輸?shù)娜剂想姵剀嚒５?030年中國的氫氣需求量將達(dá)到3500萬噸/年，產(chǎn)能缺口約1000萬噸/年；到2050年中國的氫氣需求量將達(dá)到6000萬噸/年，其中交通運(yùn)輸方面的氫氣需求量將達(dá)到2458萬噸/年，產(chǎn)能缺口約2500萬噸/年。

2050E中國氫氣需求量分行業(yè)情況

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

2050E中國氫氣需求量分行業(yè)占比

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

我們認(rèn)為，大中型客車及重中型貨車未來更可能被替換為燃料電池車。我國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到乘用車領(lǐng)域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面，公共交通平均成本低，而且能夠起到良好社會(huì)推廣效果，待形成規(guī)模后帶動(dòng)燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面，商用車行駛在固定線路上且車輛集中，建設(shè)配套加氫站比較容易。當(dāng)加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時(shí)，又會(huì)支撐更多燃料電池汽車。

據(jù)我們測算，到2050年燃料電池車對(duì)應(yīng)的氫氣年需求量約為2313萬噸，對(duì)應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約為6.9萬億元。根據(jù)中性情景假設(shè)，2030年及2050年商用車銷量中燃料電池車銷量將分別達(dá)到總銷量的7%及37%，乘用車銷量中燃料電池車銷量將分別達(dá)到總銷量的3%及14%，假設(shè)車輛壽命為20年，且燃料電池銷量滲透率為線性增長，則2050年燃料電池商用車及乘用車保有量滲透率分別為22%及8.5%。2017年我國商用車保有量為2571萬輛，乘用車保有量為1.8億輛，假設(shè)2050年車輛保有量不變。同時(shí)考慮到技術(shù)升級(jí)，假設(shè)氫氣終端成本價(jià)為30元/公斤，那么2050年燃料電池車年氫氣需求量約為2313萬噸，對(duì)應(yīng)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約為6.9億元。

2050年燃料電池車對(duì)應(yīng)氫氣需求量測算