世界氫能技術與產業發展趨勢
來源：能源情報 2020-09-17
文/何盛寶 李慶勛 王奕然 李知春，中國石油石油化工研究院，石油科技論壇
習近平總書記從保障國家能源安全的全局高度，提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，要求以綠色低碳為方向，分類推動技術創新、產業創新、商業模式創新，把能源技術及其關聯產業培育成帶動我國產業升級的新增長點。
氫能是全球能源技術革命的重要方向，加快發展氫能產業，是應對全球氣候變化、保障國家能源供應安全和實現可持續發展的戰略選擇，是貫徹落實黨的十九大精神、構建“清潔低碳、安全高效”能源體系、推動能源供給側結構性改革的重要舉措。2019年，氫能首次寫進了政府工作報告，要求“推動充電、加氫等設施建設”，國內氫能產業迎來發展良機。2020年5月22日，國家發改委受國務院委托，提請十三屆全國人大三次會議審查的《關于2019年國民經濟和社會發展計劃執行情況與2020年國民經濟和社會發展計劃草案的報告》中明確指出制定國家氫能產業發展戰略規劃，這是氫能首次被寫入年度國民經濟和社會發展計劃。
氫能發展前景廣闊，國際氫能委員會預計，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，可能創造超過2.5萬億美元的市場價值，減少60億t二氧化碳排放，燃料電池汽車將占據全球車輛的20%~25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。國家能源局發布的《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》將氫能劃入了能源種類，并明確提出國家能源戰略要實施節約優先、立足國內、綠色低碳和創新驅動的能源發展戰略。把氫能從危險化學品中分離出來，將進一步推動我國氫能經濟的健康有序發展。
1 世界氫能產業與技術發展現狀及主要趨勢
氫能是一種二次能源，不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采，必須由化石燃料或水通過化學反應制取。氫氣一直是氨和甲醇生產的基礎原料，隨著油品質量升級，煉廠成為氫氣最大的消費領域，全球的氫相關工業快速發展，市場規模從2011年的1871億美元增長到2017年的2515億美元。美國、歐洲和日本等發達國家和地區紛紛加大氫能研發投入和政策支持，重點研究乘用車、加氫站、公共汽車、電解水制氫裝置、卡車五大應用領域。氫燃料電池乘用車整車成本已從2005年前的100萬美元/輛，降到5~10萬美元/輛的可接受范圍。
1.1 氫氣作為基礎原料被廣泛使用
氫來源廣泛，工業氫氣主要來源于天然氣水蒸氣重整和煤氣化，氯堿、鋼鐵、焦化等工業也副產大量氫氣，未來生物質、可再生能源制氫可獲得無碳排放清潔氫氣。氫化工原料的利用是目前最有希望實現氫能規模化利用的有效途徑。2018年，全球純氫消費量約為7390萬t，合成甲醇、金屬冶煉等產品中的含氫量約為4200萬t，其中煉油及合成氨產業消費量達到純氫總消費量的94.3%（表1）。隨著氫能在能源領域的快速發展，未來氫氣的需求量將快速增長。
1.2 美國、歐洲和日本氫能產業發展情況
能源轉型背景下，發展氫能已經成為發達經濟體的共識，美國、歐盟和日本等都將發展氫能產業作為國家能源戰略，氫能與燃料電池在交通領域持續升溫。
尤其是日本，政府全力支持氫能，汽車界、能源界和科技界全力參與，成為國際氫能領跑者。
1.2.1 美國氫能產業起步早、發展穩
美國一直重視新能源的開發與利用，在全球率先提出氫經濟概念，先后出臺《1990年氫氣研究、開發及示范法案》《氫能前景法案》。進入21世紀，美國大力推進氫能領域的投入，2002年發布“國家氫能發展路線圖”，標志著氫經濟從構想轉入行動階段。2004年發布《氫立場計劃》，明確氫經濟發展要經過研發示范、市場轉化、基礎建設和市場擴張以及完成向氫能經濟轉化4個階段。2012年，聯邦預算63億美元用于氫能、燃料電池等清潔能源的研發，并對境內氫能基礎設施實行30%~50%的稅收抵免。2019年，宣布為29個項目提供約4000萬美元資金，跨部門實現低負擔且可靠的規?；爸茪?、運氫、儲氫和氫應用”，推進氫能產業規?；?。
1.2.2 歐洲氫能產業注重發揮整體作用
歐洲在氫能領域給予大量政策支持。2003年，歐盟25國開展“歐洲氫能和燃料電池技術平臺”研究，對燃料電池和氫能技術發展進行重點攻關。2009年，歐盟完成“天然氣管道運輸摻氫”項目研究；殼牌、道達爾、法國液化空氣集團、林德、戴姆勒等公司共同簽署了H2Mobility項目合作備忘錄，將在10年中投資3.5億歐元，在德國境內建設加氫站；2015年和2016年分別啟動了H2ME1計劃和H2ME2計劃，共投資1.7億歐元，建設49座加氫站。截至2019年底，歐洲共建成運營177座加氫站，其中，德國87座、法國26座。
1.2.3 日本氫能產業發展重點突出
日本極力推進“氫能源社會”建設，曾計劃以2020年東京奧運會為契機推廣燃料電池汽車，全面利用氫能滿足奧運村需求。日本政府強力支持關鍵氫能項目，燃料電池熱電聯供系統已安裝34萬臺，計劃2030年安裝530萬臺。豐田、本田氫燃料電池汽車商業化，2019年9月全球第10000輛Mirai下線。加氫基礎設施重點是基礎研究和材料、車載儲氫容器、氫氣運輸及加氫站，截至2019年底，日本建成運營的加氫站共114座。
1.2.4 美歐日依據本國特點制定各自氫能發展路線圖
為了更好地推進氫能產業發展，促進技術開發，美國、歐洲和日本分別公布了氫能發展路線圖。美國氫能發展主要關注氫能產業推廣，對氫燃料電池車、加氫站數量有明確預測；日本氫能發展更多關注技術開發，加氫站建設及運營成本、氫燃料電池車價格每經過一個階段都有較大幅度下降；歐洲則更關注氫能發展對二氧化碳減排的作用（圖1）。
1.3 氫能技術發展現狀及主要趨勢
氫能產業鏈包括制氫、儲存、運輸及氫氣利用，不同技術路線會在不同的時間節點推動乃至引領氫能產業鏈發展?！盎覛洳豢扇。{氫可以用，廢氫可回收，綠氫是方向”獲得業界認同，預計2050年加氫站用氫將實現100%綠色制氫（表2）。
1.3.1 零碳排放制氫快速發展
天然氣制氫是主要的制氫方式，占全球氫氣產量的76%，每年用于制氫消耗的天然氣超過2000億m3；煤氣化制氫是另一種重要氫氣來源，每年有超過1億t煤炭用于氫氣生產。能源公司多傾向將天然氣制氫+CCS作為向綠氫過渡階段的主要制氫技術，近年來建成的大型制氫裝置不斷增加。雖然可再生電力電解水制氫現階段只占全球氫氣產量的2%左右，但潛力巨大。堿性電解水、質子交換膜電解水和固體氧化物電解水是3類主要的電解水制氫技術，其中，堿性電解水制氫已商業化應用多年，質子交換膜制氫產品純度高、設備體積小、重量輕，固體氧化物制氫用電效率高、燃料費用低。
1.3.2 高效低成本儲運氫是關鍵
目前，氫氣主要以自產自用的方式大規模投入使用，歐美煉廠氫氣主要來源于專業氣體生產商。長距離輸送時，管道輸氫具有很強的競爭力，但全球輸氫管道總長不超過5000km。美國擁有2500km的輸氫管道，空氣產品公司在美國墨西哥灣地區管道輸運氫氣量超過4000萬m3/d。中國目前僅有100km輸氫管道，最長的兩條是中國石化巴陵石化—長嶺煉化42km輸氫管線和河南濟源—洛陽吉利24km輸氫管線。隨著氫能產業發展，大宗氫氣跨境貿易的發展潛力巨大。
1.3.3 穩步推進加氫站建設
氫燃料電池汽車運行成本高的主要原因是加氫站基礎設施尚處在建設初期，各國都在加快加氫站網絡建設。截至2019年底，全球建成投用的加氫站共計432座，約30%為液氫儲運加氫站，主要分布于日本和美國，中國現主要以高壓氫氣站為主，歐洲大多數加氫站則采用電解水方式制氫。美國供應氫燃料電池汽車的單個加氫站數量最多，中國加氫站主要為公共汽車等大型車輛提供加氫服務，日本雖然加氫站數量全球第一，但氫氣加注量遠低于中美兩國。2019年，美國、中國、日本的氫氣加注量分別為6000t、2500t、200t。
1.3.4 低鉑/無鉑燃料電池開發加快
車用燃料電池主要是質子交換膜燃料電池。經過全球范圍內近10年的持續研發，車用燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動等方面已取得突破性進展，新一輪的燃料電池汽車產業化浪潮正在迫近。氫燃料電池催化劑以Pt/C催化劑為主，目前鉑用量保持在0.3~0.5g/kW的水平，降低鉑用量并尋求廉價替代催化劑是發展目標，預計鉑用量可降至0.1g/kW。
1.3.5 燃料電池和氫能標準不斷完善
氫能產業鏈長、技術門檻高，標準化工作有利于促進技術的國際應用和推廣，提升產品質量。環保、經濟、安全、高效運行均離不開標準化。ISO/TC197是主要負責氫能安全性、加氫站、氫燃料等重要領域的標準化工作，已發布標準18項。IEC/TC105主要負責燃料電池及其應用相關的國際標準制定，涉及燃料電池發電系統、交通工具用燃料電池等，已發布標準14項。中國已分別發布氫能、燃料電池標準19項、30項。
2 中國氫能產業和技術發展迅速
我國對氫能的研究與發展可以追溯到20世紀60年代初，當時主要為火箭生產液氫燃料。進入21世紀后，我國出臺了一系列政策以支持民用氫能的發展。
2.1 政府持續出臺扶持政策
2006年，國務院發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》，重點研究高效低成本化石能源制氫、可再生能源制氫、氫氣儲存和輸配技術?！笆濉币詠恚嗬^發布《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》《中國制造2025》等頂層規劃，并將“推進加氫設施建設”寫入2019年政府工作報告，引導和鼓勵氫能及燃料電池產業發展。
2.2 成立創新戰略聯盟，行業投資踴躍
2018年，由國家能源集團牽頭，17家能源、裝備制造、交通運輸、冶金材料等行業的大型企業、知名高校和研究機構發起，成立了中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟，旨在推動中國氫能及燃料電池產業的協同創新、資源整合、推廣應用，目前該聯盟的成員數量已達72家單位。據不完全統計，2019年，國內氫能投資超過2000億元，呈現井噴態勢，投資領域遍及氫能全產業鏈。
2.3 技術研發直追先進國家，產業化和市場培育尚有差距
在制氫方面，國內已擁有大規模煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫的工程技術集成能力，并掌握了氫氣液化關鍵技術，具備堿性電解水設備制造、工藝集成能力；在加氫站方面，具有自主研發生產35MPa加氫機能力，完成70MPa加氫機實驗樣機開發；在氫氣壓縮機方面，具備45MPa小流量自主研發制造能力，擁有87.5MPa壓力試驗樣機；燃料電池技術儲備較好，處于應用示范階段，目前仍落后于國際領先水平；氫安全具備一定技術基礎?？傮w看，我國氫能基礎研究與國際水平相近，甚至有超越趨勢，但產業化開發和市場培育與先進國家相比尚有差距。
2.4 氫能產業集群已具雛形
當前，我國氫能產業仍處于商業化初期。近年來，在國家政策大力支持下，地方政府和企業對發展氫能表現出極大熱情，投資熱潮不斷。我國已形成京津冀、長三角、珠三角、華中、西北、西南、東北7個氫能產業集群，氫能產業示范園和氫能小鎮如雨后春筍般涌現，相關的產業配套和商業化應用體系也在逐漸探索和完善，完整的氫能產業鏈逐步形成。
3 石油公司加快推進氫能產業與技術發展的重要意義
氫能與石油公司的傳統產業鏈關系十分緊密，與石油石化行業契合度極高。氫能產業鏈長，涵蓋氫氣制取、儲存、運輸和應用，這與交通燃料油、天然氣供應模式高度符合，推進氫能產業與技術發展既可對現有業務形成有益補充，提供清潔能源，更可促進石油公司向綜合性能源公司轉型。
3.1 推進氫能產業是保障國家能源安全的戰略需要
當前，世界能源格局正在深刻調整，新一輪能源革命已經開始，氫能是解決能源資源危機和環境危機的重要探索方向。全球各國把氫能源作為戰略資源，積極開發氫能，逐步擺脫對化石能源的依賴。隨著可再生能源技術不斷進步，風電、光電將在不遠的將來成為主力能源品種。氫能可靈活實現氫電轉換，既解決了可再生能源不穩定的問題，還可以生產含碳化學品，降低二氧化碳排放，降低能源對外依存度。
3.2 加快氫能科技創新是適應新能源科技革命的必然選擇
清潔化與低碳化是全球能源發展大勢，發達經濟體正處于從“油氣時代”向“天然氣+可再生能源時代”的轉型，石油公司須提前謀劃接替性的能源業務。以殼牌、BP、道達爾、中國石化、中國石油為代表的國內外大石油公司，在化石能源制氫、可再生能源制氫、加氫站建設運營領域進行了長期技術積累和產業培育，殼牌、BP計劃在2050年甚至更早實現凈零碳排放。
3.3 突破氫能關鍵技術是提升企業核心競爭力的現實需要
以電動汽車為代表的新能源汽車產銷量迅速增加，預計2025年，氫燃料汽車迎來商業化推廣階段，將促使傳統加油站產業發生根本性變革，甚至可能顛覆整個傳統油氣行業，石油公司必須未雨綢繆。在氫氣生產方面，煉廠副產氫提純供應加氫站，短期內是有經濟競爭力的氫源，長期看，油田礦區面積大、光照好，適于可再生能源大規模低成本開發；在加氫站建設運營方面，石油公司加油站數量龐大，區位優勢顯著，可部分改造為加油加氫一體站，既節約寶貴的土地資源，又可快速培育忠實客戶群。
3.4 發展氫能將助力石油公司向油氣電氫協同轉型
全球電能占終端能源消費的比重持續提高，2035年比重將接近40%，2050年預計超過50%，成為終端能源消費的絕對主體。石油公司發展氫能是介入電能業務的又一契機，也是公司未來業務可持續發展的必然選擇。一方面，風能、太陽能等可再生能源發電已經實現商業化，但由于輸出電力波動性大的特點，需要調峰電源和儲能介質，天然氣發電及氫儲能可以解決上述問題。另一方面，可再生能源的就地消納符合國家能源發展戰略，也符合國家在能源生產基地發展高載能產業的要求，未來具備較好的市場空間和發展不依賴于大電網的供售電模式。石油公司發展氫能可以助力可再生能源連續穩定供應，拓展業務領域，實現油氣電氫協同可持續發展。
4 石油公司發展氫能產業與技術的思考與建議
中國在全球氫能產業發展中扮演重要角色，氫能產業開發要立足于自身資源稟賦，開發氫氣制取、儲運和高效利用技術“硬翼”，同時制定和完善標準、專利等知識產權“軟翼”，“一體兩翼”推進氫能開發利用（圖2）。
4.1 發展氫能應戰略先行，做好頂層設計
氫能已進入大規模商業化前期，石油公司應高度關注氫能業務，研究制定產業戰略規劃，堅持有所為、有所不為，促進油氣電氫業務的協同有序發展，全面提升公司綜合競爭力。
4.2 打造一流的創新聯合體，以科技創新引領產業發展
加快與國內外先進公司和研究機構的合作，加入相關氫能戰略聯盟，打造一流的創新聯合體，創建國家級氫能產業創新研發平臺，實現低成本制氫、儲運氫，引領氫能產業發展，使氫能成為公司新的優勢業務。
4.3 推進氫能示范項目，以產業發展帶動科技創新
推動并加快加氫站在國家和地方的補貼和產業政策完善地區的試驗示范，以產業為依托，帶動科技創新由基礎研究向應用研究轉變，實現科技創新和產業發展雙向促進。
4.4 建立專業化機構，培養高素質人才
氫能業務涵蓋制氫、儲運氫、加氫和用氫等領域，必須適時成立專業化的氫能科技公司，建設專門人才隊伍，完善體制機制和創新政策體系，加大激勵扶持力度，搶占氫能產業發展制高點。
4.5 加強安全管理，落實監管責任
強化制氫、儲運氫、加氫、用氫等各環節主體安全風險意識，制定切實可行的安全風險防范規章制度。建設氫能運營監測體系，實現儲運氫設施、加氫站實時監測和分析預警。
