1. 引言 当前氢能产业正处于快速发展期，从中央到地方，关于氢能产业的规划和布局正在紧锣密鼓地进行。在氢能产业快速发展的同时，产业链面临的关键问题也亟需深入的研究讨论，从而确定各方共识，向政府提供决策参考，保障氢能发展的关键制度供给。 目前全球多个国家和地区已经颁布了氢能发展路线图。例如，2019年2月，欧洲燃料电池和氢能联合组织（FCH-JU）发布《欧洲氢能路线图》，显示发展氢能将为欧洲带来巨大的社会经济和环境效益，目标到2030年推广370万辆氢燃料电池乘用车，创造约1300亿欧元的产值。美国燃料电池与氢能协会（FCHEA）于2019年11月发布《氢能经济路线图》，目标到2025年，各种应用的氢需求总量将达到1300万吨，将有12.5万辆氢燃料电池汽车。日本政府将《氢能及燃料电池路线图》更新到第三版，持续在技术研发、加氢基础设施建设、氢能供给和终端应用等方面投入资金支持。韩国政府计划到2040年燃料电池产量扩大至15GW，氢燃料电池汽车产量至620万辆，加氢站至1200座。 我国氢能领域缺乏顶层设计，有必要尽快制定我国的氢能发展路线图。目前氢能领域的研究较为分散，多集中于各个子板块，例如燃料电池、车用氢能等，缺乏顶层统筹。自2016年以来，中国电动汽车百人会就氢能发展问题，召开多次行业研讨会，进行多项专题研究工作，相关课题研究单位及与会专家均认为有必要将氢能纳入国家能源战略层面统一规划，明确氢能发展路线，推进氢能在交通运输、能源供应、工业生产、家庭生活等多个领域的产业应用。 氢能顶层设计需要跨部门、跨行业、跨学科协同。氢能行业管理涉及多个部门，例如在氢的管理上，作为危险化学品还是能源属性尚不明确， 在相关基础设施建设审批上，涉及工商、土地规划、住建、安监、消防、环境评价等多个部门，主管单位尚不明确。同时，氢能供应与应用涉及多个行业，例如煤化工、炼油、炼钢、焦化等传统工业，与氢燃料电池汽车、固定式燃料电池储能应用等新兴产业。另外，氢能技术突破涉及多个学科，例如化学、化工、热能、机械、车辆等能源基础学科以及新能源融合的交叉学科。总体而言，过去单一学科、单一产业、单一部门归口的模式难以胜任氢能发展规划与路线图这项顶层设计工作，亟需多部门、多行业、多学科协同。 课题组在2019年启动了“中国氢能发展路线图”项目，通过梳理中国当前氢能发展现状，研判未来氢能发展趋势，探索我国氢能发展的解决方案，重点聚焦绿色高效经济的氢能供应体系和全球领先的氢能应用网络。 恰逢2020年中国电动汽车百人会年会召开之际，课题组发布《中国氢能发展路线图1.0：如何实现绿色高效经济的氢能供应体系？》，聚焦于氢能供应体系，通过梳理处于产业链上游的氢能供应体系存在的诸多挑战，发现我国氢能产业发展中面临的问题，探索具有中国特色的解决方案，以实现氢经济的美好愿景。 本报告详细描述了中国氢能供应体系的现状与问题，同时基于现状与问题，描述未来如何通过模式创新、技术进步与规模升级、管理体制与政策优化逐步实现绿色高效经济的氢能供应体系。希望我们的研究可以为从业人士、政府机构、咨询机构和投资机构等更好的了解产业发展情况以及面临的问题提供帮助。 《中国氢能发展路线图1.0：如何实现绿色高效经济的氢能供应体系？》是课题组2019年度在氢能领域研究的一部分，接下来我们会继续开展氢能应用网络的深入研究，我们也真诚的希望产业内的企业、研究机构、专家和学者共同参与，一起为中国氢能产业的发展贡献一份力量。 2. 中国氢能供应体系发展现状 在中国，现阶段主要把氢作为工业原料而非能源使用。我国是产氢大国，在合成氨、合成甲醇、炼焦、炼油、氯碱、轻烃利用等传统石油化工行业中，氢气的生产与利用具有较为成熟的经验。一般由企业购买煤炭、天然气、石油等原料，利用自有设备制得氢气，并把其用于相应产品合成的原料及为生产供热。 总体上，由于煤炭是我国主体能源和基础产业，我国煤气化制氢（以下称煤制氢）占比超过其他制氢方式。目前氢产量的统计通常采取由下游产品产量倒推计算的方法，然而企业在实际生产过程中通常会留有余量，因此各口径下的产量统计数据略有差异。 图表1 全球与中国的氢气生产结构现状 制氢原料及方式 全球1 国内- 统计口径12 国内- 统计口径23 化石能源制氢 煤制氢 18% 43% 62% 天然气重整制氢 48% 16% 19% 石油制氢 30% 13% 合计18% 工业副产提纯制氢 焦炉煤气、氯碱尾气等 \ 28% 电解水制氢 \ 4% 微量 1% 其他方式制氢 生物质、光催化等 \ 微量 微量 1 Hydrogen From Renewable Power 2017 2 清华大学，车百智库 3 中国标准化研究院, 全国氢能标准化技术委员会.《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2018)》 资料来源：车百智库 2.1制氢环节 2.1.1概述 从各制氢路径的特点来看，传统制氢工业中以煤、天然气等化石能源为原料，制氢过程产生CO2排放，制得氢气中普遍含有硫、磷等危害燃料电池的杂质，对提纯及碳捕集有着较高的要求。焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产提纯制氢，能够避免尾气中的氢气浪费，实现氢气的高效利用，但从长远看无法作为大规模集中化的氢能供应来源；电解水制氢纯度等级高，杂质气体少，易与可再生能源结合，被认为是未来最有发展潜力的绿色氢能供应方式。 图表2 主要制氢路径及其优缺点 制氢方式 原料 优点 缺点 适用范围 化石能源 制氢 煤 技术成熟 储量有限，制氢过程存在碳排放问题，须提纯及去除杂质 合成氨、合成甲醇、石油炼制等 天然气 技术成熟 电解水制氢 电、水 工艺过程简单，制氢过程不存在碳排放 消耗电量大 电子、有色金属冶炼等对气体纯度及杂质含量有特殊要求 化工过程副产氢 焦炉煤气、化肥工业、氯碱、轻烃利用等 成本低 须提纯及杂质去除，无法作为大规模集中化的氢能供应源 合成氨、石油炼制等 制氢方式 原料 优点 缺点 适用范围 生物质制氢 农作物、藻类等 原料成本低 氢含量较低 \ 核能制氢 水 合理利用核能发电废热 技术不成熟 \ 光催化制氢 水 原料丰富 技术不成熟 \ 资料来源：中国船舶重工集团第七一八研究所，车百智库 为控制氢气制取环节的碳排放，化石能源制氢需结合碳捕集、封存和利用（CCUS）技术。CCUS技术在碳捕集与封存（CCS）技术基础上增加了CO2利用，包括上游碳捕集、中游碳运输与下游碳利用等环节。相较于CCS，CCUS可以有效摊销前沿技术体系与巨大工程规模带来的巨额投资和运营成本，但目前还处于研发和示范的初级阶段。 图表3 CCUS上下游技术路径 技术路径 技术原理 适用范围 上游 燃烧前捕集 通过燃烧前将碳从燃料中脱除 新建发电厂 燃烧后捕集 从燃烧生成的烟气中分离二氧化碳 新建和已投产的发电厂、煤化工厂等 富氧燃烧 氧气、二氧化碳燃烧技术或空气分离、烟气再循环技术 新建和已投产的发电厂、煤化工厂等 中游 运输 高浓度、高压力的液态CO2输送 罐车或管道输送 技术路径 技术原理 适用范围 下游 物理应用 利用CO2的物理特性用于食品行业 啤酒、碳酸饮料的生产；固态或液态CO2用于食品的冷藏储运；果蔬的自然降氧、气调保鲜剂等 化工应用 CO2的化学转化 合成尿素、生产轻质纳米级超细活性碳酸盐、催化加氢制取甲醇、共聚生产高聚物等 生物应用 植物光合作用等的CO2生物转化 生物肥料、食品和饲料添加剂等 地质应用 将CO2注入地下，利用地下矿物或地质条件生产 原油、煤层气、天然气、页岩气采收 矿化应用 利用地球上广泛存在的橄榄石、蛇纹石等碱土金属氧化物将CO2转化为稳定的碳酸盐类化合物 目前我国在CO2矿化磷石膏技术上取得成果 资料来源：文献调研4，车百智库 2.1.2煤制氢 煤制氢是当前我国大规模稳定制取廉价工业氢气的主要途径。传统煤制氢采用固定床、流化床、气流床等工艺，合成气中CO2、CO等体积分数高达45~70%，碳排放较高，不满足低碳化的制氢路径，且含有硫化物等腐蚀性气体。近年来，新型煤制氢技术也在不断发展，超临界水煤气化技术利用超临界水（温度≥374oC、压力≥22.1MPa）作为均相反应媒介，具有传统煤气化技术无法比拟的气化效率高、氢气组分高、污染少等优点， 4 米剑锋, 马晓芳. 中国CCUS技术发展趋势分析[J]. 中国电机工程学报, 2019(9). 但目前尚未产业化。 图表4 典型煤气化技术性能参数 固定床 流化床 气流床 （粉煤） 气流床 （水煤浆） 超临界 水煤气化 技术 成熟度 大规模工业应用 大规模工业应用 大规模工业应用 大规模工业应用 尚未产业化 气化炉 中试加压气化炉 常压Winkler Shell气化炉 多喷嘴气化炉 高压釜 气化温度 560oC 816~1204 oC 1450oC 1260oC 650oC 气化压力 2~2.5MPa 0.1MPa 3.0MPa 3.8MPa 26MPa 合成气H2占比 38.1~38.6% 40% 25.9% 34.7% 80% 合成气CO2占比 32.6~34% 19.5% 0. 9% 18% 0.2% 合成气CO占比 14~14.7% 36% 68.4% 48.3% \ 合成气 硫含量 H2S 0.3% H2S 0.3% H2S 0.13% H2S 0.24% 以硫化盐形式固化 其他 污染物 焦油产率0.35%； 轻油产率0.11% 不含酚类及焦油等污染物 不含酚类及焦油等污染物 不含酚类及焦油等污染物 不含酚类及焦油等污染物 冷煤气 效率5 79.3~81.9% 74.4% 82% 74.9% 123.9% 资料来源：文献调研6，车百智库 5 冷煤气效率即气化效率，煤气化生成煤气的热量与为制取煤气所消耗的煤的热量之比。 6 杨小彦,陈刚,殷海龙,徐婕,张生军.不同原料制氢工艺技术方案分析及探讨[J].煤化工,2017,45(06). 从供应潜力看，我国当前煤化工行业发展较为成熟，煤制氢产量大且产能分布广，并可以基于当前的煤气化炉装置生产氢气，并利用变压吸附（PSA）技术将其提纯到燃料电池用氢能要求。煤制氢产能适应性强，可以根据当地氢气消耗量的不同，设置氢气提纯规模并调节产能，在车用氢能产业发展初期对企业的整体运营影响较小。一台投煤量2000吨/天的煤气化炉，只需把其约2~3%的负荷用作提纯制氢，就可提供1560~2340kg/天的氢气，按照车辆氢耗7kg/100km、日均行驶200km计算，则可满足111~167辆氢燃料电池公交车的用氢需求。 图表5 煤制氢的产能适应性特点 资料来源：航天长征化学工程股份有限公司，车百智库 煤制氢需要大型的气化设备，煤制氢一次装置投资价格较高，单位投资成本在1~1.7万元/(Nm3/h)之间7。只有规模化生产才能降低成本，在大规模制氢条件下，其投资与运营成本能够得到有效摊销，在煤价200~1000元/吨时，制氢成本约6.77~12.14元/kg。因此，煤制氢不适合分布式制氢，适合于中央工厂集中制氢。 7 中国石油化工集团公司，河南省煤气（集团）有限责任公司 图表6 煤制氢成本随煤炭价格的变化趋势 资料来源：未势能源，车百智库 煤制氢过程会排放大量CO2，据相关研究8，煤制氢的碳排放水平达到约19kgCO2/kgH2，需要添加CCUS设备加以控制。利用CCUS技术能有效降低生产过程的碳排放水平，国外已有天然气蒸汽重整（SMR）+CCUS结合生产的案例，采取稀释烟气捕集CO2的技术路径可减少90%以上的碳排放量。根据国外相关研究9，结合CCUS的煤制氢将增加130%的运营成本以及5%的燃料和投资成本，增加约1.1元/Nm3的成本。结合CCUS技术的煤制氢的经济性暂未体现。 此外，煤制氢过程会产生含有危害燃料电池的杂质，按提纯成本 8 中国标准化研究院, 全国氢能标准化技术委员会.《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2018)》. 9 International Energy Agenc