中国氢能产业发展白皮书
“氢“心相助碳中和中国氢能产业发展白皮书KEARNEY 前言2020年，中国正式向世界宣布了"3060“双碳自标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。对于这一自标的实现，作为一种清洁、高效、灵活且应用场景广泛的能源载体，氢能被寄予厚望。在政策和市场的双重驱动下，越来越多的企业开始布局氢能产业链，这其中包括跨国公司、投资公司、国有与民营的新"风口，迎来大发展。但是，就像一枚硬币有正反两面一样，中国氢能产业也面临看核心技术短缺、成本高昂、基础设施薄弱等诸多驱需解决的难题。相信在氢能产业链的共同努力下，随着这些难题的各个击破、逐步解决氢能必将在中国的工业生产、发电、储能、供热、交通等领域逐步得到广泛应用，在双碳自标的实现过程中发挥其更大的作用。未来十年内，科尔尼建议氢能产业链重点关注绿氢制合成氨、绿氢制甲醇、商用燃料电池车、直接还原铁炼钢和高等级供热等5大细分领域。当然了，其它领域也有望在中长期迎来爆发式增长。 2.不同"颜色"的氢一、被寄予厚望的氢能当前，中国的能源体系主要以化石能源为主，碳减排压力虽说氢是宇宙中含量最多的物质然而·氢却很少单独存在。非常大。中国是世界上最大的碳排鼓国，二氧化碳排放量一般情况下只与其它化学元素结合而存在，如与氧气结合约占全球总量的三分之一。中国的碳减排步伐是世界努力的水，与碳结合的有机化合物，如天然气。所以，要获得塞将全球升温幅度控制在1.5的一个重要因素。气就需要通过物理或化学的方法。于是，2020年9月22日作为有担当的、负责任的大国虽说氢气的最终成分一样，但是根据生产来源和碳排放量中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩的不同，氢气可以分为灰氢、蓝氢、绿氢和紫氢四种类型。论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二靠化娱排版力争于2030年前达到峰值，灰氢是指通过化石能源、工业副产等生产的氢气，伴有大努力争取2060年前实现跌中和。"量的二氧化碳排放。灰氢是当前的主流塞气，约占全球氢气产量的95%。灰氢中约70%来自于化石燃料燃烧，约可以说此次中国政府对深度脱碳的承诺为构建清洁低碳、30%是工业加工的副产品。灰氢主要应用于内部需求，即安全高效的现代能源体系提供了第一驱动力和根本遵循。直接用于气生产站点。在双破目标的背景下，如何选用更清洁的能源成为中国面蓝氢是在灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和临的现实问题。这其中，氢能具有零碳、高效、可储能、安封存(CCUS)而制取的氢气显灰氢过渡到绿氢的重要阶段。全可控等显著优势，是未来国家能源体系的重要组成部分虽然蓝氢能够减少约90%的膜排放，但是二氧化破的封是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴存需要相对罕见的地质条件，这就限制了蓝氢的发展。产业和未来产业重点发展方问。绿氨是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后，通过由此，一场以氢能为支点，瞄准碳达峰、碳中和的攻坚战电解工序制取的氢气。绿氢的制取技术路线主要为电解水，已经俏然打响。不可否认的是，未来氢能将越发成为能源其碳排放可以达到净零。领域的主战场。紫氢，又叫红氢，是以来源丰富的水为原料，利用核能大规模生产的氢气。热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望1.人类的终极能源与核能耦合的先进制氢工艺。作为在元素周期表中排位第一的氢，是最轻的气体，也是宇宙中最多的物质。在宇宙审的普通物质中，大约75%为氢。这其中，绿氢是唯一具有全链路零碳排放的核心优势的氢氢的发热值极高，是一种仅次于核能的能量来源。最关键气。可再生能源制氢未来将是提高可再生能源应用比例的是，氢燃烧之后的惟一产物是水，没有任何污染。因此构建清洁低碳、安全高效能源体系的最有效途径之一，有氢能被誉为"人类的终极能源”。望成为最主要的制氢方式，市场前景广离。如今，氢能正逐步成为中国乃至全球能源转型发展的重要目前，中国能源行业积极投资可再生能源制量，例如四川载体之一，是实现双碳目标的重要抑手，被寄予厚望。由此，水电制氢、新疆光伏制毫、内蒙风电制等，为规模化生中国对氢能的各类支持政策逐步出台。国家层面的《量能产清洁低碳氢能奠定了良好产业基础。绿氢产量的增加，产业发展中长期规划(2021-2035年)》已经发布，涉及战将帮助作为氢能的头部消费国与生产国的中国在氢能市略定位、科技创新、基础设施建设、政策保障等诸多方面。场乃至双领域中扮演更为重要的角色。而很多省市都出台了氢能相关的政策或规划。在政策和市场的双重驱动下，包括跨国公司、投资公司国有与民营大型企业和众多的创业型中小型企业在内的越来越多的企业开始布局氢能产业链。全产业链规模以上工业企业超过300家，集中分布在长三角、粤港澳大湾区、京津冀等区域。从目前的政策推动和企业、资本入局的速度和强度来看，氧能源产业即将迎来爆发式的发展势头心相助碳中和1 3.多样的应用场景仅就氢气的产量而言，科尔尼认为，中国氢能市场规模预作为一项深度脱碳技术，氢能化是电气化的最佳替代方案。计将从2020年的3300万吨增加到2060年的1.3亿吨。在那些无法电气化、难以减排，或对电池有较高限制、电气其中，绿氢的产量将快速掌升。科尔尼预计，中国绿氢产量化成本收益不高的应用场景中，氢能是最佳的能源脱碳解将从2020年的不到100吨.上升至2060年的超一亿吨决方率。电解水制量占比将逐步取代化石能源制氧和工业副产氢成为中国占比最大的氢气来源。从具体的下游应用来看，氢能的应用场景具有很强的多样性，主要在工业、化学品原料、建筑、钢铁生产、道路交通二、万亿氢能产业链和区域轨道交通等行业。这其中，工业和交通运输等领域的氢能应用具有良好的示范作用。从短期来看，合成氨、甲根据产业链划分，氢能可以分为上游的氢气制备、中游的醇和炼钢脱碳以及商用燃料电池车将具备较为理想的商氢气储运和下游的氢气应用等众多环节.产业链条比较长、业化前景。难点多。从目前来看，科尔尼认为，中国氢能产业链已趋于完善。目4.广间的市场空间前，中国已初步学握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系氢能将在减少温室气体排放中发挥关键性作用.拥有广阀统集成等主要技术和生产工艺，在部分区域实现燃料电池的市场空间。这一点母席置疑。汽车小规模示范应用（如图1)。虽然现在很多机构都对氢能未来的市场空间作出了预测预测的数据不一，但是，它们的预测都有一个共同的特征一一从长期看来，未来中国氢能产业的发展空间巨大。图1氢能价值链以及相关技术概述氢气（绿氢）制备CD中游下游氢气储能氢气应用电式电解水(AE)工一尊油及化学品生产解一质子交换膜电解水(PEM)化乱气(NH)业一钢铁生产水一图体氧化物电解相（SOEC)激体有机需胜体结氧(LOHC)一高等级热源制造制y一其他有机物食品工业氢交一重型以及轻型卡车运一货轮等海路运输工具一卡车以及火车等陆监诺输工具一海上运输载具管道一轨道交通一航空一氨与煤换混姚发电f储一高压气态信存能一备用供电及周网发电存一低温液化结存一有机化学氧化物储存一长期、大规模能源绪存一甲烷化制成混合或纯氧气地供信存建一供服系统筑一风冷系统一爱科电池发电机美科来源：科尔尼“重"心相助磁中和2 1.氢气制备具体来看.碱式(AE)电解槽和质子交换膜(PEM）电解槽从技术路线来说，目前主要的制氢工艺包括电解水制氢、是目前全球和中国范围内具备商业化能力的唯二路径热化学循环分解水制氢、光化学制盒、矿物燃科制氢、生且各有干秋。而对于中国来说，碱式电解水制氢最具经物质制氢和各种化工过程副产品氢气的回收。济性(如图3)。2.氢气储运中国要构建清洁化、低麟化、低成本的多元制量体系，重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。在氢能全产业链中，氢能的高密度储运是氢能发展的一个重要环节，同时也是中国氢能发展的瓶颈之一。电解槽是绿氢制备的关键设备.其技术路线、性能、成本是影响绿霓市场走势的重要因素。目前，式（AE）电解精在储量方面，根糖量气状态不同，可以分为高压气态储量，与质子交换膜(PEM)电解槽较为成熟，已经商业化。而有低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢等形式。很大发展潜力的阴离子交换膜(AEM)电解槽与固体氧化物(SOEC)电解槽仍处于实验室阶段，技术不够成熟（如目前，高压气态储量的技术相对成熟在成本方面具备优势图 2) 是中国现阶段主要的氢气储运方式。科尔尼认为，高压气态储运在中短期内仍将是储氢的主流方案，而未来低温液态氢储运有望逐步商业化。有机液态储氢以及固态储氢的技术尚在积极开发中，能否成为主流形式还有待市场验证(如图4)。图 2 目前四种电解槽类型碱式质子交换膜(PEM)商业化阶段一技术成照，成本低占地需积小减式(ALK)和质子易于实现提模化应用对网款性供电的交换膜(PEM已经一实际电托高，需要格适应性强，易于与鹿业化定的供电可两生能源整合中国城式电解水制设备成本高氧最具经济性Cathodc:4,0tdr.25-102H,0-0,-4阴离子交换膜固体氧化物(SOEC)实验室阶段0, 24,21.40H(AEM)0,* 462,* 20一高电流密度，快速一高温电解格能国定化物(SOE)与确应，寿命长且价eed耗低并且使用阳离子交膜膜(AEM)格低的材科，并且非贵金属维化剂有很大的潜力，但是无需贵金属电极材科的稳定技术不够成熟，只有少尚处于发展初始性存在问照，需要参与其中数公司和设备制造商附膜，性能选低服外加热Atodc: 40H- -2m,0-0,-4r于PEM一目前两种技术露线主Anode 20* -- 0,+ 4eCathrode: 2,0-4e -2-20要集中在欧洲资科果源：国海可两生美幕机将ORENA，科争尼重“心相助磁中和 图 3电解水制氨技术路线对比碱式电解水质子交换膜电解水固体氧化物电解水阴离子交换膜电解水发展阶段商业化-大规模商业化-小规模实胎胎股/初期示范实验险股电解植成本(元/kW)¥1500 2000¥5000 6000¥13000N/A成本电解措效率60% -75%70% -90%85% -100%N/A功耗效率(kWh/Nm)4.5 - 5.53.8-5.02.6-3.6N/A安装与维护占地需浆大小日前未商业化目前来商业化综护需求维护成本高(图含碰性)维护减本低电源稳定性需求目需要稳定电源可以在稳定或激造的需要稳定电源可快速启停电源下工作全球范围内主流商业化技术路线商业化前景暂不明朗资科案源：中国客装联盟，中国超限，案头研究，科尔尼分析图 4储氧技术对比储氢方式储氢技术密度(kg/m)能量输入优点缺点(kWh/kg H:)35以特定压强压绵氧气，增加能量3-1高压气150-1水电解制氧在35巴压强密度下生成蜜气易结态储氢35023-4在25°C压编缩70038-6-253°C低湿压缩71-9一更经济，适用于空润有限且氧气一能量损失高（优其与液化低温液态储氢氢气一液化1kg的氧气就要消耗4-10需求高的场合一挥发事（最高1%每天)天然气转换技术相比千瓦时的电量液氨储氢与需气化合反应信氧过程3kWh/kg121转换氧气过程最高工艺热，可用现有基础设施一有毒，空气污染axwh/kg一转换氧气能量需求高有机液态储氢与MCH(甲基环(e.g, MCH乙烷）混合储鼠110储氧过程放热转换氧气过程约无需冷部一甲茅具有毒性，易燃后.转换固氧气12 kWh/kg价格高，需要国运甲基环己烷)金属氢化物储氧与全属进行可送(ZH6w) 98一成本低，损耗少一存储单元重化合反应，加热一更安全一充放电时润长释放塞气一比气体压座能量密度高一寿命姐资科案源：《中国氧能源及照科电池产业自皮书》专家访设，累头研究，科尔技术优势中高重“心相助碳中和4 在氢气运输方面，同样根据氢气状态不同，可以分为气态因地制宣地选取合适的加氢站类型为初期建设中的重中氧气输送、液态氨气输送和固态氢气输送三种类型，主要之重。从目前来看，固定加氢站的加氢速度快，在氢能大的运输方式有长管拖车、液氢罐车、管道运输。长管拖车幅铺开后将是主流的加氢站建设模式。鉴于加氢站占地要是中国氢气运输的主要方式，所需的运输成本与基础设施求较高、审批较严
