2024氢能及燃料电池全产业链白皮书

目录 前言 在全球⽓候变化和能源转型的⼤背景下，氢能作为⼀种清洁、⾼效、可再⽣的能源载体，正逐步成为推动能源结构变⾰、实现碳中和⽬标的重要⼒量。氢能产业的发展对于全球能源结构的转型升级、应对⽓候变化具有重要意义。氢能以其零碳排放、⾼热值、易储运等优势，被⼴泛认为是未来能源体系的重要组成部分。随着技术的进步和成本的降低，氢能有望在⼯业、交通、建筑等多个领域实现⼴泛应⽤，推动经济社会的可持续发展。 氢能全产业链包括氢⽓制备、氢⽓储运和氢⽓应⽤三个主要环节。其中，氢⽓制备是氢能产业的基础，主要包括化⽯燃料制氢、⼯业副产氢、电解⽔制氢等多种⽅式；氢⽓储运是连接氢⽓制备和应⽤的桥梁，包括⾼压⽓态储运、液态储运、固态储运等多种技术路线；氢⽓应⽤则是氢能产业的价值体现，涉及交通、⼯业、电⼒、建筑等多个领域。 李卫春 ⽬前，氢能产业正处于快速发展阶段，技术创新是推动产业发展的重要动⼒。在氢⽓制备⽅⾯，电解⽔制氢技术正加速迭代升级，与国际前沿⽔平的差距逐步缩⼩；在氢⽓储运⽅⾯，⾼压⽓氢储运技术持续向⼤容量⽅向升级，同时管道输氢、液氢、固态储运等技术研发也在加速推进；在氢⽓应⽤⽅⾯，燃料电池汽车、氢能发电站、氢能化⼯等应⽤场景不断拓展，为氢能产业的发展提供了⼴阔的市场空间。随着全球对清洁能源需求的不断增长和氢能技术的不断进步，氢能产业的市场前景⼗分⼴阔。预计未来⼏年，全球氢能产量将持续增长，市场规模将不断扩⼤。在中国市场，随着“3060”双碳⽬标的提出和氢能产业政策的逐步落地，氢能产业将迎来爆发式增长期。 德国莱茵TÜV全球电⼒电⼦产品服务副总裁兼⼤中华区太阳能与商业产品服务总经理 尽管氢能产业发展前景⼴阔，但仍⾯临诸多挑战，如技术成熟度不⾜、成本⾼昂、基础设施建设滞后等。同时，氢能安全的监测与管控也⾯临着巨⼤的挑战，规范化和市场化发展不⾜，国内标准与国际标准接轨不⾜，限制我国产品在国际市场的竞争⼒。 TÜV莱茵已布局氢能产业多年，持续关注产业现状以及未来发展趋势，发布《氢能及燃料电池全产业链⽩⽪书》，全⾯剖析氢能产业的各个环节，从上游的氢⽓制备、中游的氢⽓储运加，到下游的氢能应⽤，深⼊浅出介绍了氢能及燃料电池全产业链的产业现状、技术路线、发展趋势、市场应⽤、出海要求及⾯临的挑战与机遇。本⽩⽪书将是氢能领域企业进⼊全球各地市场的⼯具⼿册，为绿氢产业⼤规模商业化应⽤提供指引。 氢能就是未来，我们相信，在各⽅共同努⼒下，氢能产业将迎来更加美好的明天，为实现全球能源结构转型升级和应对⽓候变化作出重要贡献。我们期望通过这份⽩⽪书，为氢能健康有序的发展贡献我们的⼒量。 氢 天地万物，差别万千，其实都是由100多种元素组成，氢为元素之⾸，是宇宙中含量最多的元素，构成宇宙质量的75%。⼤约在130多亿年前，宇宙⼤爆炸后⽣成了中⼦和质⼦，这些粒⼦进⼀步结合，⾸先形成了氢原⼦。氢是宇宙中最早出现的元素之⼀，也是宇宙中最基本的构成单元。氢是恒星的主要成分，恒星的核聚变过程主要是将氢转化为氦，并释放出巨⼤的能量。这个过程是宇宙中所有恒星能量的来源，推动了宇宙的演化和发展。除了氢之外，宇宙中的其他元素⼤多是通过恒星内部的核聚变反应或超新星爆炸等过程形成的。氢在这些过程中扮演了重要的⾓⾊，是元素合成的基础。同时，氢也蕴含着宇宙最初的能量，从远古时代⼈类钻⽊取⽕，到第⼀次⼯业⾰命使⽤煤⽯油代替⼈⼒，到现在⾛向低碳零碳，⼈们获取能量的过程是⼀个脱碳的过程，⼈类⽤了⼤约150万年去寻找可以为⼰所⽤的终极能源载体，这个能源载体⾮“氢”莫属。 氢元素 氢是⼀种化学元素，位列元素周期表的第⼀位。氢的结构简单只由⼀个质⼦和⼀个电⼦组成。 氢的英⽂为Hydrogen，来源于希腊语，在希腊语中Hydro意为⽔，genes意为形成。 根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的数据，宇宙中氢原⼦数量占所有原⼦数量90%以上。在地球上，氢的含量要少得多。如果按原⼦数量算，氢⼤约占到地球总原⼦量的17%，看起来不少。但因为氢很轻，所以按质量算，氢只占不到1%，在地球上游离的氢是⼗分罕见的，但由于氢独特的化学性质，它⼏乎能与所有其他元素发⽣化学反应，因此⽔中，泥⼟中，⽯油，动植物体中等都含有⼤量的氢元素，氢是地球上最丰富的元素。 氢通常的单质形态是氢⽓，由两个氢原⼦组成，是最轻的⽓体。两个氢原⼦靠近到⼀定距离时就会成键，由此形成的H2分⼦⽐两个分⽴氢原⼦的能量低，在⾃然界中，系统总是趋向于处于能量最低的状态，平衡距离下，成键最强，能量最低。 原⼦序数（原⼦核中的质⼦数）：1原⼦符号（在元素周期表上）：H原⼦量（原⼦的平均质量）：1.008常温常压下的状态：⽓体氢在⾃然界中存在的同位素有：氕（piē）（氢1，H）氘（dāo）（氢2，重氢，D）氚（chuān）（氢3，超重氢，T） 氢气的理化性质 常温常压下的氢⽓⽆⾊，⽆味，⽆毒，在标况下（0℃和⼀个标准⼤⽓压），密度为0.08987 kg/m3，是世界上最轻的物质。氢分⼦扩散速度很快，并具有很⾼的导热性，其导热能⼒是空⽓的7倍。⾜够低温可以变为液态，液态氢是⽆⾊透明的液体，固态氢是雪花状固体。氢⽓不易溶于液体，在⾼温⾼压的条件下，对钢材结构有强烈的破坏作⽤，具有强的渗透⼒。 ⾼温下⾮常活跃，可与氧⽓反应形成⽔，与⾮⾦属反应、卤族元素反应形成酸，与活泼⾦属反应⽣成固态离⼦氢化物。具有还原性，可参与很多还原反应。 氢气应用的第一性原理 氢气的基本特性参数 氢⽓在常温常压下为⽓态，体积密度⼩，但氢的热值很⾼，热能⾼达142.351 kJ/kg,是汽油的3到4倍，这也是⼈们把氢作为未来能源的重要原因之⼀。氢⽓在⾃然界中不是天然存在的物质，需要制取才可以获得，但原料来源⼴泛易得。氢⽓具有⾮常丰富的应⽤场景且⽆污染，它可以作为运输的动⼒源（如燃料电池）使⽤，也可作为热电联供系统的燃料或作为⼯业原料⽣产⼯业产品如氨醇等衍⽣物，在电⼒系统“源-⽹-荷-储”的储能领域中可⽤于长周期、跨季节、⼤规模的储存能源，弥补其他可再⽣能源的不⾜。氢⽓从获取到应⽤，都具备独⼀⽆⼆的优势，因此氢⽓被称为终极能源。 Chapter1 根据国际可再⽣能源机构IRENA的计算，在全球⽓温升⾼控制在1.5°C以内的情境下，到2050年，绿氢及其衍⽣物可能减少12%的碳排放量，并占最终能源消费的14%。预计到2030年，全球氢能及燃料电池产业规模将达到5,000亿美元，2050年达到2.5万亿美元。在此情境下，电解槽容量需要从⽬前微不⾜道的数量扩⼤到2050年的5,722GW。 从过去6年全球氢能早期项⽬的投资可以看到，欧洲的投资主要聚焦于氢能项⽬的开发；欧洲和美国同时关注了电解⽔制氢领域，其他⼤部分由美国主导。⽽在燃料电池领域，中国的投资占据了多数。也正是在这段时间⾥，我国的燃料电池技术与应⽤取得了飞跃式发展。 中国是全球最⼤的氢⽓消费国，占全球氢⽓使⽤量的近30%。当前全球氢⽓使⽤最多的领域还是集中在冶炼和⼯业⽅⾯。到2030年，全球氢⽓消耗量将达到1.5亿吨，近四成的氢⽓将应⽤于新领域，包括交通、复合燃料、电⼒等等。 ，到，中国将成为全球制氢量最⼤的国家，产量达到；其次是美国 根据国际能源机构的统计，截⾄10⽉，全球已宣布绿氢项⽬，在氢能产业链上的投资约为。千兆⽡级项⽬（超过1吉⽡的电解⽔制氢能⼒⽤于可再⽣氢供应，或每年超过20万吨的低碳氢）的总价值超过。⽬前中国和德国的在建、已建成及规划的绿氢项⽬数量都领先于全球。 ⽬前全球加氢站建设最多的国家是中国，数量达到。到，美国和中国分别将建设和加氢站，数量领先全球。⽬前燃料电池汽车最多的国家是韩国，数量达；其次是中国，达。预计到，中美⽇韩各国的燃料电池汽车数量都将接近或达到。 Chapter2 我国制氢总规模保持快速增长。预计到我国制氢年产量将达到。我国“氢能产业发展中长期规划”明确提出了氢能多元化⽰范应⽤的发展思路，到，中国可再⽣能源电解制氢（即绿氢）的⽐例将达到。同时，制氢成本也随之下降，到，绿氢的成本将降到。 中国绿氢项⽬⼤部分集中在（东北、西北、华北），主要是因为这些地区在资源禀赋、政策环境和消纳场景⽅⾯具有显著优势。⽬前内蒙古的绿氢项⽬最多，达105个。按照各省的绿氢规划，到2035年，吉林省的绿氢总产量将超过内蒙古。 到，我国氢⽓的年需求量将达到，在终端能源消费中占⽐约为5%。到，我国氢⽓的年需求量将增⾄左右，在终端能源消费中的占⽐约为20%。其中，⼯业领域⽤氢占⽐仍然最⼤，占总需求量的60% ⼯业是当前脱碳难度较⼤的应⽤部门，化⽯能源不仅是⼯业燃料，还是重要的⼯业原料。⼯业燃料通过电⽓化可实现部分脱碳，但是⼯业原料直接电⽓化的空间有限。在氢冶⾦、合成燃料、⼯业燃料等的带动下，2060年⼯业部门氢需求量将到7794万吨，接近交通领域的两倍。 交通领域是⽬前氢能应⽤相对⽐较成熟的领域。从专利申请看，2021年交通领域的氢能技术应⽤专利申请15639件，占氢能下游技术应⽤的71%。交通领域的应⽤包括汽车、航空和海运等，⽬前氢燃料电池汽车是交通领域的主要应⽤场景，往后氢内燃机有望在重卡、船舶、航空等领域取得独特优势。 纯氢⽓、氢⽓与天然⽓的混合可以为燃⽓轮机提供动⼒，从⽽实现发电⾏业的脱碳。氢能发电有两种⽅式。⼀种是将氢能⽤于燃⽓轮机，经过吸⽓、压缩、燃烧、排⽓过程，带动电机产⽣电流输出，即“氢能发电机”；⼀种是利⽤电解⽔的逆反应，氢⽓与氧⽓(或空⽓)发⽣电化学反应⽣成⽔并释放出电能，即“燃料电池技术”。 早期氢⽓在建筑中的使⽤将主要是混合形式。氢⽓与天然⽓混合，按体积计算的⽐例可以达到20%，⽽⽆需改造现有设备或管道，随着氢⽓成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然⽓基础设施和有机会获得低成本氢⽓的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使⽤氢⽓。 l加氢站建设、电堆⽣产，⽬前电堆产能可实现3000台/年l旅顺主要涉及燃料电池领域l⼤连氢能源研究院、⼤连⾦属表⾯涂层研究院⼊住 •涵盖新能源整车⽣产、氢能商⽤车动⼒系统集成、氢能燃料电池电堆⽣ 产、加氢站装备制造、绿⾊能源开发以及电解⽔制氢、化⼯尾⽓PSA提纯制氢等领域•美锦能源、国鸿氢能、飞驰科技和氢源嘉创组成的企业联盟共同承建 l涵盖研发、制氢、加氢、检测、装备制造、整车制造、⽰范应⽤等全产业链，构建起规模化建设、产业化发展、多元化应⽤的格局l亿华通，美国AP，壳牌、中国船舶集团等 •是⽬前全球规模最⼤的加氢站，⽇加氢量可达4.8吨， 共有8台加氢机16把加氢枪，可同时为16台燃料电池汽车提供加注服务，⽇服务车辆可达600辆 l形成制氢、储氢、加氢、氢燃料电池系统、燃料电池发动机、氢能综合利⽤产业链，打造氢能全产业链⽣态圈l氢璞创能、豫氢装备等 l商⽤车服务及运维站l燃料电池、催化剂、膜电极及电堆等研发产业链雄l百应能源、南通、安思瑞、神华、江苏氢能、富瑞特装、华昌化⼯、南京⼤学研究院、氢云研究院 •构建燃料电池及制氢、储氢、加氢、氢能综合利⽤的企业集群•四川省特检院、中国测试技术研究院、国富氢能、势加透博、东德实业等氢能⾏业企业和机构已签订⼊园协议•未来还将投建⽓态储运氢装备检验检测线 l氢燃料电池研发⽣产、加氢站研发运营、电堆、双极板、热电联供等研发l明天氢能 l氢能及燃料电池动⼒系统集成及关键零件研发、氢能服务及汽车运维基地，也是国内最⼤加氢站测试平台l捷氢科技、上燃动⼒、佛吉亚等⼆⼗多家企业 l氢燃料电池发动机、电堆、膜电极等研发、⽣产与销售l雄韬股份 l是国内氢能产业链最全、规模最⼤、聚集程度最⾼的氢产业基地l聚集：氢能及燃料电池研发、制氢加氢基础配套、氢能检测等平台l引进氢能材料研究院、质⼦交换膜电解槽制氢装备项⽬、天然⽓重整制氢项⽬、燃料电池动⼒系统总成等项⽬ •与浙江清华长三⾓研究院、空⽓化⼯产品（中国）投资有限公司签署合作共建框架协议•建设包括氢能提纯、氢能装备制造、加氢站、氢能运⽤等项⽬ 2022年3⽉，国家发改委正式发布，规划分析了我国氢能产业的发展现状，提出了绿