隨著世界范圍內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，我國氫能也進入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的快車道。筆者綜述我國氫能產(chǎn)業(yè)的支持政策，從氫制備、氫儲運、氫化工、氫應(yīng)用等方面分析氫能制、儲、運、加、用全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展瓶頸及發(fā)展趨勢，可為同行了解氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展提供參考。

引言

在全球“雙碳”戰(zhàn)略引領(lǐng)下，能源結(jié)構(gòu)從“碳基”能源向“零碳”新能源發(fā)展是必然趨勢。氫能作為一種新型能源，以其能量密度大、儲量豐富、燃燒產(chǎn)物只有水等優(yōu)勢受到各國持續(xù)關(guān)注。氫能產(chǎn)業(yè)已成為全球能源領(lǐng)域投資增速最快以及技術(shù)迭代需求最高的行業(yè)之一。作為世界最大的制氫國和氫氣消費國，我國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，現(xiàn)有相關(guān)企業(yè)超過3000家，央企最新名錄中的97家央企，目前進入到氫能領(lǐng)域的已有48家。氫能制、儲、運、加、用全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)突破，各產(chǎn)業(yè)加速示范布局。氫能應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)多元化拓展，構(gòu)建了五大示范城市群，以及實施“氫進萬家”科技示范工程等。

1氫能產(chǎn)業(yè)支持政策

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2024年7月，我國發(fā)布了590多項與氫能相關(guān)的政策，包括國家政策100多項，地方政策490多項。國家層面發(fā)布的主要涉氫政策及氫能專項政策如表1所示。

我國34個省級行政區(qū)中，除云南省、黑龍江省、臺灣省、澳門特別行政區(qū)外，其余30個省區(qū)市皆已出臺省級氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。從標準數(shù)量看，我國氫能產(chǎn)業(yè)標準體系已初具規(guī)模，涵蓋氫能制、儲、運、加各環(huán)節(jié)，氫能領(lǐng)域共發(fā)布標準400多項，其中，國家標準114項，行業(yè)標準97項，團體標準逾200項，地方標準40項。

在政策支持下，眾多大型能源企業(yè)及上市公司加快布局氫能產(chǎn)業(yè)，近半的央企已開展氫能相關(guān)業(yè)務(wù)，在制氫、儲氫、輸氫、用氫等氫能全產(chǎn)業(yè)鏈做出了大量開創(chuàng)性工作。氫能將納入我國終端能源體系，與電力協(xié)同互補，共同成為我國終端消費能源體系的主體之一，帶動形成萬億級的新興能源產(chǎn)業(yè)。

2氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

2.1氫制備產(chǎn)業(yè)

目前，電解水制氫有四大技術(shù)路徑，分別為堿性電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）、高溫固體氧化物電解水制氫（SOEC）和固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫（AEM）。

1）堿性電解水制氫（AWE）。

AWE是目前最主流的技術(shù)路線，市場占有率約為95%。我國堿性電解水技術(shù)已完成商業(yè)化進程，產(chǎn)業(yè)鏈整體比較成熟。國內(nèi)多家氫能裝備公司均已發(fā)布3000Nm3/h電解槽，為目前國內(nèi)單體最大的堿性電解槽。中國能建北京電力設(shè)備總廠有限公司投資建設(shè)的國內(nèi)首座8MW級堿性電解水制氫機組穩(wěn)暫態(tài)特性試驗檢測平臺，取得了CNAS檢測認證資質(zhì)，已為國內(nèi)十余家頭部企業(yè)提供測試服務(wù)。

2）質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）。

國內(nèi)中小型商用PEM電解槽所使用的質(zhì)子交換膜已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但在關(guān)鍵性技術(shù)、效率壽命提升、經(jīng)濟性等方面與國際先進水平相比仍存在一定差距。耐久性不足、催化劑等材料依賴進口導(dǎo)致成本居高不下，仍是PEM大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要制約因素。近幾年，我國PEM電解槽規(guī)格不斷突破，多家企業(yè)推出了單槽產(chǎn)氫量200m3/h以上的產(chǎn)品，其中國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司推出的單槽產(chǎn)氫量高達400m3/h，但相較國外單槽產(chǎn)氫量1000m3/h仍有較大差距。目前，我國PEM電解水制氫項目已經(jīng)邁入10MW級示范應(yīng)用階段。在建的國電投大安風光50MW制氫項目是目前國內(nèi)最大規(guī)模的PAM制氫項目。

3）高溫固體氧化物電解水制氫（SOEC）。

SOEC需要維持較高的工作溫度（800℃左右），因此應(yīng)用場景受限。現(xiàn)階段這項技術(shù)處于研發(fā)與示范階段，正初步步入商業(yè)化生產(chǎn)階段。國際上SOEC產(chǎn)業(yè)已有20年左右的發(fā)展歷程，而我國SOEC產(chǎn)業(yè)起步較晚，在產(chǎn)業(yè)化進程上與國外相比有較大差距。目前，國內(nèi)個別制造商具備了SOEC初步產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和能力。2023年2月，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承擔研制的200kW級高溫固體氧化物電解水制氫驗證裝置一次開車成功，標志著SOEC制氫技術(shù)從實驗室中試到示范應(yīng)用邁出了堅實的一步。2024年3月，由中石化自主研發(fā)的國內(nèi)首個化工園區(qū)兆瓦級SOEC電解水制氫項目順利開工。

4）固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫（AEM）。

AEM技術(shù)目前處于研發(fā)與小規(guī)模應(yīng)用示范階段，正在推進已成熟產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用。AEM集合了PEM與AWE的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)換效率更高、制造成本更低、設(shè)備體積小，被認為有望在未來實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。國內(nèi)外研究者一直致力于新型膜材料的開發(fā)，膜材料研發(fā)及批量化生產(chǎn)是AEM未來應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)和設(shè)備廠商也已開始啟動電解槽的研發(fā)和試制，目前已有多個廠家推出了AEM產(chǎn)品。

從技術(shù)商業(yè)化角度，對4種電解水制氫技術(shù)進行對比，如表2所示。

2.2氫儲運產(chǎn)業(yè)

在氫能制、儲、輸、用全產(chǎn)業(yè)鏈中，儲、運成本約占總成本的30%～40%，是氫能大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸。儲氫技術(shù)可分為兩類：基于物理的儲氫技術(shù)和基于材料的儲氫技術(shù)。前者通過改變氫氣物理狀態(tài)來儲存，即增加壓力（壓縮氣態(tài)儲氫）或?qū)囟冉档偷狡湔舭l(fā)溫度以下（液態(tài)儲氫）；后者應(yīng)用附加材料作為載體，載體通過物理或化學(xué)作用與氫分子或原子結(jié)合，具有較高的存儲密度和安全性。

1）高壓氣態(tài)氫儲運。

高壓氣態(tài)儲氫主要利用氣瓶作為儲存容器，其成本低、能耗相對小。全球呈現(xiàn)出從I型儲氫瓶到Ⅳ型儲氫瓶的技術(shù)發(fā)展趨勢。目前，我國高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)已經(jīng)逐步走向成熟，35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶是我國車載儲氫的主流氣瓶，70MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶也已少量用于國產(chǎn)汽車中。我國70MPaⅣ型儲氫瓶質(zhì)量儲氫密度達到6.8wt%，最高容積達到390L，部分生產(chǎn)廠商已完成型式認證，初步具備批量化生產(chǎn)能力。在氣態(tài)氫運輸方面，長管拖車運輸技術(shù)較為成熟，我國主要以20MPa長管拖車運氫，正在積極發(fā)展35MPa運氫技術(shù)；管道運輸?shù)膲毫ο鄬^低，一般為1～4MPa，具有輸氫量大、能耗小和成本低等優(yōu)勢。我國在純氫長輸管道建設(shè)方面較滯后，尚未建成完善的氫氣管道輸送體系，在役管道總里程不足100km。近期，我國在輸氫管道技術(shù)上實現(xiàn)了多項突破：輸氫壓力增大，國家管網(wǎng)通過了6.3MPa氫氣充裝、9.45MPa管道爆破測試；管道摻氫比例不斷突破，實驗首次達到30%。中國石油天然氣管道工程有限公司勘察設(shè)計的世界最大口徑、最大輸量的綠氫管道——康保至曹妃甸氫氣長輸管道項目于2024年7月啟動設(shè)計工作，年輸送量達130萬t。

2）低溫液態(tài)氫儲運。

與高壓氣態(tài)儲氫相比，液態(tài)儲氫的質(zhì)量和體積能量密度都有大幅度提升，可實現(xiàn)高效儲運。但由于液態(tài)儲氫存在技術(shù)成本高、易揮發(fā)等問題，商業(yè)化難度大。我國從氫液化到液氫應(yīng)用的技術(shù)鏈條逐漸打通，目前液氫主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，民用領(lǐng)域尚處于起步階段，氫液化系統(tǒng)的核心設(shè)備仍然依賴于進口。2024年3月，江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司成功交付了中國首套工業(yè)規(guī)模的民用氫氣液化設(shè)備，產(chǎn)能達到10t/d。在液氫槽車方面，我國仍處于研發(fā)階段。2023年12月，我國首臺民用40m3液氫罐車研制成功。

3）有機液體氫儲運。

有機液體儲氫利用某些不飽和有機物與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實現(xiàn)氫的儲存，加氫后形成的液體有機氫化物性能穩(wěn)定、安全性高。有機液體儲氫具有儲氫量大、能量密度高、可多次循環(huán)等優(yōu)點，可解決低溫液態(tài)儲氫液氫易揮發(fā)、不便長期保存且存在安全隱患的問題。目前，我國已有多家研究機構(gòu)開展有機液體儲氫技術(shù)研發(fā)，中化學(xué)科學(xué)技術(shù)研究有限公司建設(shè)并成功運行了國內(nèi)首套甲基環(huán)己烷-甲苯有機液體儲氫中試示范裝置，規(guī)模達300kg/d，已具備全面工業(yè)化推廣應(yīng)用條件。其他研發(fā)單位也已完成了技術(shù)儲備，具備了從技術(shù)研發(fā)向工業(yè)化推廣應(yīng)用的技術(shù)條件。有機液體氫儲運成本隨運輸距離的變化并不明顯，適用于長距離運輸。

4）固態(tài)氫儲運。

固態(tài)儲氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學(xué)吸附和物理吸附的方式實現(xiàn)氫的存儲。固態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性高、放氫純度高等優(yōu)勢，體積儲氫密度高于液態(tài)儲氫，但其發(fā)展和應(yīng)用依賴于儲氫材料的開發(fā)和利用。我國鎂基、鈦鐵系、釩系固態(tài)儲氫技術(shù)日趨成熟，固態(tài)儲氫在多個場景得到示范應(yīng)用，儲氫量已經(jīng)可以達到噸級的規(guī)模。2023年4月，上海氫楓能源技術(shù)有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心研發(fā)推出了全國首臺鎂基固態(tài)儲運氫車，推動鎂基固態(tài)儲運發(fā)展邁向商業(yè)化應(yīng)用新階段。南方電網(wǎng)公司主持實施的固態(tài)儲氫項目率先在廣州、昆明同時實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)，固態(tài)儲氫的體積儲氫密度高、占地小的場景優(yōu)勢得以驗證。北京、山西、云南多地實現(xiàn)固態(tài)儲氫氫能自行車批量投放，固態(tài)儲氫在輕型交通領(lǐng)域已進入批量應(yīng)用階段。

2.3氫化工產(chǎn)業(yè)

2022年3月28日，工業(yè)和信息化部等六部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于“十四五”推動石化化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，標志著國家從政策層面明確了要推動新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)的耦合發(fā)展。

1）綠氨。

綠氨合成已進入示范工程階段，但技術(shù)工藝尚未定型。截至2023年12月底，國內(nèi)報道有13項綠氨項目開工。2024年以來，另有超過20個綠氨項目有所推進。中能建松原氫能產(chǎn)業(yè)園（綠色氫氨醇一體化）項目規(guī)劃年產(chǎn)綠氫11萬t，綠氨/醇60萬t，配套建設(shè)電解槽裝備制造生產(chǎn)線、綜合加能站等。內(nèi)蒙古四子王旗風光儲氫氨一體化示范項目——合成綠氨建設(shè)項目近日啟動，預(yù)計年產(chǎn)綠氨50萬t。

2）綠色甲醇。

綠色甲醇是通過生物質(zhì)氣化產(chǎn)生合成氣，由合成氣通過合成反應(yīng)生產(chǎn)甲醇。目前正處于技術(shù)及商業(yè)示范階段，呈現(xiàn)多技術(shù)路徑并行發(fā)展格局。2024年以來，我國已累計有41個綠色甲醇項目有所進展。中國天楹風光儲氫氨醇一體化項目近期在遼源開工建設(shè)，年產(chǎn)綠氫15萬t、綠甲醇80萬t。

3）綠色航煤。

綠色航煤是通過生物質(zhì)氣化產(chǎn)生合成氣，由合成氣通過合成反應(yīng)生產(chǎn)航油。目前，世界范圍內(nèi)對于綠色航煤的生產(chǎn)和應(yīng)用尚處于初期階段。國內(nèi)規(guī)劃的綠色航煤項目有近10個。近期，中能建氫能源有限公司與科左后旗人民政府就中能建通遼科左后旗綠色甲醇及綠色航煤產(chǎn)業(yè)園項目簽署投資開發(fā)協(xié)議，該項目計劃年產(chǎn)10萬t綠色航煤。中國電力工程顧問集團有限公司與黑龍江省雙鴨山市人民政府簽署生物質(zhì)綠色甲醇與綠色航油一體化項目合作協(xié)議，該項目規(guī)劃年產(chǎn)100萬t綠色甲醇及綠色航油。

2.4氫應(yīng)用產(chǎn)業(yè)

目前，工業(yè)和交通領(lǐng)域為氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域，氫能在建筑、發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然處于探索階段。

1）氫燃料電池。

氫燃料電池主要性能指標達到國際先進水平，其中大功率密度超過國際龍頭品牌的指標，核心零部件國產(chǎn)化技術(shù)水平緊追全球先進水平。氫燃料電池發(fā)電示范場景更加多元化，其應(yīng)用沿“輕型”與“大功率”方向延伸。2024年7月，國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司開發(fā)了全自主高可靠數(shù)智化燃料電池發(fā)電成套裝備，單模塊功率≥100kW，可集成擴展至兆瓦級。

2）加氫站。

據(jù)氫能聯(lián)盟統(tǒng)計，截至2024年6月，我國已建成加氫站507座，數(shù)量全球第一，增速領(lǐng)先全球。已建成的加氫站以氣氫加氫站、加注壓力35MPa為主，加注量朝著大噸位站方向發(fā)展。液氫加氫站與氣氫加氫站相比，主要優(yōu)勢在于高密度和高效的儲運和加氫方式，具有顯著的規(guī)模效益。目前，全球已有超過120座液氫加氫站，液氫加氫站占加氫站總數(shù)量的比例已經(jīng)超過1/5；而我國液氫加氫站的發(fā)展仍處于起步階段，液氫加氫站數(shù)量較少，主要原因在于技術(shù)成熟度較低，且國內(nèi)在這一領(lǐng)域尚未形成獨立自主的技術(shù)裝備路線。2021年11月，由中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司設(shè)計的浙江石油虹光（櫻花）綜合供能服務(wù)站建成，為國內(nèi)首座液氫加氫站，每天加氫量可達1000kg。

3）電氫雙向轉(zhuǎn)換。

2024年6月，由南方電網(wǎng)廣東廣州供電局研發(fā)的電氫雙向轉(zhuǎn)換裝置在廣州南沙小虎島電氫智慧能源站投運，是我國首套自主研發(fā)的基于可逆固體氧化物電池技術(shù)的兆瓦級電氫雙向轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)了綠電和綠氫的雙向高效可靠轉(zhuǎn)換，標志著我國可逆固體氧化物電池技術(shù)從實驗室走向了示范應(yīng)用。

4）燃氫發(fā)電。

我國氫燃氣輪機產(chǎn)業(yè)起步相對較晚。近年來，政府部門高度重視相關(guān)技術(shù)與裝備標準的制定，氫燃氣輪機技術(shù)發(fā)展呈提速趨勢，示范項目不斷落地。氫燃氣輪機具備綠色低碳與靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，可打造電氫協(xié)同模式，助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。摻氫/氨燃燒發(fā)電逐漸向吉瓦級突破，中國能建廣東院勘察設(shè)計的國內(nèi)首個H級燃氣摻氫發(fā)電機組項目——惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站項目正式投產(chǎn)。

5）液氫無人機。

液氫燃料的能量密度約為航空煤油的3倍，能夠滿足軍用、民用領(lǐng)域?qū)o人機航時逐漸增長的需求，機載液氫是未來氫動力無人機的重要發(fā)展方向。國內(nèi)在氫動力無人機領(lǐng)域起步較晚，相關(guān)高校和科研院所對機載液氫的供能系統(tǒng)方面仍處于初步探索階段。2024年7月，中國成功研制出首架液氫動力無人機樣機并完成首飛，該無人機配備了輕型低溫液氫儲罐和氫燃料電池系統(tǒng)，這是液氫應(yīng)用于低空飛行器的突破性成就。

3結(jié)語

在碳中和的背景下，全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣黾?，氫能的?yīng)用場景也在不斷拓展。我國氫能政策體系日趨完善，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，設(shè)備國產(chǎn)化水平快速提升，與國際先進水平差距逐步縮小。氫能產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展的同時，也面臨成本、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的諸多挑戰(zhàn)，制氫技術(shù)仍不成熟，氫儲運成本高且存在安全隱患制約了氫氣的大規(guī)模應(yīng)用。要真正實現(xiàn)氫能規(guī)?；瘧?yīng)用，還需突破當前的發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)更具跨越性的創(chuàng)新。氫能產(chǎn)業(yè)的市場潛力巨大，在技術(shù)進步和政策驅(qū)動的共同作用下，未來將在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重要的地位。

來源：紅水河，中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司