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氢能产业链发展概述

摘要：在碳中和背景下，由传统化石能源组成的一次能源结构必将向清洁能源过渡，氢能在此过程中扮演关键角色。氢能产业链包含上游氢制取、中游氢储运及下游氢利用等环节。在有关政策的激励下，氢能产业链各环节势必加快技术进步与产业升级，在未来具备广阔的发展前景。

关键词：碳中和；电解水制氢；非气氢储运技术；加氢站

0引言

氢能与电能可相互转化，是一种优质的储能媒介。在西北偏远地区或近海地区，风光资源丰富，将风能、太阳能转化为电能，再通过电解水存储为氢能后，将其运输至发达地区供氢燃料电池车使用，构成风光发电→电解水制氢→氢气储运→氢燃料电池应用的能源转换链，一方面可推动光伏与风电产业的发展，另一方面也大大提高偏远地区对风能、太阳能的收集、利用。氢能对绿电的存储利用也间接地减少CO2及其他污染物的排放。

1.氢的物理特性

氢元素构成了宇宙总质量的75%，人类主要从水、化石燃料等化合物中提取氢，随着技术水平的不断进步为未来氢能的制取提供更多可能，氢能相对人类来说不存在枯竭的风险。氢气作为一种新的“含能体能源”，可通过化学变化来存储或释放能量。其能量密度高，单位热值是汽油的2.87倍，其反应产物是水，洁净无碳排；同时，氢燃料电池的能效转化比高，是传统内燃机的2~3倍；因其极易扩散，引爆条件较为严苛，安全性相对可控。

2.氢的制取

从制氢路线来看，目前主要有三种方式：化石能源制氢、工业副产氢及电解水制氢。根据IRENA的统计，全球氢气来源主要为天然气、石油炼化以及煤制氢，占比分别为48%、30%及18%，电解水制氢占比4%。而在国内一次能源结构中煤炭占比过半的情况下，氢气来源主要以煤制氢为主，占比超过60%，工业副产氢及天然气制氢分别占21.2%及13.8%，电解水制氢的比例则不到2%。因此，我们认为可再生能源制氢仍然有很长的路要走。

煤制氢技术(CTG)主要通过气化和焦化两种方式来制取氢气。具有原料丰富、成本较低、技术成熟等优点，但主要存在碳排放量较大等缺点，为“灰氢”。若能解决该问题，煤制氢将有望得以大力发展，当前主要办法为“二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)”，但该技术目前尚不成熟且成本高昂。工业副产氢依托石油炼化而来，主要有氯碱工业副产氢、合成氨产生的尾氢等，为“蓝氢”，结合相应化工产业生产需求，蓝氢制取成本相对电解水来说并不高，也成为近年来制氢路线的热点，如中国石化在天津石化、上海石化等下属化工企业大力发展供氢中心，就是利用工业副产氢制取蓝氢。

3.氢的储运

氢能储运方式按照氢的形态或储氢材料的不同分为四种：气氢储运、液氢储运、固态氢储运及有机液体储运。（1）气氢储运，主要有高压管束车储运及低压管道储运两种，高压管束车储运是将气态氢加压至20MPa注入管束车运输，适应于一定距离的区域内运输，而低压管道储运则将气态氢加压至1-4 MPa，再通过管网运输，适应于长距离运输；（2）液氢储运，是将氢气温度降低至-253℃以下，待氢气液化后注入到液氢槽车储运；（3）固态氢储运，是选择纳米材料或金属、化学氢化物等能够吸附氢气的固态物质作为储氢载体进行氢储运；（4）有机液体储运，与固态氢储运相似，将氢气存储到有机化合物中，形成稳定的有机化合物含氢液体，再注入到液体槽罐车后储运[7][15]。

上述几种氢储运方式各有优缺点：气氢高压储运在常温下即可实现氢气的快速充装及卸放，成本较低，是目前应用最广泛的氢储运方式，但其储氢量较低，同时对储氢容器有着较高的技术及材料要求；低压管道储运的运行成本较低，但输氢管道的基础设施建设投资大，周期长，较天然气管网更甚。行业内也在探索利用现有的天然气管网系统，混入氢气来实现储运，这是管道输氢发展初期的一种较好推广方式。

4.氢的应用

氢能目前主要还是用于传统行业，如冶金、化工等领域，近年来在交通运输领域的发展也开始发力，这也是氢能产业能否实现跨越式发展的重要突破口。据预测，2050年中国氢气需求总量将达6000万吨，而交通运输约需2500万吨，占比41.7%。上游氢制取企业与下游燃料电池车用户需要加氢站作为中间纽带来确保产业链畅通运转，故此加氢站是氢能在交通运输领域应用的关键基础设施，是燃料电池车大规模推广的关键要素。

加氢站按照氢气来源不同，可分为站内制氢和站外供氢两种技术路线。站内制氢主要有电解水制氢及天然气重整制氢两种类型。站外供氢又分管束车供氢、氢气管道供氢及液氢槽车供氢三种模式。

以管束车站外供氢的技术路线建立高压气氢加氢站，是目前全球包括中国在内应用最广泛的加氢站类型，建设成本相对较低。该类型加氢站的主要设备组成由：压缩机组、储氢容器、加氢机、卸气柱、顺序控制盘、冷水机组、氮气阀箱、管路系统、站控系统、安防系统等。其中压缩机组、储氢容器、加氢机为核心设备。

在国家

制订积极的氢能发展政策的指引下，近两年来各地方政府纷纷出台氢能产业发展规划及实施方案，鼓励和支持氢能源产业发展，特别是加氢站等下游用氢基础设施的建设。因此，国内加氢站建设自2018年来进入了快速发展期。据香橙会研究院统计，截至2022年底，国内已累计建成加氢站274座。其中，中石化作为国内加油站占有量最大的企业，近年来大力发展油氢合建站，截止2022年12月31日，中石化已建成98座油氢合建站，到2025年将建成保底600座，力争1000座加氢站，总加注能力12万吨/年的加氢站网络。

当前，加氢站的建设成本依旧较高，与之配套的氢能源电池车相对较少，同时高纯氢气成本也居高不下，故暂时出现供过于求的局面，加氢站基本都处于亏损状态，单一加氢站建设很难实现大规模推广。而现有的加油、加气站在国内已经广泛分布，改造便捷且经济性好，综合性的油氢、气氢合建站可避免高额的土地成本，同时加氢业务在初期盈利性较弱，与油气服务结合可以形成经济效益的有效互补。

5.结语

（1）氢能与电能可相互转化，是推动和支撑可再生能源大规模发展的理想二次能源；

（2）当前氢的制取路线仍以煤制氢为主，未来通过绿电电解水制氢是氢气制取的发展方向；

（3）氢的储运当前以高压气氢储运为主，液氢等非高压氢气储运方式的单位储氢密度远高于当前气氢储运，可大大提高了运输效率，降低储运成本，是未来发展方向；

（4）加氢站是氢能在交通运输领域应用的关键基础设施，作为朝阳产业在未来几年将快速发展。

参考文献

[1]倪斌. 国家“双碳”战略的思考与实践[J]. 上海节能,2021(09):930-937.

[2]魏凤,任小波,高林,高国庆,周超峰. 碳中和目标下美国氢能战略转型及特征分析[J]. 中国科学院院刊,2021,36(09):1049-1057.

[3]殷伊琳. 我国氢能产业发展现状及展望[J]. 化学工业与工程,2021,38(04):78-83.