中國製氫及氫工業現狀和發（fā）展前景

全球正（zhèng）經曆從化石能源（yuán）向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體係重大轉換期。2017年我國能源生產量為25億t油當量，消費量達31億（yì）t油當量，整個能源需要進口20%，尤其是石油進口量為4億（yì）t，其對外依存度（dù）達到70%，對能源安全造（zào）成（chéng）不利（lì）影響。為給我國實現能源體係轉型和“能源自主”戰略目標提供參考，綜（zōng）述了國內外氫工業的發展現狀和發展趨勢，探討了人工（gōng）製（zhì）氫、儲氫技術的發展途徑，明確了氫工業的戰略地位。

氫在自然界中（zhōng）分（fèn）布廣泛，並且在自然狀態下僅存在著極少量的遊離態（tài）氫。工業氫氣是指通過一定的手段（duàn），從工業原料中大規模製取的可燃氣態氫產物。這種通（tōng）過能（néng）量輸入從（cóng）含氫原料中提取工業（yè）氫氣（qì）的過程，被稱為人工製氫，包括化石燃料製（zhì）氫、水分解製氫（qīng）、生物技術製氫（qīng）和太（tài）陽能製氫等。氫能作為氫的化學能表現為物理與化學變化過程中釋放（fàng）出能量，是具有二次能（néng）源屬性的一種（zhǒng）重要的（de）能源類（lèi）型。這種大規模人工製氫並利用氫能的產業被稱為氫工業，包括上遊製氫、中遊儲運和下遊應用。

氫工業體係中各個產業部門之間基於一定的技術經（jīng）濟關聯即為氫工業產業（yè）鏈，包括氫工業價值鏈、氫工業企業鏈、氫工業供需鏈和氫工業空（kōng）間鏈。為了更好地閱讀和理解本文的（de）內容，筆者建議首先界定和明確上述5個基本概念（工業氫氣、人工製氫、氫能（néng）、氫工業、氫工業產業鏈（liàn）），並（bìng）由此建立氫工業（yè）概念體係。

儲氫是實現氫能有效利用的關鍵技（jì）術之一，包括高壓氣（qì）態儲氫、低溫液態儲氫、金屬氫化物儲氫、有機化合物儲氫、微（wēi）球儲氫和碳納米材料儲氫等。基於大規模低（dī）成本（běn）製氫和高密度儲氫，以燃料電池為關聯的氫工業應（yīng）用將推動能（néng）源轉型和新能源汽車、分布式供能等新興產業的發展，從而改（gǎi）變能源結構，進而實現從能源供給端到消費端的全產業鏈轉變。

氫能是被公認的清潔能源，被譽為21世紀最具發展前景的二次能源。氫能在解決能源危機（jī）、全球變暖及環境汙染等（děng）問題方麵將發揮重（chóng）要的作用，也將成為我國優化能源消費結構、保障國家能源供應安全的戰略選擇。據（jù）預測，煉油業、新能源汽車以及清潔能源發電等將是氫能利用的最大終端市場，其中工業氫氣在全球煉油業中的用量將（jiāng）占到（dào）全球工（gōng）業氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環（huán）保要求的日趨（qū）嚴格，煉油廠加氫（qīng）精製將需要更多的工業氫氣來生產低硫（liú）清潔燃料，這將極大地刺（cì）激工業氫氣需（xū）求量的快速增長。

氫能和電能都是重要的（de）二次能源，也是未來（lái）主要的綠色清潔能源，氫能具有遠距離輸送、大規模存儲和氫—電互換的特性。氫能和電能在工業、農業、電子、鋼鐵、民用等各個領域用途（tú）廣泛，都具有不（bú）同時段（duàn）峰穀用量的特點，氫—電互換是解決（jué）能源峰（fēng）穀波動的有效手段之一。通（tōng）過氫能發電（diàn）和電解水製（zhì）氫是實現有效利用氫—電互換優勢、發揮能源智慧（huì）互聯互補、提高能源利用效率的關鍵。工業氫氣在使用中若出現短期過剩，可以通過發電（diàn）轉換成（chéng）電能，以緩（huǎn）解電力不足；而電解水製氫可消納暫時富裕的電力，彌補風電、光電波動起伏的不足，降（jiàng）低棄風、棄光率。

氫能將引領未來新能源消費變革

氫（qīng）燃料電池汽車（chē）產業將拉開氫能商業化利用的序幕。目前（qián），氫能已小規模應用於大型物流車、城（chéng）市交通車、家（jiā）用（yòng）小汽車，甚至火車、自行車、航（háng）模、無人機（jī）等。氫能（néng）將在交通領域引領新能源汽車變革。據報（bào）道，日本、韓（hán）國（guó）已（yǐ）量產高（gāo）壓儲氫技術氫能乘用車，更有日本大型連鎖便利店與豐田汽車公司合（hé）作，計劃於（yú）2019年推出氫燃料電池（chí）（FC）貨車，建立“零排放”物流體係（xì）。在歐（ōu）洲，德國已於2017年3月成功測試了（le）世界（jiè）上第一輛零排放氫動力火車——“氫鐵”，並與法國阿爾斯通公（gōng）司合作，於2021年建造氫動力（lì）驅動列車。2017年12月，法國聖洛市第一批氫能源電動自行車正式投入使用。

自2018年（nián）國務院總理參觀日本豐田氫燃料電池（chí）汽車後，國（guó）家能源投（tóu）資集團有限責任公司（以下（xià）簡稱國家能源集團）牽（qiān）頭成立了中國氫（qīng）能源及燃料電池產業創新聯盟，國家能源集團、中（zhōng）國廣核集團有限（xiàn）公司等能源企業將與浙江（jiāng）吉利控股集團、中（zhōng）國第一汽車集團（tuán）有限公司、長城汽車股份有限公司等車企一同布局氫燃料汽車。

世（shì）界能源發展正處在油氣向新（xīn）能（néng）源的第三次轉換期（qī），能源類型由（yóu）高碳向低（dī）碳（tàn）、非碳發展。據預測，到2050年，51吃瓜网在能源消費結（jié）構中的占比將首次超過石油和煤炭，世界能源將邁入51吃瓜网、石油、煤炭和新能源“四分天下”的新時（shí）代。氫能約占全球能源消耗總量的20%，預計每年可減排（pái）二氧化碳60億t。氫工（gōng）業產業鏈年產值將達2.5萬億美元，世界將進入清潔（jié）能（néng）源時代。

氫能的多元化應用將推動新能源的快速發展

• 電解水製氫將貫穿於氫能發展的全過程

隨著全球氫工業的發展，人（rén）工製氫的（de）需求量呈現出（chū）爆發式增長，製（zhì）氫技術日新月異。煤氣化製（zhì）氫雖然同樣（yàng）會產生大量（liàng）CO2，但（dàn）由於其原料豐富、價格低廉，故仍將是規模化、低成本人（rén）工製氫的最（zuì）佳途徑；高爐煙道氣、化工尾氣等通過（guò）變壓吸附（fù）（PSA）技術可實現低成本回收氫（qīng）氣；太陽能製氫技術（光催化、光熱解）是未（wèi）來理想的製氫技術，但受製於（yú）轉換效率和成本等問題，預計2030年前難以（yǐ）實現規模化。

在所有的（de）人工製氫途徑中，電解水製氫可（kě）以有效地消納風電、光伏發電等不穩定電力（lì），以（yǐ）及其他富餘波穀電力（lì），因而將貫穿於氫能發展的全過程，是建設“氫能社會”工業氫（qīng）氣的主要來（lái）源之一（圖10）。隨著電解（jiě）水製氫技（jì）術的不（bú）斷發展（zhǎn）和（hé）成本的（de）逐漸降（jiàng）低，電解水製氫將（jiāng）能（néng）逐漸滿足商業（yè）化的要求，實現分布式製氫。未來，既可以集中製氫、區域供氫，也可以（yǐ）單個加油站建設小型電解水製氫裝置，實現氫能源智慧互（hù）聯。

• 液態氫是未來主要的儲氫形式

目前工業（yè）氫氣主要采用高壓氣態的方式儲存，由於成（chéng）本的限製，液態（tài）儲存（cún）的方（fāng）式使用較少，主要用（yòng）於航空航天領域。但（dàn）隨著技術的不斷成（chéng）熟，預計（jì）2050年液態儲氫（qīng）將成為工業（yè）氫氣的（de）主要儲存形式，不同儲（chǔ）氫方式（shì）占比（bǐ）的變化預測結果如表1所示。

• 多能互補與多（duō）能（néng）協同

以氫能為紐帶，通過風（fēng）能、太陽能、潮汐能等分布式新（xīn）能源發電製氫，可以降低製氫成本，實現氫能和新（xīn）能源的多能（néng）互補、多能協同發展。氫能既可作為二次能源，又可作為（wéi）儲能技術（shù），連（lián）接多種新能源。氫能與新能源協同發展，一方麵擺脫了依賴傳統化石（shí）資源製氫，形成（chéng）更清潔、更環保的製氫新（xīn）途徑（jìng）；另（lìng）一方麵又整合了各種（zhǒng）新能源類型，提升了能源係統的利用（yòng）率。隨著氫工業技術的不斷進步和氫能經濟的不斷發展，因地製宜、協同（tóng）利（lì）用新能源與傳統能源，通（tōng）過多種能源相互補充和能源（yuán）智能微網等，將（jiāng）實現多能智慧協同（tóng）供應，充分發揮新能源、51吃瓜网、石油、煤炭等能源的組（zǔ）合優勢，“氫能社會”建設藍圖將更加（jiā）清晰。

全球氫能發展的路線圖

1）作為氫能發展先行者和領導世界氫燃料電池發展的主要國家，美（měi）國從1970年開始（shǐ）布局氫能技術研（yán）發。2002年（nián）11月，美國能源部發布《國家氫能發展路線圖》，明確了氫能（néng）的發展目標，分析了氫能技術的現（xiàn）狀（zhuàng）、麵臨的挑戰（zhàn）及發展影響因素，製定了詳（xiáng）細的（de）發展（zhǎn）路線，標誌著美國“氫能社會”由設想（xiǎng）階段轉入行動階段。2014年，美國頒布《全麵能源戰略》，開啟了新的（de）氫能計劃，重（chóng）新（xīn）確定了氫能在交通轉型中（zhōng）的引領作用，並於2017年宣布繼續支持30個氫能項（xiàng）目建設，推動氫工（gōng）業的快速發（fā）展。預計美國2030—2040年（nián）將全麵實現氫能源經濟。

2）日本長期受困於國內資源短缺，2014年4月製定了《第（dì）四次能源基（jī）本計劃》，確定了加速建設和發展“氫能社會”的戰略方向。日本把2015年定為“氫能元年”，2020年定為“氫能奧運元年”，2025年定為“氫能走出去元年”，2030年定為“氫（qīng）燃料發電元年”，並（bìng）提出了3條低成本、清潔化用氫（qīng）技（jì）術路線：①推動建立海外氫（qīng）能（néng）供應係統；②利用海外廉（lián）價褐煤實（shí）現低成本製氫；③利用海外新（xīn）能源電解水製氫。2030年（nián）日本的工（gōng）業氫氣年供應量將達30萬t，並將（jiāng）在2040年建成全國性氫能供給網絡（luò）。

3）德國於2016年重新修訂了氫能源交通戰略規劃，明確了3項舉（jǔ）措：①加大投資，推出第（dì）二個氫能（néng）和燃料電池技術（shù）國家創新計劃，保（bǎo）證研發連續性，維護氫能和（hé）燃料電池汽車在市場上的競爭力；②促進合作，成立（lì）了德國（guó）氫能交通公司，負責分階段建設氫能交通基礎設施網絡，預計到2019年，境內建設的加氫站將達100座，超過美國，僅次於日本，到2023年將（jiāng）建成加氫站400座；③鼓勵創新，出（chū）台了一（yī）係列優惠措施（shī），重點（diǎn）支（zhī）持物流專用車、離（lí）網基礎設施自主供電技（jì）術，以激活市場。

4）法國製定了《氫能計劃》，將從2019年起在工業、交通及能源領域部署氫能，包括：①創造（zào）無（wú）碳化工業，到（dào）2020年建成工業氫氣追溯係統，到2023年工業氫氣使用量將達到10%，到2028年將（jiāng）達到40%；②開發新（xīn）能源，利用新能（néng）源生產電能再製取（qǔ）氫氣，實現“氫—電”轉換，構建供氫網（wǎng）絡；③實現交通零排放，完善工（gōng）業氫氣（qì）網絡部署和管理，支持氫能重型車輛研發，部署大規模氫（qīng）能交通係統，實現到2023年擁有5000輛輕型（xíng）商用車、200輛重型車輛以及100座加氫（qīng）站，到2028年擁有20000～50000輛輕型商用車、800～2000輛重型車輛以及400～1000座加氫站的計劃目標。

“氫能中國”戰略

中國是全球氫能（néng）利用的大國（guó），已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角（jiǎo）洲、華中、西北（běi）、西南、東北等7個氫能（néng）產業集群。我國已製定《能源技術（shù）革（gé）命創新行動計劃（2016—2030年（nián））》，提出了氫工業（氫的製取、儲運及加氫站（zhàn））、先進燃料電池、燃料電池分布式（shì）發電等3個戰略發展方向，以及大規模製氫技術、分布式製氫技術、氫氣儲運技術、氫氣/空氣聚合物電（diàn）解質膜燃料電池（PEMFC）技術、甲醇/空氣聚合物電解質膜燃料電池（MFC）技術和燃料電池分布式發電技術等6項創新行動。

通過消納棄水、棄風、棄光（guāng）等富餘新（xīn）能源，減量替代煤、石油和51吃瓜网等化石燃料（liào），加上煤炭的清潔高（gāo）效利用（yòng），逐步降低成本，穩（wěn）步（bù）提高安全性，通過“三大發展階段”建立有利於氫能產業發展的支撐體係，建成全國性氫能供（gòng）給和利（lì）用基礎設備網絡。

1）近期（到2030年），以煤製氣（qì）為代表的化石基氫能產業（yè）發展取（qǔ）得（dé）重大突破，初步完（wán）成產業（yè）鏈示範。目前需要加快我國煤（méi）炭地下氣化（huà）製氫資源評價、經濟高效產（chǎn）氫配套（tào）係（xì）列技術攻關與現場試驗以及超深層、超臨界水氣化製氫技術儲備，特別是對高效產氫機理進行深化研究，加強對地質評價、工程工藝、監測控製（zhì）、安全環保等係列技術，以及高溫高壓井（jǐng）下工具及高強度防腐管材等重大裝備的（de）研製攻關。

全（quán）國煤炭地下氣化潛力巨大，僅鄂爾多斯盆地（dì）埋深介於1000～2000m的煤炭資（zī）源量就達1.3萬億t，保守估算可氣化采出商品（pǐn）工業氫氣約10萬億m3（相當於9億t）。應當按照淺（qiǎn）層（地（dì）層壓力低於10MPa）、中深層（地層壓力介（jiè）於10～22MPa）和超深層/超臨界水（地（dì）層壓力超過22MPa）3個層次來布局我國煤炭地下（xià）氣化產業（yè）發展，並優選鄂爾多斯、二連、準噶爾等（děng）盆地開展現場試驗研究。

2）中期（2035—2050年），氫能產業（yè）成為我國新的經濟增長點和新能源戰略的重要組（zǔ）成部分；打造新（xīn）材料、儲能和氫能（néng）產業鏈；加大石墨烯（xī）、納米等新材料的超前儲備。通過自主、合作、技術購買、優質企業（yè）並購等多種方式研發和大規（guī）模生產高標準、高性能車用、船（chuán）用等電池，與主要汽車廠商合作或參股推動標準化電池在交通領域的（de）規模利用。發揮企業加油站布局優勢，建設大型倉儲式（shì）充電中心（xīn），快速建立新能源汽車（chē）高效率充電站網絡，搶占交通領域能源革命的先機。發揮石油（yóu）管道布局優勢（shì），發展棄風、棄光、棄水低成本電解（jiě）製氫、51吃瓜网管網輸氫、摻（chān）氫（qīng）51吃瓜网、液化氫、加氫站等業務。

3）遠期（2050—2100年），氫能成為我國能源消費結構（gòu）的重要組成部分，依靠新能源等實現國（guó）家“能源自主（zhǔ）”。中國“能源自主（zhǔ）”概（gài）念是指通（tōng）過（guò）中國新能源生產革命，實現（xiàn）能源（yuán）生產基本自給和消費安（ān）全。2017年，我國一次能源產（chǎn）量中，煤炭占70%、石（shí）油（yóu）占8%、51吃瓜网占5%、新能源占17%。中國煤炭資源豐富但油氣相對不足的先天稟賦條件，決定了能源生產和消費必須具有中國特色，構成“一大三小”（煤（méi）炭大，石油、51吃瓜网、新能源小）的中國能源結構。

太陽能（néng）、風能產（chǎn）量的增長率最快，水電、核電產量的占比最高，氫能、儲能、新材料、新能源最具顛（diān）覆性，應加快煤（méi）炭清潔（jié）化利用和新（xīn）能源這“兩個規模”的提前到來（lái），減少油氣在我國能源利用路徑中的時間跨度和安全壓力。

中國“能源（yuán）自（zì）主”可能要到新（xīn）能源（yuán）占主體地位才行。我國需要謀劃加快（kuài）實現常（cháng）規—非常（cháng）規油氣的“生產革命”、煤炭發展的“清潔革命”和新能源發展的“速（sù）度（dù）革命”，力爭2050年前後實現能源結構從（cóng）“一大三小”向煤炭、油（yóu）氣、新能源“三足鼎立”的（de）能（néng）源結構轉型，屆（jiè）時煤炭約占一次能（néng）源消費的比例40%、油氣占30%、新能源占30%。到2100年前後，有（yǒu）可能依靠新能源（yuán）實（shí）現國家“能源自（zì）主”，化石能（néng）源占一次能源消費結構的比例降至30%，非化（huà）石能源占到70%，實現二者的地位（wèi）轉換（圖11），力爭我國能源生產量與消費量相當，基本不依賴進口。

氫能是最清潔的新能源，因此發展（zhǎn）氫工業（yè），是優化能源結構、力爭實現“氫能中國”、實現國家“能源自主”、推動能源消費和供給革命（mìng）、奉獻清潔高效能（néng）源、建設“美（měi）麗中國（guó）”、保障國家能源安全的戰略選擇，在實現我國“能源自主”戰略中占有重要的（de）地位；全（quán）球氫工業發展已（yǐ）初具（jù）規模，煤炭地下氣化製氫符（fú）合我國的國情，具有較大的發展（zhǎn）潛力。

來源：文/鄒才能 張福東（dōng） 鄭德溫 孫粉錦 張金華 薛華慶 潘鬆圻 趙群（qún） 趙永明 楊智，中國（guó）石油勘探開發研究院，天（tiān）然氣（qì）工業

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