氢能源研究报告：氢能爆发，基建先行，储运设备国产化进程几何？（附下载）
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（精选报告来源：报告研究所）
一、氢能战略成为共识，政策推动氢能源爆发
（一）绿氢：能源转型的选择
预计 2050 年，全球氢气市场规模达到 5~8 亿吨。2022 年全球氢气的消费量约 9500 万吨， 同比增长 3%。炼化和工业用氢是氢气的最大下游。根据 IEA 数据，2023 年 9500 万吨氢气 需求中，4200 万吨用于石油炼化，5300 万吨用于工业用氢（包括 3300 万吨用于氨，1500 万吨用于甲醇，500 万吨用于 DRI 炼铁）。IEA 预测， 2030 年氢气的需求量会增加到 1. 5 亿 吨，较现在增长约 40%，到 2050 年，全球需要 5.27 亿吨的低碳氢。而彭博新能源预计 2050 年全球需要绿氢 7.98 亿吨，最为乐观。
预计 2060 年，中国氢供应量 8580 万吨，绿氢占比 89.5%。根据中国煤炭工业协会，中国 2022 年氢气产量 4004 万吨，是世界最大的氢生产国。随着“双碳”战略的持续推进，预计 氢需求持续增长。根据中国石化发布的《中国能源展望 2060》，2060 年中国氢气总供应量达 到 8580 万吨。绿氢渗透率快速提升，2030、2035 年中国绿氢供应量达到 300 万吨、1188 万吨。2060 年，绿氢供应量将达到 7680 万吨，占比达到 89.5%。
目前全球 99%以上的氢都是灰氢，绿氢及蓝氢合计占比不足 1%。
中国煤炭资源丰富，煤炭是制备氢气的主要原材料。根据中国石化经济技术研究院统计， 2022 年，中国煤制氢产量占比达 58.9%；高温和中低温焦化副产氢占比约 20.0% ；天 然气制氢占比约 16.3%；甲醇、轻质烷烃制烯烃副产尾气含氢占比约 3.3%，电解水制 氢占比仅 1.5%。
全球来看，天然气是制备氢气的主要原料。根据 IEA 数据，2022 年全球 62%的氢来自 天然气、21%的氢来自煤炭（主要来自中国），16%来自工业副产品（以上均没有使用碳 捕捉技术）。
（二）氢能战略逐步成为各国共识
各国制定氢能战略，积极推动绿氢转型。其中欧洲预计 2030 年可再生氢需求达到 2000 万吨 /年（其中 1000 万吨依靠自产，1000 万吨依靠进口）,对氢气的需求估计最为乐观。2000 万 吨氢气大约是 2022 年全球氢气产量的 20%，如果全部以电解水制氢的方式制备，需要消耗 电力约 1.12 万亿度（欧洲年发电量约 4.2 万亿度）。
二、氢能投资，基建先行，氢运输率先爆发
氢储运处于从 0 到 1 阶段，是当前产业链卡点。当前全球氢能绝大部分是灰氢，绝大多数灰 氢的生产和使用在一个地方，仅有少量氢通过管线车等方式运输，所以没有一个成体系的氢 能输送网络。而绿氢的生产主要集中在风光资源充沛的地区，生产和使用在地理上出现了分 离。所以氢的储运是现阶段产业发展的卡点。
大型氢储运项目作为氢能源的基础设施，会率先爆发。以欧洲的管道项目为例，氢管道项目 的实施周期预计要 7 年左右，要完成 2030 年的建设目标，就需要在 2023 年启动新项目，在 2026 年完成 financial investment decision (FID)。
氢能运输网络的建设是一项系统性工程，我们认为未来的氢运输会形成三层网络架构：
第一层：超远距离的跨海氢能运输（5000km 以上）。
第二层：中远距离的管道氢能运输（200km~5000km）。
第三次：短距离高压气态氢的卡车运输(200km 以内)。
（一）超远距离的氢能跨海运输：以日本为例
日本发展氢能，存在先天资源禀赋的不足。日本森林和多山的地形极大限制了日本太阳能和 风电的发展空间。日本曾寄希望于海上风电，但周围海域缺乏浅水区域，只能发展技术尚未 成熟的漂浮式风电，还需要考虑对渔业的影响。这使得该国成为全球清洁发电成本最高的国 家。伍德麦肯兹研究总监 Prakash Sharma 表示，日本电价昂贵，使得该国可再生能源制氢成本比化石燃料制氢高 2-4 倍。根据 BNEF 的数据，预计日本 2030 年低碳氢的制取成本约 3 美元/kg，几乎位于成本曲线最右侧。
日本的氢能战略更侧重于氢能储运和下游的应用，而将绿氢的制备寄希望于进口。日本明确 提到“从战略层面考虑推进氢能标准化工作，推进发展以买方为主导的国际贸易模式”。日本 氢能战略设定 “将在 2030 年前后建立商业规模的供应链，每年采购约 300 万吨氢气”。日 本规划的 2030 年 300 万吨进口氢能虽然并不会直接改善日本的能源进口依赖度，但可以进 一步多元化日本的能源结构，增加能源供给渠道，增强日本能源体系的稳定性。
地理条件决定了日本不适合通过管道输送氢气，航运成为主要选择。日本是一个岛国，海上 管道建设成本高、难度大，因此航运是更为合理的选择。此外日本的氢气和主要出口国的距 离较远，航运经济性更佳。比如日本-澳大利亚的液氢项目海运距离高达 9000km，这个距离 下管道运输并不是最经济选择。当前阶段，还不能确定哪一种载体形式会成为航运的主流。当前日本在液氢、液化有机氢载体（LOHC）、氨方向的探索比较积极。
（1）液氢路线
日本和澳大利亚建立了液氢示范项目。2019 年 12 月，日本的首条液化氢运输船 Suiso Frontier 正式下水。2022 年 1 月，Suiso Frontier 搭载澳大利亚制备的液氢首次抵达日本神 户。该项目在澳大利亚用褐煤气化+CCUS 技术制氢，之后在液化基地液化，运输到神户的 装卸基地。这是全球首次通过液化氢大规模海上运输氢气。Suiso Frontier 运输船全长 116 米，总吨位约 8000 吨，船上搭载了特制的储气罐，能储存近 1250 立方米的液化氢，相当 于大约 75 吨液氢。
液氢的运输有很多劣势：1）液氢的储藏温度是-253℃，要保持这样的低温需要很高的成本， 现在的真空隔热技术和球形的储氢设施无法应对。2）液氢难以避免蒸发——大约每天蒸发 0.1%~1%；3）氢气的液化需要非常多的能量，所消耗能量值约为所储存氢能的 30％左右。
因此要使液化氢具备经济性，需要在各个环节提升氢气的产能，从而降低成本：在制造环节， 需要把氢气的制造产能从当前的 0.1t/d 提升到 770t/d；在液化环节，需要把液化产能从 5t/d 提升到 1000t/d；运输环节，液氢的运输船需要从 2500 立方米提升到 32 万立方米。
Suiso Frontier 的技术指标远未达到商业化，目前的运营更多是实验性。2022 年 1 月，因 为阀门故障，Suiso Frontier 在澳大利亚停泊时起火，所幸最后损失不大，依然顺利返航。由 此可以看出，当前的液氢产业链并不成熟。川崎重工预计，到 2030 年液化氢的运输将在商 业上可行。
（2）液化有机氢载体（LOHC）路线
MCH（甲基环己烷）是最有潜力的有机氢载体。国内外文献中常见的有机物储氢介质包括环 己烷、MCH、萘、N-乙基咔唑、二苄基甲苯等。MCH 在常温常压下呈液态、储氢容量大， 脱氢对应物（甲苯）可以很容易地加氢回 MCH，成为了最有潜力的有机氢载体。如果以 M CH 作为氢的载体，可以通过活用炼油厂的现有设备，实现 MCH 的生产和脱氢（将 MCH 分解 为氢和甲苯）。在这条路线下，炼油厂有潜力在碳中和时代成为氢气供应基地。
日本和文莱建立了基于 MCH 的示范项目。2019 年 11 月，文莱的氢化工厂开业，2020 年正 式投入运营。氢气在文莱的加氢厂通过化学反应将氢和甲苯转化为 MCH。MCH 通过海上运 输送到日本，在川崎的脱氢工厂，再次转换成氢和甲苯。
MCH 的主要缺陷是能量损失大，现在使用 MCH 载氢的能量损失达到 35%-40%。MCH 现在 的生产工艺是先生产绿氢，再生产 MCH 的两步工艺。为了提高效率和降低成本，ENE OS 开 发了直接生产 MCH 的工艺。该工艺无需先制造氢气，利用甲苯的直接电化学反应，一步到 位地由水和甲苯来直接制造 MCH。此外，早稻田大学应用化学系的 Akihiko Fukunaga 教授 领导的一个日本研究小组成功地使用固体氧化物燃料电池（SOFC）直接从 MCH 发电。
（3）氨
日本和沙特的合作主要以氨为载体。2020 年，沙特阿美和沙特基础工业公司合作，向日本输 送了世界首批低碳氨。2022 年，沙特阿美和沙特基础工业公司获得了世界首个低碳氨的产品 认证。2023 年，日本首相岸田文雄访问沙特，与沙特王储穆罕默德·本·萨勒曼举行会谈， 双方签署了开发清洁氢气、生产氨和再生燃料的协议。
氨的储运设施完善，是有潜力的载氢材料。氨比氢气更容易液化，常压下氨气在-33℃可以液 化，且同体积的液氨比液氢多至少 60%的氢。氨的储运基础设施完善，10000km 的航运成 本大约可以做到 260 元/t 氨（约 1.46 元/kg H2）。但以氨为载体，在制氨、脱氢环节的成本 较高。考虑制氨、运输、脱氢环节，在 10000km 距离下，以氨为载体运输氢气的成本大约为 17 元/kg H2。
从全球低碳氢贸易流向图可以看出，未来氨会氢能贸易的重要载体。REPower EU 规划进口 的 1000 万吨氢气中，预计仍有 40%会以氨或者其他衍生物的形式进口，绝大部分是氨。
使用氨、液氢、LOHC 进行运输，成本偏高最大的原因在于转化成本高。但氨有一个好处是 可以直接使用。氨本身就是一种大宗化工产品，全球氨的产量约 2.53 亿吨，其中 8 成以上的 氨用于生产化肥。如果不把绿氨视为绿氢的载体，而直接视为一种工业原料，也就不用进行 “氢-氨-氢”的转换。这种情景下，氨的远程运输就变得有经济性。另外，各国也在研究氨直 接燃烧发电的技术，从而省去脱氢的成本。
（二）中长距离的氢气管道运输：以欧洲和中国为例
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