中国能源行业绿色发展专题（三）| 氢能：崛起中的能源新枢纽
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摘要
2021年10月，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，为经济社会发展的全面绿色转型提供指导；随后，国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》对氢能技术在进一步创新发展后，推动钢铁、石化化工行业实现“碳达峰”和运输工具装备低碳转型所发挥的重要作用，寄予了厚望和期待。
展望未来，借力新能源，氢能将汇通能源网、交通网乃至信息网，成为助力低碳发展、绿色能源转型的新枢纽。
本文以绿氢为着眼点，从制氢、储氢、运氢、加氢以及用氢五个维度，梳理氢能产业在我国的发展现状；综合考虑技术可行性以及项目经济性，探寻未来发展机遇。
在综合考虑了技术可行性及经济性后，我们的初步结论如下：
制氢：煤气化凭借成本优势，目前在制氢中占据主要地位；受惠于可再生能源度电成本以及制氢系统成本的不断下降，绿氢制取的成本与灰氢制取成本的差距将逐渐缩小。
储氢：高压气态储氢成本低且技术发展成熟，是目前国内应用最广泛的储氢方式；其他储氢方式在我国目前仍处于试验阶段。未来高压气态储氢降本的进一步实现依赖容器压力的增加、关键材料的技术突破以及规模化应用。
运氢：长拖车在近距离的运氢市场中具有竞争力，管道运输和液氢罐车则是长距离运氢选择。
加氢：目前加氢站的建设主要依靠政府支持，关键部件的国产化有助于加氢站成本的降低。
用氢：
工业方面，前期主要辐射接近绿氢生产区域，随着技术进步和本地布局的持续发展，到2025年以后，绿氢将逐步成为最常用的能源，并替代一部分灰氢市场份额。
交通运输方面，前期由于加氢站数量不足，主要用于封闭空间，后期随着总体拥有成本下降和加氢站数量的增加，开始用于长距离固定运输线路等场景，并逐步商业化。
制氢
氢的制取主要通过三种路径实现：一是通过煤炭、石油、天然气等化石燃料或工业副产物获得，即所谓的灰氢；二是在灰氢的基础上，结合CCUS技术（二氧化碳的捕集、利用和封存）获取，即蓝氢；三是通过包括太阳能以及风电在内的“绿色”原料制取氢气，即绿氢。
三种路径下，国内主流转化技术包括：
灰氢，根据“黑色”原料具体种类的不同，主流转化技术包括煤气化制氢、天然气蒸汽重整制氢、烃类热裂解、副产提纯等方法；
蓝氢，综合灰氢利用所涉及的技术，结合CCUS技术手段，进行氢气的制取；
绿氢，目前主流的转化技术是包括碱性电解制氢（AEC）、质子交换膜电解制氢（PEM）技术在内的电解水制氢技术。
目前，我国95%以上的氢气源自灰氢——即通过碳氢化合物重整和工业副产提纯取得；在灰氢制取所涉及的主流转换技术中，煤气化凭借显著的成本优势，在制氢中占据主要地位（参阅图1）。
受低碳转型和绿色发展的影响，蓝氢以及绿氢技术逐渐映入眼帘。蓝氢和灰氢路径的最大区别在于是否通过CCUS降低碳排放。从现状上看，由于CCUS技术在我国尚未实现商业化，在灰氢基础上增加CCUS技术后，制氢成本变高——以煤化气制氢为例，增加CCUS技术后，制氢成本从7至12元/公斤，上涨到12至18元/公斤，制氢成本大幅提升。在碳价机制不尽完善且CCUS技术尚未实现商业化之前，蓝氢发展受到掣肘。
绿氢制取上，目前AEC是我国应用最广泛的绿氢制取技术，受惠于可再生能源发电平准化度电成本的持续下降，以及AEC系统成本由于规模化效应带来的成本降低，预计制氢成本进一步下降（参阅图2）。同为电解水制氢技术的PEM技术前景良好，且相比于AEC技术，更适配波动性较大的可再生能源发电系统，在综合成本优势显现的情况下，应用前景广泛。
我们注意到，除了电解水制氢技术之外，其他绿氢制取方法还包括固体氧化物电解技术（SOE）、阴离子交换膜（AEM）、核能制氢、光解水技术等，但目前这些技术在国内尚未商业化。
储氢
根据氢的物理特性以及储存行为的特点，可以将储氢的路径分为气态储氢、液态储氢以及固态储氢三种方式。目前，高压气态储氢（CGH2）是我国主流的储氢方法。
液态储氢包括目前仅应用于航天领域的低温液态储氢技术，以及目前尚在试验阶段的有机液态氢载体（LOHC）的储氢、液氨储氢/甲醇储氢技术。固态储氢技术主要通过包括金属氢化物、化学氢化物以及包括金属有机框架物、纳米材料在内的吸附剂储氢，但目前这些技术仍在试验阶段。
聚焦高压气态储氢技术，根据安全制造材质和工艺，一般将高压气态储气瓶分为四个类型：I型储氢瓶由纯钢制金属材质制成；II型储氢瓶由金属内胆纤维环向缠绕构成；III型储氢瓶的材料系金属内胆纤维全缠绕；IV型储氢瓶是非金属类纤维全缠绕气瓶。
不同的材质决定了储氢瓶的成本及应用场景（参阅图3）。总体上看，III型和IV型瓶更适宜在运氢车辆和燃料电池汽车上广泛应用。IV型瓶和III型瓶相比，IV型瓶耐高压能力更强且成本更低，是一种成本效益更高的储氢方法，在国外已经实现了商业化；然而，由于其关键部件及材料高度依赖进口，IV型瓶尚未在国内广泛应用。
展望未来，我国高压气态储氢成本的降低，依赖于容器压力的增加、关键材料的技术突破以及规模化应用。
运氢
根据氢气的储存形态以及储氢技术的可行性，目前运氢技术主要分为高压气态运输和液态运输。其中，根据运输设备的不同，高压气态运输可进一步分为长管拖车运输及管道运输（参阅图4）。
和管道运输相比，由于长管拖车运输不涉及前期过高的投资费用，在一定的运输距离范围内，若配以采用先进材料的高压储氢瓶进行运输，则在运氢市场中具有竞争力；管道运输由于初期投资成本过高，在长距离、大需量的运输中方显优势。目前，管道网络尚未就绪，管道网络建设尚需一些的时间。
加氢
截至2021年上半年，我国累计建成加氢站146座，其中约93%已投入运营；预计2022年底，加氢站的数量将增至约200座（参阅图5）。
目前，加氢站的建设以政府支持为主，关键部件国产化有助于降低加氢站成本。
国家层面：2020年9月，财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委及国家能源局联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，将对燃料电池汽车的购置补贴政策，调整为对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心产业化攻关和示范应用的奖励。燃料电池汽车示范城市群的申报基础条件之一，是已建成并投入运营至少两座加氢站且单站日加氢能力不低于500公斤。示范城市群需要在四年的示范期间完成的基础目标包括，氢气终端销售价不超过35元/公斤。2021年8月，首批示范城市群已经选定，分别由北京、上海和广东各自牵头。
地方层面：多地出台加氢站补贴政策，或对设备投资，或对加氢站运营进行补贴。
用氢
绿氢在工业领域的应用
现阶段，约90%的氢气主要用于化工工业生产甲醇、氨等工业产品；受限于目前绿氢供应波动性较大、绿氢生产产量与需求不匹配等现实情况，绿氢在化工工业上的应用有限。
除了化工工业外，约10%的氢气主要用于玻璃制造业、半导体制造业、多晶硅行业、食品行业、航空航天行业、钢铁行业、有色金属行业和火力发电行业。由于上述除化工工业外的八大主要应用领域工厂布局分散，在绿氢制取及运氢成本尚未大幅下降的情况下，预计绿氢的主要需求将依靠工厂现场的碱性电解制氢装置满足。
随着技术发展，绿氢制取及运氢成本将不断下降；展望未来，绿氢有望成为稳定的工业原料，满足工业需求。
绿氢在交通运输领域的应用
为保障能源供应安全，实现净零目标，中国现已出台一系列补贴和奖励政策，支持电动车和燃料电池汽车逐步取代燃油汽车。总体来说，电动车由于能量密度和续航里程有限，更适宜支持用于市内和城际行驶的乘用车，以及包括轻型卡车和轻型叉车在内的轻型车辆；以氢能为燃料的燃料电池汽车，则可作为重型柴油车以及柴油机械的替代解决方案。
现阶段，燃料电池动力系统的成本仍然高企，但在持续的政策支持下，预计燃料电池技术将不断成熟，国产化程度将持续加深，生产规模化的优势将逐步显现；从而推动燃料电池动力系统的下降，并逐步缩小与柴油发动机成本之间的差距。
此外，若未来绿氢制取成本的降幅超过预期并低于柴油燃料成本，那么燃料电池系统期初的高资本支出，也可通过较低的燃料价格进行弥补，从而提高燃料电池汽车的整体经济性（参阅图6）。
关于作者
苏日娜是波士顿咨询公司（BCG）董事总经理，全球合伙人，BCG能源专项中国区联席负责人。如需联络，请致信su.rina@bcg.com。
周涵是波士顿咨询公司（BCG）董事总经理，全球合伙人，BCG能源专项中国区联席负责人。如需联络，请致信zhou.han@bcg.com。
感谢团队成员沈希文、康书鼎、李中书、陈果、顾峥、陈祺为本文的分析研究和撰写做出的贡献。
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