我國氫氣生產以西北、華北為主，主要來自化石能源：2020年我國氫能產量和消費量均已突破2500萬噸，已成為世界第一大制氫大國。從區(qū)域分布看，氫能生產主要產生在西北和華北地區(qū)，產量超過400萬噸的省份有內蒙和山東，產量超過300萬噸的省份有新疆、陜西和山西。氫能源按生產來源劃分，可以分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。目前，我國氫氣主要來自灰氫。未來與大規(guī)模光伏發(fā)電或風力發(fā)電配套的電解水制綠氫將成為發(fā)展趨勢。
副產氣制氫在技術經濟環(huán)境方面具有顯著優(yōu)勢：氫氣生產方式較多，有氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據(jù)優(yōu)勢。比如丙烷脫氫成本約13元/kg，水電解制氫成本約30元/kg。各地區(qū)發(fā)展氫能產業(yè)鏈時，應充分結合區(qū)域能源結構，優(yōu)先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
氫能冶金領域處于研究示范階段：我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，面臨較大的碳減排壓力。從生產工藝來看，鋼鐵行業(yè)碳排放主要來自焦炭。國內外鋼鐵企業(yè)均有嘗試使用氫氣替代焦炭冶煉，按照2020年生產10.5億噸粗鋼，估算需要3.5萬億kWh電生產氫氣，大約占2020年電力生產的47%。
氫能用于交通領域進入推廣應用階段：我國燃料電池汽車已進入商業(yè)化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。預計2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，交通運輸領域用氫2458萬噸，約占該領域用能比例19%，燃料電池車產量達到520萬輛/年。
投資建議：氫能是替代化石能源實現(xiàn)碳中和的重要選擇。隨著氫能逐步用于汽車、鋼鐵等行業(yè)，氫能的利用量將逐步增長，焦化、氯堿、丙烷脫氫和乙烷裂解等產業(yè)受益副產氫氣應用。氫能煉鋼還處于研究和示范階段，建議關注頭部公司的示范進展。氫燃料電池車輛由于能量效率高、安全性高、無排放、壽命長等優(yōu)點，有望逐步推廣。
風險提示：1）碳中和政策實施不及預期；2）氫能價格難以大幅下降；3）燃料電池成本下降不及預期；4）氫能冶金技術發(fā)展不及預期。
01
氫能是替代化石能源實現(xiàn)碳中和的重要選擇
氫能（氫的能源利用）受到全球廣泛關注，成為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要產業(yè)方向。歐、美、日、韓等發(fā)達國家紛紛制定氫能路線圖，加快推進氫能產業(yè)技術研發(fā)和產業(yè)化布局。
當前，我國氫氣生產利用主要在以石化化工行業(yè)為主的工業(yè)領域，以“原料”利用為主，“燃料”利用為輔。我國發(fā)展氫能具有良好基礎，也面臨諸多挑戰(zhàn)。綠氫供應、氫儲運路徑和基礎設施建設、氫燃料電池核心技術裝備、氫燃料電池汽車技術裝備等均待逐一攻破，必須實事求是、客觀冷靜、積極創(chuàng)新，爭取少走彎路，開創(chuàng)氫能技術突破和產業(yè)化新局面。
氫能產業(yè)已成為我國能源戰(zhàn)略布局的重要部分。2020年，氫能被納入《能源法》（征求意見稿）。2021年，氫能列入《國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》未來產業(yè)布局。
氫能產業(yè)發(fā)展初期，依托現(xiàn)有氫氣產能、就近提供便捷廉價氫源，支持氫能中下游產業(yè)發(fā)展，降低氫能產業(yè)起步難度，具有積極的現(xiàn)實意義。綠氫在“碳中和”中可以用在綠電無法發(fā)揮作用的領域實現(xiàn)互補，如氫冶金、化工、重卡交通燃料、供熱等。面向未來，當綠氫成為穩(wěn)定足量的低價氫源時，綠氫促進工業(yè)脫碳將更好地發(fā)揮氫能價值。
疫情未改變氫能產業(yè)投資積極局面。根據(jù)公開信息初步統(tǒng)計，2019年氫燃料電池產業(yè)相關投資及規(guī)劃資金1805億元。盡管受到疫情影響，2020年氫能產業(yè)整體發(fā)展速度有所放緩，但在投資方面，投資金額1600億元，僅有11%左右的降幅，顯示了市場對于氫能產業(yè)依舊充滿信心。
02
當前中國氫氣生產分布和來源
2.1氫能分布在西部
2019年以來，國家、各級地方政府對氫能產業(yè)發(fā)展高度重視，陸續(xù)出臺了多項規(guī)劃和發(fā)展目標，眾多企業(yè)和科研機構紛紛開展技術攻關。中國煤炭加工利用協(xié)會統(tǒng)計，2020年我國氫能產量和消費量均已突破2500萬噸，已成為世界第一大制氫大國。
從區(qū)域分布看，氫能生產主要產生在西北和華北地區(qū)，根據(jù)2019年數(shù)據(jù)，產量超過400萬噸的省份有內蒙和山東，產量超過300萬噸的省份有新疆、陜西和山西，產量超過200萬噸的省份有寧夏、河南和河北，產量超過100萬噸的省份有江蘇、安徽、四川、遼寧和湖北。
2.2氫氣來源仍然以化石燃料為主
氫能源按生產來源劃分，可以分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。“灰氫”是指利用化石燃料石油、天然氣和煤制取氫氣，制氫成本較低但碳排放量大；“藍氫”是指使用化石燃料制氫的同時，配合碳捕捉和碳封存技術，碳排放強度相對較低但捕集成本較高；“綠氫”是利用風電、水電、太陽能、核電等可再生能源電解制氫，制氫過程完全沒有碳排放，但成本較高。目前，我國氫氣主要來自灰氫。
從來源看，我國的氫源結構目前仍是以煤為主，來自煤制氫的氫氣占比約62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%，工業(yè)副產占18%。就消費情況看，目前的氫能基本全部用于工業(yè)領域，其中，生產合成氨用氫占比為37%、甲醇用氫占比為19%、煉油用氫占比為10%、直接燃燒占比為15%、其他領域占比為19%。
（1）以煤為原料制氫
煤制氫的本質是以煤中碳取代水中的氫，最終生成氫氣和二氧化碳。這里，碳起到還原作用并為置換反應提供熱。
以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：
一是煤的焦化（或稱高溫干餾），煤在隔絕空氣條件下，在900-1000℃制取焦炭，副產品為焦爐煤氣。焦爐煤氣組份中含氫氣55%-60%(體積）、甲烷23%-27%、一氧化碳5%-8%等。每噸煤可得煤氣300-350m3，作為城市煤氣，亦是制取氫氣的原料。
二是煤的氣化，使煤在高溫常壓或加壓下，與水蒸汽或氧氣（空氣）等反應轉化成氣體產物。氣體產物中氫氣的含量隨不同氣化方法而異。
（2）天然氣制氫
天然氣的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氫。和煤制氫相比，用天然氣制氫產量高、加工成本較低，排放的溫室氣體少，因此天然氣成為國外制造氫氣的主要原料。其中天然氣蒸汽轉化是較普遍的制造氫氣方法。
（3）重油部分氧化制造氫氣
重油是煉油過程中的殘余物，可用來制造氫氣。重油部分氧化過程中碳氫化合物與氧氣、水蒸氣反應生成氫氣和二氧化碳。該過程在一定的壓力下進行，可以采用催化劑，這取決于所選原料與過程。
（4）水電解制造氫氣
水電解制得的氫氣純度高，操作簡便，但需耗電。水電解制氫的效率一般在75%-85%，一般生產1m3氫氣和0.5m3氧氣的電耗為4-5kWh。根據(jù)熱力學原理，電解水制得1m3氫氣和0.5m3氧氣的最低電耗要2.95度電。
根據(jù)石油和化學工業(yè)規(guī)劃院統(tǒng)計，我國電解水制氫裝置約1500-2000套，產量約10-20萬噸。與大規(guī)模光伏發(fā)電或風力發(fā)電配套的電解水制氫裝置正在進行小規(guī)模示范。
項目1：河北建投張家口沽源風電制氫綜合利用示范項目
投資方：河北建投新能源有限公司
建設規(guī)模：200MW風電場、10MW電解水制氫和氫氣綜合利用系統(tǒng)
制氫能力：1752萬標準立方米
制氫規(guī)模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：20.3億元
年銷售收入：2.6億元
項目2：吉林省長嶺龍鳳湖20萬千瓦風電制氫示范項目
投資方：北京天潤新能有限公司
建設規(guī)模：200MW風電場、700萬立方米制氫、CNG混氫項目（H2：CNG＝2：8混合進CNG汽車）
制氫規(guī)模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：25.5億元
（5）生物質制造氫氣
家庭、農業(yè)、林業(yè)等產生的生物質可用于生產氫氣。原料包括楊樹、柳樹和柳枝，以及來自厭氧消化或垃圾填埋所產生的沼氣等。生物質可以使用成熟的技術進行氣化，甚至在氣化過程中與煤或廢塑料共同反應，如果與碳捕獲技術結合，就有可能生產出負碳氫。沼氣有額外的凈化要求，可以通過類似于蒸汽甲烷重整（SMR）的過程進行改造以產生氫氣。
（6）工業(yè)副產氫氣凈化
焦爐氣、氯堿、丙烷脫氫制丙烯和乙烷裂解制烯烴副產的粗氫氣可以經過脫硫、變壓吸附和深冷分離等精制工序后作為燃料電池車用氫源，成本遠低于化工燃料制氫、甲醇重整制氫和水電解制氫等路線。
03
不同技術制氫的技術經濟環(huán)境性分析
氫氣生產方式較多，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣等副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據(jù)優(yōu)勢。各地區(qū)發(fā)展氫能產業(yè)鏈時，應充分結合區(qū)域能源結構，優(yōu)先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
從能源效率來看，氯堿副產氣制氫、干氣制氫、焦爐煤氣提取制氫能源效率均在80%以上，天然氣制氫、乙烷裂解副產氣制氫、PDH副產氣制氫、甲醇制氫、焦爐煤氣轉化制氫能源效率60%-80%，煤制氫能源效率在50%-60%，電解水制氫能源效率在50%以下。
從污染物排放來看，排污強度由小到大分別為：電解水制氫
從碳排放來看，副產氣制氫從成本來看，制氫成本與原料價格關系最大，控制氫能價格需要控制原料價格；根據(jù)設定的價格范圍，從平均成本看，焦爐煤氣制氫04
氫能冶金領域處于研究示范階段
根據(jù)中國經濟導報于2020年10月14日發(fā)表的《鋼鐵行業(yè)是落實碳減排目標的重要責任主體》一文中相關專家提供的數(shù)據(jù)，我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是國內碳排放量最高的制造業(yè)行業(yè)。
從生產工藝來看，鋼鐵行業(yè)碳排放主要在于長流程生產工藝是以煤炭為能源、焦炭為還原劑來進行輔助冶煉，而煤炭和焦炭是鋼鐵行業(yè)產生二氧化碳排放的主要來源。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產過程中的碳使用量（甚至不用碳），在這方面，瑞典鋼鐵HYBRIT項目、SALCOS項目和H2FUTURE項目等都是有益的探索。寶鋼、河鋼、酒鋼等國內鋼鐵企業(yè)也在開展氫能冶金的研究和示范項目。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，2020年我國鋼鐵行業(yè)用煤7.3億噸，如果完全被氫氣替代，將產生大量氫能需求。根據(jù)瑞典HYBRIT項目估算，450萬噸/年鋼鐵產能需要150億kWh電制氫，按照2020年生產10.5億噸粗鋼，需要3.5萬億kWh電，大約占2020年電力生產的47%。
（1）瑞典鋼鐵HYBRIT項目
2016年，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典大瀑布電力公司（VATTENFALL）和瑞典礦業(yè)集團（LKAB）聯(lián)合成立了HYBRIT項目，主要目的是大幅降低碳排放。按照HYBRIT項目計劃，2016年-2017年為項目預研階段，主要工作內容包括評估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲和利用等。
2018年初公布的研究結果表明：按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，HYBRIT項目采用的氫冶金工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高20%-30%。SSAB采用長流程工藝的噸鋼二氧化碳排放量為1600千克（歐洲其他國家的水平約為2000千克-2100千克），電力消耗為5385千瓦時；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量僅為25千克，電力消耗為4051千瓦時。
該項目的中試研究階段為2018年-2024年，示范運行階段為2025年-2035年。在為期10年的示范運行階段主要進行運行測試，以確保到2035年實現(xiàn)商業(yè)化運行。
HYBRIT項目的工藝基本思路是：在高爐生產過程中用氫氣取代傳統(tǒng)工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發(fā)電產生的電力電解水產生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，產生海綿鐵（直接還原鐵），并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣，水蒸氣在冷凝和洗滌后實現(xiàn)循環(huán)使用。
（2）薩爾茨吉特SALCOS項目
2019年4月份，在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司（以下簡稱薩爾茨吉特）與TENOVA公司（一家為金屬上下游行業(yè)提供節(jié)能降耗技術解決方案的公司）簽署了一份諒解備忘錄，旨在繼續(xù)推進以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少二氧化碳排放的SALCOS項目。
SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐煉鋼工藝路線進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現(xiàn)富余氫氣的多用途利用。
（3）奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目
2017年初，由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項目旨在通過研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放，最終目標是到2050年減少80%的二氧化碳排放。
H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門子、VERBUND（奧地利領先的電力供應商，也是歐洲最大的水力發(fā)電商）公司、奧地利電網(wǎng)（APG）公司、奧地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心組等。
05
氫能用于交通領域進入推廣應用階段
5.1氫能+燃料電池產業(yè)鏈市場前景廣闊
（1）氫燃料電池產業(yè)鏈
氫燃料電池產業(yè)鏈包括：制氫、儲運氫、加氫站、燃料電池系統(tǒng)、燃料電池各項應用。其中儲運氫技術主要包括氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、固體儲運、有機液態(tài)儲運。
（2）國家和地方均出臺氫燃料汽車政策支持產業(yè)發(fā)展
《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》指出，要有序推進氫燃料電池供給體系建設，包括提高氫燃料制儲運經濟性和推進加氫基礎設施建設。此外，要建設智能基礎設施服務平臺，統(tǒng)籌加氫技術和接口、車用儲氫裝置。
示范應用推動行業(yè)快速發(fā)展。2020年9月五部委下發(fā)了《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，指出示范期暫定為四年，示范期間，五部門將采取“以獎代補”方式，對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。隨著國家及地方產業(yè)政策的逐步實施、我國氫燃料電池核心技術的逐步突破積累、相關配套產業(yè)的逐步完善，氫燃料電池及新能源汽車行業(yè)未來將有廣闊的發(fā)展空間。
各地搶抓氫能產業(yè)布局，目前已有包括京津冀、長三角、珠三角、四川、山東等30余個省市級的氫能發(fā)展規(guī)劃相繼出臺。
（3）氫燃料電池產業(yè)進入商業(yè)化初期，前景廣闊
我國燃料電池汽車已進入商業(yè)化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。加氫站建設進度逐步加快，截止2020年底，加氫站建成128座。同時，中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛跨界發(fā)展氫能產業(yè)。
根據(jù)國際氫能委員會預計，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，氫氣需求量接近6000萬噸，其中交通運輸領域用氫2458萬噸，約占該領域用能比例19%，燃料電池車產量達到520萬輛/年。
《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書》指出，交通領域將是氫能消費的重要突破口，在商用車領域，2030年燃料電池商用車銷量將達到36萬輛，占商用車總銷量的7%（樂觀情景將達到72萬輛，占商用車總銷量13%）；2050年銷量有望達到160萬輛，占比37%（樂觀情景下銷量300萬輛，占比70%以上）。
5.2氫燃料電池產業(yè)需大幅降低成本
氫燃料電池車具有能量密度高、安全、舒適等優(yōu)點。燃料電池的能量密度高，可達0.5-1.0kWh/kg，特別適合重載車。電堆與氫罐是分開的，提高了發(fā)動機的安全性，電堆不易產生爆炸。氫燃料電池車在續(xù)駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車接近。
目前，氫燃料電池車必須解決購置和使用成本較高的問題，經濟性是能否大規(guī)模發(fā)展的關鍵。
a)目前燃料電池發(fā)動機貴，導致一輛車售價是燃油車的三倍左右，鋰電池車的1.5-2.0倍；
b)加氫站的建設費用高達1200-1500萬元。
c)在加氫站的加氫費用每公斤高達60-80元，只有降到40元以下才具備與燃油車競爭的基礎。
因此，要實現(xiàn)無補貼的燃料電池車商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機的成本和氫氣的成本，同時降低加氫站的建設費用。
根據(jù)德勤的分析，中國氫燃料電池公交車的總成本（TCO，購買成本和運營成本）在2019年為178美元/百公里，預計到2029年TCO將下降至55美元/百公里，將低于純電動公交和燃油公交車的成本。
