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    国家层面对氢能以及燃料电池汽车产 业给予高度重视,并积极引导、支持 其发展。宏观产业政策方面,自“十三五”至 “十四五”,国家连续将新能源汽车 以及燃料电池汽车列入五年科学技术 发展规划中,明确其发展目标、重点 任务以及保障措施等,积极建设“三 纵三横”的研发布局。2022年3月23日,国家发展改革委、国 家能源局联合发布《氢能产业发展中 长期规划(2021-2035年)》,明确了 氢能在我国能源绿色低碳转型中的战 略定位、总体要求和发展目标,将对 我国氢能产业的高质量发展发挥的重 要指导作用。

    二、制氢:CCS助力低碳制氢,水解制氢静待突破

    2.1 灰氢仍为主要氢源,绿氢比重有望提升

    碳排放划分氢气类型:灰氢、蓝氢、绿氢

    氢元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中,而氢能作为一种二次能源,需要通过制氢技术进行“提取”。根 据氢能生产来源和生产过程中的碳排放情况,人们将氢能分别命名为灰氢、蓝氢、绿氢。

    灰氢:使用化石燃料(例如石油、天然气、煤炭等)燃烧制取氢气,并对释放的二氧化碳不做任何处理。目前,市面上绝大多 数氢气是灰氢,约占当今全球氢气产量的95%左右。灰氢的生产成本较低,制氢技术较为简单,而且所需设备、占用场地都较 少,生产规模偏小。

    蓝氢:将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制取氢气,同时对释放的二氧化碳进行捕捉与储存(CCS),可实现了低排 放生产。

    绿氢:使用可再生能源(例如太阳能、风能、核能等)发电电解或光解制取的氢气,完全没有碳排放。

    三种主要制氢方法

    我国的制氢工业以引进技术为主,技术相对成熟,与发达国家的差距不大。当前,氢的制取技术主要有三种比较成熟的路线:1)以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源重整制氢;2)以焦炉 煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产提纯制氢;3)以电解水制氢为代表的可再生能源制氢。其他技术路线,如生物质直接制氢和光解水制氢等目前产收率较低,仍处于实验和开发阶段,尚未达到规模制氢要求。

    氢气制备工艺以化石能源重整为主

    2019年全球氢产量11500万吨,主要来自化石能源重整制氢中的天然气制氢,占比达46%。2019年我国氢产量3342万吨,主要来自化石能源重整制氢中的煤制氢,占比达64%。

    2.2 化石能源制氢:CCS助力低碳生产

    化石能源制氢:煤制氢

    化石能源制氢为目前最主要的制氢技术路线,主要包括煤制氢与天然气制氢。煤制氢是工业大规模制氢的首选方式之一,也是我国最主要的制氢方式。其具体工艺过程是煤炭经过高温气化生成合成气(H2+CO)、CO与水蒸气经变换转变为(H2+CO2)、脱除酸性气体 (CO2+SO2)、氢气提纯等工艺环节,可以得到不同纯度的氢气。传统煤气化制氢工艺具有技术成熟、原料成本低、装置规模大等特点,但其设备结构复杂、运转周期相对短、配套装 置多、装置投资成本大,而且气体分离成本高、产氢效率偏低、CO2排放量大。

    化石能源制氢:天然气制氢

    天然气制氢是北美、中东等地区普遍采用的制氢路线。工业上,由天然气制氢的技术主要有蒸汽转化法、部分氧化法以及天然气催化裂解制氢。蒸汽转化法(SMR)最为常用。甲烷和水蒸气在催化剂以及高温(500~950℃)的条件下发生化学反应:CH4+2H20=4H2+C02, 产物中氢气体积分数可达74%。部分氧化法是由甲烷等烃类与氧气进行不完全氧化生成合成气,需要配置空分装置或变压吸附制氧装置。天然气催化裂解制氢主要则是天然气在催化剂表面发生催化裂解反应生成氢气和碳。(报告来源:未来智库)

    化石能源制氢:短期氢气主要来源,投资机会在CCS

    煤制氢

    煤制氢技术路线可以大规模稳定制氢,成熟高效,价格相对较低,是目前主要的化石能源重整制氢方式。原料煤作为 最主要的消耗原料,约占煤制氢总成本的50%。以成本最低的煤气化制氢技术为例,每小时产能54万方合成气的装置,在原料煤(6000大卡,含碳量80%以上)价格 600 元/吨的情况下,制氢成本约8.85元/千克。结合尚处在探索示范阶段的碳捕获与封存技术(CCS)以控制化石能源重整制氢的碳排放,按照煤制氢路线单位氢气 生成二氧化碳的平均比例计算,增加CCS后以上设定条件下的制氢成本约为15.85 元/千克。今后,随着国内CCS技术 的进一步开发,煤制氢成本有望下降。

    天然气制氢

    与煤制氢装置相比,天然气制氢投资低、CO2排放量小、耗水量小、氢气产率高,是化石原料制氢路线中理想的制氢 方式。然而,我国化石资源禀赋特点是“富煤、缺油、少气”,原油与天然气对外依存度高,在此能源供给现状的大背景下, 采用天然气制氢存在气源供应无法保障、天然气价格高企的现实问题 。但从长远来看,由于我国非常规天然气资源(页岩气、煤层气、可燃冰等)十分丰富,随着未来非常规天然气开采技 术进步、开采成本降低,必将迎来天然气大发展的时期,届时采用天然气制氢预计要比煤制氢更具优势。

    三、储氢端:产业链瓶颈环节,期待技术突破

    3.1 储运:高压储氢为主导,多条技术路线并进

    氢的储存主要包括四种形式

    氢的储存要求安全、高效、低成本、便捷,主要技术指标有容量、加注便捷性、耐久性等。当前,氢的储存主要由气态储氢、液态储氢、固体储氢和有机液体储氢四种形式:

    (1)气态储氢,是将氢气压缩到一个耐高压的容器里进行储存的方式。储运工具主要包括高压长管拖车和管道运输;

    (2)低温液态储氢,是将氢气冷冻至零下252.72℃以变为液体加注到绝热容器中进行储运,储运工具主要为液氢槽罐车;

    (3)固态储氢,是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体,通过化学吸附和物理吸附的方式进行氢储运, 对储运工具并无特殊要求;

    (4)有机液体储氢,是通过加氢反应将氢气固定到芳香族有机化合物并形成稳定的氢有机化合物液体,最终以液体槽罐 车进行储运。

    高压气态储氢占主导

    高压气态储氢是现阶段的主要储氢方式,其容器结构简单、充放氢速度快,是目前最常用且发展成熟的技术。根据材质的不同,高压储氢瓶分为纯钢制金属瓶(I型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)、金属内胆纤维缠绕瓶(III型) 和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)4种。I型瓶、Ⅱ型瓶技术成熟且成本低,但储氢密度低、安全性能差,且钢材质重量 较高,难以满足车载储氢密度要求,主要用于加氢站等固定式场景;Ⅲ型、Ⅳ型瓶由内胆、碳纤维强化树脂层及玻璃 纤维强化树脂层组成,明显减少了气瓶质量,提高了单位质量储氢密度,因此车载储氢瓶大多使用Ⅲ、Ⅳ型两种容器。工业领域,20MPa钢制氢瓶已广泛应用,且与45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器组合应用于加氢站。车载领域,70MPa Ⅳ型瓶已广泛应用于海外车载领域,我国燃料电池商用车载储氢方式以35MPa Ⅲ型瓶为主,70MPa Ⅲ型瓶也已小批量应用。

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