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綠氫是氫能產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。為了更好地謀劃氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們需要對綠氫產(chǎn)業(yè)鏈進行系統(tǒng)剖析。綠氫產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游綠氫制取、中游綠氫儲運和下游綠氫應(yīng)用。綠氫制取不同于灰氫、藍氫、廢氫制取，它在技術(shù)、成本、市場等方面有其自身的特點。
上游綠氫制取：新型制氫技術(shù)仍在路上
目前，常規(guī)制氫的方法主要有三種：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，二是工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，三是電解水制氫。常規(guī)的制氫技術(shù)路線中以傳統(tǒng)化石能源制氫為主，全球范圍內(nèi)主要是使用天然氣制氫，我國由于煤炭資源比較豐富，因此主要使用煤制氫技術(shù)路線，占全國制氫技術(shù)的 60%以上；工業(yè)副產(chǎn)氣制氫約占30%；電解水制氫約占3%。
電解水制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高等特點，可以滿足高純度的氫氣需求。但缺點是能耗大，制氫成本是目前工業(yè)化制氫領(lǐng)域最高的，單位制氫成本是煤制氫的4~5 倍。制氫成本受電價的影響很大，電價占其總成本的70%以上。若采用市電生產(chǎn)，制氫成本約為30-40元/公斤。目前電解成本高是制約電解水制氫技術(shù)推廣使用的最重要原因。但同時在我國三北地區(qū)，大量可再生能源電力如風(fēng)電和光伏發(fā)電還存在不能并網(wǎng)的情況。由于電能不能大規(guī)模儲存，棄風(fēng)棄光會造成能源的浪費。因此，未來我國采用可再生能源進行電解制氫的潛力很大。
綠氫是采用再生能源電解水得到的氫氣，生產(chǎn)過程能做到零碳排放。根據(jù)電解水采用的隔膜不同，又可分為堿水電解、質(zhì)子交換膜水電解、固體氧化物水電解。堿水電解技術(shù)最成熟。國內(nèi)的質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)尚處于從研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段。固體氧化物水電解目前仍處于實驗室研發(fā)狀態(tài)。
三類電解水技術(shù)對比
根據(jù)《能源情報》信息，目前堿水電解制氫在國內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化，我國電解水裝置的安裝總量在1500~2000套左右，通過電解水所制氫氣總量在8×104t/a。堿水電解成本最低，國內(nèi)單臺最大產(chǎn)氣量為1000立方米/小時。質(zhì)子交換膜水電解盡管流程簡單，但采用貴金屬電催化劑，成本偏高，國內(nèi)單臺最大氣量為50立方米/小時；從提高能效的角度，以固體氧化物電解質(zhì)的固體氧化物水電解技術(shù)(SOEC)采用固體氧化物作為電解質(zhì)材料，可在400~1000℃高溫下工作，可以利用熱量進行電氫轉(zhuǎn)換，具有能量轉(zhuǎn)化效率高且不需要使用貴金屬催化劑等優(yōu)點，因而效率可達100%。
在上游綠氫制取市場，重點企業(yè)有上海電力、節(jié)能風(fēng)電、陽光電源、吉林電力、新天綠色能源、金鳳科技等。
中游綠氫儲運：高壓氫罐接近全球領(lǐng)先水平
2.1氫儲存
氫的儲存方式主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。氫的儲運高度依賴技術(shù)進步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點。氫儲運技術(shù)的總體發(fā)展方向是從"低壓到高壓"、"氣態(tài)到多相態(tài)"。
氣態(tài)儲氫，就是將氫氣壓縮到耐高壓容器中。高壓氣態(tài)儲氫是目前主要的儲氫方式，分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類；其中鋼質(zhì)氫瓶和鋼質(zhì)壓力容器技術(shù)最為成熟。高壓氣態(tài)儲氫具有成本低、能耗低、充放速度快的特點，但儲氫量較小，只適應(yīng)小規(guī)模、短距離的運輸場景。目前，美國、加拿大、日本已經(jīng)實現(xiàn)70Mpa高壓氣態(tài)儲氫瓶量產(chǎn)。我國燃料電池車載主流儲氫方式仍然是35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶，而70MPa剛剛開始推廣。目前國內(nèi)在車用儲氫瓶領(lǐng)域領(lǐng)先的企業(yè)有中材科技、沈陽斯林達和京城股份等。
液態(tài)儲氫，可分為低溫液態(tài)儲氫和有機液體儲氫。低溫液態(tài)儲氫將冷卻至-253℃的液化氫氣儲存于低溫絕熱液氫罐中，儲運簡單，儲存密度大，但存在液化和運輸過程中能耗大的缺點。有機液體儲氫是利用某些不飽和有機物與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實現(xiàn)氫的儲存。有機液體儲氫的優(yōu)勢在于性能穩(wěn)定、安全性高，但存在反應(yīng)溫度較高、脫氫效率較低、催化劑易被中間產(chǎn)物毒化等問題。目前，國外70%左右的氫氣采用低溫液氫運輸，美國壟斷了全球約85%的低溫液氫生產(chǎn)和應(yīng)用，國際液氫有兩大巨頭：美國的AP和PRAX。國內(nèi)目前有低溫液氫儲運技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化能力的企業(yè)主要有富瑞氫能、中科富海等。中國低溫液氫生產(chǎn)成本高達500元/kg，是美國的20倍以上。國內(nèi)低溫液態(tài)氫主要作為航天火箭推進器燃料。武漢氫陽是國內(nèi)做有機液體儲氫的領(lǐng)先企業(yè)，其開發(fā)的常溫常壓下液態(tài)有機儲氫(LOHC)技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。武漢氫陽第一批儲氫工程于2019年3月正式投產(chǎn)。
固態(tài)儲氫，是利用過渡金屬或合金與氫反應(yīng)，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫。固態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢；但主流金屬儲氫材料重量儲氫率仍低于3.8wt%。固態(tài)儲氫適合于對體積要求較嚴(yán)格的場合，如在燃料電池汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。國外固態(tài)儲氫已在燃料電池潛艇中商業(yè)應(yīng)用，在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲氫中得到示范應(yīng)用；國內(nèi)固態(tài)儲氫已在分布式發(fā)電中得到示范應(yīng)用。國內(nèi)固態(tài)儲氫代表企業(yè)主要有稀土儲氫材料的北京浩云金能、廈門鎢業(yè)和鎂基儲氫材料的鎂源動力、鎂格氫動等。
從儲氫成本來看，短中期高壓氣態(tài)儲氫仍是當(dāng)下儲氫方式的主流；但長期來看，待技術(shù)突破及產(chǎn)能擴大后，低溫液化儲氫與金屬氫化物固態(tài)儲氫是最有發(fā)展?jié)摿Φ膬浞绞健?/span>
2.2氫輸運
氫的輸運方式，按輸運對象來分，可分為氣態(tài)輸運、液態(tài)輸運和固體輸運三種；按輸運方式來分，主要分為長管拖車、管道運輸、槽罐車運輸三種。
高壓氣態(tài)輸運主要采用長管拖車、管道運輸二種方式。高壓長管拖車是氫氣近距離輸運的重要方式，技術(shù)較為成熟；國內(nèi)通常用20MPa長管拖車運氫，國外則采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫。管道輸運是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離運輸?shù)闹匾绞剑坏ㄔ旃艿莱跗谕顿Y額較大。目前，目前全球已建成超過5000公里的氫氣管道，其中美國擁有2600公里以上的氫氣管道，而我國僅有約400公里的輸氫管道。
液氫輸運通常適用于距離較遠、運輸量較大的場合。液氫運輸對液化的設(shè)備要求高，投資大、能耗高；但采用液氫儲運能夠減少車輛運輸頻次，提高加氫站供應(yīng)能力。國外液氫應(yīng)用廣泛，日本、美國已將液氫罐車作為加氫站重要的運輸方式之一，如日本的液氫還可以利用鐵路和輪船進行長距離或跨洲際輸送。。國內(nèi)液氫運輸?shù)闹饕\輸方式是槽罐車運輸，且只有航天領(lǐng)域存在液氫運輸。
固體輸運，可采用特定的貨車運輸。輕質(zhì)儲氫材料，具有高的體積儲氫密度和重量儲氫率，作為儲氫裝置具有較大潛力。低壓高密度固態(tài)儲罐僅作為隨車輸氫容器使用，可以提高單車運氫量和運氫安全性。
氫不同輸運方式的技術(shù)比較
根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》提供的信息，目前我國氫能示范應(yīng)用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫產(chǎn)地附近（小于200公里）布局，氫能儲運以高壓氣態(tài)方式為主。氫能市場滲入前期，氫的輸運將以45MPa長管拖車、低溫液氫、管道（示范）輸運等方式，因地制宜，協(xié)同發(fā)展。
從成本方面來看，管道運輸成本最低，但管道運輸容易受到需求面的影響。因此在氫能發(fā)展初期，管道運輸純氫并不適用，但是可采用天然氣管道輸送氫氣以降低成本。長管拖車適合運輸至距離較短的加氫站；由于目前燃料電池市場規(guī)模較小，氫需求量較小，大多氫源地與加氫站的距離較短，長管拖車運氫仍是短期的主要運氫方式。液氫槽罐車適合長距離運輸，目前受制于成本和能耗問題，它還處于導(dǎo)入期；但長期來看，液氫槽罐車將會是取代長管拖車運氫的主要運輸方式。
下游綠氫應(yīng)用：核心零部件技術(shù)仍待突破
發(fā)展氫能源對于中國戰(zhàn)略意義深遠。氫能在能源、交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其以燃料電池車為代表的交通領(lǐng)域是氫能初期應(yīng)用的突破口與主要市場。
3.1加氫站
加氫的基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池車應(yīng)用的重要保障，也是氫能發(fā)展利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過氫氣壓縮機增壓的氫氣存儲于高壓儲氫罐，再通過氫氣加注機為氫燃料電池加注氫氣。加氫站的技術(shù)路線有站內(nèi)制氫和外供氫兩種。由于目前國內(nèi)氫氣按照危險品管理，所以尚未有商用的站內(nèi)制氫加氫站。外供加氫站則是通過長管拖車、管道輸送氫氣、液氫運輸后，在站內(nèi)進行加壓、存儲和加注。
加氫站系統(tǒng)主要有制氫系統(tǒng)（自制氫）或輸送系統(tǒng) （外供氫）、調(diào)壓干燥系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、儲氣系統(tǒng)、售氣加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)六個主要子系統(tǒng)。加氫站系統(tǒng)的三大核心裝備為氫氣壓縮機、儲氫系統(tǒng)和氫氣加注機。在不計土地費用的前提下，我國加氫站投資建設(shè)成本約1500萬左右，其中設(shè)備成本約1150萬元，占比達77%，而最重要的氫氣壓縮機和氫氣加注機分別占32%和14%。
目前我國加氫站所采用的氫氣壓縮機仍需外購，國內(nèi)現(xiàn)有壓縮機制造商多數(shù)僅能生產(chǎn)用于石油、化工領(lǐng)域的工業(yè)氫氣壓縮機。國外氫氣壓縮機龍頭有美國PDC、英國豪頓、德國Andreas Hofer等；國內(nèi)氫氣壓縮機龍頭企業(yè)主要有北京中鼎恒盛、北京天高、江蘇恒久機械以及京城股份等。
加氫機目前仍然依賴進口。國內(nèi)70MPa加氫機處于試驗階段，與國外商業(yè)化運營的70MPa加氫機指標(biāo)差距較大。國外領(lǐng)先企業(yè)主要有德國林德氣體、美國空氣化工等。國內(nèi)企業(yè)主要有富瑞特裝、厚普股份、上海舜華等。
根據(jù)規(guī)劃，在2020 年，中國將建成 100 座加氫站，日本建成 160 座加氫站，韓國建成 80 座加氫站。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，截至2020年11月21日我國累計建成88座加氫站，較去年年底新增27座。其中已投入運營的有80座，另有50座正在建設(shè)當(dāng)中，還有99座正在規(guī)劃中。
我國參與建設(shè)加氫站的企業(yè)有宇通、氫楓能源、億華通、上海神力和同濟大學(xué)等，其中氫楓能源自2016年起已經(jīng)建設(shè)了10座加氫站，其中自營站6座，是國內(nèi)加氫站建設(shè)和運營的領(lǐng)頭企業(yè)。參與運營的企業(yè)有億華通、上海舜華、宇通、國鴻氫能、大洋電機、上海重塑等。我國布局加氫站的上市企業(yè)主要有厚普股份、嘉化能源、美錦能源、雪人股份、雄韜股份等。
3.2燃料電池
燃料電池有助于實現(xiàn)氫能的移動化、輕量化和大規(guī)模普及。燃料電池系統(tǒng)是由電堆及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，電堆是核心，包括質(zhì)子交換膜、催化劑、擴散層、雙極板。在當(dāng)前的商業(yè)應(yīng)用中，質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池是三種主流的燃料電池技術(shù)路線。
質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點是工作溫度低、啟動快、比功率高，適用于交通和固定式電源領(lǐng)域，它已成為現(xiàn)階段國內(nèi)外主流的應(yīng)用技術(shù)。熔融碳酸鹽燃料電池具有工作溫度較高，反應(yīng)速度較快、不需貴金屬催化劑、提高燃料有效利用率等優(yōu)點，但存在高溫條件下液體電解質(zhì)較難管理，長期腐蝕和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重等問題；小型熔融碳酸鹽燃料電池可應(yīng)用于通訊、氣象電站和水面艦船、機車等熱電聯(lián)供場景。固體氧化物燃料電池燃料的優(yōu)點是適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、零污染、模塊化組裝，它常應(yīng)用在大型集中供電、中型分電、小型家用電熱聯(lián)供等領(lǐng)域。
我國主要集中在質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池領(lǐng)域開展研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。自“十五”以來，我國燃料電池技術(shù)取得了一定的進展，但工程化、產(chǎn)業(yè)化水平滯后，核心零部件技術(shù)仍有待突破，總體技術(shù)水平落后于日本、韓國等國家。質(zhì)子交換膜燃料電池使用鉑及其合金作為催化劑，其成本高昂，我國尚處實驗研究階段。核心零件質(zhì)子交換膜，現(xiàn)階段主流產(chǎn)品多為美國、日本制造；氣體擴散層極大影響燃料電池成本和性能，主流生產(chǎn)企業(yè)分布于日本、加拿大、德國等。
隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，相關(guān)產(chǎn)品已逐步進入商業(yè)化應(yīng)用階段，可廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑、軍事等場景。目前，日本豐田和韓國現(xiàn)代占全球燃料電池出貨量的三分之二， 日本氫燃料電池專利數(shù)居全球首位。在全球氫燃料電池汽車發(fā)展方面，日本和韓國走在前列，豐田、本田和現(xiàn)代也是全世界范圍內(nèi)燃料電池汽車?yán)塾嬩N量最高的三家車企。根據(jù)深圳高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）發(fā)布的《燃料電池汽車月度數(shù)據(jù)庫》統(tǒng)計顯示，2020年我國氫燃料電池系統(tǒng)裝機量約為79.2MW，同比下降37%。其中，氫燃料電池系統(tǒng)在客車上的合計裝機量約為71.7MW，同比增長46%；在專用車上的合計裝機量約為7.5MW，同比下降90%。從裝機量排名來看，2020年氫燃料電池系統(tǒng)裝機量排名前五的企業(yè)分別為愛德曼、億華通、國鴻重塑、探索汽車、濰柴動力，前五家企業(yè)裝機量占2020年中國氫燃料電池系統(tǒng)裝機量的69%。
2020年我國氫燃料電池系統(tǒng)裝機量TOP5
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