產業解析 | 氫能產業解析與發展趨勢
來源：高新院 achie.org 日期：2022-02-18 點擊：次
作為實現碳達峰、碳中和目標重要綠色能源發展的方向之一，國內氫能發展熱度日益高漲。統計信息顯示，目前全國已有20多個省份40多個地級市發布氫能規劃，其規劃產業規模超過萬億元；眾多央企和上市公司也競相布局氫能發展。與此同時，作為新興產業，氫能面臨制儲運加等環節核心技術欠缺和成本較高、標準體系不成熟、產業鏈和配套設施不完善等問題，需要從完善政策、明確標準、突破關鍵核心技術與重要設備材料自主創新研發、引導資本投入等方面不斷發力解決。
我國氫能產業概況
1、政策驅動效應凸顯，重點區域示范疊加央企入場加速推動氫能產業
“十三五”時期是氫能產業起步加速期，國家層面相繼出臺了多項戰略規劃與政策，包括《國家創新驅動發展戰略綱要》《“十三五”國家科技創新規劃》《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》等，明確了氫能產業的發展目標、路徑與保障舉措。2020年，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，以及《新時代的中國能源發展》白皮書等相繼發布，產業政策導向更精準、更強調發揮市場作用。此外，隨著國家燃料電池汽車示范城市群項目啟動，加之各省都在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中明確氫能發展建設，由此氫能產業發展將全面提速。
2017年以來，我國氫能已逐步建立起制儲運加用等重點環節較完整的產業鏈，初步具備了規模化發展的基礎。京津冀、長三角、珠三角、成渝、山東及環武漢等地區先發優勢明顯，示范帶動作用和對優勢企業的吸引力不斷增強，集聚效應初步顯現。我國能源中央企業紛紛布局氫能業務，依托自身技術基礎和資源優勢，積極創新發展模式，推動與地方政府及相關企業在氫能領域開展戰略合作，迅速成為我國氫能產業加快發展的重要力量。《中國氫能源及燃料電池產業白皮書2020》顯示，我國氫氣年產能約4100萬噸，產量約3342萬噸，是世界第一產氫國。
2、技術自主創新取得突破，進口替代成效顯著
氫氣制儲運加環節：制氫方面，我國大型煤制氫、天然氣制氫技術及裝備世界領先；堿性電解槽技術并跑國際先進水平；質子交換膜電解槽（PEM）技術進步較大，但仍跟跑國際先進水平；固體氧化物電解池（SOEC）技術處于實驗驗證階段。車載儲氫容器方面，我國三型瓶技術成熟并實現全國產化，四型瓶初步具備量產水平。儲運方面，我國仍以20MPa壓縮氫氣運輸為主，液氫、固態儲氫、50MPa壓縮氣體運輸技術及裝備取得顯著進步，但與國際一流水平差距明顯；98MPa固定儲氫容器和45MPa（含以上）固定儲氫瓶組性能指標基本達到國際先進水平。加氫站技術及裝備方面，45MPa隔膜式和液驅式氫氣壓縮機已具備產業化能力；90MPa氫氣壓縮機核心技術取得突破；加氫機整機開發實現國產化，但閥門、流量計等關鍵部件仍依賴進口。
燃料電池及零部件環節：關鍵材料方面，近幾年技術有所突破，但整體水平對比世界先進仍有較大差距，產品對外依賴度較大。質子交換膜和氣體擴散層（碳紙）技術水平顯著提升，但產業化仍有待突破；催化劑已實現量產，但仍跟跑國際先進水平。核心零部件方面，膜電極、空壓機、雙極板等國產化進展迅速，正在快速縮小與國際先進水平的差距，2020年成本同比降幅達30%以上；電堆與系統集成技術水平與國際并跑，并向高功率、高集成、低成本方向發展。氫氣循環泵總體處于跟跑狀態，但國內企業積極推動技術攻關，已取得一定進展。固體氧化物燃料電池（SOFC）方面，我國擁有全球最大的陶瓷電解質膜片供應商，5kW級SOFC電堆及系統已開發成功。
3、終端應用場景趨于豐富，推廣已具規模
交通運輸領域：城市公交和物流車仍是目前最主要的燃料電池終端產品，續航能力在300-500公里；國內已有企業陸續推出燃料電池乘用車、重卡、應急電源車等。燃料電池船舶方面，我國已推出擁有自主知識產權的船用燃料電池系統。我國逐漸探索出一條以商用車為主的中國特色燃料電池汽車推廣路徑。2016-2019年，我國燃料電池汽車產銷量穩步上升；2020年受疫情影響產銷量同比有所下降，前11個月產銷量分別為935輛和948輛。截至目前，我國燃料電池汽車保有量約7200輛，以中型貨車和大中型客車為主，累計運營里程接近1億公里；上海、深圳和佛山投放車輛均超過千輛。
冷熱電聯產領域：2021年上半年以來，國內對氫能在熱電聯產領域的探索，已經開始向示范應用階段邁進，東方電氣、高成綠能、鏵德氫能等多家公司都已成功交付了燃料電池熱電聯產示范項目。由東方電氣集團有限公司旗下全資子公司東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司自主研制的100kW級商用氫燃料電池冷熱電聯產系統，發電效率大于52%，熱電聯產總效率超過90%，支持離網并網、孤島運行和黑啟動，同時對外提供65℃熱水。
相比于此，國內更多公司均在進行小功率的熱電聯產嘗試。由浙江高成綠能科技有限公司（“高成綠能”）自主研發生產的20kW燃料電池熱電聯產系統成功交付到嘉興紅船基地“零碳”智慧園區。該系統是一種基于燃料電池開發的新型零排放熱電聯供電站系統，包含電解水制氫模塊、儲氫模塊、燃料電池發電模塊、余熱回收模塊、直流配電模塊和控制模塊，可大規模應用于儲能側，用作循環發電電源和調峰電源，并為用戶提供熱水或暖氣。
氫能產業鏈解析
氫能在全球能源轉型、實現碳中和過程中，承擔著不可替代的重要角色。從目前全球能源發展狀況看，未來化石能源、新能源及氫電二次能源互聯互動的格局，將成為一種長期狀態。以氫能為基礎發展的產業鏈，涵蓋以下幾方面。
上游產業：氫氣的生產與供應，涉及氫氣制取（包括化石燃料制取、工業副產、可再生能源電解水等）、氫氣儲運（包括儲氫瓶、管道運氫、液氫槽車等）、加氫站建造與運營。
中游產業：燃料電池及核心零部件，涉及燃料電池核心零部件（包括雙極板、膜電極、質子交換膜、氣體擴散層、催化劑等）、電堆、系統的研發、生產與銷售。
下游產業：燃料電池及氫氣的應用，主要涉及燃料電池新能源汽車、不間斷電源（UPS）、工業及建筑領域用氫等，以及貫穿其中的材料、設備及服務等內容。氫能產業鏈中，制氫技術、基礎設施如加氫站建設、燃料電池研發與制造，是氫能產業發展的基礎與核心。
氫能產業特征
從全球格局看：技術儲備方面，日本專利第一，是產業技術的掌握者。我國雖然基礎研究領跑，但是應用技術不足，產業鏈的核心掌控能力不強。全球主要國家的氫能戰略側重點各有不同，日韓重應用，歐洲推基建，我國以能源轉型、戰略性新興產業為核心，側重科技創新和下游應用的推動。
從國內發展階段看：政策方向已由燃料電池車購置補貼、下游市場，向基礎設施、關鍵零部件、運營服務等供給端傾斜，如氫能汽車的十城千輛示范行動，強調技術攻關區域合作和示范應用；發展基礎方面，作為世界最大產氫國、商用車最大應用地，裝備和儲氫材料的制造基礎雄厚，已經成立了產業創新聯盟，具備產業化加速基礎；區域布局方面，環渤海創新發力，重點做綠氫制備及關鍵零部件及技術研發，長三角領跑燃料電池車的研發和示范，珠三角加氫網絡建設最成熟、氫能和燃料電池示范顯著，川渝地區是可再生能源及電池電堆研發的重要地區，中部地區重點突破電池重要零部件及客車的大規模示范。
從市場前景看：供給方面，氫能在全球未來的能源供給體系中約占18%，在我國未來終端能源體系中占比達10%，氫能供給結構將從以化石能源的非低碳氫逐步過渡到以可再生能源為主的清潔氫；需求方面，我國規劃到2025年，燃料電池汽車保有量達到10萬輛；到2035年，燃料電池車將達到130萬輛，下游相關產品的市場也將打開。到2050年，氫氣需求量將接近6000萬噸，氫能在我國終端能源體系中占比超過10%；到2060年，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約20%。
氫能產業競爭格局
近幾年，全球氣候異常，促使實現碳中和成為全世界最緊迫的任務之一。歐盟、日本和韓國及其他110多個國家和地區，已承諾到2050年實現碳中和。我國承諾到2060年實現碳中和。
先進國家地區相繼更新氫能戰略。2020年7月，“歐盟氫戰略”出臺，計劃未來10年內向氫能產業投入5750億歐元。2020年12月，美國能源部發布《氫能項目計劃》，將協同所有能源部門致力于氫能全產業鏈的技術研發，并加大示范和部署力度，以期實現產業規模化，到2050年，美國本土氫能需求將增至4100萬噸/年，占未來能源消費總量的14%。2021年10月，韓國政府公布了旨在發展氫能產業的“氫能領先國家愿景”，爭取到2030年構建產能達100萬噸的清潔氫能生產體系，并將清潔氫能比重升至50%，主導全球氫能源市場；2050年達到500萬噸，并將氫氣自給率升至50%。
主要國家在氫能產業技術儲備上各有不同。在產業鏈上游制氫環節，日本和美國專利申請趨勢較接近，2000年后專利數量開始上升，2005年日本專利數量達到最高點，之后緩慢下降，近5年下降明顯，美國在2010年專利數量開始下降;我國制氫技術專利申請較晚，2005年以后才逐漸有所增長，2010年后突飛猛進，2016年后專利數量超過美日韓德4個國家之和;相比之下，德國和韓國制氫專利數量變化一直比較平穩，且數量偏少。在儲運氫技術方面，上述5個國家1980年以來的趨勢與制氫大致相同，日本在儲運氫技術上投入研發較早。在下游的主要應用質子交換膜燃料電池方面，日本自20世紀70年代開始申請專利，2000年后迅速增長，2004年達到最高點1480項，此后開始緩慢下降，其他4個國家在質子交換膜技術領域專利數量變化不大，我國近5年雖有所增長，但年度最大申請數量未超過500項。
我國氫能產業發展方向
在我國，圍繞氫能產業上下游重點環節，以及全產業鏈的核心技術突破與關鍵零部件的國產化替代，是未來產業布局的重要方向。
一是綠氫成為未來制氫重點。在技術進步、政策指引和行業企業社會責任意識的多重作用下，綠氫制備的固定和非固定成本均有望下降，使綠氫能趕超灰氫的經濟優勢。預計到2030年，我國綠氫市場規模將增長近30倍，綠氫的占比也將從2019年的1%提高到2030年的10%。綠氫的增長主要來自于交通領域，源于氫燃料電池車的大面積推廣使用，其次是工業領域和能源領域。
二是降成本、強性能、擴應用，成為產業與技術目標。通過加強基礎技術、應用研發，示范項目驗證，制定相關戰略規范標準，降低全產業鏈成本、消除行業發展壁壘、聚合多種氫能供應、挖掘氫能新應用、開發氫能綜合應用系統，是產業與技術未來主要方向。
三是“需求+資本”推拉成為產業技術加速發展的引擎，政府積極引導、包含大型央企在內的各類社會資本進入儲運加氫、燃料電池等高技術含量、資本密集的環節，將推動各項關鍵尖端技術的噴涌。
