【清華大學(xué)】2024年中國(guó)的氫能政策和技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議報(bào)告7757kb

11彭天鐸、李爽清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院中國(guó)的氫能政策和技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議目錄1.1.

氫能在中國(guó)能源系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)部門(mén)中的角色

34.

氫氣的儲(chǔ)存、輸送和分配

72.

中國(guó)政府氫能發(fā)展戰(zhàn)略和舉措

55.

氫 能 應(yīng) 用

93.

氫能生產(chǎn)

66.

未

來(lái)

政

策

關(guān)

注點(diǎn)

10彭天鐸

*、李

爽中國(guó)的氫能政策和技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

1清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院氫能是一種清潔、高效的優(yōu)質(zhì)能源載體，在交通、工業(yè)、建筑和發(fā)電等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。作為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳和減緩氣候變化的潛在重要解決方案，氫能有望在新一輪全球能源和工業(yè)革命中發(fā)揮重要作用。作為世界上最大的碳排放國(guó)和氫氣生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)一直致力于擴(kuò)大氫氣在未來(lái)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。中國(guó)擁有豐富的可再生能源資源和廣闊的清潔能源市場(chǎng)，在發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)方面具有巨大潛力，而氫能在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，氫能已成為中國(guó)公共政策討論的前沿領(lǐng)域，大量資源投入到氫能技術(shù)研究和市場(chǎng)應(yīng)用。氫能在中國(guó)能源系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)部門(mén)中的角色被視為實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑。中國(guó)氫能發(fā)展的最根本動(dòng)力是能源系統(tǒng)脫碳和減緩氣候變化。在加入《巴黎協(xié)定》后，中國(guó)于

2020

年更新了氣候目標(biāo)，即在

2030

年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在

2060

年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021

年底，中國(guó)進(jìn)一步發(fā)布了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的行動(dòng)計(jì)劃，新的政策方針規(guī)定，通過(guò)應(yīng)用清潔能源、電氣化、碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)等，加快各領(lǐng)域的脫碳進(jìn)程。氫氣作為可再生能源的優(yōu)質(zhì)載體，有望在能源密集型和高碳排放行業(yè)（如工業(yè)和重型貨運(yùn)等）的脫碳過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，否則這些行業(yè)很難實(shí)現(xiàn)深度脫碳。氫能和可再生能源的協(xié)同發(fā)展為解決能源安全問(wèn)題提供了可行方案。中國(guó)一直面臨著推動(dòng)低碳轉(zhuǎn)型和滿足能源需求增長(zhǎng)的雙重挑戰(zhàn)，到2030

年，一次能源消費(fèi)總量可能比

2020

年增加約

10

億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量

1。然而，能源供應(yīng)一直高度依賴化石燃料，超過(guò)

70%

的石油和

40%

的天1 能源基金會(huì)資助清華大學(xué)和哈佛大學(xué)共同開(kāi)展的“中美深度脫碳技術(shù)創(chuàng)新與政策比較研究”二期項(xiàng)目”（G-2203-33706）中美碳中和路徑研究聯(lián)合報(bào)告 3223然氣需要進(jìn)口。另一方面，中國(guó)擁有豐富的可再生能源稟賦。據(jù)估計(jì)，可再生能源（如水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能）的年可開(kāi)發(fā)量為

95.84

萬(wàn)億千瓦時(shí)，幾乎是

2020

年全國(guó)總用電量的

13

倍。為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)并減少對(duì)化石燃料進(jìn)口的依賴，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例必須在這十年內(nèi)大幅增加。雖然中國(guó)的可再生能源大多遠(yuǎn)離人口稠密的沿海地區(qū)，而且可再生能源發(fā)電因其不穩(wěn)定性而存在固有的間歇性問(wèn)題，但氫能作為一種易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)哪茉摧d體，可以有效消除能源在空間和時(shí)間上的供需錯(cuò)配，從而提高中國(guó)未來(lái)能源供應(yīng)的彈性。氫能發(fā)展可促進(jìn)中國(guó)正在進(jìn)行的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。從能源和化工生產(chǎn)到交通運(yùn)輸和鋼鐵制造全鏈條，氫能需求的增長(zhǎng)將使許多原材料和零部件供應(yīng)商、設(shè)備制造商和服務(wù)提供商等受益。中國(guó)氫能聯(lián)盟是全國(guó)最大的氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，根據(jù)該聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，到

2050

年，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的年總產(chǎn)值將達(dá)到

10

萬(wàn)億元人民幣（約合

1.58

萬(wàn)億美元）。因此，隨著化石燃料需求增長(zhǎng)的放緩和中國(guó)能源經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)型，氫能及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將通過(guò)創(chuàng)造全新的產(chǎn)業(yè)鏈，助力中國(guó)新的綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2. 中國(guó)政府氫能發(fā)展戰(zhàn)略和舉措2022

年初，中國(guó)發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035

年）》，提出了未來(lái)

15

年氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)。規(guī)劃明確了

2025

年的具體目標(biāo)，如實(shí)現(xiàn)綠色氫氣年產(chǎn)量

10-20

萬(wàn)噸，氫燃料電池汽車(chē)保有量達(dá)到

5

萬(wàn)輛，形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。近期內(nèi)，工業(yè)副產(chǎn)品和可再生能源生產(chǎn)的氫氣將成為終端應(yīng)用的主要供應(yīng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可再生能源生產(chǎn)的氫氣在總供應(yīng)量中的占比將大幅增加。氫氣的應(yīng)用將擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，包括運(yùn)輸、儲(chǔ)能、發(fā)電以及鋼鐵和化工行業(yè)?？梢钥闯觯袊?guó)政府對(duì)氫能的態(tài)度樂(lè)觀但謹(jǐn)慎，2035

年前關(guān)注氫能技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈的建立，并不盲目追求大規(guī)模應(yīng)用。地方政府在推動(dòng)氫能發(fā)展方面更加積極主動(dòng)。地方層面的政策制定并不完全與中央政府的節(jié)奏和目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，相對(duì)獨(dú)立，更加強(qiáng)調(diào)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)力。除了作為低碳轉(zhuǎn)型的重要組成部分，地方政府還將氫能視為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要抓手。截至

2021

年底，中國(guó)半數(shù)以上的省份和

30

多個(gè)直轄市已經(jīng)發(fā)布了支持氫能發(fā)展的具體規(guī)劃。氫能發(fā)展政策仍面臨挑戰(zhàn)。一方面，隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫能的長(zhǎng)期發(fā)展路徑仍需不斷優(yōu)化和完善，以最大限度地降低產(chǎn)業(yè)和投資者面臨的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。另一方面，現(xiàn)有的市場(chǎng)資源和政策，尤其是地方政府層面，過(guò)多地集中在氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用上，而對(duì)其他領(lǐng)域的關(guān)注度較低。在這方面，中國(guó)需要采取更加全面和協(xié)調(diào)的方法來(lái)制定和實(shí)施氫能政策，以挖掘氫能在其他領(lǐng)域的潛力，并在各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)氫能應(yīng)用的均衡發(fā)展。中美碳中和路徑研究聯(lián)合報(bào)告 54453. 氫能生產(chǎn)中國(guó)是目前世界上最大的氫氣生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)近年來(lái)年產(chǎn)量超過(guò)

3000

萬(wàn)噸，約占全球氫氣產(chǎn)量的三分之一。然而，中國(guó)的氫氣產(chǎn)量主要來(lái)自化石燃料，并作為工業(yè)原料消費(fèi)，而清潔能源制氫的規(guī)模很小。中國(guó)近

70%

的氫氣來(lái)自煤炭、天然氣和石油，約

30%

的氫氣來(lái)自工業(yè)副產(chǎn)物，而電解水的氫氣產(chǎn)量不足

1%。中國(guó)目前以化石燃料為基礎(chǔ)的氫氣供應(yīng)鏈由于生產(chǎn)成本低且適合市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將在未來(lái)轉(zhuǎn)型的早期階段保持其主要地位。中國(guó)擁有豐富的煤炭資源，煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大，產(chǎn)能分布廣泛，煤制氫年產(chǎn)量可觀。相比之下，盡管以天然氣為原料的蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化（SMR）制氫技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛應(yīng)用，但由于多種原因，以天然氣為原料制氫在中國(guó)并不具有成本效益。這些原因包括天然氣供應(yīng)有限、硫含量高以及天然氣價(jià)格對(duì)制氫成本的巨大影響。因此，用

SMR

制氫只有在天然氣資源豐富的地區(qū)才具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。氫氣生產(chǎn)極可能直接從灰氫跨至綠氫。雖然中國(guó)現(xiàn)有的氫氣生產(chǎn)能力足以滿足目前的國(guó)內(nèi)需求，但根據(jù)規(guī)劃，未來(lái)的氫氣供應(yīng)，特別是增量部分，將更多地向可再生能源過(guò)渡，繞過(guò)所謂的“藍(lán)氫”，即利用煤炭、天然氣生產(chǎn)氫氣并將排放的二氧化碳捕集并儲(chǔ)存在地下。這背后的主要原因是中國(guó)

CCUS

應(yīng)用的高成本和天然氣資源高對(duì)外依賴。例如，如果采用CCUS

技術(shù)，利用煤氣化制氫的總成本將高出

1.5

倍至

2

倍。另一個(gè)重要的決定因素是中國(guó)計(jì)劃從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度轉(zhuǎn)向以可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)，這就抑制了使用化石燃料制氫。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，利用可再生能源進(jìn)行水電解制氫前景廣闊，將在氫氣供應(yīng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。目前，電解水制氫有堿性水解、質(zhì)子交換膜（PEM）電解和高溫電解三種技術(shù)，成熟度各不相同。未來(lái)電解制氫在中國(guó)將具有成本效益。太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等可再生能源的年發(fā)電量總潛力為

95.84

萬(wàn)億千瓦時(shí)，利用可再生能源總產(chǎn)量的

15%，電解制氫可以生產(chǎn)

1

億噸氫氣，完全可以滿足終端需求。其他技術(shù)，如結(jié)合

CCS的煤制氫技術(shù)、生物制氫技術(shù)和光催化技術(shù)將可能成為水電解制氫的有效補(bǔ)充。4. 氫氣的儲(chǔ)存、輸送和分配中國(guó)目前最常見(jiàn)的短途氫氣運(yùn)輸方式是使用壓力為

20

MPa

的管式拖車(chē)。對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，使用儲(chǔ)氫壓力更高的液體罐車(chē)和氫氣管道更為經(jīng)濟(jì)。然而，由于技術(shù)限制，50

MPa

壓力的公路運(yùn)輸目前還很少見(jiàn)，低溫液氫罐車(chē)的應(yīng)用也非常有限?，F(xiàn)有的氫氣管道長(zhǎng)度（主要是煉油廠的專(zhuān)用管道）遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于歐洲和美國(guó)。這主要是由于初始投資高、復(fù)合材料價(jià)格高昂且依賴進(jìn)口以及應(yīng)用場(chǎng)景不足。近年來(lái)，中國(guó)許多城市都在嘗試將氫氣摻混到天然氣中，通過(guò)現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送氫氣。混合氣的一種應(yīng)用是直接用作廚房爐灶和內(nèi)燃機(jī)的燃料氣。例如，北方的張家口市已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，探索向城市燃?xì)夤芫W(wǎng)注入

400

萬(wàn)立方米氫氣的可能性，將混合氣體用于烹飪，并作為氫氣加壓縮天然氣（HCNG）汽車(chē)的燃料。另一個(gè)潛在的應(yīng)用是將氫氣從運(yùn)輸?shù)幕旌蠚怏w中分離和提純，并將其重新用于燃料電池或發(fā)電機(jī)。然而，由于高技術(shù)壁壘和高成本，這種情況目前在中國(guó)并不多見(jiàn)。為了今后的大規(guī)模應(yīng)用，有必要建設(shè)專(zhuān)門(mén)的長(zhǎng)距離氫氣管道。由于氫氣對(duì)管道材料的影響，可能會(huì)導(dǎo)致管道開(kāi)裂和泄漏，氫氣在天然氣中的摻入量也有一定的限制。此外，目前從天然氣中分離氫氣的成本很高，但是效率很低。最近，位于河北省的一個(gè)新的氫氣輸送網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)。該管道全長(zhǎng)

145

公里，比中國(guó)現(xiàn)有的任何一條氫氣管道都長(zhǎng)，將主要用于京津冀地區(qū)氫氣的南北輸送。與此同時(shí)，中國(guó)的油氣管網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始聯(lián)合企業(yè)、學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)和氫能產(chǎn)業(yè)鏈上的其他主要利益相關(guān)方，共同推動(dòng)新的氫能傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并解決潛在的技術(shù)難題。中美碳中和路徑研究聯(lián)合報(bào)告 7667中國(guó)已建成全球最大規(guī)模的加氫站網(wǎng)絡(luò)。由于高壓儲(chǔ)氫成本高昂且并不普及，大多數(shù)加氫站在

35

MPa

壓力下運(yùn)行。絕大多數(shù)現(xiàn)有加氫站依靠外部氫氣供應(yīng)，只有少數(shù)加氫站具備現(xiàn)場(chǎng)制氫能力。例如，大連市的一座加氫站能夠利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)氫氣。另一座位于華南佛山市的加氫站可同時(shí)利用天然氣和電解水制氫，制氫能力分別為

500

Nm3/h

和

50Nm3/h，其中電解水制氫由屋頂太陽(yáng)能系統(tǒng)供電。新型混合加氫站的發(fā)展在未來(lái)幾年可能會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。未來(lái)加氣基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的一個(gè)潛在趨勢(shì)是越來(lái)越多地部署汽油-

氫氣多燃料補(bǔ)能站。例如，2019

年新建的加氫站中有

17.9%

為多燃料加氫站，2020

年這一比例增至約

50%。中國(guó)石油化工集團(tuán)公司是中國(guó)最大的加油站的所有者和運(yùn)營(yíng)商，該公司已表示打算在未來(lái)將其許多加油站改造和轉(zhuǎn)換為油氫多燃料站。5. 氫能應(yīng)用交通運(yùn)輸行業(yè)是中國(guó)氫氣新需求的最大驅(qū)動(dòng)力。自

2015年以來(lái)，燃料電池汽車(chē)（FCV）的銷(xiāo)量逐年快速增長(zhǎng)。與其他大多數(shù)國(guó)家將氫能應(yīng)用重點(diǎn)放在乘用車(chē)領(lǐng)域不同，中國(guó)

FCV

的發(fā)展過(guò)程中優(yōu)先考慮商業(yè)應(yīng)用，氫能卡車(chē)、客車(chē)等商用

FCV

已占據(jù)現(xiàn)有銷(xiāo)量的主導(dǎo)地位，累計(jì)銷(xiāo)量超過(guò)

1

萬(wàn)輛。目前，中國(guó)約有

17

個(gè)省份開(kāi)展了

FCV

商業(yè)化示范，多個(gè)地區(qū)（如廣東、上海）氫燃料電池汽車(chē)保有量超過(guò)千輛。氫氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用還不具備成本競(jìng)爭(zhēng)力。氫氣應(yīng)用的總體市場(chǎng)需求仍然較小，氫氣的供應(yīng)、使用和分配在不同地區(qū)存在很大差異。需要為產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)（如生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)龋╅_(kāi)發(fā)更成熟的商業(yè)模式，以降低高昂的成本。例如，目前中國(guó)

42

噸氫動(dòng)力重型卡車(chē)的購(gòu)車(chē)成本和燃料成本分別比柴油動(dòng)力卡車(chē)高

230%

和

100%。因此，整體來(lái)看購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)營(yíng)一輛氫能重型卡車(chē)的總成本比普通內(nèi)燃機(jī)卡車(chē)高出約

150%。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、氫氣供應(yīng)鏈效率的提高以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使用成本有望大幅下降。清華大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，氫燃料電池系統(tǒng)的成本在未來(lái)十年內(nèi)可能會(huì)降低約

80%。中國(guó)石油集團(tuán)的一項(xiàng)研究認(rèn)為，氫動(dòng)力重型卡車(chē)的成本可能在

2030

年前與柴油動(dòng)力卡車(chē)持平。除

FCV

外，中國(guó)還有許多正在進(jìn)行的氫能示范應(yīng)用，這些應(yīng)用在未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，如燃料電池有軌電車(chē)、燃料電池叉車(chē)、內(nèi)河航運(yùn)、航空、鋼鐵生產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）、發(fā)電和儲(chǔ)能以及可再生甲醇。6. 未來(lái)政策關(guān)注點(diǎn)缺乏關(guān)鍵技術(shù)。先進(jìn)的氫燃料電池技術(shù)是制約中國(guó)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前的工業(yè)制氫方法，如

SMR

和

CG，無(wú)法滿足環(huán)保要求，而利用可再生能源電解水制氫將是中長(zhǎng)期的發(fā)展方向。因此，燃料電池相關(guān)技術(shù)將是推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的重中之重。目前，中國(guó)的催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙等關(guān)鍵材料仍依賴進(jìn)口，膜加濕器、雙極板、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等材料的生產(chǎn)也落后于領(lǐng)先國(guó)家。成本競(jìng)爭(zhēng)力。氫能發(fā)展路徑的確定需要綜合考慮氫燃料電池技術(shù)成熟度、氫氣來(lái)源、經(jīng)濟(jì)性和減排效果。目前制氫技術(shù)的平準(zhǔn)化成本大致在15.34-59.27

元

/kg

之間，主要體現(xiàn)在以煤炭、天然氣為代表的傳統(tǒng)化石能源制氫路線成本較低，而各種新型可再生能源電解水制氫成本較高。學(xué)習(xí)曲線是影響未來(lái)制氫平準(zhǔn)化成本的關(guān)鍵因素，隨著制氫技術(shù)水平的提高，每千克氫能的平準(zhǔn)化成本將逐步降低。在不考慮碳價(jià)的情況下，到

2040年，各種技術(shù)的平準(zhǔn)化制氫成本差距將縮小，各種可再生能源的平準(zhǔn)化制氫成本將大幅降低，約為

15-21

元

/

千克，到

2060

年，將進(jìn)一步降低到13-19

元

/

千克左右。與傳統(tǒng)化石能源路線相比，水電、風(fēng)電和光伏電解水制氫的平準(zhǔn)化成本明顯降低。中美碳中和路徑研究聯(lián)合報(bào)告 9889氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃。展望未來(lái)，基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃至關(guān)重要，但仍存在不確定性。由于綠色氫氣成本高，最初的應(yīng)用可能從灰色氫氣開(kāi)始。不同氫氣供應(yīng)路徑的能源系統(tǒng)特點(diǎn)明顯不同，應(yīng)注意和預(yù)防路徑單一化所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。在藍(lán)氫路徑下，制氫裝機(jī)容量更集中，儲(chǔ)氫能力更大。如果初期大規(guī)模發(fā)展藍(lán)氫，逐步向綠氫過(guò)渡，可能面臨基礎(chǔ)設(shè)施銜接不匹配、資產(chǎn)擱置、氫氣供應(yīng)不穩(wěn)定等風(fēng)險(xiǎn)。氫氣泄露。盡管氫氣在使用時(shí)不會(huì)排放二氧化碳，但其本身也是一種間接溫室氣體。氫氣對(duì)紅外輻射的吸收能力不強(qiáng)，因此不會(huì)直接成為溫室氣體。然而，它與地