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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(duì)綠氫產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)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(chǔ)運(yùn)和下游綠氫應(yīng)用。綠氫制取不同于灰氫、藍(lán)氫、廢氫制取，它在技術(shù)、成本、市場(chǎng)等方面有其自身的特點(diǎn)。
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(guó)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(guó)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(diǎn)，可以滿足高純度的氫氣需求。但缺點(diǎn)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(jià)的影響很大，電價(jià)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(shí)在我國(guó)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(chǔ)存，棄風(fēng)棄光會(huì)造成能源的浪費(fèi)。因此，未來我國(guó)采用可再生能源進(jìn)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(guó)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(shí)驗(yàn)室研發(fā)狀態(tài)。
三類電解水技術(shù)對(duì)比
根據(jù)《能源情報(bào)》信息，目前堿水電解制氫在國(guó)內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化，我國(guó)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(guó)內(nèi)單臺(tái)最大產(chǎn)氣量為1000立方米/小時(shí)。質(zhì)子交換膜水電解盡管流程簡(jiǎn)單，但采用貴金屬電催化劑，成本偏高，國(guó)內(nèi)單臺(tái)最大氣量為50立方米/小時(shí)；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(jìn)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(diǎn)，因而效率可達(dá)100%。
在上游綠氫制取市場(chǎng)，重點(diǎn)企業(yè)有上海電力、節(jié)能風(fēng)電、陽(yáng)光電源、吉林電力、新天綠色能源、金鳳科技等。
中游綠氫儲(chǔ)運(yùn)：高壓氫罐接近全球領(lǐng)先水平
2.1氫儲(chǔ)存
氫的儲(chǔ)存方式主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。氫的儲(chǔ)運(yùn)高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)。氫儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)氫，就是將氫氣壓縮到耐高壓容器中。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前主要的儲(chǔ)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(chǔ)氫具有成本低、能耗低、充放速度快的特點(diǎn)，但儲(chǔ)氫量較小，只適應(yīng)小規(guī)模、短距離的運(yùn)輸場(chǎng)景。目前，美國(guó)、加拿大、日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)70Mpa高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶量產(chǎn)。我國(guó)燃料電池車載主流儲(chǔ)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(guó)內(nèi)在車用儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域領(lǐng)先的企業(yè)有中材科技、沈陽(yáng)斯林達(dá)和京城股份等。
液態(tài)儲(chǔ)氫，可分為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將冷卻至-253℃的液化氫氣儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐中，儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單，儲(chǔ)存密度大，但存在液化和運(yùn)輸過程中能耗大的缺點(diǎn)。有機(jī)液體儲(chǔ)氫是利用某些不飽和有機(jī)物與氫氣進(jìn)行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存。有機(jī)液體儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)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(guó)外70%左右的氫氣采用低溫液氫運(yùn)輸，美國(guó)壟斷了全球約85%的低溫液氫生產(chǎn)和應(yīng)用，國(guó)際液氫有兩大巨頭：美國(guó)的AP和PRAX。國(guó)內(nèi)目前有低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)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(guó)低溫液氫生產(chǎn)成本高達(dá)500元/kg，是美國(guó)的20倍以上。國(guó)內(nèi)低溫液態(tài)氫主要作為航天火箭推進(jìn)器燃料。武漢氫陽(yáng)是國(guó)內(nèi)做有機(jī)液體儲(chǔ)氫的領(lǐng)先企業(yè)，其開發(fā)的常溫常壓下液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫(LOHC)技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。武漢氫陽(yáng)第一批儲(chǔ)氫工程于2019年3月正式投產(chǎn)。
固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì)；但主流金屬儲(chǔ)氫材料重量?jī)?chǔ)氫率仍低于3.8wt%。固態(tài)儲(chǔ)氫適合于對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合，如在燃料電池汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。國(guó)外固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫中得到示范應(yīng)用；國(guó)內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫已在分布式發(fā)電中得到示范應(yīng)用。國(guó)內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫代表企業(yè)主要有稀土儲(chǔ)氫材料的北京浩云金能、廈門鎢業(yè)和鎂基儲(chǔ)氫材料的鎂源動(dòng)力、鎂格氫動(dòng)等。
從儲(chǔ)氫成本來看，短中期高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍是當(dāng)下儲(chǔ)氫方式的主流；但長(zhǎng)期來看，待技術(shù)突破及產(chǎn)能擴(kuò)大后，低溫液化儲(chǔ)氫與金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫是最有發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)氫方式。
2.2氫輸運(yùn)
氫的輸運(yùn)方式，按輸運(yùn)對(duì)象來分，可分為氣態(tài)輸運(yùn)、液態(tài)輸運(yùn)和固體輸運(yùn)三種；按輸運(yùn)方式來分，主要分為長(zhǎng)管拖車、管道運(yùn)輸、槽罐車運(yùn)輸三種。
高壓氣態(tài)輸運(yùn)主要采用長(zhǎng)管拖車、管道運(yùn)輸二種方式。高壓長(zhǎng)管拖車是氫氣近距離輸運(yùn)的重要方式，技術(shù)較為成熟；國(guó)內(nèi)通常用20MPa長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，國(guó)外則采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫。管道輸運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)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(guó)擁有2600公里以上的氫氣管道，而我國(guó)僅有約400公里的輸氫管道。
液氫輸運(yùn)通常適用于距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的場(chǎng)合。液氫運(yùn)輸對(duì)液化的設(shè)備要求高，投資大、能耗高；但采用液氫儲(chǔ)運(yùn)能夠減少車輛運(yùn)輸頻次，提高加氫站供應(yīng)能力。國(guó)外液氫應(yīng)用廣泛，日本、美國(guó)已將液氫罐車作為加氫站重要的運(yùn)輸方式之一，如日本的液氫還可以利用鐵路和輪船進(jìn)行長(zhǎng)距離或跨洲際輸送。。國(guó)內(nèi)液氫運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式是槽罐車運(yùn)輸，且只有航天領(lǐng)域存在液氫運(yùn)輸。
固體輸運(yùn)，可采用特定的貨車運(yùn)輸。輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料，具有高的體積儲(chǔ)氫密度和重量?jī)?chǔ)氫率，作為儲(chǔ)氫裝置具有較大潛力。低壓高密度固態(tài)儲(chǔ)罐僅作為隨車輸氫容器使用，可以提高單車運(yùn)氫量和運(yùn)氫安全性。
氫不同輸運(yùn)方式的技術(shù)比較
根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》提供的信息，目前我國(guó)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(chǔ)運(yùn)以高壓氣態(tài)方式為主。氫能市場(chǎng)滲入前期，氫的輸運(yùn)將以45MPa長(zhǎng)管拖車、低溫液氫、管道（示范）輸運(yùn)等方式，因地制宜，協(xié)同發(fā)展。
從成本方面來看，管道運(yùn)輸成本最低，但管道運(yùn)輸容易受到需求面的影響。因此在氫能發(fā)展初期，管道運(yùn)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(zhǎng)管拖車適合運(yùn)輸至距離較短的加氫站；由于目前燃料電池市場(chǎng)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(zhǎng)管拖車運(yùn)氫仍是短期的主要運(yùn)氫方式。液氫槽罐車適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸，目前受制于成本和能耗問題，它還處于導(dǎo)入期；但長(zhǎng)期來看，液氫槽罐車將會(huì)是取代長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的主要運(yùn)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(duì)于中國(guó)戰(zhàn)略意義深遠(yuǎn)。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(chǎng)。
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(jī)增壓的氫氣存儲(chǔ)于高壓儲(chǔ)氫罐，再通過氫氣加注機(jī)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(guó)內(nèi)氫氣按照危險(xiǎn)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(zhǎng)管拖車、管道輸送氫氣、液氫運(yùn)輸后，在站內(nèi)進(jìn)行加壓、存儲(chǔ)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(chǔ)氣系統(tǒng)、售氣加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)六個(gè)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(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和氫氣加注機(jī)。在不計(jì)土地費(fèi)用的前提下，我國(guó)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(dá)77%，而最重要的氫氣壓縮機(jī)和氫氣加注機(jī)分別占32%和14%。
目前我國(guó)加氫站所采用的氫氣壓縮機(jī)仍需外購(gòu)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有壓縮機(jī)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(jī)。國(guó)外氫氣壓縮機(jī)龍頭有美國(guó)PDC、英國(guó)豪頓、德國(guó)Andreas Hofer等；國(guó)內(nèi)氫氣壓縮機(jī)龍頭企業(yè)主要有北京中鼎恒盛、北京天高、江蘇恒久機(jī)械以及京城股份等。
加氫機(jī)目前仍然依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)70MPa加氫機(jī)處于試驗(yàn)階段，與國(guó)外商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的70MPa加氫機(jī)指標(biāo)差距較大。國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)主要有德國(guó)林德氣體、美國(guó)空氣化工等。國(guó)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(guó)將建成 100 座加氫站，日本建成 160 座加氫站，韓國(guó)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(guó)累計(jì)建成88座加氫站，較去年年底新增27座。其中已投入運(yùn)營(yíng)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(guó)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(jì)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(yíng)站6座，是國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的領(lǐng)頭企業(yè)。參與運(yùn)營(yíng)的企業(yè)有億華通、上海舜華、宇通、國(guó)鴻氫能、大洋電機(jī)、上海重塑等。我國(guó)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(shí)現(xiàn)氫能的移動(dòng)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(kuò)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(diǎn)是工作溫度低、啟動(dòng)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(guó)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(diǎn)，但存在高溫條件下液體電解質(zhì)較難管理，長(zhǎng)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(jī)車等熱電聯(lián)供場(chǎng)景。固體氧化物燃料電池燃料的優(yōu)點(diǎn)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(guó)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(guó)燃料電池技術(shù)取得了一定的進(jìn)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(guó)等國(guó)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(guó)尚處實(shí)驗(yàn)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(guó)、日本制造；氣體擴(kuò)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(guó)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(jìn)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(chǎng)景。目前，日本豐田和韓國(guó)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(guó)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?jì)銷量最高的三家車企。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(kù)》統(tǒng)計(jì)顯示，2020年我國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)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(jì)裝機(jī)量約為71.7MW，同比增長(zhǎng)46%；在專用車上的合計(jì)裝機(jī)量約為7.5MW，同比下降90%。從裝機(jī)量排名來看，2020年氫燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量排名前五的企業(yè)分別為愛德曼、億華通、國(guó)鴻重塑、探索汽車、濰柴動(dòng)力，前五家企業(yè)裝機(jī)量占2020年中國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量的69%。
2020年我國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量TOP5
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