氢能产业研究：氢能，碳中和时代的零碳能源

（报告出品方/作者：平安证券，樊金璐、李军）

核心观点：

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择：氢能已经成为应对气候变 化、建设脱碳社会的重要能源。欧、美、日、韩等发达国家纷纷制定氢能 路线图，加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。氢能产业已成为我国 能源战略布局的重要组成。2019 年氢燃料电池产业相关投资及规划资金 1805 亿元。尽管受到疫情影响，2020 年氢能投资金额仍有 1600 亿元， 市场对于氢能产业依旧充满信心。

我国氢气生产以西北、华北为主，主要来自化石能源：2020 年我国氢能 产量和消费量均已突破 2500 万吨，已成为世界第一大制氢大国。从区域 分布看，氢能生产主要产生在西北和华北地区，产量超过 400 万吨的省份 有内蒙和山东，产量超过 300 万吨的省份有新疆、陕西和山西。氢能源按 生产来源划分，可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”三类。目前，我国氢气主 要来自灰氢。未来与大规模光伏发电或风力发电配套的电解水制绿氢将成 为发展趋势。

副产气制氢在技术经济环境方面具有显著优势：氢气生产方式较多，有氯 碱副产气、干气、焦炉煤气、乙烷裂解副产气、甲烷、煤炭、天然气、电 解水等多种制氢方式。其中，副产气制氢在能源效率、污染排放、碳排放、 成本方面占据优势。比如丙烷脱氢成本约 13 元/kg，水电解制氢成本约 30 元/kg。各地区发展氢能产业链时，应充分结合区域能源结构，优先使用副 产氢气和富余能源进行利用。

氢能冶金领域处于研究示范阶段：我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总 量的 15%左右，面临较大的碳减排压力。从生产工艺来看，钢铁行业碳排 放主要来自焦炭。国内外钢铁企业均有尝试使用氢气替代焦炭冶炼，按照 2020 年生产 10.5 亿吨粗钢，估算需要 3.5 万亿 kWh 电生产氢气，大约占 2020 年电力生产的 47%。 氢能用于交通领域进入推广应用阶段：我国燃料电池汽车已进入商业化初 期，截止 2020 年底，我国燃料电池汽车保有量 7352 辆。预计 2050 年氢 能在中国终端能源体系中占比至少达到 10%，交通运输领域用氢 2458 万 吨，约占该领域用能比例 19%，燃料电池车产量达到 520 万辆/年。

一、氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择

氢能（氢的能源利用）受到全球广泛关注，成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向。欧、 美、日、韩等发达国家纷纷制定氢能路线图，加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。

当前，我国氢气生产利用主要在以石化化工行业为主的工业领域，以“原料”利用为主，“燃料”利用为 辅。我国发展氢能具有良好基础，也面临诸多挑战。绿氢供应、氢储运路径和基础设施建设、氢燃 料电池核心技术装备、氢燃料电池汽车技术装备等均待逐一攻破，必须实事求是、客观冷静、积极 创新，争取少走弯路，开创氢能技术突破和产业化新局面。

氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。2020年，氢能被纳入《能源法》（征求意见稿）。2021 年，氢能列入《国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》未来产业布局。

氢能产业发展初期，依托现有氢气产能、就近提供便捷廉价氢源，支持氢能中下游产业发展，降低 氢能产业起步难度，具有积极的现实意义。绿氢在“碳中和”中可以用在绿电无法发挥作用的领域实现 互补，如氢冶金、化工、重卡交通燃料、供热等。面向未来，当绿氢成为稳定足量的低价氢源时， 绿氢促进工业脱碳将更好地发挥氢能价值。

疫情未改变氢能产业投资积极局面。根据公开信息初步统计，2019年氢燃料电池产业相关投资及规 划资金 1805亿元。尽管受到疫情影响，2020年氢能产业整体发展速度有所放缓，但在投资方面， 投资金额 1600 亿元，仅有 11%左右的降幅，显示了市场对于氢能产业依旧充满信心。

二、当前中国氢气生产分布和来源

2.1 氢能分布在西部

2019 年以来，国家、各级地方政府对氢能产业发展高度重视，陆续出台了多项规划和发展目标，众 多企业和科研机构纷纷开展技术攻关。中国煤炭加工利用协会统计，2020年我国氢能产量和消费量 均已突破 2500 万吨，已成为世界第一大制氢大国。

从区域分布看，氢能生产主要产生在西北和华北地区，根据 2019 年数据，产量超过 400 万吨的省 份有内蒙和山东，产量超过 300万吨的省份有新疆、陕西和山西，产量超过 200万吨的省份有宁夏、 河南和河北，产量超过 100 万吨的省份有江苏、安徽、四川、辽宁和湖北。

2.2 氢气来源仍然以化石燃料为主

氢能源按生产来源划分，可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”三类。“灰氢”是指利用化石燃料石油、天然 气和煤制取氢气，制氢成本较低但碳排放量大；“蓝氢”是指使用化石燃料制氢的同时，配合碳捕捉和 碳封存技术，碳排放强度相对较低但捕集成本较高；“绿氢”是利用风电、水电、太阳能、核电等可再 生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，但成本较高。目前，我国氢气主要来自灰氢。

从来源看，我国的氢源结构目前仍是以煤为主，来自煤制氢的氢气占比约 62%、天然气制氢占 19%， 电解水制氢仅占 1%，工业副产占 18%。就消费情况看，目前的氢能基本全部用于工业领域，其中， 生产合成氨用氢占比为 37%、甲醇用氢占比为 19%、炼油用氢占比为 10%、直接燃烧占比为 15%、 其他领域占比为 19%。

（1）以煤为原料制氢

煤制氢的本质是以煤中碳取代水中的氢，最终生成氢气和二氧化碳。这里，碳起到还原作用并为置 换反应提供热。 以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：

一是煤的焦化（或称高温干馏），煤在隔绝空气条件下，在 900-1000℃制取焦炭，副产品为焦炉煤 气。焦炉煤气组份中含氢气 55%-60%(体积）、甲烷 23%-27%、一氧化碳 5%-8%等。每吨煤可得煤 气 300-350m3，作为城市煤气，亦是制取氢气的原料。

二是煤的气化，使煤在高温常压或加压下，与水蒸汽或氧气（空气）等反应转化成气体产物。气体 产物中氢气的含量随不同气化方法而异。

（2）天然气制氢

天然气的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氢。和煤制氢相比，用天然气制氢产量高、加工成本 较低，排放的温室气体少，因此天然气成为国外制造氢气的主要原料。其中天然气蒸汽转化是较普 遍的制造氢气方法。

（3）重油部分氧化制造氢气

重油是炼油过程中的残余物，可用来制造氢气。重油部分氧化过程中碳氢化合物与氧气、水蒸气反 应生成氢气和二氧化碳。该过程在一定的压力下进行，可以采用催化剂，这取决于所选原料与过程。

（4）水电解制造氢气

水电解制得的氢气纯度高，操作简便，但需耗电。水电解制氢的效率一般在 75%-85%，一般生产 1m3氢气和 0.5m3氧气的电耗为 4-5kWh。根据热力学原理，电解水制得 1m3氢气和 0.5m3氧气的最 低电耗要 2.95 度电。 根据石油和化学工业规划院统计，我国电解水制氢装置约 1500-2000套，产量约 10-20万吨。与大 规模光伏发电或风力发电配套的电解水制氢装置正在进行小规模示范。

（5）生物质制造氢气

家庭、农业、林业等产生的生物质可用于生产氢气。原料包括杨树、柳树和柳枝，以及来自厌氧消 化或垃圾填埋所产生的沼气等。生物质可以使用成熟的技术进行气化，甚至在气化过程中与煤或废 塑料共同反应，如果与碳捕获技术结合，就有可能生产出负碳氢。沼气有额外的净化要求，可以通 过类似于蒸汽甲烷重整（SMR）的过程进行改造以产生氢气。

（6）工业副产氢气净化

焦炉气、氯碱、丙烷脱氢制丙烯和乙烷裂解制烯烃副产的粗氢气可以经过脱硫、变压吸附和深冷分 离等精制工序后作为燃料电池车用氢源，成本远低于化工燃料制氢、甲醇重整制氢和水电解制氢等 路线。

三、不同技术制氢的技术经济环境性分析

氢气生产方式较多，氯碱副产气、干气、焦炉煤气、乙烷裂解副产气、甲烷、煤炭、天然气、电解 水等多种制氢方式。其中，氯碱副产气、干气、焦炉煤气、乙烷裂解副产气等副产气制氢在能源效 率、污染排放、碳排放、成本方面占据优势。各地区发展氢能产业链时，应充分结合区域能源结构， 优先使用副产氢气和富余能源进行利用。

从能源效率来看，氯碱副产气制氢、干气制氢、焦炉煤气提取制氢能源效率均在 80%以上，天然气 制氢、乙烷裂解副产气制氢、PDH副产气制氢、甲醇制氢、焦炉煤气转化制氢能源效率 60%-80%， 煤制氢能源效率在 50%-60%，电解水制氢能源效率在 50%以下。

从污染物排放来看，排污强度由小到大分别为：电解水制氢<天然气制氢~甲醇制氢~副产气制氢<煤 制氢。 从碳排放来看，副产气制氢<天然气制氢<干气制氢<甲醇制氢<煤制氢电解<电解水制氢（基于现有 电网电力结构），如果考虑清洁能源（光伏、风电、水电等），清洁能源电解水碳排放接近为零。

从成本来看，制氢成本与原料价格关系最大，控制氢能价格需要控制原料价格；根据设定的价格范 围，从平均成本看，焦炉煤气制氢<煤制氢<其他副产气制氢<甲醇制氢<天然气制氢<水电解制氢。 因地制宜，选择合适原料制氢，氢气出厂价格可低于 15 元/kg，可与煤制氢成本相当。

四、氢能冶金领域处于研究示范阶段

根据中国经济导报于 2020 年 10 月 14 日发表的《钢铁行业是落实碳减排目标的重要责任主体》一 文中相关专家提供的数据，我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的 15%左右，是国内碳排放量 最高的制造业行业。

从生产工艺来看，钢铁行业碳排放主要在于长流程生产工艺是以煤炭为能源、焦炭为还原剂来进行 辅助冶炼，而煤炭和焦炭是钢铁行业产生二氧化碳排放的主要来源。钢企需要从碳输入层面减少钢 铁生产过程中的碳使用量（甚至不用碳），在这方面，瑞典钢铁 HYBRIT 项目、SALCOS 项目和 H2FUTURE 项目等都是有益的探索。宝钢、河钢、酒钢等国内钢铁企业也在开展氢能冶金的研究和 示范项目。从现有数据看，2020年我国钢铁行业用煤 7.3亿吨，如果完全被氢气替代，将产生大量 氢能需求。根据瑞典 HYBRIT项目估算，450万吨/年钢铁产能需要 150亿 kWh电制氢，按照 2020 年生产 10.5 亿吨粗钢，需要 3.5 万亿 kWh 电，大约占 2020 年电力生产的 47%。

五、氢能用于交通领域进入推广应用阶段

5.1 氢能+燃料电池产业链市场前景广阔

（1）氢燃料电池产业链

氢燃料电池产业链包括：制氢、储运氢、加氢站、燃料电池系统、燃料电池各项应用。其中储运氢 技术主要包括气态储运、低温液态储运、固体储运、有机液态储运。

（2）国家和地方均出台氢燃料汽车政策支持产业发展

《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》指出，要有序推进氢燃料电池供给体系建设，包括提 高氢燃料制储运经济性和推进加氢基础设施建设。此外，要建设智能基础设施服务平台，统筹加氢 技术和接口、车用储氢装置。

示范应用推动行业快速发展。2020年 9月五部委下发了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》， 指出示范期暂定为四年，示范期间，五部门将采取“以奖代补”方式，对入围示范的城市群按照其目标 完成情况给予奖励。随着国家及地方产业政策的逐步实施、我国氢燃料电池核心技术的逐步突破积 累、相关配套产业的逐步完善，氢燃料电池及新能源汽车行业未来将有广阔的发展空间。

各地抢抓氢能产业布局，目前已有包括京津冀、长三角、珠三角、四川、山东等 30余个省市级的氢 能发展规划相继出台。

（3）氢燃料电池产业进入商业化初期，前景广阔

我国燃料电池汽车已进入商业化初期，截止 2020年底，我国燃料电池汽车保有量 7352辆。加氢站 建设进度逐步加快，截止 2020 年底，加氢站建成 128 座。同时，中石油、中石化、国家能源集团 等二十余家大型央企纷纷跨界发展氢能产业。

根据国际氢能委员会预计，到 2050 年，氢能将承担全球 18%的能源终端需求，创造超过 2.5 万亿 美元的市场价值，燃料电池汽车将占据全球车辆的 20%-25%，届时将成为与汽油、柴油并列的终端 能源体系消费主体。

根据中国氢能联盟预计，2050 年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到 10%，氢气需求量接近 6000 万吨，其中交通运输领域用氢 2458万吨，约占该领域用能比例 19%，燃料电池车产量达到 520 万辆/年。

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》指出，交通领域将是氢能消费的重要突破口，在商用车领域， 2030 年燃料电池商用车销量将达到 36万辆，占商用车总销量的 7%（乐观情景将达到 72万辆，占 商用车总销量 13%）；2050 年销量有望达到 160 万辆，占比 37%（乐观情景下销量 300 万辆，占 比 70%以上）。

5.2 氢燃料电池产业需大幅降低成本

氢燃料电池车具有能量密度高、安全、舒适等优点。燃料电池的能量密度高，可达 0.5-1.0kWh/kg， 特别适合重载车。电堆与氢罐是分开的，提高了发动机的安全性，电堆不易产生爆炸。氢燃料电池 车在续驶里程、加氢时间、驾驶舒适性均可与燃油车接近。

目前，氢燃料电池车必须解决购置和使用成本较高的问题，经济性是能否大规模发展的关键。

a)目前燃料电池发动机贵，导致一辆车售价是燃油车的三倍左右，锂电池车的 1.5-2.0 倍；

b)加氢站的建设费用高达 1200-1500 万元。

c)在加氢站的加氢费用每公斤高达 60-80 元，只有降到 40 元以下才具备与燃油车竞争的基础。

因此，要实现无补贴的燃料电池车商业化，必须大幅度降低燃料电池发动机的成本和氢气的成本， 同时降低加氢站的建设费用。

根据德勤的分析，中国氢燃料电池公交车的总成本（TCO，购买成本和运营成本）在 2019年为 178 美元/百公里，预计到 2029年 TCO 将下降至 55美元/百公里，将低于纯电动公交和燃油公交车的成 本。

详见报告原文。

编辑：123weilai