近日，畢馬威中國發布了《一文讀懂氫能產業》。從氫能的特點和主要類型入手，對氫能產業鏈、各國發展策略、我國氫能產業政策、氫能產業投融資等進行了詳細的梳理，并對氫能未來發展趨勢進行了展望。在氫能產業鏈條中，報告對應用場景的判斷是：工業和交通為主要應用領域，建筑、發電等領域仍然處于探索階段。預測到2060年，工業領域和交通領域氫氣使用量分別占比60%和31%，發電領域和建筑領域占比分別為5%和4%。
總體預測：工業領域為主
《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》指出，“2035年形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態”。氫能源將為各行業實現脫碳提供重要路徑。目前氫能的成本較高，使用范圍較窄，氫能應用處于起步階段。氫能源主要應用在工業領域和交通領域中，在建筑、發電和發熱等領域仍然處于探索階段。根據中國氫能聯盟預測，到2060年工業領域和交通領域氫氣使用量分別占比60%和31%，電力領域和建筑領域占比分別為5%和4%（圖8）。
交通領域：氫燃料電池汽車為主
交通領域是目前氫能應用相對比較成熟的領域。從專利申請看，2021年交通領域的氫能技術應用專利申請15,639件，占氫能下游技術應用的71%。氫能源在交通領域的應用包括汽車、航空和海運等，其中氫燃料電池汽車是交通領域的主要應用場景。
公路情況
燃料電池車發展現狀：燃料電池汽車產業處于起步階段。燃料電池汽車企業數量較少，技術、成本和規模是進入的主要門檻，燃料電池汽車產銷規模較小。2020年由于受到疫情等因素影響，燃料電池汽車產銷量出現大幅下降，之后穩步恢復。2021年燃料電池汽車產量和銷量分別同比增加35%和49%；今年以來產銷量進一步增加，上半年產量1,804輛，已經超過去年全年（圖9）。與純電動汽車和傳統燃油車相比，燃料電池汽車具有溫室氣體排放低、燃料加注時間短、續航里程高等優點，較適用于中長距離或重載運輸，當前燃料電池汽車產業政策也優先支持商用車發展?，F階段國內氫燃料電池車以客車和重卡等商用為主，乘用車主要用來租賃，占比不及0.1%。
當前燃料電池汽車的購置成本還較高，尚不具備完全商業化的能力。成本是限制燃料電池市場化的主要因素。燃料電池汽車的發展仍然依靠政府補貼和政策支持。2020年氫能公交車推廣數量較多，雖然車型規格、系統配套商及功率大小有差異，但多數訂單公交車均價在200-300萬元/輛，價格較高。此外，燃料電池汽車對低溫性能要求較高，動力系統成本較高，加之基礎設施稀缺等限制，目前尚未實現大規模推廣，有待未來進一步改善。
燃料電池汽車發展前景：在實現“雙碳”目標的帶動下，零碳排放的燃料電池汽車有望保持高速增長?！稓淠墚a業發展中長期規劃（2021-2035年）》指出，到2025年氫燃料電池車輛保有量約5萬輛（圖10）。據此計算，2022-2025年保有量年均增長率將超過50%。
燃料電池汽車成本未來有較大下降空間。燃料電池汽車主要包括燃料電池系統、車載儲氫系統、整車控制系統等。其中，燃料電池系統是核心，成本有望隨著技術進步和規模擴大而下降。根據國際能源署（IEA）研究，隨著規模化生產和工藝技術的進步，2030年燃料電池乘用車成本將與純電動汽車、燃油車等其他乘用車成本持平，其中燃料電池系統的成本將從2015年的30,200美元/輛降低到2030年的4,300美元/輛，單位成本則有望從2015年 的380美元/千瓦時降低到2030年的54美元/千瓦時，降幅為86%，是推動燃料電池汽車成本下降的主要動力。
燃料電池車適合重型和長途運輸，在行駛里程要求高、載重量大的市場中更具競爭力，未來發展方向為重型卡車、長途運輸乘用車等。根據國際氫能協會分析，燃料電池汽車在續航里程大于650公里的交通運輸市場更具有成本優勢。由于乘用車和城市短程公共汽車續航里程通常較短，純電動汽車則更有優勢。
燃料電池汽車未來發展空間廣闊。相比純電動車型，燃料電池車克服了能源補充時間長、低溫環境適應性差的問題，提高了營運效率，與純電動車型應用場景形成互補。中國氫能聯盟研究院預測，到2030年我國燃料電池車產量有望達到62萬輛/年。
鐵路情況
清潔能源成為許多國家未來能源體系的重要組成部分，氫能作為清潔能源受到鐵路領域的廣泛關注。氫能在鐵路交通領域的應用主要是與燃料電池結合構成動力系統，替代傳統的內燃機。目前氫動力火車處于研發和試驗階段，德國、美國、日本和中國等國走在前沿。
德國在2022年開始運營世界上第一條由氫動力客運火車組成的環保鐵路線，續航里程可達1,000公里，最高時速達到140公里。中國在2021年試運行國內首臺氫燃料電池混合動力機車，滿載氫氣可單機連續運行24.5小時，平直道最大可牽引載重超過5,000噸；于2022年建成國內首個重載鐵路加氫科研示范站，將為鐵路作業機車供應氫能。
氫動力火車的優點在于不需要對現有鐵路軌道進行改建，通過泵為火車填充氫氣，并且噪音小、零碳排放。但是現階段發展氫動力火車也存在一些挑戰。一方面，氫燃料電池電堆成本高于傳統內燃機，組成氫動力系統后（含儲氫和散熱系統等）成本將進一步增加，搭載氫能源系統的車輛成本較高。另一方面，由于技術不成熟、需求少等因素，目前加氫站等氫能源基礎設施的建設尚不完善。
由于世界主要國家重視以氫能為代表的清潔能源的發展，氫動力火車作為減碳的有效途徑，未來發展空間廣闊。以歐洲國家為例，法國承諾到2035年、德國提出到2038年、英國計劃到2040年把以化石能源（柴油）驅動的國家鐵路網絡替換成包括氫能源在內的清潔能源驅動的鐵路網絡。
航空情況
隨著能源加速向低碳化、無碳化演變，航空業也面臨能源體系變革帶來的新挑戰。氫能源為低碳化航空提供了可能，氫能可以減少航空業對原油的依賴，減少溫室及有害氣體的排放。相比于化石能源，燃料電池可減少75%-90%的碳排放，在燃氣渦輪發動機中直接燃燒氫氣可減少50%-75%的碳排放，合成燃料可減少30%-60%的碳排放。
氫動力飛機可能成為中短距離航空飛行的減碳方案，但在長距離航空領域，仍須依賴航空燃油。預計2060年氫氣能提供5%左右航空領域能源需求35。氫能為航空業提供了可能的減碳方案，美國、英國、歐盟等發達國家和地區紛紛出臺涉及氫能航空發展的頂層戰略規劃（圖11）。
從發達國家發布的規劃可以看出，氫能航空的發展是一個漫長的過程。從現在到2030年主要是發展基礎性技術，開展航空試驗；到2050年完成遠程客機驗證機和大規模的氫燃料加注基礎設施建設，在航空領域實現更大規模應用。
航運情況
隨著航運業迅速發展，柴油機動力船舶引發的環境問題日益顯現。2020年我國航運業的二氧化碳排放量占交通運輸領域排放量的12.6%。氫能作為清潔能源有望在航運領域減碳中發揮積極作用。根據IEA發布的《中國能源體系碳中和路線圖》，航運業的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術和燃料的開發及商業化；在承諾目標情景中，2060年基于燃料電池的氫能應用模式將滿足水路交通運輸領域約10%的能源需求。
氫及氫基燃料是航運領域碳減排方案之一。通過氫燃料電池技術可實現內河和沿海船運電氣化，通過生物燃料或零碳氫氣合成氨等新型燃料可實現遠洋船運脫碳。我國部分企業和機構基于國產化氫能和燃料電池技術進步已經啟動了氫動力船舶研制。現階段，氫動力船舶通常用于湖泊、內河、近海等場景，作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。海上工程船、海上滾裝船、超級游艇等大型氫動力船舶研制是未來發展趨勢。
總體而言，氫動力船舶整體處于前期探索階段，高功率燃料電池技術尚未成熟，但隨著氫存儲優勢顯現，燃料電池船舶市場滲透率將逐步提升。預計到2030年我國將構建氫動力船舶設計、制造、調試、測試、功能驗證、性能評估體系，建立配套的氫氣“制儲運”基礎設施，擴大內河/湖泊等場景的氫動力船舶示范應用規模，完善水路交通相關基礎設施；到2060年完成我國水路交通運輸裝備領域碳中和目標，在國際航線上開展氫動力船舶應用示范，提升我國氫動力船舶產業的國際競爭力（圖12）。
工業領域：2060年氫需求量將到7,794萬噸
工業是當前脫碳難度較大的應用部門，化石能源不僅是工業燃料，還是重要的工業原料。工業燃料通過電氣化可實現部分脫碳，但是工業原料直接電氣化的空間有限。在氫冶金、合成燃料、工業燃料等的帶動下，2060年工業部門氫需求量將到7,794萬噸，接近交通領域的兩倍。
鋼鐵行業
鋼鐵冶煉二氧化碳排放量較大，2020年國內鋼鐵行業碳排放總量約18億噸，占全國碳排放總量的15%左右。實現“雙碳”目標下，鋼鐵行業面臨巨大的碳減排壓力。根據各大型鋼鐵企業公布的碳達峰碳中和路線圖，結合中國鋼鐵行業協會減碳目標，假設到2030年，我國鋼鐵行業減碳30%，則在此期間鋼鐵行業需累計減排5.4億噸。我國鋼鐵產量占世界總產量的一半以上，實現鋼鐵行業的降碳對我國“雙碳”目標的達成意義重大。
氫在鋼鐵行業可應用于氫冶金、燃料等多個方面，以氫冶金規模最大。氫冶金通過使用氫氣代替碳在冶金過程中的還原作用，從而實現源頭降碳，而傳統的高爐煉鐵是以煤炭為基礎的冶煉方式，碳排放占總排放量的70%左右。氫冶金是鋼鐵行業實現“雙碳”目標的革命性技術。2021年《“十四五”工業綠色發展規劃》發布，強調要大力推進氫能基礎設施建設，推進鋼鐵行業非高爐低碳煉鐵技術的發展。
現階段，氫冶金技術的氫氣主要來源于煤，整體減碳能力有限。氫冶金技術分為高爐氫冶金和非高爐氫冶金兩個大類。高爐氫冶金是指通過在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體替代部分碳還原反應實現“部分氫冶金”，非高爐氫冶金技術以氣基豎爐法為主流。我國豎爐氫冶金技術處于起步階段，同時受氫氣制備和儲運、高品質精礦等條件制約，距離大規模應用和全生命周期深度降碳仍有一定距離。
從全球范圍看，氫冶金的工業化技術也尚未成熟，德國和日本等氫冶金技術領先的國家也處于研發和試驗階段。根據世界能源署統計，傳統高爐的使用年限為30-40年，而目前全球煉鐵高爐平均爐齡僅為13年左右，在未來很長一段時間內，全球范圍內將仍以傳統的高爐煉鐵工藝為主流，低碳高爐冶金技術將是過渡期內重要的研發方向。氫冶金的發展可以分步實現：到2025年，驗證中試裝置研究大規模工業用氫能冶煉的可行性；到2030年，實現以焦爐煤氣、化工等副產品中產生的氫氣進行工業化生產；到2050年，進行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風電及核電電解水為主。
化工行業
氫氣是合成氨、合成甲醇、石油精煉和煤化工行業中的重要原料，還有小部分副產氣作為回爐助燃的工業燃料使用。中國氫能聯盟數據顯示，2020年合成氨、甲醇、冶煉與化工所需氫氣分別占比32%、27%和25%（圖13）。目前，工業用氫主要依賴化石能源制取，未來通過低碳清潔氫替代應用潛力巨大。
氨是氮和氫的化合物，廣泛應用于氮肥、制冷劑及化工原料。合成氨的需求主要來自農業化肥和工業兩大方面，其中農業肥料占70%左右。國際能源署預計至2050年，將會有超過30%的氫氣用于合成氨和燃料。目前，氨生產所需要的氫（化石能源制取，又稱灰氫）主要是通過蒸汽甲烷重整（SMR）或煤氣化來獲取，每生產一噸氨會排放約2.5噸二氧化碳。綠氫合成氨則可減少二氧化碳排放。綠氫合成氨主要設備包括可再生能源電力裝備、電解水制氫設備、空分裝置、合成氨裝置，以上相關技術裝備國產化程度較高。其中，堿性電解水與質子交換膜電解水技術能夠實現規模化的電解水制氫，我國的堿性電解槽技術水平處于行業領先水平。此外，國內外質子交換膜電解水技術均處于起步階段，且成本偏高，未來主要取決于燃料電池技術發展進程。
大規模、低成本、持續穩定的氫氣供應是化工領域應用綠氫的前提。盡管短期內化工領域綠氫應用面臨經濟性挑戰，但隨著可再生能源發電價格持續下降，到2030年國內部分地區有望實現綠氫平價，綠氫將進入工業領域，逐漸成為化工生產常規原料。
發電領域：氫儲能系統成本約為13,000元/千瓦
純氫氣、氫氣與天然氣的混合可以為燃氣輪機提供動力，從而實現發電行業的脫碳。氫能發電有兩種方式。一種是將氫能用于燃氣輪機，經過吸氣、壓縮、燃燒、排氣過程，帶動電機產生電流輸出，即“氫能發電機”。氫能發電機可以被整合到電網電力輸送線路中，與制氫裝置協同作用，在用電低谷時電解水制備氫氣，用電高峰時再通過氫能發電，以此實現電能的合理化應用，減少資源浪費。另一種是利用電解水的逆反應，氫氣與氧氣（或空氣）發生電化學反應生成水并釋放出電能，即“燃料電池技術”。燃料電池可應用于固定或移動式電站、備用峰值電站、備用電源、熱電聯供系統等發電設備。
這兩種氫能發電均存在成本較高的問題。目前，燃料電池發電成本大約2.50-3.00元/度，而其他發電成本基本低于1元/度。例如，目前火電發電成本大約0.25-0.40元/度，風電發電成本約為0.25-0.45元/度，太陽能發電成本約0.30-0.40元/度，核電發電成本大約0.35-0.45元/度（圖14）。對比發電成本可以發現，燃料電池的發電成本要高于其他類型的發電模式。
由于質子交換膜、電解槽等核心設備主要依賴進口，成本較高，疊加原材料鉑的價格昂貴，導致氫能發電成本較高。
隨著對清潔能源的重視，風能、太陽能等可再生能源發電占發電量的比例逐步提高。2020年我國風電、太陽能發電總裝機容量5.3億千瓦，占全社會用電量的比重達到11%，到2030年風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上47。根據IEA研究，在 2050年零碳排放目標的情景下，風電、太陽能發電在發電量中的占比接近70%?？稍偕茉窗l電在電力系統中的作用越來越重要。但是，風電、太陽能發電的間歇性和隨機性，影響并網供電的連續性和穩定性，因此儲能作為相對獨立的主體將發揮重要作用。
電力儲能方式目前主要有抽水蓄能、鋰電子電池、鉛蓄電池、壓縮空氣儲能等，其中抽水蓄能占比超過86%。與其他儲能方式比，氫儲能具有放電時間長、規?；瘍湫詢r比高、儲運方式靈活、不會破壞生態環境等優勢。另外，氫儲能應用場景豐富，在電源側，氫儲能可以減少棄電、平抑波動；在電網測，氫儲能可以為電網運行調峰容量和緩解輸變線路阻塞等。
目前，受技術、經濟等因素的制約，氫儲能的應用仍面臨許多挑戰。一方面，氫儲能系統效率相對較低。氫儲能的“電—氫—電”過程存在兩次能量轉換，整體效率40%左右，低于抽水儲能、鋰電池儲能等70%左右的能量轉化效率。另一方面，氫儲能系統成本相對較高。當前抽水蓄能和壓縮空氣儲能成本約為7,000元/千瓦，電化學儲能成本約為2,000元/千瓦，而氫儲能系統成本約為13,000元/千瓦，遠高于其他儲能方式。
氫儲能目前仍處于起步階段，2021年國內氫儲能裝機量約為1.5兆瓦，氫儲能滲透率不足0.1%。氫儲能在推動能源領域碳達峰碳中和過程中將發揮顯著作用。國家發展改革委和國家能源局于2021年出臺的《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》提出，到2025年實現新型儲能從商業化初期向規?；l展轉變；到2030年，實現新型儲能全面市場化發展。氫儲能作為新型儲能方式，未來發展空間廣闊。
建筑領域：氫氣供熱優勢不明顯
建筑部門能源需求主要用于供暖（空間采暖）、供熱（生活熱水）等的電能消耗。與天然氣供熱（最常見的供熱燃料）等競爭性技術比較，氫氣供熱在效率、成本、安全和基礎設施的可得性等方面目前不占優勢。
由于純氫的使用需要新的氫氣鍋爐或對現有管道進行大量的改造，在建筑中使用純氫氣的成本相對較高。例如，歐洲的氫能源使用比其他地區起步要早，但目前氫能源供熱成本仍然是天然氣供熱成本的2倍以上。即便到2050年，當熱泵成為最經濟的選擇時，氫氣供暖的成本可能仍將比天然氣供熱成本高50% 。
氫氣可以通過純氫或者與天然氣混合輸送，使用純氫方式對管道要求更高。氫氣還可能導致鋼制天然氣管道的安全風險，需要用聚乙烯管道取代現有管道。這種投資對于較大的商業建筑或地區供暖網絡來說可能具有經濟意義，但對于較小的住宅單元來說則可能成本過高。
因此，早期氫氣在建筑中的使用將主要是混合形式。氫氣與天然氣混合，按體積計算的比例可以達到20%，而無需改造現有設備或管道。和使用純氫相比，將氫氣混合到天然氣管道中可以降低成本，平衡季節性用能需求。隨著氫氣成本的下降，北美、歐洲和中國等擁有天然氣基礎設施和有機會獲得低成本氫氣的地區，有望逐漸在建筑的供熱、供暖中使用氫氣。
挪威船級社DNV預測，在2030年代后期，純氫在建筑中的使用有望超過混合氫氣；到2050年，氫氣在建筑供暖和供熱能源總需求中約占比3-4%。
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