能源转型，缺氢不可

第一章 在双碳目标的驱动下，能源结构将转型为以可再生能源为主体的能源体系

1.1 发展可再生能源是能源变革的必然趋势

1.1.1 应用可再生能源是减缓气候变暖的重要途径

近一个世纪以来，全世界的能源供应主要由化石能源提供，包括石油、煤、天然气。2019年，石油、煤和天然气在全球能源供应体系中的占比分别为33%、27%和24%，三者合计占比超过80%。化石能源在地球上的储备是有限的。从能源安全的角度考虑，一旦石油、煤、天然气等化石能源枯竭，人类的能源供应将成为一个重要问题，因此需要在化石能源之外，寻找新的能源来保障能源安全。

与此同时，气候变暖日益成为一项紧迫的威胁。与工业化前的水平相比，人为引起的变暖已经达到了1℃左右。如果继续以当前的速度变暖，到2040年左右，人为引起的全球变暖将达到1.5℃。基于对这一点的共识，世界上绝大多数国家于2015年12月签订了《巴黎协定》。该协定的主要目标是包括努力将全球升温限制在1.5℃以内，要求所有部门大幅度的减少温室气体的排放。化石能源的使用会向大气中排放二氧化碳造成温室效应。自1990年以来，化石能源就一直是主要的二氧化碳排放源。2019年，石油、煤、天然气的二氧化碳排放量占总燃料燃烧排放量的比例分别为33%、44%和23%。为了避免气候变化的影响，我们需要加速投资于清洁、可获得、负担得起、可持续的替代能源，结束对化石燃料的依赖。

1.1.2 国家的能源安全需要摆脱对外进口资源的依赖

2021年，尽管我国石油表观消费量呈现近年来少见的负增长，但石油的对外依存度仍超过70%，远超50%的安全线。其中交通领域的石油消耗超过50％。降低交通领域的油品消耗关乎国家的能源安全。目前一种方向是汽车电动化，但单纯依靠电动化可能会造成新的金属原料依赖。锂、钴、镍作为电动车动力电池的关键原材料，其资源的分布呈现集中度较高的特征。从全球锂资源构成来看，澳大利亚和南美洲是锂资源供应的主力。而我国的锂资源虽然丰富但禀赋不佳，开发难度大且品质较低，杂质较多，而镍、钴资源匮乏，资源大量依赖进口，对外依存度较高。美国地质调查局数据显示，我国锂矿的储量全球占比7％，钴矿占比1％，镍矿占比3％。

氢能兼具清洁二次能源与高效储能的双重角色，同时受区域地理限制较小，是实现可再生能源大规模跨季节储存、运输的最佳解决方案，可作为替代化石能源方式，改变我国能源上对外依存度高的局面。在风力、光照条件好的“三北”区域，随着规模的提升以及技术的进步，将带来制氢成本的大幅降价，为清洁能源制氢提供了经济可行性。因此，其将在可再生能源电力系统中扮演重要的储能角色。在可预见的未来，中国可再生能源发电占比将逐渐增大，到2030年，非化石能源占整体能源消费的比重为20%左右，到2050年，非化石能源将占整体消费超过一半。届时，将从根本上改变我国能源战略安全。与此同时，氢燃料电池原材料均为常规材料，只有催化剂中用到贵金属铂，而且可回收，技术上正在向超低铂、无铂化发展，将一定程度上削弱资源对外依赖。

2021年10月，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布，氢能被上升至国家层面，具备战略能源地位，将在碳达峰、碳中和的宏伟进程中发挥重要作用。

1.2 可再生能源间歇性、波动性的特点决定了未来能源体系中海量的储能需求

在传统的电力系统中，电能的输出曲线相对稳定。但将可再生能源发电引入后，由于其间歇性、波动性的特点，将使发电侧变得不稳定且不可控。例如：光伏发电，高峰集中在白天，午间发电功率极大，但晚间基本降至为0，无法直接匹配傍晚和夜间用电需求高峰；风电发电高峰在一日内很不稳定，且存在季节性差异等。风力发电、光伏发电都需要依赖自然资源，自然资源的功率输出天然不稳定，不像传统火电等可以进行人工干预，从而电力系统的发电灵活性就会明显下降。

因此，发展储能是解决新型电力系统供需匹配和波动性问题的关键。一方面，储能可以实现可再生能源发电的削峰填谷，即将风光发电高峰时段的电量储存后再移到用电高峰释放，从而可以减少弃风弃光率；另一方面，储能系统可以对随机性、间歇性和波动性的可再生能源发电出力进行平滑控制，从源头降低波动性，满足可再生能源并网要求，为未来大规模发展应用打好基础。

根据国家电网的测算，2035年，风、光装机规模分别将达到7亿、6.5亿千瓦，全国风电、太阳能日最大波动率预计分别达到1.56亿、4.16亿千瓦，大大超过电网的调节能力，迫切需要重新构建调控体系，以应对新能源最高5亿千瓦左右的日功率波动冲击。

图表一：新能源增加电网调节难度（单位：万千瓦）

1.3 氢和氢基化合物是满足中长期规模化储能的形式之一

从中长期来看，氢气可成为远距离运输和分配可再生能源的一种方式，特别是在电网容量不足或者电网建设难度大成本高的情况下。氢气是二次能源载体而不是一次能源来源，其可通过一次能源生产出来。以往，氢气主要产自化石原料。在低碳能源占据主要地位的未来，制氢为体现可再生能源的价值提供了新的途径。氢能源的本质其实是一种更高密度的能源存储介质，氢电的能量转换效率目前约在50%-60%。相同热值的柴油和氢能的质量比约在3:1，即如果要实现对中国每年1.6亿吨柴油的全面替代，则需要约5000万吨氢能。氢能是实现可再生能源大规模、跨季节存储及运输的最佳方案。不同储能方式在时间尺度与容量方面各有特点，氢能可以在保证经济性的条件下实现大规模长周期储能，存储规模从KWH到GWH，存储时间从小时到季节。氢能与电能同属二次能源，容易与电能耦合，促进电力与建筑、交通运输和工业之间的互连，建立互联互通的现代能源网络。而且氢能可作为大规模储能介质实现不连续生产，可显著增加电力网络的灵活性。

图表二：不同能量存储技术的比较

第二章 未来的能源体系必须有相互补充的电网和氢网，宜电则电，宜氢则氢，高效转换

现阶段的技术，氢能用于电能的存储，其电氢电的综合转换效率约为30-40%。在可以直接用电的场景中，应当直接用电，便宜高效。未来更高效的水电解技术和燃料电池技术成熟后，再行多样化，选择时体现宜电则电。

氢能是更综合的能源载体，在终端应用侧体现有电能，热能，原料等多种用途，可以为工业、建筑、交通等行业提供了更广泛的、不可替代的深度减碳的解决方案，这些场景更应该体现宜氢则氢的原则,更具体的场景如下：

2.1靠近负荷中心的分布式风光发电，适宜利用电力配网就近消纳电能，直接高效

近一段时间，在国家发改委、住建部、能源局等多个部门的积极引导下，各地对分布式光伏项目的支持力度不断加大，纷纷出台0.1元-0.3元/KWH不等的电价补偿机制。由于这类项目比较分散，项目装机功率十分有限，项目拿到补偿的前提条件是接入电网，此类项目更适宜光伏项目直接联网，负荷直接使用绿色电能。局部如有用氢需求的话，可以用谷电或网上低碳电力辅助制备。最近广东城市群启动的站内水电解制氢示范项目体现了此类需求（广东的谷电电价约0.2元/KWH，有经济性）。

2.2规模化风光基地的项目，适宜离网制氢，在就近的工业园区消纳

中国有丰富的风光可再生能源，主要分布在西部和北部等低用电负荷地区，那里也建设有大型的风光基地，而消纳始终都有问题。有风光电源所需的电源侧调峰能力不足的问题，有输送通道不足或电网不能及时触达的问题，有电力需求侧管理失效的问题，还有市场化有效的可再生能源消化机制缺位的问题等。规模化的离网制氢，可以为大型风光基地提供规模化的负荷，所生产的氢气和氧气可以在附近的工业和化工园区消纳，可通过管道或液化方式外输，也可以储存用于满足长周期的用能需求，对地方经济有促进作用。

2.3其他场景应具备电氢间双向高效转换能力，促进目标场景深度减碳

随着氢能社会的建立，未来氢的网络会像现在的燃气网络一样普及，为终端客户提供多样、适配、便宜，可及，满足更多场景深度减碳降污的能源选项。同时，两种能源间高效的转换也是不可缺少的，用于平衡两种能源可及性，还能够实现彼此的备份，为用户提供最适合的用能和减碳途径。图表三显示了氢网和电网协同为不同行业场景深度减碳的示意。

图表三：氢网和电网协同为不同行业场景提供深度减碳

第三章 氢能的应用和规模化消纳将按照交通，工业，建筑的顺序逐步展开

3.1长程、重载、高耗能的交通运输场景更适用氢能解决方案 

鉴于氢能的以上优势，在新能源转型、交通行业电气化程度不断加深的背景下，相较于纯电模式，氢能交通工具将更适用于长程、重载、高耗能的应用场景。

从储能密度来看，根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中数据：“纯电动乘用车用能量型蓄电池的能量密度、功率密度和成本指标达到了路线图1.0中2020年目标要求。”目前300WH/kg软包动力蓄电池已完成研制并实现小批量生产，体积能量密度超过660WH/L。预计到2025年，高端能量型蓄电池质量能量密度可以超过350WH/kg，体积能量密度可以超过700WH/L。相比于锂电池，氢气的质量能量密度更高，达到为1.4*108J/kg（即38888.89WH/kg）。然而氢气的储存方式是一项系统性挑战，目前在燃料电池车上最为成熟的储氢方式是高压气氢。如果使用70MPaⅣ型瓶，储氢的质量密度可以超过6.5%，氢气密度约为40g/L,则车载氢瓶的质量能量密度为9.1*106J/kg（即2527.78WH/kg），体积能量密度为5.6*106J/L（即1555.56WH/L）。如果使用液氢，储氢的质量密度可以超过10%，氢气密度约为70g/L，则车载氢瓶的质量能量密度为0.14*108J/kg（即3888.89WH/kg），体积能量密度为9.8*106J/L（即2722.22WH/L）。总结情况如下表：

图表四：氢能和锂离子电池能量密度数据

出于谨慎原则，考虑电池系统的能量利用效率，锂电池系统目前的成组效率为65-75%，预计2025年成组效率高于70%，2030年大于73%，2035年高于75%。根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中数据：商用车氢燃料电池系统目前最高能量利用效率约为50%，预计2025年高于55%，2030-2035高于60%，这里分别取70%和55%。因此，综合考虑系统的能量利用效率影响，锂电池和氢的“有效”能量密度情况为：

图表五：氢能和锂离子电池“有效”能量密度

从上表可以看出，在考虑电池系统效率情况下，使用70MPaⅣ型瓶的氢气“有效”质量能量密度是锂电池系统（取2025年数值，下同）的5.7倍，“有效”体积能量密度是锂电池系统的1.7倍。使用液氢的氢气“有效”质量能量密度是锂电池系统的8.7倍，“有效”体积能量密度是锂电池系统的3倍。

由于交通工具的载荷及空间有限，但需要完成相应场景的运输或作业任务，为减少充能带来的综合成本，需要高比能量的能源载体支撑其运载能力。这种影响在长程、重载、高耗能的应用场景中尤为明显。

3.1.1以中重卡为代表的氢能商用车更具优势 

在商用车领域，以重卡为例，参考Scania最新一代电动卡车45R，车辆总重（GTW）最大64吨，锂离子电池带电624KWH，最大续航里程250km。按照锂离子电池300WH/kg质量能量密度，660WH/L体积能量密度计算，电池重量约2.08吨，体积约0.945m3，375KW/500A DC的条件下充电时间在90分钟以内。如果使用液氢方案，氢瓶+氢气约重0.26吨，体积约0.32m3，加氢时间在5分钟以内。在更长里程下，如500km，锂电池重量将达到4.16吨以上，体积1.89m3，充电时间约3小时。而氢能方案0.52吨和0.64m3的能源质量、体积占用，以及10分钟以内的充氢时长对比而言更具优势。由此可见，在商用车领域，尤其是长程、重载、高耗能的应用场景下，相比于纯电模式，氢能模式似乎是更优的选择。

图表六：Scania锂电重卡

图表七：现代氢能重卡

3.1.2氢能航运—探索进行时 

根据挪威船级社《2050年氢能展望报告》所述，就能源消耗而言，海运是迄今为止最节能的运输方式。目前世界上近3%的最终能源需求，包括世界上7%的石油，由船舶消耗，主要是国际货运。但是由于未来电池的能量密度太低，预计无法在远洋航运中发挥重要作用，甚至液氢的能量密度也较难满足海运的需求。虽然纯氢不会成为海运的重要燃料，但其衍生物，包括氨/甲醇或将成为海运的重要燃料。

此外，如果想要促进氢燃料电池在海运中的应用，还需要解决空气中盐浓度对燃料电池影响、氢的长期安全存储、应对海流变化的电池响应策略等技术问题。因此，短期内氢能海运还要跟随技术的发展进行持续性探索，内河船舶或近海用船可能率先实现氢能在船舶领域的应用。

需要说明的是，除了氢电转化的用氢形式外，还可以通过掺氢混烧的方式使用氢气。根据氢云链公开信息，2021年，日本常石集团造船公司和比利时海事集团合资成立的宾果研究院推出了全球首艘氢燃料小型客渡船“Hydro Bingo”，该船长19.4m，宽5.4m，深1.75m，重19吨，采用双燃料运行，配备了2台氢气与柴油混合燃料发动机，最大连续输出441KW×2300min，航速23节，可以运载80名乘客和2名船员。

3.1.3氢无人机是氢能航空的率先尝试 

与氢能海运相似，氢能航空的巨大潜在市场也给人无限遐想，然而大型航空器十万千瓦数量级以上的功率需求似乎又让目前的燃料电池技术望而却步，加之航空领域对燃料能量密度更为苛刻的要求也让目前的储氢技术显得有些捉襟见肘。因此对于大型航空器，无论是燃料电池还是掺氢燃烧技术，目前均尚处于研究和验证阶段，真正的氢能航空时代离我们还有些许距离。

然而，人们对于氢航空的探索并没有因为技术的限制而止步，在坚持不懈的尝试与创新后，中小型氢能无人机正在悄然进入我们的生活。相比于火热的锂电无人机，基于同样的高能量密度原理，氢能无人机更适用于长程、重载、高耗能的工业无人机领域，如：农林植保、地理测绘、电力巡检、安防监控……这些对于留空时间和起飞重量有更高需求的应用场景为氢能无人机带来了一片广阔的市场。根据Frost & Sullivan《中国工业无人机行业研究报告》统计，截至2019年我国工业无人机市场为151.79亿元人民币，预计到2024年年底将达到1,507.85亿元人民币。

图表八：中国民用无人机市场规模（按无人机用途划分）

长航程、高载荷的特点可以赋予无人机全新的意义。隔川相望的孤岛运输、隔山而立的电塔巡检、漫漫长夜的空中照明都将因为氢+无人机的使用方式变地更为便捷。此外，氢能无人机的持续开发和迭代也将为载人/货机的设计提供重要数据积累，促进真正氢能航空时代的到来。

3.2氢能在工业领域的应用对绿氢技术发展具有推动作用  

氢能在工业领域的大范围推广仍面临经济性需进一步提升的问题，但其潜在的氢能需求规模较大，必将进一步促进绿氢制备技术的发展和经济性提升。

根据RMI《中国2030年“可再生氢100”发展路线图》，氢气借助于其工业原料、能源产品的双重属性，在包括化工、钢铁、水泥等在内的工业领域具有广泛的应用。

其中，氢气在工业领域的最主要应用方式是用做合成氨的原料，氢能利用占比约为30%；二是用于制备甲醇的原料，利用占比达28%；第三个典型的工业应用场景是焦炭等副产氢的综合利用，氢气利用占比大约为15%；此外，炼厂场景用氢的占比达12%；煤化工领域用氢，包括用作煤间接液化、煤直接液化、煤制天然气、煤制乙二醇等领域的中间原料，占比约为10%；其他方式氢气利用比例大约占5%。综合来看，现阶段58%的氢气以工业原料形式应用于化工领域，代表性产品为合成氨及甲醇。

图表九：零碳情景下工业领域对不同能源品种终端能源需求占比

图表十：氢能在工业领域利用占比

氨是一种比空气轻的气体，其作为化工生产的基础化学原料，在硝酸铵、尿素等氮肥、含氮复合肥生产中具有重要的作用。同时，氨非常易于液化储存，是理想的富氢载体，利用其储运优势，可大大减少氢能利用的基础设施建设投资，在未来能源领域具有较大的发展潜力。合成氨行业现阶段主要利用Haber-Bosch工艺方案，即在高温（300~500℃）、高压（20~50MPa）及Fe基催化剂条件下，通过N2和H2反应得到NH3。根据中国氮肥工业协会数据，中国合成氨行业年产量约为5800万吨。假设合成氨用氢全面实现绿氢化，我国合成氨行业对于绿氢的年需求量将达1000万吨。由此可进一步推测，中国工业领域存量灰氢的绿氢替代需求量将达3400万吨，潜力巨大。从全球角度来看，仅针对于产能2.2亿吨的合成氨国际市场，绿氢需求量就达到3900万吨。随着“双碳”目标的推进，包括钢铁、水泥等在内的其他传统工业的低碳化发展，将在上述数据基础上，进一步增加氢能在工业领域的需求量。整体来看，氢气在工业领域的应用空间巨大。

借助于氢气较大的下游需求量，其规模化应用效应将进一步辐射至上游对电解水制氢需求度的提升，最终贡献于绿氢价格的降低。此外，风、光等可再生能源的自身技术迭代、应用推广，也将使得绿氢越来越具有在工业领域大范围推广的应用条件。

3.3建筑领域用氢对氢能使用安全性提出更高要求

现阶段，氢能主要应用于交通领域，并初步在工业领域实现推广使用，借助于以上应用场景对于燃料电池技术发展的推动及对绿氢经济性的提升，氢能作为清洁能源来解决建筑用能将是氢能应用的另一重要领域。

实现户用建筑热电联产将是未来氢能在建筑领域的主要应用方式：用燃料电池装置发电解决建筑的部分基荷需求，进一步利用燃电产生的余热为建筑供暖、供热水等。此外，氢能还可输送到用户终端直接燃烧，提供大功率无碳热源等。考虑到建筑领域对氢能安全和成本最为关注，先以交通、工业为依托逐渐完善氢气使用规范，降低使用成本，可为其在建筑领域的更大范围、更普适性应用创造条件。

第四章 小结

综上所述，在双碳目标的驱动下，能源行业必须向可再生能源转型，氢能及其化合物是最佳的长周期大规模的储能物质；而所有行业减碳的需求和目标促进了氢能的消纳和利用，为可再生能源转型提供了更大的应用市场，并推动上下游相互促进，共同发展。因此，氢能是可再生能源转型过程中不可缺少的能源载体。目前，交通领域已具备氢能应用场景，并且围绕氢能商务车，已经诞生一批科技创新企业，正在通过奖补政策的落地而走向商业化，部分企业已经具备投资价值。