中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，當代石油石化

1全球氫能概況

“雙碳”目標推動全球能源行業(yè)由高碳能源向低碳能源轉型，氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、應用場景豐富的綠色能源，正成為全球關注和投資的熱點。根據國際能源署(IEA)2023年9月發(fā)布的統(tǒng)計報告，2022年全球氫氣總產量(含合成氣)超9500萬噸，其中純氫制備產量逾7900萬噸、工業(yè)副產氫氣逾1600萬噸，當年全球氫氣總需求量達9500萬噸，超過2021年9400萬噸的歷史最高需求水平。在加氫站建設方面，據德國LBST最新發(fā)布報告顯示，2012—2022年全球加氫站保有量從215座增長至814座，其中2022年新投運130座加氫站(見圖1)。

歐洲、亞洲、北美是全球加氫站建設的主要地區(qū)，自2019年以來，亞洲地區(qū)在加氫站數量上實現(xiàn)了對歐洲地區(qū)的趕超，未來氫燃料電池汽車在亞洲地區(qū)將有更適宜的運營環(huán)境。

在我國，氫能被持續(xù)關注，近年國家及地方氫能支持政策密集出臺。2019年3月，氫能源首次被我國寫入《政府工作報告》，提出“推動充電、加氫等設施建設”;2020年5月，我國明確了“制定國家氫能產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”，同年，國家相關部門出臺多個全國性燃料電池支持政策，地方政策也相繼加碼，主要聚焦于加氫站建設以及燃料電池車推廣;2022年3月，多部門聯(lián)合發(fā)布《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》，規(guī)劃明確了氫的能源屬性，指出氫能是未來國家能源體系的組成部分，提出到2025年燃料電池汽車保有量約5萬輛，部署建設一批加氫站，到2035年形成氫能多元應用生態(tài)等目標;2022年6月，多部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，推動可再生能源規(guī)模化制氫利用;2023年8月，多部門聯(lián)合印發(fā)《氫能產業(yè)標準體系建設指南(2023版)》，這是我國國家層面首個氫能全產業(yè)鏈標準體系建設指南。

在國家、地方諸多利好政策推動下，我國氫能產業(yè)呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢，氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展加快，氫氣在汽車交通領域的滲透率逐步上升。在氫氣生產方面，據國家能源局統(tǒng)計數據顯示，2022年我國氫氣總產量超3781萬噸，同比增長14.5%，我國已成為全球最大制氫國。

2我國氫能產業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀

我國氫能產業(yè)仍處于導入期，在國家政策扶持下，產業(yè)進入“規(guī)模化—降本—開拓市場”的量價循環(huán)，持續(xù)的技術進步有助于解決各環(huán)節(jié)核心技術的成本制約，進一步提升商業(yè)化競爭力。

2.1氫氣生產

在氫能產業(yè)鏈中，氫氣生產是源頭。從技術路徑看，目前主要制氫方式有天然氣和煤等化石燃料制氫、工業(yè)副產氫、電解水制氫等，其中，化石燃料制氫具有較大成本優(yōu)勢，是目前主流技術。據IEA數據顯示，2022年全球范圍內天然氣(甲烷)制氫比例較高，約占62%，通過煤炭生產氫氣占比為21%。而在我國，煤制氫是主流制氫技術，2022年煤制氫占比超60%。在化石燃料制氫工藝中，煤制氫成本相對較低，但污染最重，煤制氫方法下氫氣與二氧化碳排放比為1∶11，而天然氣制氫和石油制氫方法下則分別為1∶5和1∶7。

世界能源理事會將伴有大量二氧化碳排放的氫稱為灰氫;將對伴生二氧化碳進行捕集、封存和利用后生產的氫稱為藍氫;利用可再生能源發(fā)電，通過電解水制得的氫稱為綠氫。在“雙碳”目標下，以煤工藝為主的制氫模式面臨較大環(huán)保壓力，短中期來看，我國制氫結構將逐步從灰氫過渡到藍氫，終極目標是零碳排放的綠氫。

2.2氫氣儲運

氫氣密度為0.0899kg/m3，遠小于空氣，難于高密度存儲，因此氫儲運成本較高，約占氫氣終端售價的30%。儲存氫氣主要有3種方式，包括氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。目前國內高壓氣態(tài)儲氫應用相對成熟，通過連接減壓閥即可方便快捷地釋放所需氫氣，運營成本相對較低，被廣泛用于車用領域。而低溫液態(tài)儲氫僅在航天等領域得到應用，固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫尚處于示范階段。

氫氣運輸分為氣態(tài)氫輸送、液態(tài)氫輸送和固態(tài)氫輸送，國內以長管拖車運輸高壓氣態(tài)氫為主，但該方式適合短途，導致氫氣運輸半徑相對較小。隨著我國氫能市場逐步發(fā)展，氫氣需求半徑逐步增大，低成本、可高效跨域運輸的管道輸氫將成為發(fā)展趨勢。在管道運輸方面，美國和歐洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網的國家和地區(qū)，據IEA數據顯示，截至2022年，全球氫氣管道近5000km，其中美國投入運營輸氫管道2600km，歐洲近2000km。我國氫氣管道建設規(guī)模目前較小，未來我國輸氫管道建設將提速，據《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》數據，預計到2030年，我國氫氣管道將達3000km。

2.3氫氣應用

在我國，化工需求在氫氣應用中占據主導地位，氫氣廣泛應用于石化、冶金、電子和航天等工業(yè)領域，在交通能源領域的應用尚未形成規(guī)模。為推動能源消費結構轉型，我國政府近年先后出臺大量政策加速推動氫氣的能源利用，特別是在發(fā)展氫燃料電池汽車方面給予了較大支持。

2016—2019年，我國氫燃料電池汽車產量穩(wěn)步上升，復合年均增長率達65%，截至2022年底，我國燃料電池汽車保有量已達12306輛，同比增長近38%。根據《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，未來燃料電池車仍為我國氫能利用核心載體，預計到2025年，氫燃料電池汽車保有量將達到10萬輛，將拉動氫能市場規(guī)模進一步快速增長。據中國氫能聯(lián)盟預測，到2050年中國氫氣需求量將接近6000萬噸，其中交通運輸領域用氫需求達2458萬噸，占比將超過40%。

與此同時，氫氣在我國交通運輸領域的應用仍面臨瓶頸。

一是供應鏈體系不健全，加氫站網絡待完善。加氫站是氫能廣泛應用的重要基礎設施，由于缺乏規(guī)范的加氫站建設審批流程，加上建設成本高，相較于遍布全國、數量逾10萬座的加油站，我國加氫站數量明顯不足，加氫成為了燃料電池汽車發(fā)展的瓶頸。我國目前運營加氫站主要集中在廣東、山東、上海、江蘇等4個省市，據國內氫燃料電池行業(yè)研究機構香橙會氫能數據庫最新數據顯示，截至2022年底，我國已建加氫站310座，其中僅240座正在運營。

二是成本過高。因燃料電池發(fā)動機昂貴，導致一輛燃料電池車售價是燃油車的近3倍，是鋰電池車的1.5~2.0倍。同時，作為燃料的氫氣價格較高，目前加氫站終端銷售價格在50元/kg以上，若以60元/kg價格計算，氫燃料電池物流車每百公里燃料成本約為柴油車的1.5倍。

三是技術瓶頸，氫能技術難點多，亟需從氫氣儲運和加注、氫燃料電池、氫儲能系統(tǒng)等主要環(huán)節(jié)重點突破“卡脖子”技術，如，嚴重影響燃料電池壽命和使用成本的質子交換膜生產技術等。

3我國化工行業(yè)機遇分析

在“雙碳”目標大背景下,我國氫能產業(yè)發(fā)展迎來了加速期，根據中國氫能聯(lián)盟預測，2026—2035年，我國氫能產業(yè)鏈年產值將達5萬億元，氫能產業(yè)鏈的蓬勃發(fā)展必將推動氫能材料需求持續(xù)旺盛，在碳纖維、質子交換膜、催化劑等領域為化工企業(yè)帶來重要發(fā)展機遇。

3.1碳纖維

碳纖維是一種含碳量在90%以上，具有高強度、輕質、耐高溫等優(yōu)良性質的新型纖維材料。氫燃料車對儲氫瓶有較高安全性和輕量化等要求，當前國內車載儲氫方式主要采用金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)，發(fā)達國家則采用非金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)，Ⅲ型和Ⅳ型儲氫瓶均需要碳纖維材料。根據中國科學院寧波材料所特種纖維事業(yè)部數據統(tǒng)計，氫能商用車攜帶4個儲氫瓶，單個儲氫瓶碳纖維用量約80.0kg;乘用車攜帶2個儲氫瓶，單瓶碳纖維用量約37.5kg。

目前我國對于儲氫瓶使用的碳纖維進口依賴度較高，約50%。雖然近年我國碳纖維產能明顯增長，但受限于原絲生產技術和碳化技術，碳纖維產品性能較低，儲氫罐所用碳纖維仍需從日本東麗、日本東邦、韓國SK等企業(yè)進口，日韓企業(yè)占據我國進口儲氫瓶用碳纖維70%以上的市場份額。我國多個省份已明確將在“十四五”期間大力推動氫能產業(yè)發(fā)展，未來我國很可能成為全球最大的車載儲氫瓶市場。在龐大市場需求的預期下，目前已有企業(yè)開始進入碳纖維生產領域。

3.2質子交換膜

質子交換膜被廣泛應用于燃料電池、電解水等領域，在燃料電池行業(yè)，質子交換膜是電堆膜電極的關鍵材料，其性能優(yōu)劣決定著電池的性能和使用壽命。全氟磺酸質子交換膜技術成熟、性能優(yōu)良，是目前應用最廣泛的質子交換膜體系。

國外質子交換膜生產企業(yè)主要有Gore、科慕(由杜邦拆分出的業(yè)務)、陶氏化學、日本旭化成、日本旭硝子等，國內質子交換膜基本依靠進口，在國產膜電極中有約90%使用的是Gore公司膜產品。

國內氫燃料汽車產業(yè)規(guī)劃有望帶動質子交換膜需求大幅提升。截至2022年底，我國共有20個省、市、自治區(qū)公布了2025年氫燃料電池汽車保有量目標，至2025年20個省、市、自治區(qū)總保有量目標將達10.837萬輛，高于《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》提出的到2025年燃料電池汽車保有量約5萬輛目標。質子交換膜作為燃料電池關鍵部件的核心材料，其需求會隨著燃料電池車推廣而增長。

3.3催化劑

燃料電池成本是目前制約氫能普及率最突出的問題，而氫燃料電池“卡脖子”的關鍵技術是氫能的催化劑。2020年9月，我國明確指出要重點支持催化劑等關鍵材料和零部件的研發(fā)突破。

在氫燃料電池的三大類催化劑中，鉑因具有熔點高、強度大、電熱性穩(wěn)定、催化活性好等優(yōu)點，成為目前生產企業(yè)的首選。不過，鉑族金屬資源高度集中，據美國地質調查局統(tǒng)計，世界鉑族金屬儲量大國有南非、俄羅斯、美國和加拿大，4國儲量占全球鉑族金屬資源總儲量99%以上。

我國鉑族金屬資源比較貧乏，未來隨著我國氫燃料電池普及，市場對鉑的需求將會增加，進一步導致鉑價格上漲，對氫能源發(fā)展形成阻力。目前一些企業(yè)和機構圍繞開發(fā)替代貴金屬催化劑、提高電催化劑活性從而降低鉑金屬用量等內容思考應對策略。

4某石化企業(yè)氫產業(yè)鏈分析

得益于廣闊的應用場景和較高的產業(yè)鏈價值，氫能的開發(fā)與利用不僅成為石化企業(yè)實現(xiàn)能源轉型的重要路徑，而且演化為市場競爭的重要領域，包括中國石化、中國石油在內的多家企業(yè)紛紛布局氫能產業(yè)鏈。以華東地區(qū)某石化企業(yè)為例介紹企業(yè)層面氫能產業(yè)鏈布局情況。

4.1氫氣的生產與化工消耗

華東某企業(yè)具備2700萬噸/年煉油、220萬噸/年乙烯產能規(guī)模，其氫氣系統(tǒng)由產氫裝置、耗氫裝置、氫氣管網組成，按照供氫壓力，氫氣管網由1.2Mpa、3.5Mpa和7.2Mpa等3個壓力等級的子管網組成，管網氫源主要來自重油制氫、煤焦制氫氣、乙烯裂解氫氣、3#/4#重整變壓吸附(PSA)氫、膜分離氫氣等。

為爭取低成本氫氣資源、減少浪費，近年該企業(yè)在氫氣系統(tǒng)優(yōu)化方面積極探索，力爭物盡其用，如，回收催化干氣尾氣中含有約50%的氫氣、對二甲苯(PX)異構化尾氫等。截至目前，該企業(yè)氫氣產能約58000kg/h(其中工業(yè)副產氫約25000kg/h)。

該企業(yè)耗氫裝置主要包括渣油加氫、加氫裂化、加氫裝置、非芳加氫、PX異構化、環(huán)氧丙烷/苯乙烯(PO/SM)等，聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、裂解汽油抽提和焦氣回收等裝置也有少量用氫，總耗氫約56000kg/h。經全廠氫氣產耗平衡，尚有約2000kg/h氫氣可供外送。

4.2氫氣的能源利用

石化行業(yè)具有低成本氫氣優(yōu)勢，同時氫源穩(wěn)定，在發(fā)展氫能產業(yè)鏈方面具有先天優(yōu)勢。該企業(yè)充分利用行業(yè)優(yōu)勢，并結合公司產業(yè)轉型升級布局實際，提前加速布局氫能市場。2021年6月，建成了所在市首座加氫示范站，將4#PSA裝置生產純度達99.99%的氫氣，經管道運輸至新建加氫站作為氣源，加氫站加氫設計能力為500kg/12h。2023年7月，該企業(yè)在已建成投用加氫示范站基礎上，增設加氫機預冷器、高壓儲氫瓶組，優(yōu)化完善加氫工藝流程，新增4000kg/d的魚雷車氫氣充裝設施，可供20輛魚雷車(單輛載氫量200~400kg)向周邊加氫站輸送氫氣，實現(xiàn)了可同時為燃料電池汽車加氫及下游加氫站充裝的服務。

該企業(yè)氫氣生產成本10~12元/kg，較社會加氫站具有明顯成本優(yōu)勢。在國家與地方政策發(fā)力，持續(xù)加大氫能推廣力度的大背景下，未來擬將以增加氫氣產量，降低氫氣成本為目標，穩(wěn)妥發(fā)展氫能業(yè)務，聯(lián)合地方政府不斷創(chuàng)新氫能應用場景，逐步提升氫氣在區(qū)域市場的滲透率，努力建成所在省最大氫能充裝母站。

5發(fā)展建議

1)重視副產氫的利用，促進降本增效。從制氫的技術成熟度和成本方面考慮，短期內制取高純氫最可行的方案是將工業(yè)副產氫充分利用。對于有大量副產氫的石化企業(yè)來說，氫能發(fā)展將是契機之一。應重視副產氫的價值，提前發(fā)展和儲備氫氣分離和回收技術，加大對氫氣綜合利用的投入，在原有產業(yè)基礎上陸續(xù)開拓氫能產線，探索新能源轉型的經濟增長點。

2)加快產品結構轉型，助推下游高端化延伸。受替代性交通運輸燃料等因素影響，“十三五”時期我國汽柴煤油表觀消費總量減少，年均增速為–1.7%。未來，隨著我國經濟進入高質量發(fā)展階段，經濟增速的放緩會影響成品油消費的增長，同時交通運輸領域“脫油向電”趨勢加速，也對成品油消費構成較大沖擊。作為以油品生產為主要業(yè)務的石化企業(yè)，應加快減油增化步伐，特別是要在與氫能發(fā)展相關的新材料等方面加速發(fā)力，加大力度延長氫能產業(yè)鏈。碳纖維是氣態(tài)儲氫瓶的關鍵材料，碳纖維市場會隨著氫的熱度而持續(xù)擴張。

3)通過強強聯(lián)合，推進新能源與石化產業(yè)耦合，實現(xiàn)能化共軌。氫能的重要意義，不僅在于功能作用，更重要的是可作為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)減碳的重要手段。在推進“雙碳”目標的大背景下，國內氫能發(fā)展前景較好，石化企業(yè)應充分發(fā)揮生產與市場的區(qū)域優(yōu)勢，積極發(fā)力氫能產業(yè)鏈布局，超前謀劃綠氫生產布局。在能源保障方面，通過強強聯(lián)合構建多元化能源供應體系。目前中國核電(7.930, 0.00, 0.00%)正在策劃用模塊式小型堆為工業(yè)園區(qū)、小型生產基地提供穩(wěn)定高效電能。針對煉化企業(yè)，建議在生產基地探索開展核電供電的應用研究。此外，我國自主研發(fā)的第四代先進核能技術高溫氣冷堆的熱工藝可用于制氫，電和氫多能源協(xié)同解決。