氢基能源如何助力能源绿色转型

关键词 | 绿色转型氢基能源

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随着我国稳步推进“碳达峰、碳中和”工作，中国在能源利用方式变革方面正加大清洁低碳能源消费替代力度，协同推进能源产业节能减污降碳，推动形成绿色低碳的生产生活方式。除已经逐渐成熟的风光等新能源外，氢基能源正成为无法使用电能替代领域重要的能源绿色化手段。

需求端：

发电、远洋航运需求拉动氢基绿色能源应用规模增长

根据国际能源署（IEA）统计，合成氨和甲醇每年分别有10%和30%的量通过国际贸易流通，全球有上百个港口可支持合成氨和甲醇的装卸，但氢的外部供应链和产业链体系还不健全，基本以本地利用为主。在中短期，氢基能源仍将以绿色甲醇和绿氨为主，主要应用领域是无法实现新能源替代的热电和交通等下游领域。

电力行业

在我国，合成氨整体产销量超过千万吨，是全球最大的合成氨产销国。但大多为煤制氨，绿氨还没有工业化产能。据统计，我国目前合成氨的消费应用中，80%的合成氨应用于化肥的生产，剩余20%应用于化工品的生产。

除掺氨燃烧外，只使用氨作为燃料的纯氨燃烧也是很多研究团队关注的重点，但由于纯氨燃烧的效率较低，需要加入引燃剂，降低纯氨需要的燃烧条件，目前无法实现纯绿氨燃烧发电。而氢气是未来掺氨燃烧的非常好的引燃剂，因此将氢气与氨气配合使用，是零碳燃烧未来需要长期关注的研究方向。

交通行业

01 | 远洋航运

国际海事组织（IMO）在2018年召开了海上环境保护委员会第72届会议中，通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，国际航运业首次为应对气候变化制定了温室气体减排目标，并不断通过会议，明确短期/中期/长期的减排措施。2023年IMO正式实行新规定，短期各航运公司可采用LNG和甲醇等低碳燃料作为过渡，中远期逐步以碳中性燃料（生物燃料）和零碳排放燃料（氨和氢燃料）为主。

以马士基、地中海为首的海外龙头企业率先进行船舶的替换。目前全球绿色甲醇市场仍处于发展初期，已投产产能较少，在全球甲醇市场的占比不足百分之一。

2024年4月10日，中国首艘已投运甲醇燃料加注船“海港致远”轮在洋山港冠东码头为马士基16000TEU甲醇动力集装箱船“阿斯特丽德马士基（Astrid Maersk）”轮完成绿色甲醇燃料“船-船”同步加注作业，成为亚洲首个（全球第二个）成功完成大型远洋船舶绿色甲醇同步加注作业的港口。

绿氨是现有主要燃料气体中，能量密度远高于氢能的燃料气体，同时安全性高，充分燃烧后将只排放NO2和H2O。但是受限于氨燃料发动机还未正式商用，因此氨动力船舶还未上市。未来随着氨燃料发动机的上市，将会加速氨动力船舶的发展。

氢能作为燃料用于远洋航运是船舶行业持续发展的目标。但是受到氢的运输和储存较难的影响，目前主要是以氢燃料电池作为（混合）动力系统的小型船舶或以氢燃料电池作为辅助发电装置应用为主，还未应用在远洋航运中。随着全球港口氢加注和接驳基础设施的建设，并解决氢储运的难题，氢动力远洋船舶将会是航运业最终的发展目标。

02 | 汽车：

我国在上世纪80年代就开始了甲醇燃料的应用推广。甲醇作为汽车的燃料来源，价格远低于汽油，因此甲醇作为汽车燃料具有较好的经济性。另外，甲醇燃料的加注速度可与燃油媲美，且具有超长续驶能力，运输场景适应性更强。目前中国甲醇汽车市场保有量约3万台，累计总运行里程已超过100亿公里。

乘用车方面，2022年，我国开始大规模推动清洁能源重卡，目前形成了以纯电重卡为主（市场份额最大），以氢能重卡和甲醇重卡为辅的行业态势。甲醇重卡在2023年的销量同比增加400%，已成为国内重卡市场的又一热点。

另外，氢燃料电池汽车也是我国《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中明确提到的重点领域。规划中明确到2025年氢燃料电池车辆保有量5万辆。根据《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》规划，2025 年我国燃料电池车保有量将达到10万辆。

03 | 氢能机车：

尽管在中国铁路系统中电力机车占主导，但内燃机车在特定时刻和地点仍发挥重要作用，例如冻雨天气和战时。未来铁路系统全面“脱碳”过程中，氢能机车将是实现中国铁路系统“碳中和”的重要组成部分。

氢能机车与内燃机车相比，每万吨公里可减少碳排放约80千克，显著提升了绿色环保性能；还克服了纯电动车续航短、充电时间长的问题，兼具节能减排的优势。目前，氢能机车样车采用氢燃料电池和钛酸锂电池的混合动力系统，最大输出功率可达700kW，设计时速80km。2023年，我国首台氢能机车投入试点使用，未来氢能机车将是机车行业的主要参与者。

技术端：

依靠技术持续降本，应用技术仍待突破

氢基能源目前无法实现大规模应用的主要原因之一是技术成熟度不高。根据现有技术发展分析，绿氢推广受到的限制主要为成本和存储运输的问题；绿氨应用受到的限制主要为绿氢价格高昂以及还未规模化生产氨发动机；绿色甲醇应用推广受限的主要原因也是生产成本较高限制了其对于传统化学能源更大范围的替代。

合成技术

01 | 绿氢：生产技术及储运技术仍是限制产业发展的重要瓶颈

电解水制氢技术被视为未来最有潜力的制氢技术，主要有碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOEC）等。目前，主流制氢技术是使用碱性电解槽和PEM技术，其中碱性电解技术已实现了大规模的工业应用。PEM电解技术相比碱性电解槽技术，能量转化率较高，但设备的国产化较差，国内技术水平较国际先进水平有较大的差距。随着我国PEM技术的发展，PEM电解槽将逐步国产化，PEM电解槽的价格有望大幅度下降，同时随着绿电价格的持续下降，绿氢生产成本仍有一定的优化空间。

在资源总量不受约束、制备成本中远期可控的前提下，氢气的储存性能和运输效率是氢能网络建设的关键。目前氢气的储存主要有气态储氢、液态储氢和固体储氢3种方式，其中高压气态储氢已得到广泛应用，低温液态储氢在航天等领域得到应用，有机液态储氢和固态储氢尚处于试验示范阶段。

02 | 绿氨：传统合成氨产业的绿色转型成为重要抓手

绿氨的生产与煤制氨及天然气制氨生产区别不大，通过较小的技术改造就可完成生产技术提升。但生产过程中对绿氢的需求量较大，目前国内绿氨的新建拟建项目多为配套绿氢的一体化项目。随着绿氢制取成本及绿电价格的进一步下降，绿氨生产成本将逐步向传统合成氨靠拢。

我国在持续优化合成氨生产技术，以实现绿色化和低温低压化。2021年度“氢能技术”专项支持了“电解制氢—低温低压合成氨关键技术及应用”和“十万吨级可再生能源电解水制氢合成氨示范工程”等多个合成氨生产工艺绿色化项目，推动电解制氢以及温和条件合成氨关键技术及应用，突破近常压氢气和氮气合成氨原有技术壁垒，探索可再生能源与低温低压合成氨互补融合新路径。

03 | 绿色甲醇：绿氢甲醇是当前理想“低碳”替代能源，中期逐步向生物基甲醇和可再生甲醇转化

绿色甲醇分为生物质甲醇、可再生甲醇和绿氢甲醇等细分产品。生物质甲醇是指将非粮食类生物质资源经过预处理、气化等步骤合成甲醇，目前受限于生物质合成气制备效率低和生物质原料收集成本高等因素，在成本端仍面临一定的挑战。可再生甲醇是利用绿氢与CCUS等方式捕集的二氧化碳等碳源共同合成的甲醇，目前也面临生产成本较高的难题。绿氢甲醇作为从“灰色”产品向“绿色”产品过渡过程的中间产品，成本相对生物质甲醇和可再生甲醇更低，因此成为过渡期重要的低碳能源选择。

应用技术

01 | 氢能：氢燃料电池等应用技术仍面临一定挑战

未来氢作为能源利用的主要方式将是燃料电池，但目前燃料电池在技术方面仍面临一定的挑战，氢燃料电池目前“卡脖子”的关键技术就是催化剂和膜电极。

目前催化剂占整个电堆的成本不是很高，比如生产规模为千套级别时，催化剂的成本占比为20%-30%之间。另外，燃料电池的耐久性、稳定性和安全性等方面仍需进行大量研究和实验。由于氢燃料的复杂性和危险性，如何消除消费者对于氢能源安全性的顾虑也是氢燃料电池产业面临的产业化难题之一。

02 | 绿氨：掺氨燃烧技术取得突破，纯氨燃烧仍处于探索阶段

绿氨作为能源而言，发电和交通是最主要的利用领域。在发电行业，掺氨燃烧技术已经比较成熟。

国家能源集团开发出了“燃煤锅炉混氨燃烧技术”，是国际上首次实现400兆瓦等级燃煤锅炉氨混燃比例为35%的氨煤混燃技术，这项技术成功验证了燃煤锅炉混氨燃烧的可行性。目前，国家能源集团在中国神华广东台山电厂600兆瓦燃煤发电机组上实施了高负荷发电工况下煤炭掺氨燃烧试验，这是当前全球完成掺氨燃烧试验验证的容量最大机组。

03 | 绿色甲醇：下游应用成熟，是理想的过渡期低碳能源

绿色甲醇是目前氢基能源中发展最快的能源，也是目前最理想的低碳过渡能源。因此，航运等行业均选择使用甲醇作为减少碳排放的重要手段。远洋航运已经通过技术改造，将甲醇作为燃料应用于远洋航运中，并实现了商业化运行。

综述

政策、需求和技术是未来氢基能源产业发展过程中影响最大的3个因素。政策端，中国已经形成了较为完备的产业支持政策，但在“双碳”政策方面仍需尽快完善相关碳市场的建设。需求端，在欧盟政策要求下，目前远洋航运对于绿色甲醇的需求已呈现增长趋势，中国未来市场需求需要中国政策端的进一步跟进。技术端，需要继续优化，降低生产成本；下游应用方面，绿色甲醇已经具备应用条件，绿氨及绿氢的应用仍面临一定的技术难题。