我國氫氣生產以西北、華北為主，主要來自化石能源：2020年我國氫能產量和消費量均已突破2500萬噸，已成為世界第一大制氫大國。從區域分布看，氫能生產主要產生在西北和華北地區，產量超過400萬噸的省份有內蒙和山東，產量超過300萬噸的省份有新疆、陜西和山西。氫能源按生產來源劃分，可以分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。目前，我國氫氣主要來自灰氫。未來與大規模光伏發電或風力發電配套的電解水制綠氫將成為發展趨勢。
副產氣制氫在技術經濟環境方面具有顯著優勢：氫氣生產方式較多，有氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據優勢。比如丙烷脫氫成本約13元/kg，水電解制氫成本約30元/kg。各地區發展氫能產業鏈時，應充分結合區域能源結構，優先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
氫能冶金領域處于研究示范階段：我國鋼鐵行業碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，面臨較大的碳減排壓力。從生產工藝來看，鋼鐵行業碳排放主要來自焦炭。國內外鋼鐵企業均有嘗試使用氫氣替代焦炭冶煉，按照2020年生產10.5億噸粗鋼，估算需要3.5萬億kWh電生產氫氣，大約占2020年電力生產的47%。
氫能用于交通領域進入推廣應用階段：我國燃料電池汽車已進入商業化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。預計2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，交通運輸領域用氫2458萬噸，約占該領域用能比例19%，燃料電池車產量達到520萬輛/年。
投資建議：氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇。隨著氫能逐步用于汽車、鋼鐵等行業，氫能的利用量將逐步增長，焦化、氯堿、丙烷脫氫和乙烷裂解等產業受益副產氫氣應用。氫能煉鋼還處于研究和示范階段，建議關注頭部公司的示范進展。氫燃料電池車輛由于能量效率高、安全性高、無排放、壽命長等優點，有望逐步推廣。
風險提示：1）碳中和政策實施不及預期；2）氫能價格難以大幅下降；3）燃料電池成本下降不及預期；4）氫能冶金技術發展不及預期。
01
氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇
氫能（氫的能源利用）受到全球廣泛關注，成為應對氣候變化、建設脫碳社會的重要產業方向。歐、美、日、韓等發達國家紛紛制定氫能路線圖，加快推進氫能產業技術研發和產業化布局。
當前，我國氫氣生產利用主要在以石化化工行業為主的工業領域，以“原料”利用為主，“燃料”利用為輔。我國發展氫能具有良好基礎，也面臨諸多挑戰。綠氫供應、氫儲運路徑和基礎設施建設、氫燃料電池核心技術裝備、氫燃料電池汽車技術裝備等均待逐一攻破，必須實事求是、客觀冷靜、積極創新，爭取少走彎路，開創氫能技術突破和產業化新局面。
氫能產業已成為我國能源戰略布局的重要部分。2020年，氫能被納入《能源法》（征求意見稿）。2021年，氫能列入《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》未來產業布局。
氫能產業發展初期，依托現有氫氣產能、就近提供便捷廉價氫源，支持氫能中下游產業發展，降低氫能產業起步難度，具有積極的現實意義。綠氫在“碳中和”中可以用在綠電無法發揮作用的領域實現互補，如氫冶金、化工、重卡交通燃料、供熱等。面向未來，當綠氫成為穩定足量的低價氫源時，綠氫促進工業脫碳將更好地發揮氫能價值。
疫情未改變氫能產業投資積極局面。根據公開信息初步統計，2019年氫燃料電池產業相關投資及規劃資金1805億元。盡管受到疫情影響，2020年氫能產業整體發展速度有所放緩，但在投資方面，投資金額1600億元，僅有11%左右的降幅，顯示了市場對于氫能產業依舊充滿信心。
02
當前中國氫氣生產分布和來源
2.1氫能分布在西部
2019年以來，國家、各級地方政府對氫能產業發展高度重視，陸續出臺了多項規劃和發展目標，眾多企業和科研機構紛紛開展技術攻關。中國煤炭加工利用協會統計，2020年我國氫能產量和消費量均已突破2500萬噸，已成為世界第一大制氫大國。
從區域分布看，氫能生產主要產生在西北和華北地區，根據2019年數據，產量超過400萬噸的省份有內蒙和山東，產量超過300萬噸的省份有新疆、陜西和山西，產量超過200萬噸的省份有寧夏、河南和河北，產量超過100萬噸的省份有江蘇、安徽、四川、遼寧和湖北。
2.2氫氣來源仍然以化石燃料為主
氫能源按生產來源劃分，可以分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。“灰氫”是指利用化石燃料石油、天然氣和煤制取氫氣，制氫成本較低但碳排放量大；“藍氫”是指使用化石燃料制氫的同時，配合碳捕捉和碳封存技術，碳排放強度相對較低但捕集成本較高；“綠氫”是利用風電、水電、太陽能、核電等可再生能源電解制氫，制氫過程完全沒有碳排放，但成本較高。目前，我國氫氣主要來自灰氫。
從來源看，我國的氫源結構目前仍是以煤為主，來自煤制氫的氫氣占比約62%、天然氣制氫占19%，電解水制氫僅占1%，工業副產占18%。就消費情況看，目前的氫能基本全部用于工業領域，其中，生產合成氨用氫占比為37%、甲醇用氫占比為19%、煉油用氫占比為10%、直接燃燒占比為15%、其他領域占比為19%。
（1）以煤為原料制氫
煤制氫的本質是以煤中碳取代水中的氫，最終生成氫氣和二氧化碳。這里，碳起到還原作用并為置換反應提供熱。
以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：
一是煤的焦化（或稱高溫干餾），煤在隔絕空氣條件下，在900-1000℃制取焦炭，副產品為焦爐煤氣。焦爐煤氣組份中含氫氣55%-60%(體積）、甲烷23%-27%、一氧化碳5%-8%等。每噸煤可得煤氣300-350m3，作為城市煤氣，亦是制取氫氣的原料。
二是煤的氣化，使煤在高溫常壓或加壓下，與水蒸汽或氧氣（空氣）等反應轉化成氣體產物。氣體產物中氫氣的含量隨不同氣化方法而異。
（2）天然氣制氫
天然氣的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氫。和煤制氫相比，用天然氣制氫產量高、加工成本較低，排放的溫室氣體少，因此天然氣成為國外制造氫氣的主要原料。其中天然氣蒸汽轉化是較普遍的制造氫氣方法。
（3）重油部分氧化制造氫氣
重油是煉油過程中的殘余物，可用來制造氫氣。重油部分氧化過程中碳氫化合物與氧氣、水蒸氣反應生成氫氣和二氧化碳。該過程在一定的壓力下進行，可以采用催化劑，這取決于所選原料與過程。
（4）水電解制造氫氣
水電解制得的氫氣純度高，操作簡便，但需耗電。水電解制氫的效率一般在75%-85%，一般生產1m3氫氣和0.5m3氧氣的電耗為4-5kWh。根據熱力學原理，電解水制得1m3氫氣和0.5m3氧氣的最低電耗要2.95度電。
根據石油和化學工業規劃院統計，我國電解水制氫裝置約1500-2000套，產量約10-20萬噸。與大規模光伏發電或風力發電配套的電解水制氫裝置正在進行小規模示范。
項目1：河北建投張家口沽源風電制氫綜合利用示范項目
投資方：河北建投新能源有限公司
建設規模：200MW風電場、10MW電解水制氫和氫氣綜合利用系統
制氫能力：1752萬標準立方米
制氫規模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：20.3億元
年銷售收入：2.6億元
項目2：吉林省長嶺龍鳳湖20萬千瓦風電制氫示范項目
投資方：北京天潤新能有限公司
建設規模：200MW風電場、700萬立方米制氫、CNG混氫項目（H2：CNG＝2：8混合進CNG汽車）
制氫規模：一期4MW電解水制氫+2×400Nm3/h中壓水電解制氫設備
總投資：25.5億元
（5）生物質制造氫氣
家庭、農業、林業等產生的生物質可用于生產氫氣。原料包括楊樹、柳樹和柳枝，以及來自厭氧消化或垃圾填埋所產生的沼氣等。生物質可以使用成熟的技術進行氣化，甚至在氣化過程中與煤或廢塑料共同反應，如果與碳捕獲技術結合，就有可能生產出負碳氫。沼氣有額外的凈化要求，可以通過類似于蒸汽甲烷重整（SMR）的過程進行改造以產生氫氣。
（6）工業副產氫氣凈化
焦爐氣、氯堿、丙烷脫氫制丙烯和乙烷裂解制烯烴副產的粗氫氣可以經過脫硫、變壓吸附和深冷分離等精制工序后作為燃料電池車用氫源，成本遠低于化工燃料制氫、甲醇重整制氫和水電解制氫等路線。
03
不同技術制氫的技術經濟環境性分析
氫氣生產方式較多，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣、甲烷、煤炭、天然氣、電解水等多種制氫方式。其中，氯堿副產氣、干氣、焦爐煤氣、乙烷裂解副產氣等副產氣制氫在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占據優勢。各地區發展氫能產業鏈時，應充分結合區域能源結構，優先使用副產氫氣和富余能源進行利用。
從能源效率來看，氯堿副產氣制氫、干氣制氫、焦爐煤氣提取制氫能源效率均在80%以上，天然氣制氫、乙烷裂解副產氣制氫、PDH副產氣制氫、甲醇制氫、焦爐煤氣轉化制氫能源效率60%-80%，煤制氫能源效率在50%-60%，電解水制氫能源效率在50%以下。
從污染物排放來看，排污強度由小到大分別為：電解水制氫
從碳排放來看，副產氣制氫從成本來看，制氫成本與原料價格關系最大，控制氫能價格需要控制原料價格；根據設定的價格范圍，從平均成本看，焦爐煤氣制氫04
氫能冶金領域處于研究示范階段
根據中國經濟導報于2020年10月14日發表的《鋼鐵行業是落實碳減排目標的重要責任主體》一文中相關專家提供的數據，我國鋼鐵行業碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是國內碳排放量最高的制造業行業。
從生產工藝來看，鋼鐵行業碳排放主要在于長流程生產工藝是以煤炭為能源、焦炭為還原劑來進行輔助冶煉，而煤炭和焦炭是鋼鐵行業產生二氧化碳排放的主要來源。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產過程中的碳使用量（甚至不用碳），在這方面，瑞典鋼鐵HYBRIT項目、SALCOS項目和H2FUTURE項目等都是有益的探索。寶鋼、河鋼、酒鋼等國內鋼鐵企業也在開展氫能冶金的研究和示范項目。從現有數據看，2020年我國鋼鐵行業用煤7.3億噸，如果完全被氫氣替代，將產生大量氫能需求。根據瑞典HYBRIT項目估算，450萬噸/年鋼鐵產能需要150億kWh電制氫，按照2020年生產10.5億噸粗鋼，需要3.5萬億kWh電，大約占2020年電力生產的47%。
（1）瑞典鋼鐵HYBRIT項目
2016年，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典大瀑布電力公司（VATTENFALL）和瑞典礦業集團（LKAB）聯合成立了HYBRIT項目，主要目的是大幅降低碳排放。按照HYBRIT項目計劃，2016年-2017年為項目預研階段，主要工作內容包括評估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲和利用等。
2018年初公布的研究結果表明：按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，HYBRIT項目采用的氫冶金工藝成本比傳統高爐冶煉工藝高20%-30%。SSAB采用長流程工藝的噸鋼二氧化碳排放量為1600千克（歐洲其他國家的水平約為2000千克-2100千克），電力消耗為5385千瓦時；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量僅為25千克，電力消耗為4051千瓦時。
該項目的中試研究階段為2018年-2024年，示范運行階段為2025年-2035年。在為期10年的示范運行階段主要進行運行測試，以確保到2035年實現商業化運行。
HYBRIT項目的工藝基本思路是：在高爐生產過程中用氫氣取代傳統工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發電產生的電力電解水產生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，產生海綿鐵（直接還原鐵），并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣，水蒸氣在冷凝和洗滌后實現循環使用。
（2）薩爾茨吉特SALCOS項目
2019年4月份，在漢諾威工業博覽會上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司（以下簡稱薩爾茨吉特）與TENOVA公司（一家為金屬上下游行業提供節能降耗技術解決方案的公司）簽署了一份諒解備忘錄，旨在繼續推進以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少二氧化碳排放的SALCOS項目。
SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐煉鋼工藝路線進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。
（3）奧鋼聯H2FUTURE項目
2017年初，由奧鋼聯發起的H2FUTURE項目旨在通過研發突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放，最終目標是到2050年減少80%的二氧化碳排放。
H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、VERBUND（奧地利領先的電力供應商，也是歐洲最大的水力發電商）公司、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心組等。
05
氫能用于交通領域進入推廣應用階段
5.1氫能+燃料電池產業鏈市場前景廣闊
（1）氫燃料電池產業鏈
氫燃料電池產業鏈包括：制氫、儲運氫、加氫站、燃料電池系統、燃料電池各項應用。其中儲運氫技術主要包括氣態儲運、低溫液態儲運、固體儲運、有機液態儲運。
（2）國家和地方均出臺氫燃料汽車政策支持產業發展
《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》指出，要有序推進氫燃料電池供給體系建設，包括提高氫燃料制儲運經濟性和推進加氫基礎設施建設。此外，要建設智能基礎設施服務平臺，統籌加氫技術和接口、車用儲氫裝置。
示范應用推動行業快速發展。2020年9月五部委下發了《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，指出示范期暫定為四年，示范期間，五部門將采取“以獎代補”方式，對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。隨著國家及地方產業政策的逐步實施、我國氫燃料電池核心技術的逐步突破積累、相關配套產業的逐步完善，氫燃料電池及新能源汽車行業未來將有廣闊的發展空間。
各地搶抓氫能產業布局，目前已有包括京津冀、長三角、珠三角、四川、山東等30余個省市級的氫能發展規劃相繼出臺。
（3）氫燃料電池產業進入商業化初期，前景廣闊
我國燃料電池汽車已進入商業化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。加氫站建設進度逐步加快，截止2020年底，加氫站建成128座。同時，中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛跨界發展氫能產業。
根據國際氫能委員會預計，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，創造超過2.5萬億美元的市場價值，燃料電池汽車將占據全球車輛的20%-25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。
根據中國氫能聯盟預計，2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，氫氣需求量接近6000萬噸，其中交通運輸領域用氫2458萬噸，約占該領域用能比例19%，燃料電池車產量達到520萬輛/年。
《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》指出，交通領域將是氫能消費的重要突破口，在商用車領域，2030年燃料電池商用車銷量將達到36萬輛，占商用車總銷量的7%（樂觀情景將達到72萬輛，占商用車總銷量13%）；2050年銷量有望達到160萬輛，占比37%（樂觀情景下銷量300萬輛，占比70%以上）。
5.2氫燃料電池產業需大幅降低成本
氫燃料電池車具有能量密度高、安全、舒適等優點。燃料電池的能量密度高，可達0.5-1.0kWh/kg，特別適合重載車。電堆與氫罐是分開的，提高了發動機的安全性，電堆不易產生爆炸。氫燃料電池車在續駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車接近。
目前，氫燃料電池車必須解決購置和使用成本較高的問題，經濟性是能否大規模發展的關鍵。
a)目前燃料電池發動機貴，導致一輛車售價是燃油車的三倍左右，鋰電池車的1.5-2.0倍；
b)加氫站的建設費用高達1200-1500萬元。
c)在加氫站的加氫費用每公斤高達60-80元，只有降到40元以下才具備與燃油車競爭的基礎。
因此，要實現無補貼的燃料電池車商業化，必須大幅度降低燃料電池發動機的成本和氫氣的成本，同時降低加氫站的建設費用。
根據德勤的分析，中國氫燃料電池公交車的總成本（TCO，購買成本和運營成本）在2019年為178美元/百公里，預計到2029年TCO將下降至55美元/百公里，將低于純電動公交和燃油公交車的成本。
