氫能產(chǎn)業(yè)鏈：進(jìn)口依賴推高經(jīng)濟(jì)成本，自主可控成為發(fā)展必經(jīng)之路

氫能產(chǎn)業(yè)鏈大致可以劃分為上游（氫的制取）、中游（氫的儲運(yùn)）和下游（氫的應(yīng)用）三個(gè)部分，產(chǎn)業(yè)鏈三個(gè)部分之間相互聯(lián)系，相互影響，并且在許多細(xì)分領(lǐng)域都有著對應(yīng)的供需關(guān)系。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：洛克資本

近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速。2021 年，中國制氫的總產(chǎn)量突破了 3300 萬噸，同比增長 32%，排名世界第一。中國氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟認(rèn)為，雙碳目標(biāo)的落實(shí)將給我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇，據(jù)預(yù)測，到 2030 年碳達(dá)峰期間，我國氫氣的年需求量將達(dá)到約 4000 萬噸，在終端能源消費(fèi)中占比約為 5%；到 2060 年碳中和的情境下，氫氣的年需求量將增至約 1.3 億噸，在終端能源消費(fèi)中的占比約為 20%，其中 70% 為可再生能源制氫。

中國氫氣產(chǎn)量走勢及需求預(yù)測

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：中國氫能聯(lián)盟

氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游 · 生產(chǎn)

氫的制取

氫氣的主流制取方式可以分為三種：化石原料制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫以及電解水制氫。其中，主流的化石原料制氫方式有天然氣制氫和煤制氫，天然氣制氫主要通過甲烷蒸汽重整，在催化劑的作用下生成 H2 和 CO，分離后再對 CO 變換，與水蒸氣反應(yīng)生成 CO2 和 H2。

天然氣蒸氣重整制氫是傳統(tǒng)制氫工藝，技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)煉廠氫氣、純氫、合成氣和合成氨原料，是工業(yè)上最常用的制氫方法。煤制氫是煤炭主要以水煤漿或煤粉的形式，經(jīng)氣化爐在 1000 ℃以上的高溫條件下與氣化劑反應(yīng)生成合成氣（H2+CO），CO 與 H2 分離后 CO 經(jīng)水蒸氣變換轉(zhuǎn)變?yōu)?H2 和 CO2，再經(jīng)過脫除酸性氣體（CO2+SO2）以及 PSA 提純等工藝流程，得到高純度的氫氣。

近些年從原料的易得性和成本角度出發(fā)，越來越多的制氫企業(yè)，如煉廠和尿素廠選擇煤制氫工藝，同時(shí)近幾年煤制油和煤制烯烴等煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展也使煤氣化技術(shù)獲得了更大發(fā)展空間，技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)和操作水平獲得了較大提升。

工業(yè)副產(chǎn)氫是指工業(yè)過程中所產(chǎn)氫氣并非目標(biāo)產(chǎn)品，而是副產(chǎn)品，主要包括煉廠的催化重整、丙烷脫氫、焦?fàn)t煤氣及氯堿化工等。雖然明面上存在著許多可以制氫的工業(yè)副產(chǎn)品，但由于技術(shù)水平、產(chǎn)需空間分離等原因，工業(yè)副產(chǎn)制氫更多地是充當(dāng)一個(gè) " 過渡 " 的角色，而非未來氫能生產(chǎn)的主流。

電解水制氫是最為綠色環(huán)保的制氫手段，且產(chǎn)品純度高，利用風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫，既能實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)，又能將波動(dòng)大的風(fēng)能光能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氫能源，供未來隨時(shí)隨地使用。根據(jù)電解質(zhì)的不同，可以分為堿性電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）、固體氧化物電解水制氫（SOEC）。

中國制氫結(jié)構(gòu)占比圖

 

 

世界制氫結(jié)構(gòu)占比圖

 

 

根據(jù)制氫過程中碳排放量的不同，可以將制取的氫氣分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫三種。

化石原料（包括煤炭、天然氣等）以及工業(yè)副產(chǎn)品（焦?fàn)t煤氣、氯堿化工、輕烴利用等）為原料制取的氫氣在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生碳排放，因此被稱為 " 灰氫 "，這類制備方式是目前技術(shù)最成熟的制氫路線，也是成本最低，最為普遍和主流的制氫路線；另外的一種常見的制取方法為在灰氫制取的過程中輔以碳捕捉技術(shù)有效減少制氫過程中的碳排放，這種方式所得到的氫為 " 藍(lán)氫 "，但涉及成本問題，保守估計(jì)會使得制氫成本上升 15% 且仍舊無法完全解決碳排放問題；最后一種制氫的常見路線是利用清潔能源采用電解水的方式制備得到的 " 綠氫 "，以這種方法制氫不會產(chǎn)生任何碳排放，是未來理想的制氫方式，但目前綠氫制取的技術(shù)不如化石燃料制氫成熟，且成本較高，仍存在著較大的發(fā)展空間。

不同制氫方式制氫成本區(qū)間

 

 

2020-2050 中國氫氣結(jié)構(gòu)及預(yù)測

 

 

氫的純化

氫氣的生產(chǎn)過程中還會伴隨著少量的氨氣等副產(chǎn)品的生成，由于氫氣的爆炸極限范圍大（在空氣中 18.3％-59％），氫氣中的雜質(zhì)帶來了安全隱患，使氫氣可能發(fā)生爆炸。此外，不同的儲運(yùn)方式以及應(yīng)用需求對氫氣的狀態(tài)和純度提出了不同的要求，比如半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝需要使用 99.999% 以上的高純氫，這就要求對生產(chǎn)制成的氫氣進(jìn)行純化。

氫氣的純化主要采取變壓吸附 PSA 法，根據(jù)吸附原理的不同，可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種方法。物理吸附的原理是使制取后的氫氣混合氣通過相應(yīng)的一些物理材料，利用這些物理材料對氫氣和其他氣體的吸附能力不同，從而達(dá)到提純氫氣的作用。化學(xué)吸附的原理是利用一些化學(xué)反應(yīng)，對氫元素進(jìn)行捕捉，之后再通過還原反應(yīng)還原成高純度的氫氣。通常 PSA 系統(tǒng)通過一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，由許多裝有吸附材料的容器經(jīng)過相繼的升壓及降壓，以產(chǎn)生凈化氣體。

變壓吸附示意圖

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：CNKI

氫的液化

受限于氫的物理特性（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的體積能量密度很低，僅為汽油的 1/3000），實(shí)現(xiàn)高體積能量密度儲運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)的一個(gè)先決條件。而氫的液化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一條件的有效手段。目前，氫氣的液化方式主要分為兩種，即低溫液化和有機(jī)液化。

氫的低溫液化的基本原理是將氫氣壓縮冷卻至 -253 ℃使其液化并儲存在絕熱裝置中。該方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量高，液氫密度達(dá)到 70.78kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)情況下氫氣密度的 850 倍左右，體積能量密度約為 35MPa 高壓氣氫的 3 倍，約為 70MPa 高壓氣氫的 1.8 倍。

此外，液氫還有儲運(yùn)壓力低（液氫儲運(yùn)壓力＜1MPa，高壓氣氫儲運(yùn)≥ 20MPa），汽化純度高（5N-6N），長距離運(yùn)輸成本低，設(shè)備體積小，以及使用安全性好等特點(diǎn)。但是液氫的沸點(diǎn)極低，與環(huán)境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高。

氫的低溫液化技術(shù)在美國、日本、德國等以及完成了商業(yè)化，其運(yùn)輸成本為高壓氫氣的 12.5%-20.0%，在規(guī)模化運(yùn)輸方面具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。但由于以美國為首的西方國家一直對中國采取 " 嚴(yán)格禁運(yùn)，嚴(yán)禁交流 " 的策略，中國無法從國際上掌握先進(jìn)的液氫技術(shù)的公司獲得規(guī)模化制取液氫的技術(shù)和設(shè)備。

目前的國際合作主要集中在應(yīng)用端，特別是加氫站和氫燃料電池方向展開了相關(guān)的液氫合作，對于液氫的規(guī)模化制取，相關(guān)技術(shù)距離世界先進(jìn)水平差距仍然非常大。除了制作工藝外，我國對液氫環(huán)境下材料的低溫組織、性能等研究還不夠完善，材料選擇缺乏理論支撐和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，綜合導(dǎo)致我國液氫的制造成本極其高昂，目前主要用于航天等領(lǐng)域，民用方面剛剛起步。

目前，國內(nèi)液氫項(xiàng)目正加速落地，如北京航天 101 所研發(fā)的液氫工廠產(chǎn)能達(dá)到了 2t/ 天，雖然和國外先進(jìn)水平差距仍非常大，但擺脫了航天領(lǐng)域液氫燃料的對外依賴，緩解了燃眉之急。未來，國內(nèi)的大型氫液化裝置主要需要突破低溫氫工況材料選用，氫、氦透平膨脹機(jī)研制和正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑等技術(shù)難題，如果未來技術(shù)突破，大型氫液化裝置的國產(chǎn)化將快速推進(jìn)液氫成本下降。

此外，中國近年新建加氫站絕大多數(shù)采用液氫技術(shù)路線（已占加氫站總量 30%），有多家企業(yè)涉足液氫裝備市場并取得一定突破，但我國裝備的性能、成本控制等方面仍有差距，仍需進(jìn)一步加大研發(fā)力度，加速相關(guān)設(shè)備、零部件的國產(chǎn)化進(jìn)程。

在目前的實(shí)際應(yīng)用中，液化 1kg 氫氣需要消耗 11-15 度電左右，這是制約液氫發(fā)展和商業(yè)化利用的最主要的因素，如果未來可以降低到 6-9 度電左右，將推動(dòng)液氫成本的大幅下降。此外，液氫的儲運(yùn)和應(yīng)用的環(huán)節(jié)對密封工藝也有較高的要求，要防止水蒸氣、氮?dú)狻⒀鯕獾瓤赡芫奂谝簹涔迌?nèi)的物質(zhì)的混入。

低溫液氫的產(chǎn)業(yè)鏈

 

 

氫的有機(jī)液化是指利用氫和液態(tài)有機(jī)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機(jī)物和氫氣的可逆反應(yīng)。其中，加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的儲存，脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的釋放，質(zhì)量儲氫密度在 5％-10％，目前主要的液態(tài)載體有氨（NH3）、甲醇（CH3OH）和液態(tài)有機(jī)氫載體（LOHC）。

但這種方法有一定幾率發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)生雜質(zhì)氣體，而且催化劑易被中間產(chǎn)物毒化。此外，液氫儲存壓縮能耗過大，需配備相應(yīng)的加氫、脫氫設(shè)備。未來的技術(shù)發(fā)展方向有提高低溫下有機(jī)液體儲氫介質(zhì)的脫氫速率與效率、增強(qiáng)催化劑反應(yīng)性能等。

總之，氫的有機(jī)液化技術(shù)要求較高，目前已有國內(nèi)部分通過和日本等國外公司的合作開展商業(yè)化利用，但距離真正的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還存在著較遠(yuǎn)的距離。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈中游 · 儲運(yùn)

儲運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中連接生產(chǎn)端與應(yīng)用端的關(guān)鍵橋梁。由于氫氣具有常溫常壓下性質(zhì)活潑、燃燒迅速、爆炸極限范圍大等特點(diǎn)，這導(dǎo)致氫能的安全高效輸送和儲存難度較大。因此，發(fā)展安全、高效、成本可控的儲運(yùn)氫技術(shù)是氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的前提。

目前絕大部分的氫氣都被用作化工原料，作為一種作為一種工業(yè)生產(chǎn)流程的附屬或中間產(chǎn)品，其生產(chǎn)制造和應(yīng)用大都是就近發(fā)生。但如果將氫視為未來的重要能源，其應(yīng)用場景和規(guī)模將遠(yuǎn)超現(xiàn)在，氫的制取與應(yīng)用將不局限于就近制取就近應(yīng)用。

由于我國氫能資源呈逆向分布，在資源上 " 西富東貧、北多南少 "，而在需求上則恰恰相反，因此大規(guī)模氫能儲運(yùn)體系的建立是發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)體系的基礎(chǔ)，這也就意味著未來氫能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)性的規(guī)模化儲運(yùn)。

氫的儲存

氫在常態(tài)下是氣體，它的儲存要比固體的煤以及液體的石油更加困難。由于氫原子半徑很小，氫氣能穿過大部分肉眼看不到的微孔，在高溫高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。而且氫氣性質(zhì)活潑，穩(wěn)定性差，泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸，這些因素都對氫氣的儲運(yùn)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。此外，氫的 " 氫脆特性 " 也對儲存氫的容器以及相應(yīng)的密封工藝提出了較高的要求。

通常情況下，氫氣可以氣體、液體、化合物等形態(tài)儲存，儲存方式按照原理可以分為物理儲存和化學(xué)儲存，主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機(jī)液態(tài)儲氫和固體儲氫材料儲氫等，其中高壓氣態(tài)儲氫書目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的儲氫方式，而固態(tài)儲氫材料儲氫技術(shù)門檻較高，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，國內(nèi)已有的項(xiàng)目多為示范工程，未被大規(guī)模商業(yè)化利用。

氫的儲存方法分類

 

 

* 資料來源：CNKI

高壓氣態(tài)儲氫是目前主要的儲氫方法，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低，缺點(diǎn)是體積儲氫密度小，效率較低，未來的技術(shù)重點(diǎn)在于提高單位體積儲氫密度。

低溫液態(tài)儲氫的優(yōu)點(diǎn)是體積儲氫密度高，且液氫純度較高，缺點(diǎn)是液化過程耗能較大，成本較高，主要用于航空航天領(lǐng)域，未來的技術(shù)重點(diǎn)在于降低生產(chǎn)能耗和提高儲氫設(shè)備的隔熱材料特性以及密封效率。

有機(jī)液態(tài)儲氫的優(yōu)點(diǎn)在于儲氫密度高、儲運(yùn)安全方便、可循環(huán)使用，而且可以和傳統(tǒng)的是由基礎(chǔ)設(shè)施通用進(jìn)行運(yùn)輸和加注，缺點(diǎn)在于操作條件較為苛刻且有幾率發(fā)生副反應(yīng)，未來技術(shù)重點(diǎn)在于提高相關(guān)可逆化學(xué)反應(yīng)效率以及減少副反應(yīng)產(chǎn)物生成。

固體儲氫的優(yōu)點(diǎn)在于純度較高、操作便捷安全，但技術(shù)條件過高，目前主要處于實(shí)驗(yàn)室階段。固態(tài)儲氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學(xué)吸附和物理吸附的方式實(shí)現(xiàn)氫的存儲，國外固態(tài)儲氫已在燃料電池潛艇中商業(yè)應(yīng)用，在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲氫中得到示范應(yīng)用；國內(nèi)固態(tài)儲氫已在分布式發(fā)電中得到示范應(yīng)用。

主要儲氫方式特征對比

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：曹軍文《氫氣儲運(yùn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》

氫的運(yùn)輸

氫的主要運(yùn)輸方式有高壓長管拖車運(yùn)輸（氣）、液態(tài)槽車運(yùn)輸（液）、管道運(yùn)輸（氣）等。從終端氫氣價(jià)格組成來看，氫氣儲運(yùn)成本占總成本的 30% 左右，經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲運(yùn)氫技術(shù)已成為當(dāng)前制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸之一。

長管拖車運(yùn)輸是目前技術(shù)最為成熟的運(yùn)輸方式，通常做法是將壓縮后的高壓氫氣輸入運(yùn)氫長管拖車進(jìn)行運(yùn)輸，目前國內(nèi)的長管拖車的工作壓力一般為 20MPa，而國外的長管拖車的工作壓力可達(dá)到 45MPa-70MPa，運(yùn)輸效率更高。

在運(yùn)輸過程中，通常使用灌裝壓力為 15.2MPa 的儲氫鋼瓶當(dāng)作充放氫的介質(zhì)容器。這種運(yùn)輸方法的優(yōu)點(diǎn)是儲氫成本低，充放氣速度快，在常溫下就可以進(jìn)行，且在輸送、儲存、消費(fèi)過程中不發(fā)生相變，能量損失小。

但是它的弊端也很顯著，由于氫氣密度小，而儲氫壓力容器自重大，單位質(zhì)量的儲氫密度只有 1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右，國內(nèi)常見的單車運(yùn)氫量僅為 260-460kg。而且雖然儲氫瓶充放氫速度快，但氫氣瓶卸車時(shí)間較長，需要 2-6h，總體運(yùn)輸效率較低。

此外，其運(yùn)輸成本會隨距離增加而大幅上升，多數(shù)用于城市間短距離運(yùn)氫，不適合大規(guī)模長距離運(yùn)輸。隨著未來氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫氣的大規(guī)模長距離運(yùn)輸需求會進(jìn)一步上升，僅靠長管拖車氣態(tài)運(yùn)輸將很難滿足需求。

長管拖車運(yùn)輸成本構(gòu)成

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：EVtank

低溫液化運(yùn)輸主要是指利用氫氣在低溫高壓的條件下（101kPa，-253 ℃以下）轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫，通過特定容器進(jìn)行運(yùn)輸?shù)姆绞健Ｒ夯瘹錃饩哂写鎯ΑΥ嫘矢摺⒛芰棵芏却?( 12-34MJ/kg ) 的特點(diǎn)，可以滿足氫氣的大規(guī)模長距離運(yùn)輸需求。

但低溫液化運(yùn)輸對容器的保溫性能要求很高，而卻將液態(tài)氫從液氫罐轉(zhuǎn)移到加氫站儲氫罐里時(shí)，由于要將配管冷卻到液態(tài)氫溫度，會有一定程度的蒸發(fā)損失。此外，防止水蒸氣、氮?dú)狻⒀鯕獾瓤赡芫奂谝簹涔迌?nèi)的物質(zhì)的混入也是很重要的，對運(yùn)輸過程的密封工藝也提出了較高的要求。

低溫液化儲氫成本構(gòu)成

 

 

有機(jī)液化運(yùn)輸是指利用氫和液態(tài)有機(jī)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，主要是借助和某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機(jī)物和氫氣的可逆反應(yīng)。

其中，加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的儲存，脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的釋放，質(zhì)量儲氫密度在 5％-10％，可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓運(yùn)輸，方便安全。但是儲氫載體的儲氫質(zhì)量百分比意味著運(yùn)輸相同質(zhì)量的氫，載體的總質(zhì)量會更大，而對于運(yùn)輸過程而言，質(zhì)量的重要性要高于體積，這是該方法的主要缺點(diǎn)。

此外，這種方法還存在著有幾率發(fā)生副反應(yīng)、催化劑易被中間產(chǎn)物毒化、液氫儲存壓縮能耗過大等問題。未來的技術(shù)突破方向是：提高低溫下有機(jī)液體儲氫介質(zhì)的脫氫速率與效率、催化劑反應(yīng)性能、降低脫氫成本及操作難度。

目前主要的液態(tài)載體有氨（NH3）、甲醇（CH3OH）和液態(tài)有機(jī)氫載體（LOHC）。其中，液氨是最有效的長距離，特別是跨洋氫氣輸送的最佳載體。但在成本方面，甲醇和甲基己烷更有競爭力。

氫的四種液化運(yùn)輸方式成本對比

 

 

* 數(shù)據(jù)來源：化工進(jìn)展

液態(tài)管道運(yùn)輸是指利用管道運(yùn)輸液氫的運(yùn)輸方式，這種方式可以保證液氫的高純度，但設(shè)備成本高昂，需要隔熱、強(qiáng)度性能優(yōu)異的材料制作管道以維持液氫的低溫高壓狀態(tài)，不適用于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸液氫。目前主要的液氫運(yùn)輸管道基本都維持在 2km 以內(nèi)，一般建在航天發(fā)射場內(nèi)，用于服務(wù)航空航天項(xiàng)目。

氣態(tài)管道運(yùn)輸無論在成本上還是在能量消耗上都有著獨(dú)特的優(yōu)勢。氫的氣態(tài)管道運(yùn)輸主要有兩種方法：一類是利用天然氣管道，和天然氣混合輸送；另一類是修建新的純氫管道。

天然氣摻氫管道運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢在于節(jié)約建設(shè)成本，由于純氫管道的高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，新建純氫管道的成本十分高昂。目前氫氣長輸管道的造價(jià)約為 63 萬美元 / 公里，約為天然氣管道（25 萬美元 / 公里）的 2.5 倍。而天然氣摻氫項(xiàng)目可以利用我國現(xiàn)有的、已經(jīng)具備大規(guī)模輸送能力的天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸。相關(guān)的研究表明，氫氣體積分?jǐn)?shù)小于 20％的天然氣和氫氣的混合氣可以直接采用天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸，無需任何改造，可以大大節(jié)約前期的建設(shè)投入。

但這種運(yùn)輸方式也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，首先，" 氫脆 " 效應(yīng)會對天然氣管道造成一定的損害。

氫脆是指由于溶于材料中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過材料的強(qiáng)度極限，在材料內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致脆化甚至開裂的現(xiàn)象。

摻氫天然氣混合了烷、氫氣、水、二氧化碳、氧氣等多種成分，這些混合氣體的協(xié)同反應(yīng)對碳素鋼等材料的疲勞裂紋擴(kuò)張速率比在純氫氣當(dāng)中的還要快，這導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴鈱艿啦牧系男阅苡绊懞艽螅夷壳暗臍浯嗟膶W(xué)術(shù)研究主要是在 " 液相 " 方面，而天然氣摻氫面臨的 " 氣相 " 氫脆問題缺少充足的理論研究基礎(chǔ)，這使得國內(nèi)外均未找到一種可行的技術(shù)材料解決這個(gè)問題。

其次，天然氣摻氫管道運(yùn)輸會面臨分離難、提純難的問題。天然氣中的氫濃度為 5％-20％時(shí)，用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于 5％時(shí)采用混合氣重整制氫方法，這拉高了運(yùn)輸過程的整體成本。最后，氫的活潑、能量大、爆炸極限范圍大等化學(xué)性質(zhì)使得天然氣摻氫運(yùn)輸?shù)陌踩钥剂砍蔀榱酥刂兄兀瑢ο嚓P(guān)工藝提出了較高要求。

純氫管道可分為長距離輸送管道和短距離配送管道。長輸管道輸氫壓力較高，管道直徑較大，適用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的點(diǎn)對點(diǎn)、長距離、大規(guī)模輸送。短距離配送管道輸氫壓力較低，管道直徑較小，適用于氫氣站與各個(gè)用戶之間的中低壓氫氣的配送。

氫氣配送管道建設(shè)成本較低，但氫氣長輸管道建設(shè)難度大、成本高。目前我國氫氣管道總里程約 400km，主要分布在環(huán)渤海、長三角等地區(qū)。盡管按照《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》預(yù)計(jì)，隨著對氫的大規(guī)模長距離的運(yùn)輸需求的逐漸上升，到 2030 年，我國氫氣管道可能達(dá)到 3000km。但受限于氫氣管道極高的建設(shè)成本和較大的技術(shù)難關(guān)，即使是大規(guī)模運(yùn)輸，其單位成本也很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，因此我們對氫氣管道的應(yīng)用前景并不看好。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的下游 · 應(yīng)用

氫能作為傳統(tǒng)的工業(yè)原料和新興的燃料能源，其應(yīng)用十分廣泛，并且相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈條還在不斷擴(kuò)張中。綜合來看，目前氫的主要應(yīng)用方向主要集中在交通領(lǐng)域、儲能領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。

在交通領(lǐng)域，氫能主要應(yīng)用于氫能源汽車、重型機(jī)械、飛機(jī)船舶等方面。氫動(dòng)力汽車是氫能主要利用方式之一，氫的熱能高，每千克氫能產(chǎn)生 33.6kW/h 能量，是汽油的 2.8 倍，且氫的燃點(diǎn)很低，火焰的傳播速度較快，比汽油汽車具有更高的燃料利用率，也不會排出污染氣體、溫室氣體。

當(dāng)前，大部分的氫能汽車都是汽油和氫氣混合同時(shí)燃燒的摻氫汽車，純氫汽車目前還在研發(fā)中。摻氫汽車相對而言，更少受到氫氣成本較高的影響，也有利于在貧油區(qū)推廣、改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況。我國的氫能應(yīng)用遵循氫燃料電池商用車先于乘用車發(fā)展的特點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼和國家政策支持下，中國氫燃料電池客車、物流車等商用車的應(yīng)用領(lǐng)先于其他氫燃料電池車型。

氫燃料電池的成本是市場化應(yīng)用的重要因素，未來 20-30 年，隨著質(zhì)子交換燃料電池的技術(shù)突破與規(guī)模效應(yīng)帶來的成本下降，氫燃料電池、乘用車等車型的市場化進(jìn)程將加快，并成為氫能在中國交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分。在非道路運(yùn)輸領(lǐng)域，中國正在氫燃料電池重型工程機(jī)械、軌道交通、無人機(jī)等領(lǐng)域積極探索，探索拓展氫能的商業(yè)化應(yīng)用范圍。

在儲能領(lǐng)域，隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源利用技術(shù)的快速發(fā)展，氫能將逐漸成為可再生能源電力系統(tǒng)中重要的儲能方式。風(fēng)力、光伏等發(fā)電方式具有隨機(jī)性、間歇性及低能量密度特點(diǎn)，大規(guī)模可再生能源發(fā)電并網(wǎng)加劇了電力系統(tǒng)供需雙重波動(dòng)性與不確定性。

可再生能源獲取的不連續(xù)的電力可以轉(zhuǎn)換為氫大規(guī)模、長期儲存起來并運(yùn)輸?shù)侥茉葱枨蟮兀谛枰臅r(shí)候隨時(shí)隨地使用。以氫能為介質(zhì)和紐帶，實(shí)現(xiàn)可再生能源與能源消費(fèi)終端的有效連接，保障可再生能源大規(guī)模、可持續(xù)開發(fā)利用。

在工業(yè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用有氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫等。氫能利用是工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳的重要實(shí)現(xiàn)路徑，在很多傳統(tǒng)重碳工業(yè)中引入氫，既能高效地促進(jìn)整個(gè)工業(yè)流程，又能減少含碳化合物的排放，如富氫還原的金屬冶煉技術(shù)、煤炭熱解制富氫燃?xì)饧夹g(shù)等。

工業(yè)部門用氫需求大，因此能夠以規(guī)模效益來降低氫能供應(yīng)鏈成本；同時(shí)，工業(yè)企業(yè)決策相對集中，可在基礎(chǔ)設(shè)施等方面率先行動(dòng)，并帶動(dòng)全社會氫能發(fā)展。未來氫能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛，氫能煉鋼、綠氫化工和天然氣摻氫將成為主要應(yīng)用場景。