王新東：氫能產業(yè)發(fā)展現狀與鋼鐵行業(yè)創(chuàng)新實踐及戰(zhàn)略思考（上篇）

一、氫能產業(yè)發(fā)展現狀及趨勢

1我國迎來氫能產業(yè)發(fā)展的重要窗口期

從16世紀開始，氫氣的特性逐漸為人所知，其具備來源廣泛、綠色低碳、能量密度高、儲用形式多樣化等諸多優(yōu)點，是公認的“最理想的清潔能源”，也是未來能源發(fā)展格局中的關鍵組成部分。伴隨著全球氣候變化壓力的增大和國際地緣沖突加劇，世界各國對新能源的關注日益高漲。國際上，美國、歐盟、日本、韓國等發(fā)達國家和地區(qū)紛紛將氫能源納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，持續(xù)推動氫能產業(yè)發(fā)展。截至2023年1月，全球共宣布了1046個大型氫能項目，歐洲地區(qū)仍然是氫能產業(yè)的全球領導者，總投資和絕對增長率均為最高，總投資達到1170億美元，占全球投資的35%左右，其次是拉丁美洲地區(qū)和北美洲地區(qū)，各占已宣布投資的15%左右。在項目類型上，最多的是大規(guī)模工業(yè)利用的氫能項目，達到553個，占比超過52%，其次是氫能源運輸項目，隨后是大型制氫項目，即每年超過1千兆瓦的可再生能源發(fā)電和超過20萬噸的低碳氫項目共有112個。據國際氫能委員會（HydrogenCouncil）預測，到2050年，氫能產業(yè)將創(chuàng)造3000個工作崗位、減排60億噸二氧化碳、達到2.5萬億美元產值，氫能在全球能源中所占比重有望達到18%。

在全球氣候目標及我國碳中和目標的約束下，我國能源消費結構和二氧化碳排放量將發(fā)生重大變化。氫能作為來源廣泛、使用過程清潔、應用領域多元化的新型能源，生產和利用技術日臻成熟，在未來綠色低碳清潔能源發(fā)展過程中，將發(fā)揮越來越重要的作用。2022年是我國“氫能行業(yè)爆發(fā)元年”，自此之后，我國開始進入氫能產業(yè)的加速發(fā)展階段，已迎來氫能產業(yè)發(fā)展的重要窗口期。

氫能相關政策密集頻發(fā)。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，明確了氫能的三大“戰(zhàn)略定位”，即氫能是未來國家能源體系的重要組成部分、氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體、氫能產業(yè)是戰(zhàn)略性新興產業(yè)和未來產業(yè)重點發(fā)展方向。2022年8月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《工業(yè)領域碳達峰實施方案》，提出推動綠色低碳技術重大突破，部署工業(yè)低碳前沿技術研究，實施低碳零碳工業(yè)流程再造工程，研究實施氫冶金行動計劃，并提出到2030年，富氫碳循環(huán)高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵、碳捕集利用封存等技術取得突破應用，短流程煉鋼占比達20%以上。此后全國多個省市自治區(qū)將氫能寫入政府工作報告，示范城市群也發(fā)布了相應發(fā)展規(guī)劃，氫能產業(yè)正加速邁入“從1到10”的進程。

氫能市場擴大，市場培育加強。截至2022年末，我國已成為世界上最大的制氫國，氫能市場也在迅速擴大，應用場景多樣化。在能源領域，氫能主要以氫燃料電池為載體應用于交通領域。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉化效率高、零碳排放等優(yōu)點。近年來，我國氫燃料電池裝機規(guī)模屢創(chuàng)歷史新高，2021年全年累計裝機量173兆瓦，同比增長119%，2022年累計裝機量506兆瓦，同比增長192%。氫燃料汽車銷量及保有量也呈現增長態(tài)勢。根據中國氫能聯(lián)盟研究院的統(tǒng)計，截至2021年底，氫燃料汽車累計保有量達到8938輛，截至2022年底，氫燃料汽車累計保有量達到12682輛。但作為氫能源產業(yè)及下游應用發(fā)展的重要基礎設施，加氫站建設布局比較分散，而且壓縮機、加氫機等核心設備和關鍵部件主要依賴進口，導致加氫站的建設成本較高。截至2022年4月，我國已建成加氫站超過250座，約占全球數量的40%，加氫站數量位居世界第一，但整體建設仍不能滿足氫燃料電池汽車發(fā)展的需求。隨著氫燃料電池汽車保有量的不斷增加，以及中石化、中石油等能源央企的加入，國內氫能市場將呈現持續(xù)擴張態(tài)勢。

氫能技術爆發(fā)。我國目前已在燃料電池、海水制氫、氫冶金及專利技術等各個領域實現了技術突破。氫燃料電池系統(tǒng)由氫氣供應系統(tǒng)、電堆等模塊組成，其中氫氣供應系統(tǒng)主要有氫氣直排流通模式、死端模式、再循環(huán)模式三種類型，相較于鎳氫電池、鋰電池等過去常用的車載電池，新能源汽車采用氫燃料電池更為理想。氫燃料電池的核心零部件實現百分之百的國產化，解決了國外技術上“卡脖子”的問題，對于我國氫能產業(yè)來說具有重大意義?；茉粗茪浼夹g存在固有的碳排放，而利用可再生能源電解水制氫則被認為是低碳氫能的技術路線，海水制氫作為未來大規(guī)模氫能系統(tǒng)的核心，其面臨的析氯腐蝕挑戰(zhàn)、熱力學機理、低氯選擇性析氧催化劑開發(fā)等關鍵原理與技術也是當前氫能制取的研究重點[6]。氫冶金技術主要分為富氫還原技術和全氫還原技術，國內鋼鐵企業(yè)為尋求低碳轉型，已經陸續(xù)布局氫能冶

模氫能系統(tǒng)的核心，其面臨的析氯腐蝕挑戰(zhàn)、熱力學機理、低氯選擇性析氧催化劑開發(fā)等關鍵原理與技術也是當前氫能制取的研究重點。氫冶金技術主要分為富氫還原技術和全氫還原技術，國內鋼鐵企業(yè)為尋求低碳轉型，已經陸續(xù)布局氫能冶金產業(yè)，代表性企業(yè)有河鋼集團、寶武集團、建龍集團及邢鋼等，可以從源頭上解決鋼鐵冶煉過程中碳排放量大的問題，推進我國實現“雙碳”目標的進程。

氫能相關產業(yè)應用進入深度探索期。隨著我國可再生能源的迅猛發(fā)展及國家政策的大力支持，風力、光伏發(fā)電相關技術及建設規(guī)模已達到世界領先水平，綠氫的制備成本有望持續(xù)下降。氫能的應用場景也在逐漸擴大，例如氫燃料電池已經不局限于應用在車輛上，在航運領域、民用無人機領域都有成熟應用，氫能將成為長途卡車運輸、航運、鋼鐵冶金等應用場景中最具競爭力的低碳解決方案之一。2019年6月，國際能源署就在相關研究中指出，未來氫氣將作為能源物質參與國際貿易，并逐步取代天然氣的地位。在氫能的國際貿易中，我國具備大規(guī)模生產綠氫的潛力，也具備輸送綠氫給韓國、日本等氫氣進口國家的地理優(yōu)勢。發(fā)展綠氫貿易將會改變中國能源的版圖，在未來使“氫人民幣”取代“石油美元”成為可能。

2“制-儲-運-用”氫產業(yè)鏈全方位發(fā)展

1）制氫。在制氫方面，我國是世界最大的產氫國。2022年我國氫氣產能約為4100萬噸/年，產量為3781萬噸/年，預計在2030年碳達峰愿景下，我國氫氣的產量預期將超過5000萬噸/年。氫的制取主要有三種較為成熟的技術路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫；二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產制氫；三是以堿性電解水、質子交換膜電解水為代表的電解水制氫。三種技術路線的優(yōu)點、缺點和發(fā)展現狀詳見表1所示。

煤制氫技術發(fā)展已經有百余年，技術成熟且成本低，是目前最經濟的大規(guī)模制氫技術之一。煤制氫的主要工藝是將煤與水蒸汽混合，在外供熱量的高溫條件下發(fā)生氣化反應，生成以氫氣和一氧化碳為主的混合氣，再經過水煤氣變換、氫氣提純等流程，獲得高純度的氫氣產品。天然氣制氫技術具有高效率、較低的碳排放量、適用于大規(guī)模生產等優(yōu)點，主要應用蒸汽重整法，而部分氧化法、自熱重整法、催化裂解法等其他方法的技術成熟度尚不足夠。蒸汽重整法是在高溫高壓條件下，使用以三氧化二鋁為載體的鎳基催化劑，將甲烷和蒸汽催化轉化為氫氣和一氧化碳，合成氣需要經過水煤氣變換、凈化提純等流程才能獲得最終產品。方法經濟性強，裝置運行可靠，但催化劑易失活，后續(xù)發(fā)展還要借助于高活性催化劑的研發(fā)、反應裝置改進等技術突破?？傮w來說，化石燃料制氫方式技術成熟，成本較低，但碳排放量大，需要與二氧化碳捕集封存技術相結合，將“灰氫”轉變?yōu)?ldquo;藍氫”。

煤焦化工業(yè)、氯堿工業(yè)等工業(yè)生產過程中，會伴隨產生大量的副產氫氣，這類副產氫氣純度不高，由于提純設備投資大、下游市場對氫氣需求量較低等原因，在很長時間內都未被充分開發(fā)利用。隨著氫氣提純技術和氫能相關產業(yè)的發(fā)展，目前工業(yè)副產制氫方式也實現大規(guī)模市場應用，逐漸具備經濟競爭力，但因建設地點深受原材料供應限制，無法作為規(guī)?；谢臍淠茉垂?。

電解水制氫方式主要分為堿性電解水制氫技術、質子交換膜電解水制氫技術、高溫固體氧化物制氫技術，不會產生二氧化碳或其他有毒有害物質的排放，當與可再生能源電力相結合時，可以獲得真正意義上的“綠氫”。堿性電解水制氫技術是目前技術最成熟、成本最低的電解水制氫方式，已有數十年的應用經驗，但是該技術使用強堿作為電解質，使用石棉作為電解槽隔膜，對環(huán)境有一定的危害，而且啟停調節(jié)速度慢，不適用于波動性強的可再生能源發(fā)電。質子交換膜電解水制氫技術電流密度高，電解槽體積小，無堿液腐蝕污染，運行靈活，與可再生能源發(fā)電具備良好的匹配性，近年來產業(yè)化發(fā)展迅速，但設備成本相對高，催化劑成本高且稀缺，導致制氫成本高，還有待于材料和技術的進一步研發(fā)。高溫固體氧化物制氫尚處于實驗室研究階段，未投入工業(yè)化應用?？傮w來說，電解水制氫方式是極具前景的綠色制氫技術路徑，理論轉化效率高、氫氣產品純度高，但高成本始終限制其進一步工業(yè)化發(fā)展，其中電價是主要因素，占電解水制氫成本的60%-70%。

因“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦影響，我國的氫源結構目前仍是以煤制氫為主，占比達62%，其他方式中天然氣制氫占比19%、工業(yè)副產氣制氫占比18%、電解水制氫僅占1%。隨著我國風光發(fā)電成本的大幅度下降，可再生能源電解水制氫的綜合成本也將下降，其占比有望持續(xù)提升。

2）儲氫。氫的儲存方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體儲氫三種方式。高壓氣態(tài)儲氫是通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器中進行儲存，具有充放氫速度快、容器結構簡單等優(yōu)點，是現階段主要的儲氫方式，已得到廣泛應用。儲氫容器可以分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類，其中鋼質氫瓶和鋼質壓力容器技術最為成熟，成本較低。商用高壓儲氫瓶主要分為四大類型，美日等國家燃料電池汽車的主流車載儲氫技術是70兆帕碳纖維纏繞Ⅳ型瓶，而我國仍使用35兆帕碳纖維纏繞Ⅲ型瓶，儲氫技術及設備與發(fā)達國家差距較大，且關鍵零部件仍依賴進口。我國Ⅳ型儲氫瓶正處于起步階段，Ⅳ型儲氫瓶具備輕量化、高壓力、高儲氫密度、長壽命等優(yōu)勢，將成為氫燃料電池乘用車的首選儲能裝備。2023年5月，國家標準《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型瓶）》發(fā)布，標志著Ⅳ型瓶成為主流迭代方向。近些年隨著政策驅動和技術不斷突破，國內對高壓儲氫瓶的需求量保持高速增長，預計2025年需求量將達到4萬臺，市場規(guī)模將達到32.9億元。

低溫液態(tài)儲氫是先將氫氣液化，然后儲存在低溫絕熱真空容器中，我國低溫液化儲氫技術主要應用在航天領域，民用領域尚處于起步階段。固態(tài)儲氫是利用物理吸附型、金屬氫化物等儲氫材料能夠可逆吸放氫的特性進行儲氫，其發(fā)展需要依賴新型儲氫材料的開發(fā)，目前我國仍然處于試驗階段。

3）運氫。選擇氫輸運方式時，必須考慮氫的運輸距離、規(guī)模和最終用途。氫輸運方式主要是氣態(tài)輸運，可分為高壓氣氫拖車和管道輸運兩種方式。高壓氣氫拖車是氫氣近距離輸運的重要方式，技術較為成熟，目前應用廣泛。管道輸運包括純氫管道輸送和天然氣摻氫管道輸送，是實現氫氣大規(guī)模、長距離運輸的重要方式，具有輸氫量大、運行壓力較低、能耗小、成本低等優(yōu)勢。但目前我國氫氣輸送管網建設里程不足，僅僅只有400千米，尚未建成完善的氫氣管道輸送體系。從長久經濟性角度考慮，采用管網大規(guī)模、長距離輸送氫氣比高壓氣氫拖車輸送氫氣更顯優(yōu)勢，但是在技術層面上仍有諸多關鍵難題需要解決。

4）用氫。在氫能應用方面，我國氫氣主要應用于能源及傳統(tǒng)石化、化工領域，在鋼鐵冶金、建筑等領域的應用仍處于小規(guī)模應用階段。在能源方面，風能和太陽能等可再生能源發(fā)電波動性強，嚴重影響并網供電的連續(xù)性，而氫儲能系統(tǒng)的加入可以作為能源互聯(lián)網的樞紐，將可再生能源與電網、熱網、交通網結合起來，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。氫燃料電池利用電化學反應，可以將氫能轉換為電能，常用的質子交換膜燃料電池適用于車載發(fā)電系統(tǒng)和小型分布式電源系統(tǒng)。隨著氫燃料電池汽車迅速發(fā)展，近年來我國氫燃料電池裝機規(guī)模也屢創(chuàng)歷史新高，2022年累計裝機量已經達到506兆瓦。在傳統(tǒng)石化、化工領域，氫氣已經有長期且大量的應用，包括煉油化工加氫、化工合成氨等應用，技術路線成熟，但綠氫化工仍處于探索示范階段。煤化工與綠氫耦合發(fā)展可以簡化生產流程，符合低碳發(fā)展趨勢和國家產業(yè)政策，能促進產業(yè)協(xié)同發(fā)展，但也面臨政策支持力度不足、設備改造難度大等一系列問題。

二、鋼鐵行業(yè)“以氫代碳”創(chuàng)新應用實踐

1氫冶金是實現低碳近零排放的終極冶金技術

當前，我國主流的鋼鐵生產工藝是高爐-轉爐長流程，這種生產工藝流程決定了制造過程較高的碳排放強度，導致鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國排放總量的比例約為16%，“雙碳”背景下，鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力。氫能源作為清潔、高效、可持續(xù)的“無碳能源”，與鋼鐵企業(yè)資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的訴求不謀而合。鋼鐵工業(yè)既可以是利用工業(yè)副產氣制氫的產氫單位，又可以是用氫氣代替焦炭作為還原劑進行鋼鐵冶金的用氫單位。較低碳排放的技術包括廢鋼電爐冶煉短流程、高爐富氫冶煉、氫基直接還原鐵（DRI）+電爐工藝等，其中全廢鋼電爐綠電冶煉工藝、綠氫冶金+電爐綠電冶煉兩大路徑是實現近零排放的最終舉措。

“以氫代碳”是鋼鐵工業(yè)綠色低碳、高質量發(fā)展的主要出路?；诋斍颁撹F工業(yè)傳統(tǒng)工藝技術的創(chuàng)新改進難以實現深度脫碳，氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對鋼鐵行業(yè)深度脫碳乃至“凈零碳”起到決定性作用。當前，氫冶金技術均處于探索和示范階段，覆蓋高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等主流技術。

三大氫冶金技術中，高爐富氫冶煉技術是“碳冶金”到“氫冶金”的重要過渡，改造成本低，具備經濟性，具有增產效果。高爐富氫冶煉技術難以實現“近零碳排放”，但因其經濟性較強，據預測在2030年之后有望迅速推廣。氫基直接還原鐵技術是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞家苯鸺夹g之一，采用無焦直接還原鐵，可大幅降低煉鐵過程中的碳排放，純氫豎爐煉鐵碳減排能力可達到98%。氫基直接還原鐵技術中，豎爐-球團（塊礦）法技術成熟、投資少、成本低，具有較強的競爭力，據預測2040年后將具備大規(guī)模推廣條件。氫基熔融還原技術是氫冶金未來重要發(fā)展方向，將熔融還原與氫還原相結合，具有工藝簡單、技術先進、能耗低、污染小、投資少、成本低、原料適應性強等優(yōu)點。

備注：數據僅供參考，不作為投資依據。