王新東：氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與鋼鐵行業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐及戰(zhàn)略思考（上篇）

一、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1我國迎來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要窗口期

從16世紀(jì)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(diǎn)，是公認(rèn)的“最理想的清潔能源”，也是未來能源發(fā)展格局中的關(guān)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(guān)注日益高漲。國際上，美國、歐盟、日本、韓國等發(fā)達(dá)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(chǎn)業(yè)發(fā)展。截至2023年1月，全球共宣布了1046個大型氫能項(xiàng)目，歐洲地區(qū)仍然是氫能產(chǎn)業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，總投資和絕對增長率均為最高，總投資達(dá)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(xiàng)目類型上，最多的是大規(guī)模工業(yè)利用的氫能項(xiàng)目，達(dá)到553個，占比超過52%，其次是氫能源運(yùn)輸項(xiàng)目，隨后是大型制氫項(xiàng)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?xì)漤?xiàng)目共有112個。據(jù)國際氫能委員會（HydrogenCouncil）預(yù)測，到2050年，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3000個工作崗位、減排60億噸二氧化碳、達(dá)到2.5萬億美元產(chǎn)值，氫能在全球能源中所占比重有望達(dá)到18%。

在全球氣候目標(biāo)及我國碳中和目標(biāo)的約束下，我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域多元化的新型能源，生產(chǎn)和利用技術(shù)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(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展階段，已迎來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要窗口期。

氫能相關(guān)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體、氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)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(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》，提出推動綠色低碳技術(shù)重大突破，部署工業(yè)低碳前沿技術(shù)研究，實(shí)施低碳零碳工業(yè)流程再造工程，研究實(shí)施氫冶金行動計(jì)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(shù)取得突破應(yīng)用，短流程煉鋼占比達(dá)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(bào)告，示范城市群也發(fā)布了相應(yīng)發(fā)展規(guī)劃，氫能產(chǎn)業(yè)正加速邁入“從1到10”的進(jìn)程。

氫能市場擴(kuò)大，市場培育加強(qiáng)。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(kuò)大，應(yīng)用場景多樣化。在能源領(lǐng)域，氫能主要以氫燃料電池為載體應(yīng)用于交通領(lǐng)域。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)。近年來，我國氫燃料電池裝機(jī)規(guī)模屢創(chuàng)歷史新高，2021年全年累計(jì)裝機(jī)量173兆瓦，同比增長119%，2022年累計(jì)裝機(jī)量506兆瓦，同比增長192%。氫燃料汽車銷量及保有量也呈現(xiàn)增長態(tài)勢。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院的統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，氫燃料汽車?yán)塾?jì)保有量達(dá)到8938輛，截至2022年底，氫燃料汽車?yán)塾?jì)保有量達(dá)到12682輛。但作為氫能源產(chǎn)業(yè)及下游應(yīng)用發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站建設(shè)布局比較分散，而且壓縮機(jī)、加氫機(jī)等核心設(shè)備和關(guān)鍵部件主要依賴進(jìn)口，導(dǎo)致加氫站的建設(shè)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(shù)量的40%，加氫站數(shù)量位居世界第一，但整體建設(shè)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(nèi)氫能市場將呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張態(tài)勢。

氫能技術(shù)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(shù)等各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破。氫燃料電池系統(tǒng)由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、電堆等模塊組成，其中氫氣供應(yīng)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(shí)現(xiàn)百分之百的國產(chǎn)化，解決了國外技術(shù)上“卡脖子”的問題，對于我國氫能產(chǎn)業(yè)來說具有重大意義?；茉粗茪浼夹g(shù)存在固有的碳排放，而利用可再生能源電解水制氫則被認(rèn)為是低碳?xì)淠艿募夹g(shù)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(xué)機(jī)理、低氯選擇性析氧催化劑開發(fā)等關(guān)鍵原理與技術(shù)也是當(dāng)前氫能制取的研究重點(diǎn)[6]。氫冶金技術(shù)主要分為富氫還原技術(shù)和全氫還原技術(shù)，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)為尋求低碳轉(zhuǎn)型，已經(jīng)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(xué)機(jī)理、低氯選擇性析氧催化劑開發(fā)等關(guān)鍵原理與技術(shù)也是當(dāng)前氫能制取的研究重點(diǎn)。氫冶金技術(shù)主要分為富氫還原技術(shù)和全氫還原技術(shù)，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)為尋求低碳轉(zhuǎn)型，已經(jīng)陸續(xù)布局氫能冶金產(chǎn)業(yè)，代表性企業(yè)有河鋼集團(tuán)、寶武集團(tuán)、建龍集團(tuán)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(jìn)我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程。

氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進(jìn)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(fēng)力、光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)及建設(shè)規(guī)模已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，綠氫的制備成本有望持續(xù)下降。氫能的應(yīng)用場景也在逐漸擴(kuò)大，例如氫燃料電池已經(jīng)不局限于應(yīng)用在車輛上，在航運(yùn)領(lǐng)域、民用無人機(jī)領(lǐng)域都有成熟應(yīng)用，氫能將成為長途卡車運(yùn)輸、航運(yùn)、鋼鐵冶金等應(yīng)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(guān)研究中指出，未來氫氣將作為能源物質(zhì)參與國際貿(mào)易，并逐步取代天然氣的地位。在氫能的國際貿(mào)易中，我國具備大規(guī)模生產(chǎn)綠氫的潛力，也具備輸送綠氫給韓國、日本等氫氣進(jìn)口國家的地理優(yōu)勢。發(fā)展綠氫貿(mào)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(yùn)-用”氫產(chǎn)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(chǎn)氫國。2022年我國氫氣產(chǎn)能約為4100萬噸/年，產(chǎn)量為3781萬噸/年，預(yù)計(jì)在2030年碳達(dá)峰愿景下，我國氫氣的產(chǎn)量預(yù)期將超過5000萬噸/年。氫的制取主要有三種較為成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)制氫；三是以堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水為代表的電解水制氫。三種技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀詳見表1所示。

煤制氫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有百余年，技術(shù)成熟且成本低，是目前最經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模制氫技術(shù)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(yīng)，生成以氫氣和一氧化碳為主的混合氣，再經(jīng)過水煤氣變換、氫氣提純等流程，獲得高純度的氫氣產(chǎn)品。天然氣制氫技術(shù)具有高效率、較低的碳排放量、適用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，合成氣需要經(jīng)過水煤氣變換、凈化提純等流程才能獲得最終產(chǎn)品。方法經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，裝置運(yùn)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(yīng)裝置改進(jìn)等技術(shù)突破?？傮w來說，化石燃料制氫方式技術(shù)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(shù)相結(jié)合，將“灰氫”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;藍(lán)氫”。

煤焦化工業(yè)、氯堿工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)過程中，會伴隨產(chǎn)生大量的副產(chǎn)氫氣，這類副產(chǎn)氫氣純度不高，由于提純設(shè)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(nèi)都未被充分開發(fā)利用。隨著氫氣提純技術(shù)和氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前工業(yè)副產(chǎn)制氫方式也實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場應(yīng)用，逐漸具備經(jīng)濟(jì)競爭力，但因建設(shè)地點(diǎn)深受原材料供應(yīng)限制，無法作為規(guī)?；谢臍淠茉垂?yīng)。

電解水制氫方式主要分為堿性電解水制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)、高溫固體氧化物制氫技術(shù)，不會產(chǎn)生二氧化碳或其他有毒有害物質(zhì)的排放，當(dāng)與可再生能源電力相結(jié)合時，可以獲得真正意義上的“綠氫”。堿性電解水制氫技術(shù)是目前技術(shù)最成熟、成本最低的電解水制氫方式，已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但是該技術(shù)使用強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，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(diào)節(jié)速度慢，不適用于波動性強(qiáng)的可再生能源發(fā)電。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)電流密度高，電解槽體積小，無堿液腐蝕污染，運(yùn)行靈活，與可再生能源發(fā)電具備良好的匹配性，近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，但設(shè)備成本相對高，催化劑成本高且稀缺，導(dǎo)致制氫成本高，還有待于材料和技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)。高溫固體氧化物制氫尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未投入工業(yè)化應(yīng)用。總體來說，電解水制氫方式是極具前景的綠色制氫技術(shù)路徑，理論轉(zhuǎn)化效率高、氫氣產(chǎn)品純度高，但高成本始終限制其進(jìn)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(jié)構(gòu)目前仍是以煤制氫為主，占比達(dá)62%，其他方式中天然氣制氫占比19%、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占比18%、電解水制氫僅占1%。隨著我國風(fēng)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(jìn)行儲存，具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段主要的儲氫方式，已得到廣泛應(yīng)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(zhì)氫瓶和鋼質(zhì)壓力容器技術(shù)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(shù)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(shù)及設(shè)備與發(fā)達(dá)國家差距較大，且關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型瓶）》發(fā)布，標(biāo)志著Ⅳ型瓶成為主流迭代方向。近些年隨著政策驅(qū)動和技術(shù)不斷突破，國內(nèi)對高壓儲氫瓶的需求量保持高速增長，預(yù)計(jì)2025年需求量將達(dá)到4萬臺，市場規(guī)模將達(dá)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(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，民用領(lǐng)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(jìn)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(yàn)階段。

3）運(yùn)氫。選擇氫輸運(yùn)方式時，必須考慮氫的運(yùn)輸距離、規(guī)模和最終用途。氫輸運(yùn)方式主要是氣態(tài)輸運(yùn)，可分為高壓氣氫拖車和管道輸運(yùn)兩種方式。高壓氣氫拖車是氫氣近距離輸運(yùn)的重要方式，技術(shù)較為成熟，目前應(yīng)用廣泛。管道輸運(yùn)包括純氫管道輸送和天然氣摻氫管道輸送，是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?，具有輸氫量大、運(yùn)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(wǎng)建設(shè)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(jīng)濟(jì)性角度考慮，采用管網(wǎng)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(shù)層面上仍有諸多關(guān)鍵難題需要解決。

4）用氫。在氫能應(yīng)用方面，我國氫氣主要應(yīng)用于能源及傳統(tǒng)石化、化工領(lǐng)域，在鋼鐵冶金、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段。在能源方面，風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電波動性強(qiáng)，嚴(yán)重影響并網(wǎng)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(wǎng)的樞紐，將可再生能源與電網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)結(jié)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(xué)反應(yīng)，可以將氫能轉(zhuǎn)換為電能，常用的質(zhì)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(jī)規(guī)模也屢創(chuàng)歷史新高，2022年累計(jì)裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到506兆瓦。在傳統(tǒng)石化、化工領(lǐng)域，氫氣已經(jīng)有長期且大量的應(yīng)用，包括煉油化工加氫、化工合成氨等應(yīng)用，技術(shù)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(chǎn)流程，符合低碳發(fā)展趨勢和國家產(chǎn)業(yè)政策，能促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，但也面臨政策支持力度不足、設(shè)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(yīng)用實(shí)踐

1氫冶金是實(shí)現(xiàn)低碳近零排放的終極冶金技術(shù)

當(dāng)前，我國主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐-轉(zhuǎn)爐長流程，這種生產(chǎn)工藝流程決定了制造過程較高的碳排放強(qiáng)度，導(dǎo)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(chǎn)氣制氫的產(chǎn)氫單位，又可以是用氫氣代替焦炭作為還原劑進(jìn)行鋼鐵冶金的用氫單位。較低碳排放的技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(zhì)量發(fā)展的主要出路?；诋?dāng)前鋼鐵工業(yè)傳統(tǒng)工藝技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)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?jīng)Q定性作用。當(dāng)前，氫冶金技術(shù)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(shù)。

三大氫冶金技術(shù)中，高爐富氫冶煉技術(shù)是“碳冶金”到“氫冶金”的重要過渡，改造成本低，具備經(jīng)濟(jì)性，具有增產(chǎn)效果。高爐富氫冶煉技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)“近零碳排放”，但因其經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，據(jù)預(yù)測在2030年之后有望迅速推廣。氫基直接還原鐵技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞家苯鸺夹g(shù)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(dá)到98%。氫基直接還原鐵技術(shù)中，豎爐-球團(tuán)（塊礦）法技術(shù)成熟、投資少、成本低，具有較強(qiáng)的競爭力，據(jù)預(yù)測2040年后將具備大規(guī)模推廣條件。氫基熔融還原技術(shù)是氫冶金未來重要發(fā)展方向，將熔融還原與氫還原相結(jié)合，具有工藝簡單、技術(shù)先進(jìn)、能耗低、污染小、投資少、成本低、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。