氢能行业制氢专题研究：副产氢已占先机，绿氢有望开新局

一、氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择

1.1 氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分

氢能（氢的能源生产和利用）受到全球广泛关注，成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向。欧、美、日、韩等发 达国家纷纷制定氢能路线图，加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。当前，我国氢气生产利用主要在以石化化工行业为 主的工业领域，以“原料”利用为主，“燃料”利用为辅。我国发展氢能具有良好基础，也面临诸多挑战。绿氢供应、氢储运路径 和基础设施建设、氢燃料电池核心技术装备、氢燃料电池汽车技术装备等均待逐一攻破，必须实事求是、客观冷静、积极新，争取少走弯路，开创氢能技术突破和产业化新局面。

氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。2020 年，氢能被纳入《能源法》（征求意见稿）。2021年，氢能列入《国民 经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》未来产业布局。

氢能产业发展初期，依托现有氢气产能、就近提供便捷廉价氢源，支持氢能中下游产业发展，降低氢能产业起步难度，具有 积极的现实意义。绿氢在“碳中和”中可以用在绿电无法发挥作用的领域实现互补，如氢冶金、化工、重卡交通燃料、供热等。 面向未来，当绿氢成为稳定足量的低价氢源时，绿氢在促进工业脱碳方面将更好地发挥氢能价值。

1.2 国家和地方均出台氢能政策支持产业发展

氢能成为“十四五”期间重点产业，《“十四五”规划纲要》将氢能及储能设立为未来产业，将实施未来产业孵化与加速计划。各 地氢能产业布局，目前已有包括京津冀、长三角、珠三角、四川、山东等 30 余个省市级的氢能发展规划相继出台。在 “十四五”期间通过加强对氢能相关产业的支持，推动氢能形成规模产业。

1.3 氢能在能源转型中的角色

氢能（绿氢）与电力（绿电）均为二次能源，是双碳目标战略下的必然选择。氢气的利用由来已久，但并非是当前备受的交通和电力领域，主要作为生产原料应用于工业领域。 为了实现我国能源系统的多元化、清洁化和低碳化转型，氢能的发展可以从“二次能源、能源载体、低碳原料”3个角度 切入，助推能源转型进程。

（1）氢气可作为高效低碳的二次能源。氢气本身是一种高能源密度的二次能源（单位质量），同时也具有较强的电化学活性、 可燃料电池进行发电。因此氢气可应用于燃料电池汽车从而替代传统燃油汽车，节约石油消费；也可以用于家用热电，减少电力和热力需求；还可以直接将氢气掺入到天然气管网直接燃烧。

（2）氢气可作为灵活智慧的能源载体。通过电解水制氢技术及氢气与其他能源品种之间的转化，可提高可再生能源的消纳、 提供长时间储能、优化区域物质流和能量流，进而建立多能互补的能源发展新模式。比如，在区域电力冗余时，可通过电解 水制氢将多余电力转化为氢气并储存起来；在电力和热力供应不足时，氢气可以通过电化学反应发电、热电联供、直接燃烧 等方式来实现电网和供需平衡。

（3）氢气可作为绿色清洁的工业原料。国际能源署、麦肯锡等机构都认为氢能将实现工业部门的深度脱碳，主要方式为用氢能革新型工艺，可以大规模使用“绿氢”替代“灰氢”。氢气直接还原铁是氢能革新型工艺的典型代表，该工艺使用气作为还原剂，将铁矿石直接还原为海绵铁，之后进入电炉炼钢，从而节省了焦炭的使用、减少了因原料带来的二氧化碳放。“绿氢”替代“灰氢”是使用来自可再生能源的氢气，来替代合成氨、甲醇生产过程中的化石能源制氢，进而实现深度脱 碳。

1.4 2050氢能（绿）的市场需求超过 1 亿吨

在加速推进能源转型过程中，氢能将有望全面融入能源需求侧的各个领域。以下内容我们参考发改委能源所的相关预测。

工业领域，氢能将从原料和能源“双管齐下”。原料方面，氢能将广泛应用于钢铁、化工、石化等行业，替代煤炭、石油等化 石能源；能源方面，氢能将通过燃料电池技术进行热电联产，满足分布式工业电力和热力需求。预计 2050年工业领域氢能 需求将超过 3500万吨。

交通领域，氢燃料电池汽车将与锂电池汽车“各司其职、各尽所长”，共同推动新能源汽车对传统燃油汽车的替代作用，在 交通领域掀起新能源变革浪潮；由于氢燃料电池汽车具有行驶里程长、燃料加注时间短、能量密度高、耐低温等优势，在寒 冷地区的载重货运、长距离运输、公共交通甚至航空航天等领域更具有推广潜力；预计 2050交通领域氢气需求将接近 4000 万吨。

建筑和其他领域，家用氢燃料电池、燃料电池应急电源等技术设备也有望实现规模化应用，预计 2050氢气需求将接近 2000 万吨。

二、当前中国氢气生产集中在北方，以灰氢为主

2.1 氢能分布在西北和华北

2019 年以来，国家、各级地方政府对氢能产业发展高度重视，陆续出台了多项规划和发展目标，众多企业和科研机构纷纷 开展技术攻关。中国煤炭加工利用协会统计，2020我国氢能产量和消费量均已突破 2500万吨，已成为世界第一大制氢大 国。

从区域分布看，氢能生产主要在西北和华北地区，产量超过 400 万吨的省份有内蒙和山东，产量超过 300 万吨的省份有新疆、陕西和山西，产量超过 200万吨的省份有宁夏、河南和河北，产量超过 100万吨的省份有江苏、安徽、 四川、辽宁和湖北。

2.2 氢气来源以化石燃料为主，未来向绿氢过渡

氢能源按生产来源划分，可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”三类。“灰氢”是指利用化石燃料石油、天然气和煤制取氢气，制氢 成本较低但碳排放量大；“蓝氢”是指使用化石燃料制氢的同时，配合碳捕捉和碳封存技术，碳排放强度相对较低但捕集成本 较高；“绿氢”是利用风电、水电、太阳能、核电等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，但成本较高。目前，我 国氢气主要来自灰氢。

从来源看，我国的氢源结构目前仍是以煤为主，来自煤制氢的氢气占比约 62%、天然气制氢占 19%，电解水制氢仅占 1%， 工业副产占 18%。就消费情况看，目前的氢能基本全部用于工业领域，其中，生产合成氨用氢占比为 37%、甲醇用氢占比 为 19%、炼油用氢占比为 10%、直接燃烧占比为 15%、其他领域占比为 19%。基于需求侧产业的发展和产业链的完善，从 灰氢逐步过渡到绿氢是较好的方式，优先使用副产氢，实现资源综合利用。

（1）以煤为原料制氢

煤制氢的本质是以煤中碳取代水中的氢，最终生成氢气和二氧化碳。这里，碳起到还原作用并为置换反应提供热。 以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：

一是煤的焦化（或称高温干馏），煤在隔绝空气条件下，在 900-1000℃制取焦炭，副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组份中含氢 气 55%-60%(体积）、甲烷 23%-27%、一氧化碳 5%-8%等。每吨煤可得煤气 300-350m3，作为城市煤气，亦是制取氢气的 原料。

二是煤的气化，使煤在高温常压或加压下，与水蒸汽或氧气（空气）等反应转化成气体产物。气体产物中氢气的含量随不同 气化方法而异。

（2）天然气制氢 天然气的主要成分是甲烷（CH4），本身就含有氢。和煤制氢相比，用天然气制氢产量高、加工成本较低，排放的温室气体少， 因此天然气成为国外制造氢气的主要原料。其中天然气蒸汽转化是较普遍的制造氢气方法。

（3）重油部分氧化制造氢气 重油是炼油过程中的残余物，可用来制造氢气。重油部分氧化过程中碳氢化合物与氧气、水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。 该过程在一定的压力下进行，可以采用催化剂，这取决于所选原料与过程。

（4）水电解制造氢气 水电解制得的氢气纯度高，操作简便，但需耗电。水电解制氢的效率一般在 75%-85%，一般生产 1m3氢气和 0.5m3氧气的 电耗为 4-5kWh。

（5）生物质制造氢气 家庭、农业、林业等产生的生物质可用于生产氢气。原料包括杨树、柳树和柳枝，以及来自厌氧消化或垃圾填埋所产生的沼 气等。生物质可以使用成熟的技术进行气化，甚至在气化过程中与煤或废塑料共同反应，如果与碳捕获技术结合，就有可能 生产出负碳氢。沼气有额外的净化要求，可以通过类似于蒸汽甲烷重整（SMR）的过程进行改造以产生氢气。

（6）工业副产氢气净化 焦炉气、氯碱、丙烷脱氢制丙烯和乙烷裂解制烯烃副产的粗氢气可以经过脱硫、变压吸附和深冷分离等精制工序后作为燃料 电池车用氢源，成本远低于化工燃料制氢、甲醇重整制氢和水电解制氢等路线。

2.3 不同技术制氢的技术经济环境性分析

氢气生产方式较多，氯碱副产气、干气、焦炉煤气、乙烷裂解副产气、甲烷、煤炭、天然气、电解水等多种制氢方式。其中， 氯碱副产气、干气、焦炉煤气、乙烷裂解副产气等副产气制氢在能源效率、污染排放、碳排放、成本方面占据优势。各地区 发展氢能产业链时，应充分结合区域能源结构，优先使用副产氢气和富余能源进行利用。

从能源效率来看，氯碱副产气制氢、干气制氢、焦炉煤气提取制氢能源效率均在 80%以上，天然气制氢、乙烷裂解副产气制 氢、PDH 副产气制氢、甲醇制氢、焦炉煤气转化制氢能源效率 60%-80%，煤制氢能源效率在 50%-60%，电解水制氢能源 效率在 50%以下。

从污染物排放来看，排污强度由小到大分别为：电解水制氢<天然气制氢~甲醇制氢~副产气制氢<煤制氢。

从碳排放来看，副产气制氢<天然气制氢<干气制氢<甲醇制氢<煤制氢电解<电解水制氢（基于现有电网电力结构），如果考 虑清洁能源（光伏、风电、水电等），清洁能源电解水碳排放接近为零。

从成本来看，制氢成本与原料价格关系最大，控制氢能价格需要控制原料价格；焦炉 煤气制氢<煤制氢<其他副产气制氢<甲醇制氢<天然气制氢<水电解制氢。因地制宜，选择合适原料制氢，氢气出厂价格可低 于 15 元/kg，可与煤制氢成本相当。（报告来源：未来智库）

三、副产氢是近期理想氢源，绿氢逐步走上前台

3.1 工业副产氢是近期最现实氢源

我国氯碱、炼焦以及化工等行业有大量工业副产氢资源，足以满足近期和中期氢气的增量需求。但因渠道、价格、信息等原 因，这些副产氢很大一部分被用来直接燃烧甚至排空。因此，未来应探索将工业副产氢高值化利用的商业模式，将副产氢提 纯并运输至氢气需求侧，更好的发挥氢能价值。相对来说，丙烷脱氢、乙烷裂解等获取的氢气浓度较高。

（1）丙烷脱氢制丙烯副产氢

丙烷脱氢制丙烯工艺中，生成产品丙烯的同时，副产同等量的氢气，混合在乙烷、乙烯、一氧化碳、甲烷等的混合尾气 中，如采用适当的分离手段，可获得大量的高纯度氢气，作为产品出售能获取经济效益。

（2）乙烷裂解副产氢

蒸汽裂解是生产乙烯使用最广泛的方法。乙烷在 750-850℃、150-350kPa 条件下发生脱氢反应生成乙烯，并副产氢气。 按每辆氢燃料电池车每天加注 5 公斤氢气、行驶里程200 公里来算，这些副产氢气每年约可供 25.5 万辆氢燃料电池车行驶。

（3）主要公司

万华化学：丙烷脱氢装置产能 75 万吨/年，乙烯裂解产能 100 万吨/年。 东华能源：丙烷脱氢装置产能 180 万吨/年，茂名首套 60 万吨/年产能在建设中。 齐翔腾达：丙烷脱氢装置产能 80 万吨/年。 金能科技：丙烷脱氢装置产能 90 万吨/年。 卫星化学：乙烯裂解产能 125 万吨/年。

3.2 可再生能源制氢是实现碳中和的必然选择

（1）可再生能源制氢

电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、纯度高（通常在 99.7%以上）以及副产高价值氧气等特点，但其单位能耗约在 4-5千 瓦时/立方氢，制取成本受电价的影响很大，电价占到总成本的 70%以上。若采用现有电力生产，制氢成本约为 30-40元/公斤，且考虑火电占比较大，依旧面临碳排放问题。一般认为当电价低于 0.3元/千瓦时（利用“谷电”电价），电解水制氢成 本会接近传统化石能源制氢。（报告来源：未来智库）

未来，可再生能源发电制氢的潜力很大。一方面作为全周期零碳排放技术，随着可再生能源发电平价上网，电解水制氢成本 将持续下降，尤其是近期局部区域弃风、弃光、弃水及弃核制氢的经济性较为突出；另一方面当波动性可再生能源在电源结 构中占到较高比重时，单纯依靠短周期（小时级）储能将无法满足电力系统稳定运行需要。日间、月度乃至季节性储能将是 实现高渗透率可再生能源调峰的主要手段。

（2）主要公司

苏州竞立：苏州竞立制氢设备有限公司于 1993年在苏州吴中经济开发区注册成立，是一家集研发、生产、销售水电解制氢 设备、气体纯化、回收设备及各种类型的氢能专业设备于一体的高科技企业，历经二十多年的发展，现已成为国内大型的水 电解制氢设备龙头企业。 在产品系统中，水电解制氢设备氢气产量从 0.3m3 /h-1000m3 /h 完成主流市场需求覆盖，该公司单机产量向两个方向发展， 一是大型制氢设备，一是微型制氢设备。

目前，公司 1000m3 /h压力型制氢设备已经研制成功，已成为国内制氢设备用户多、市场占有率较高的专业设备研发、生产厂家。 公司承担了国家“973”计划大规模非并网风电制氢系统的科研任务。公司电解技术在大型化碱性电解设备方面处于领先平，同时于 2016 年也完成了 PEM 电解槽的研制，目前核心业务以大型碱性电解制氢设备为主，兼顾其他电解制氢技术的 储备性研究。（报告来源：未来智库）

天津大陆：天津市大陆制氢设备有限公司成立 1994年，长期从事制氢设备和气体纯化设备开发、设计、制造。是我国水电 解制氢设备的专业厂家。可生产 0.1Nm3 /h～1000Nm3 /h 的电解水制氢设备。 大陆公司生产的制氢设备和气体纯化设备目前已广泛应用于电力、电子、半导体材料、光纤、冶金、建材、原子、化工、宇 航、气象、医药等行业。

中电丰业：公司是水电解制氢及氢能源综合利用解决方案提供商，专注于氢能源领域研发、生产、销售的“交钥匙”工程， 是一家国家高新企业。公司从开始代理国际著名氢能源品牌，到消化吸收自我创新，制造拥有完全自主知识产权的制氢供氢 设备。目前，中电丰业已经成功参与了 200多个制氢、加氢系统的设计、生产、安装、调试和技术服务，有全规格、全技术 的水电解制氢产品，是国内 500公斤现场制氢加氢一体站（山西大同）和兆瓦级 PEM 制氢储能项目（安徽）的主要设备供 应商。

中船重工 718所：主要是做水电解制氢的研究和生产单位，从 2011年开始，陆续参加了很多国家 863计划，中央财政支持 的一些重点高校的学科建设，政府间的一些合作项目，已经一些省级的科技重大专项等等。

隆基股份：2021 年 3 月，隆基股份联合朱雀投资成立了氢能子公司，新设子公司注册资本 3 亿元。10月 16日，隆基氢能 首台碱性水电解槽下线，公司当天宣布今年将具备 500MW 的能力，未来五年内产能将达到 5-10GW。

新能源运营商：绿电指的是利用风机、生物质能、太阳能等可再生能源产生的电力，发电过程中不产生或很少产生对环境有 害的排放物；而绿氢来自于绿电，随着绿氢需求增加，新能源运营商用绿电生产绿氢将产生更多效益。

四、投资分析

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择。氢能已经成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要产业方向。欧、美、日、韩 等发达国家纷纷制定氢能路线图，加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。 我国已经成为全球最大的氢气生产国，但是目前氢气主要来自灰氢（化石燃料），但化工过程副产氢成本低、产量大，且与 氢能示范城市匹配，是短期最现实的氢源；随着碳市场的推进，绿氢的需求逐步增加，未来大规模光伏发电或风力发电配套 电解水生产绿氢将成为趋势。