中国氢能行业洞察与数字化发展报告

中与国数氢字能化行发业展洞报察告 联合发布 摘要 在“双碳”和能源安全目标的引领下，能源领域技术、模式、业态的创新正在推动诸多新趋势的涌现：新型储能规模化布局助力风光大基地建设，能源产业与信息化、数字化的深度融合，新型电力系统支撑技术升级，先进电解槽与燃料电池技术的突破，电力多元化转换（Power-to-X）……这些领域的创新都将在能源变革中“各显神通”。 氢能作为清洁的能源载体和储能方式，配合可再生能源形成低碳能源体系，助力工业深度脱碳。本报告梳理了全球氢能行业发展现状和前瞻趋势，剖析了产业链技术布局和未来发展，并从数字化转型的角度，探讨数字孪生技术如何以低成本、高可靠性、高利用率地赋能氢能项目落地。 为了克服能源转型所带来的挑战，无论是新能源发电、电解制氢还是工业生产场景中，工程和运营团队拥抱数字化转型是大势所趋，赋能创新、敏捷性及协作，推动氢能产业迈向可持续、以人为本的未来。 1氢能行业概览 目录CONTENTS 1氢能行业概览p3-15 1.1氢能行业发展前景/3 1.1.1全球氢能行业发展现状/4 1.1.2中国氢能行业发展现状/5 1.2氢能产业链分析/7 1.2.1上游制氢/8 1.2.2中游储运/10 1.2.3下游应用/11 1.2.3.1工业/11 1.2.3.2电力及储能/12 1.2.3.3交通/13 1.2.3.4建筑/14 1.2.3.5电力多元化转换（Power-to-X）/14 2氢能工厂全生命周期数字化发展洞察 2.1氢能行业的当前挑战/17 2.2数字化技术赋能氢能价值链/18 2.2.1设计阶段：低碳能源场景的流程模拟/20 2.2.2工程阶段：新一代工程设计与项目管理思路/23 2.2.3运营阶段：数字化工厂的智能运营/26 3总结与展望 p16-31 p32 1氢能行业概览 1氢能行业概览 跨地域储能，加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化， 氢帮助能可是再一生种能来源大丰规富模、消绿纳色，低实碳现、电应网用大广规泛模的调二峰次和能跨源季，节能、被誉为21世纪的“终极能源”。 体系，实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。 氢我国能逐能步源成生为产全和球消能费源革转命，型构发展建的清重洁要低载碳、体安之全一，高亦效是的推能进源 1.1氢能行业发展概况 1.1.1全球氢能行业发展趋势 氢能将在减少温室气体排放中发挥关键性作用，拥有广阔的市场空间，这一点毋庸置疑。虽然现在很多机构都对氢能未来的市场空间作出的预测数据不一，但是都有一个共同的特征——从长期看来，未来氢能产业的发展空间巨大。 根据国际能源署预计，到2050年，氢能将满足全球18%终端能源需求，欧洲、美国、日本等国家纷纷将氢 能作为能源技术革命的重要方向和未来能源战略储备的重要组成部分。到2050年，全球生产能源用氢的支出将达到6.8万亿美元，另外1800亿美元用于氢管道，5300亿美元用于建设和运营氨解制氢终端1。 2020 2025 2030 2050 中国 ●氢气产量3342万吨 ●电解槽装机规模10GW左右●工试业点副运产营氧提纯为主，绿氢●高压气氢运输为主 ●全国氢气产量3715万吨●电解槽装机>35GW ●氢气产量9690万吨●电零解碳槽排装放制>5氢00GW ● ●套固定/年式，发燃电料装电置池产系能统2产万能台 550万台套/年 欧盟美国日本 ●年产氢气980万吨●电解槽1GW，绿氧占比1.4% ●电解槽6GW，年产绿氢100万吨 ●电解槽40GW●年可产再绿生氢源10大00规万模吨制，氢过剩●全碳部制氢氢能生产中1/3为超低●大规模氢气发电示范项目 ●可再生制氢装机大规模部署●占能源需求的25% ●实现绿氢年产能1000万吨●电解槽成本300美元/kW●氢输配成本2美元/kg ●占能源需求的14% ●4000吨氧气 ●低压、高压发电成本分别为25日元/kWh，17日元/kWh ●30万吨氢气●制氢成本3美元/kg●发电成本17日元/Wh ●500-1000万吨氢气●成本2美元/kg●发电成本12日元/kWh 图表1氢能发展主要国家（地区）产能预测 资料来源：《欧盟氢能战略》，美国《氢能计划发展规划》、日本《氢能利用进度表》《氢能基本战略》，《中国氢能产业发展报告2020》 其中，欧盟REPowerEU方案中提出，到2030年实现内部生产可再生氢能1000万吨，进口可再生氢能 1000万吨，预计2030年欧盟可再生能源占能源供应的比例达到45%，实现可再生能源装机123600万千瓦， 光伏装机增加到60000万千瓦。 1挪威船级社，2050氢能展望报告 1.1.2中国氢能行业发展概况 2022年3月，中国已发布氢能发展中长期规划，将氢能定位为未来国家能源体系重要组成部分和绿色能源转 型载体，并计划在2030年前逐步建立完备的氢能产业体系。 根据中国氢能联盟的预测，在2030年碳达峰愿景下，我国氢气的年需求量预期达到3715万吨，在终端能源消费中占比约为5%；可再生能源制氢约为500万吨，部署电解槽装机约80GW。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右2，在终端能源消费中占比约为20%。其中，工业领域用氢占比仍然最大，约7794万吨，占氢总需求量60%；交通运输领域用氢4051万吨，建筑领域用氢585万吨，发电与电网平衡用氢600万吨。 图表2中国氢能需求量预测（万吨） 14000 13030 12000 9690 10000 8000 6000 5276 4000 3342 3715 2000 0 2020 2030E 2040E 2050E 2060E 来源：中国氢能联盟 2科尔尼，“氢”心相助碳中和 随着需求量的攀升，氢气的产量也将快速攀升，其中可再生能源制氢的产能预计到2060年可上升至9100万吨，这意味着电解水制氢占比将逐步取代化石能源制氢和工业副产氢，成为中国占比最大的氢气来源。 图表32030年和2060年中国氢能需求量及可再生能源制氢量 14000 13000 25% 12000 20% 20% 10000 9100 8000 15% 6000 10% 3715 4000 5% 5% 2000 500 0 0% 2030 2060 氢气的年需求量，万吨 可再生能源制氢量，万吨 氢气在终端能源消费中占比，%，右轴 资料来源：中国氢能联盟 目前各地政府都把氢能看作未来经济发展的重要发展产业，产业园区作为区域经济发展、产业调整和升级的重要空间聚集形式，担负着聚集创新资源、培育新兴产业、推动城市化建设等一系列的重要使命，氢能产业园成为城市发展氢能的重要体现。具备地方政府政策支持、有实力雄厚的企业牵头建设、有廉价经济的氢源提供的地区建设氢能产业园的进度尤其迅速。在已公开的2023年省级重点项目名单，多个省份重点项目均 包含氢能产业园项目。据不完全统计，截至2023年2月，规划在建或已运营的氢能产业园已经超过70个，呈现“遍地开花”的局势。 五大氢能产业示范群——京津冀城市群、上海城市群、广东城市群、河南城市群和河北城市群辐射城市及浙江、江苏等地氢能产业园建设力度较大，集群式发展氢能的“中国模式”有助于地区统筹资源，集中力量助推氢能产业链条有序发展完善。 图表4氢能全产业链示意图 化石制能氢源 工产业氢副水制电氢解 铁路 船舶 气态储氢 槽车 交通建筑 H2 制氢 储运氢 H2 应用 液态储氢 固体储氢 加氢站 工业 电力 光制催氢化 生物制发氢酵 长管拖车 管网 1.2氢能产业链分析 氢能产业链大致可以划分为上游制氢、中游储运、下游应用三个环节，产业链条比较长、难点多。目前，中国氢能产业链已趋于完善，已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺，在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用。 目前，超过三分之一的中央企业已经在制定制氢、储氢、加氢、用氢等全产业链布局，取得了一批技术研发和示范应用成果，例如中石化在“十四五”期间的发展目标是建设全国最大的加氢站网络、可再生能源制氢产量累计超百万吨，同时聚焦氢能交通领域和绿氢炼化。 数据来源：中国氢能联盟 1.2.1上游制氢 目前根据制取方式和碳排放量的不同将氢能按颜色主要分为灰氢、蓝氢和绿氢三种： （1）灰氢：通过化石燃料（天然气、煤等）转化反应制取氢气。由于生产成本低、技术成熟，也是目前最常见的制氢方式。由于会在制氢过程中释放一定二氧化碳，不能完全实现无碳绿色生产，故而被称为灰氢。 （2）蓝氢：在灰氢的基础上应用碳捕捉、碳封存等技术将碳保留下来，而非排入大气。蓝氢作为过渡性技术手 段，可以加快氢能行业的发展。 （3）绿氢：通过光电、风电等可再生能源电解水制氢，在制氢过程中将基本不会产生温室气体，因此被称为“零碳氢气”。 2021年，全球9400万氢气产量主要来源于化石能源制氢，占比高达81%，其中天然气制氢全球占比高达 62%，其次为煤制氢，占全球产量的19%；石油制氢占比为0.7%；低碳排放制氢占比仅0.7%，电解水制 氢产量仅3.5万吨，占比0.04%。从我国制氢结构来看，由于我国天然气紧缺依赖进口，煤炭资源丰富，我国氢能生产来源主要以煤炭为主，2020年我国煤制氢占比高达62%，天然气制氢占比19%，工业副产氢占比18%，电解水制氢占比达1%。 图表52021年全球制氢结构分析 其他耦合CCUS的化石燃料制氢 0.70% 0.70% 石油制氢 0.04% 电解水制氢 工业副产氢 18% 19% 煤制氢 天然气制氢 62% 图表62020年中国制氢结构分析 电解水制氢 1% 工业副产氢 18% 天然气制氢 19% 62% 煤制氢 来源：IEA，Renewablehydrogenforthechemicalindustry来源：中国煤炭工业协会 绿氢是氢能利用最理想的形态，但目前受制于技术门槛和较高的成本，实现大规模应用还有待时日。可再生能源制氢未来将是提高可再生能源应用比例，构建清洁低碳、安全高效能源体系的最有效途径之一，有望成为最主要的制氢方式，市场前景广阔。 根据Statista数据，国际能源组织（IEA）预测，到2050年全球的绿氢产量将远远高于蓝氢。IEA预测2030年电解水制氢及生物质制氢等绿氢产量占比将达34%，2050年全球绿氢产量将达3.23亿吨，较蓝氢产量高58%。至2060年，几乎全部氢气需求都将由低排放技术满足，其中近80%是电解水制氢，届时电解水制氢将成为具有成本竞争力的制氢工艺，耦合CCUS的化石能源制氢产量则将满足16%的氢气需求3。 发展绿氢将带动上下游产业，提供经济增长强劲动力，从产业角度来看，氢能产业链条长，涉及能源、化工、交通等多个行业。氢能产业的快速发展必将带动氢能产业链上下游零部件商、原材料商、设备商、制造商、服务商快速发展。根据中国氢能联盟数据，氢能产业链的建立能充分带动经济增长和产业的发展，创造约1.6万 亿的市场产值和超过1万亿的基础设施投资空间（根据固定成本投资和运营费用加总计算）4。 目前，全国已有22个省市公开发布到2025年的氢能规划，风光大基地就地消纳，配套制氢项目密集开建，在地方相继出台氢能产业支持政策后，国内能源公司纷纷布局风光一体化绿氢耦合项目，例如新疆光伏制氢、内蒙风电制氢等，为规模化生产清洁低碳氢能奠定了良好产业基础。 截至2023年2月，我国规划年产绿氢超过2万吨的大规模绿氢示范项目近20个，其中由于内蒙古具备发展 可再生能源大规模制氢的良好条件，潜在制氢产能超过330万吨。绿氢产量的增加，将帮助作为氢能的头部消费国与生产国的中国在氢能市场乃至双碳领域中扮演更为重要的角色。 3国际能源署（IEA），中国耦合CCUS制氢机遇 4中国氢能联盟研究院，开启绿色氢能新时代之匙：中国2030年“可再生氢100”发展路线图 1.2.2中游储运 氢的高密度储运是氢能发展的一个重要环节，同时也是中国氢能发展的瓶颈之一。在储