2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究第6期：氢气的工业利用-1

氢气的利用已有很久的历史，在氢能应用于交通行业之前，更广泛的利用是作为生产原料应用于工业领域，前面六期我们介绍了加氢站、氢内燃机、氢燃料电池以及它们在重卡和传播场景的应用，最后的两期，我们将介绍氢气作为生产原料在工业场景的利用。

氢能在能源转型中的角色可分为三种：

●氢气作为二次能源

氢气是一种高能源密度的二次能源，也具有较强的电化学活性，可通过燃料电池进行发电。因此，氢气一方面可替代传统燃油车应用于燃料电池汽车，另一方面，也可用于家用热电联产，减少电力和热力需求，或直接将氢气掺入到天然气管网直接燃烧。

●氢气作为能源载体

氢气作为载体时，可建立多能互补的能源发展新模式，通过电解水制氢技术及氢气与其他能源品种之间的转化，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。例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，当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热网供需平衡。

●氢气作为生产原料

应用氢能革新型工艺，大规模使用“绿氢”替代“灰氢”，将有助于实现工业部门的深度脱碳。其中，氢气直接还原铁是氢能革新型工艺的典型代表，该工艺使用氢气作为还原剂，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排放。此外，“绿氢”替代“灰氢”是指使用来自可再生能源的氢气，替代合成氨、甲醇生产过程中的化石能源制氢。

从能源效率角度，电力依然是目前效率最高的能源选择，绿能基本来自于绿电，只有在电力解决不了或成本效益不明显的领域，才会考虑使用氢能。因此，能源载体、低碳原料是氢能工业领域的核心用途。

目前，我国的氢气来源结构仍是以煤为主，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%。

消费结构上，目前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%。

2020我国氢气主要消费途径占比（图来源：云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》）

我国风光资源丰富，发展绿氢具有天然优势，东北地区西部和东北部、华北北部、内蒙古中东部、西北地区西北部等地区高空70米风力发电机常用安装高度的风能资源较好。

2022年全国70米高度层年平均风速分布图（图来源：云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》）

西藏大部、内蒙古西部、青海西北部等地的局部地区年水平面总辐照量超过1750kWh/m，太阳能资源最丰富，同样有助于发展绿氢。

2022年全国固定式光伏发电最佳斜面 年总辐射量分布图（图来源：云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》）

工业领域目前仍以灰氢使用为主，由于氢能作为能源载体及化工原料的重要目的之一在于助力工业减排，因此，新建工业项目配绿氢、存量项目进行绿氢置换逐渐成为发展趋势。在氢冶金、合成燃料、工业燃料等的带动下，2060年工业部门氢需求量将到7,794万吨，接近交通领域的两倍。

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，从而实现资源综合利用。

氢冶金技术是钢铁行业实现碳中和目标的革命性技术。

我国是全球最大的钢铁生产国和消费国，其中，产量占据全球半数以上份额，而钢铁行业又是能源消耗与碳排放的重点领域。目前，我国钢铁行业以煤为主要燃料的高炉转炉长流程工艺为主，能源结构高碳化，碳排放量占全国碳排放量的15%，是制造业31个门类中碳排放量最大的行业。

而氢冶金技术通过绿氢在铁还原环节对煤、焦进行规模化替代，可以实现钢铁行业的深度脱碳目标。

目前氢冶金技术的推进速度，主要受氢气的供求关系影响，综合中国钢铁行业政策规划、专家访谈及数据分析，预计到2030年，氢冶金产量达0.21-0.29亿吨，约占当年全国钢铁总产量的2.3%-3.1%，其中氢冶金的氢气需求约为191-259万吨，约92%来自焦炉煤气，剩余约8%来自电解水制氢。预计到2050年，氢冶金钢产量为0.96-1.12亿吨，氢冶金的氢气需求约为852-980万吨，其中焦炉煤气提供166万吨氢，剩余814万吨来自于绿氢。

2025-2050年氢冶金工业氢气需求预测（图来源：云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》）

氢气成本是决定氢冶金市场竞争力的最关键因素，预计2030年碳价将达到200-250元/吨CO₂，若届时绿电价格达到0.15元/kWh，电解水制氢电耗达到4.5kWh/Kg·H₂，则绿氢成本降至10.5-11.2元/Kg·H₂，氢冶金经济性将得以体现。

氢冶金经济性分析（图来源：云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》）

氢冶金减碳技术路线主要分为富氢还原高炉和氢气气基竖炉直接还原炼铁两种，其中，富氢还原高炉技术碳减排可达10%左右，氢气竖炉气基直接还原炼铁减排潜力达到50%-95%。因此，气基竖炉直接还原更适用于发展氢冶金，全氢竖炉或富氢竖炉氢冶金工艺值得重点关注，含氢的竖炉炉顶煤气通过净化和循环可实现氢气高效利用（竖炉炉顶煤气无N₂等杂质成分掺杂，气体捕集分离难度和循环利用成本远低于高炉）。

（本文内容为笔者对云点道林《2023中国氢能产业-氢应用环节深度研究报告》报告的部分摘录以及笔者阅读过程中的个人观点，欢迎大家批评指正。）