中国氢能产业展望-BCG波士顿咨询.pdf

2023 年 8 月 波士顿咨询公司与欧阳明高院士团队联合研究 中国氢能产业展望目录 前言 1 1. 发展氢能的必要性 3 1.1 能源危机和能源消费结构的变化 3 1.2 氢能的优势 5 1.3 中国氢能发展的有利环境 6 2. 氢能的应用场景 10 2.1 氢交通 12 2.2 氢储能 18 2.3 氢工业 23 3. 氢能产业链发展的关键技术 28 3.1 氢气制取 28 3.2 氢储运 34 3.3 氢电转化 36 3.4 氢安全 41 结语 45波士顿咨询公司 2023年8月 前言 近年来 ， 氢能产业的发展受到越来越多的关注 。 随着极端气候事件的多发 ， 各国政府 对于有效应对气候变化愈发重视 ， 碳中和成为了各国政府所关注的重要议题之一 。 与此同 时 ， 化石能源危机的逐渐凸显 ， 也呼唤清洁能源在全球范围内的系统性发展 ， 以建立真正 可持续 、 零排放的全新能源体系 。 氢能是一种广泛存在于自然界的清洁能源 。 在碳中和战略背景下 ， 可再生能源发电的 波动性和间歇性使得氢能具有了独特的意义和价值 。 通过 “电氢” 转化 ， 波动性的绿电 可以大规模转化为氢能 ， 进行长周期的储存 、 运输和能源化使用 ， 从而使得氢能有望在未 来能源结构中占据重要地位 。 2022 年3 月 ， 国家发展改革委 、 国家能源局发布了 氢能产业发展中长期规划 （2021– 2035 年 ） 。 作为国家级规划 ， 文件明确了氢能在中国未来能源结构中的战略性定位 ， 制 定了中国氢能产业阶段性发展目标 ， 并首次系统性提出了氢能在交通领域以外的多个规模 化应用场景的发展规划 ， 包括储能 、 发电与工业 。 该规划为中国氢能产业的发展指引了明 确的方向 ， 并注入了强大的信心 。 本报告由波士顿咨询公司 （BCG ） 联合中国科学院院士 、 国际氢能燃料电池协会理事 长欧阳明高团队共同完成 。 报告总结了中国及国际氢能行业的发展态势 ， 从产业和技术两 个角度进行了深入探讨 ， 重点聚焦氢能的应用场景 、 发展路径和关键技术创新方向 ， 并对 氢能行业发展前景进行了展望 。 氢能产业的发展 ， 离不开终端应用场景对氢的规模化消纳 ， 从而对氢产业链形成有效 拉动 。 具备这样特点的应用场景主要是氢交通 、 氢储能和氢化工 ， 三大场景均蕴藏着巨大 的市场空间 。 氢交通在燃料电池汽车等领域已具备较好的发展基础 ， 而随着技术持续突破 中国氢能产业展望波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 2 与商业化模式的成熟 ， 氢交通在短中期将是氢能产业发展的 “先导性应用” ， 促进 “从制氢 到用氢” 全产业链的商业化落地和持续发展 。 氢储能是氢最具前景的应用领域 ， 通过发挥 氢的长时储能特性 ， 可以赋能可再生能源的应用 ， 提升可再生能源在全球能源结构中的份 额。 氢化工是当前氢最主要的消纳场景 ， 随着氢能产业链的成熟和成本的持续下降 ， 工业 领域将通过 “绿氢替代灰氢” ， 推动全球工业逐步实现低碳转型 。 实现上述发展 ， 离不开氢能产业链各环节的关键性技术突破 。 在制氢领域 ， 真正面向 大规模绿电制氢场景 ， 当前各技术路线均需实现经济性 、 安全性 、 智能化管理等方面的体 系 性 技 术 突 破 无 论是 相对 更具 商业 化基 础的 碱性 电解 水制 氢 （AEC ） 技术 ， 还 是尚 处于 发展阶段的质子交换膜 （PEMEC） 技术 ， 以及更早期的阴离子膜 （AEMEC） 技术与固体氧 化 物（SOEC）技 术 。在氢储运领域 ， 压缩气氢是目前中国主流的氢储运方式 ， 其研发创新 方向主要是提升工作压力以提高氢气密度 ， 同时保障安全性 ；液氢储运已在海外市场率先 实现了商业化； 其他各类氢载体的储运技术目前也处于积极的商业化应用探索阶段 。 “氢 电” 转化 是氢能利用的关键技术， 目前在小功率分布式场景下以固定式燃料电池发电为主， 而大功率集中式发电则将采用氢燃气轮机或锅炉掺氨燃烧方案 。 三种方案下 ， 均已有明确 的技术发展路线和示范场景 ， 成熟的商用产品预计将在2030 年以前推出并实现应用 。 氢安 全管理则是近年来受到关注的一个新兴领域 。 大规模用氢场景下的氢安全体系化管理是一 项全新的挑战 ， 需要从本征安全 、 主动安全 、 被动安全三方面着手 ， 并结合数字化手段 ， 对氢能全链条进行有效管理 。 氢能产业已经迎来新的发展浪潮 ， 在政策 、 技术 、 市场 、 资本等多方的合力推动下 ， 全球氢能产业链各环节都将实现全方位的突破发展 ， 在未来十年构建下一个万亿级新能源 市场 ， 成为推动全球能源绿色低碳转型的新动能 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 3 1. 发展氢能的必要性 2023 年7 月 ， 全球经历了有记录以来的最炎热月份 ， 极端热浪席卷了中国 、 欧洲和美 国部分地区 。 自2015 年以来 ， 极端高温天气不断增多 ， 警示人们全球变暖正在加剧 。 为了 避免气候变化带来难以承受的后果 ， 我们亟需通过清洁能源转型实现碳减排 。 在能源转型的历程中 ， 氢能这一绿色能源因其零排放 、 高热值等诸多优势 ， 在过去的 几十年中获得了越来越多的关注 。 而中国作为应对全球气候变化中负责任的大国 ， 在实现 “3060 双碳目标” 愿景的征程中 ， 正不断为氢能产业发展创造良好的环境 。 1.1 能源危机和能源消费结构的变化 在过去的200 年中 ， 世界共发生了三次能源结构转型 （ 参阅图1） 。 第一次是19 世纪末 ， 伴随着第一次工业革命 ， 发生了从传统生物燃料到煤炭的转型 。 第二次发生在20 世纪上半 叶 ， 内燃机的广泛应用推动了从煤炭到石油和天然气的能源转型 。 当前正在进行第三次能 源转型 ， 可再生能源有望在未来取代化石燃料 。 3 2 1 0 200 400 600 全球一次能源消费量1800–2022年 （EJ ） 1800 1850 1900 1950 2000 2022 可再生能源 石油与天然气 煤炭 传统生物质能 可再生能源预计将在 第三次能源革命中逐 渐取代化石能源 石油和天然气的 能源消耗超过了 煤炭能源的消耗 煤炭能源的消耗 超过了传统生物 质能的消耗 来源英国石油公司 世界能源统计评论；数据看世界；BCG 分析 。 图1 | 全球一次能源消费量变化趋势波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 4 第三次能源转型的驱动因素之一就是能源危机 。 在过去的60 年里 ， 全球一次能源消费 量几乎翻了两番 1 。 长期依赖化石燃料不可持续 ， 且近年来各国能源资源的不平等和地区紧 张局势进一步加剧了能源危机的影响 ， 加速了能源转型的势头 。 碳中和是能源转型的另一个驱动因素 。 2015 年 ， 联合国的196 个成员国通过了 巴黎 协定 ， 目标是将全球平均气温升幅限制在工业化前水平以上2 ℃之内 ， 并努力将气温升幅 限制在1.5 ℃之内 。 据此目标计算 ， 到2050 年 ，至 少 65 的最终能源消费将来自可再生能 源 2 （ 参阅图2） 。 在此背景下 ， 氢能有望发挥重要作用 。 氢能的利用是达成碳中和的关键路径 ， 其释放能量的过程中零碳排放 。 氢能可以赋能可再生能源的规模利用 。 风光等可再生能源的发电具有天然的波动性 ， 致使电力供应与负荷需求不匹配 。 氢能作为一种适宜长周期储存和运输 、 能够用于再 发电的能源载体 ， 可以有效缓解可再生能源电力供需不匹配的问题 。 随着能源转型的不断推进 ， 在2050 年净零排放情景下 ， 氢能在全球最终能源消费占比 预计将达到10–15 3 （ 参阅图3） 。 1 数据看世界 https//ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy 。 2 国际可再生能源机构 （IRENA）全球能源转型路线图2050 https//www.irena.org/publications/2019/Apr/ Global-energy-transformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition 。 3 国际能源署 （IEA）全球氢能回顾2021 https//www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2021 。 如果保持目前的二氧化 碳排放水平不变，预计 到2037年，二氧化碳排 放总量将达到设定限值 参照情景 在保持目前碳排放水平 的情 况下 ，到2050年 ， 气温将上升2.6–3.0C 碳减排路线图 将碳排放对气温上升的 影响在2050年控制在2C 以内的碳排放路线图 1 0 300 600 900 1,200 1,500 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 能源相关的累计碳排放2015–2050年 （Gt CO2 ） 在2C场景下，能 源相关 累计CO 2 排放总量限值，2015–2050760Gt 1 来源国际可再生能源机构 （IRENA）； BCG 分析 。 1 在760Gt 的碳排限值下 ， 有66 的概率可实现2℃目标 。 图2 | 能源相关的累计碳排放预测波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 5 1.2 氢能的优势 尽管目前氢能在全球最终能源消费中占比还不到1 4 ， 但得益于其独特的优势 ， 氢能 具有非常广泛的应用潜力 （ 参阅图4） 。 4 国际能源署 （IEA）全球氢能回顾2021 https//www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2021 。 2020 2030 2050 100 氢能 可再生能源 1 电 力 天然气 石油 煤炭 全球终端能源消费份额2020年，2030年和2050年 （基于2050年净零排放情景） 1 5 10–15 来源国际能源署 （IEA） ；国际可再生能源机构 （IRENA）； BCG 分析 。 1 可再生能源是指生物燃料和以废物为原料的能源 。 图3 | 全球终端能源消费份额现状和预测 142 54 45 44 33 15 氢 天然气 汽油 柴油 无烟煤 褐煤 3倍 9倍 53 71 74 104 98 氢 天然气 汽 油 柴 油 无烟煤 褐 煤 0 高热值HHV（MJ/kg） 碳排放系数（kg CO 2/mmBtu） 来源美国能源信息管理局；BCG 分析 。 图4 | 氢能具有零碳排、热值高的优势波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 6 零排放 。 氢是一种独特的清洁能源 ， 在燃烧产热时的唯一副产物为水 ， 不会产生任何 碳排放或其他温室气体排放 。 虽然目前全球绝大多数氢气仍然产自化石燃料 ， 生产过 程中会产生碳排放 ， 但随着电解水制氢和可再生能源的不断发展 ， 绿氢的占比将逐步 增加 ， 氢能在未来能够成为一种完全脱碳的清洁能源 。 热值高 。 氢的热值比各类化石燃料都高 ， 能够达到汽油的三倍多 、 褐煤的九倍多 ， 所 以运输效率更高 、 能量释放更强 。 灵活变电 。 氢和电通过相互转化 ， 可以形成一个 “电氢 ” 耦合的能量系统 。 由于电 力在当前和未来都会是应用最广泛的最终能源之一 （2021 年约占20 ，预 计 2050 年将 增加到约50 5 ） ， “氢电” 转化的灵活性使氢能能够广泛应用于多种场景 。 易获取 。 氢气可以通过电解水的方式快速制取 ， 而电和水这两种物质都较为丰富且容 易获取 。 1.3 中国氢能发展的有利环境 作为世界第二大经济体 、 全球最大的能源消费国和碳排放国 6 ， 中国已在碳减排方面付 诸行动 ， 这对遏制全球变暖至关重要 。 在实现碳中和的举措中 ， 发展氢能是一项重要抓手 。 中国目前是世界上最大的产氢国 ， 年产量达3,300 万吨 ， 占全球需求的三分之一 。 据预测 ， 中国的氢气需求在2030 年将达到 3,500 万吨 ， 2050 年将达到6,000 万吨 7 。 中国的氢气供应能力强 ， 需求量大 ， 发展前景广阔 。 1.3.1 中国发布国家级氢能产业发展规划 在中国 ， 氢能已获得了多年的政策关注 。 早在2006 年 ， 国家中长期科学和技术发展 规划纲要 （2006–2020 年 ） 中就对制氢 、 氢储存和输配技术和燃料电池技术提出了指导规 划。 2022 年3 月发布的 氢能产业发展中长期规划 （2021–2035 年 ）（ 以下简称 规划 ） 是中国首个氢能产业中长期规划 ， 作为国家级规划 ， 其进一步明确了氢能在中国未来能源 结构中的战略性定位 ， 制定了中国氢能产业阶段性的发展目标 ， 并提出了氢能在中国的应 用场景 ， 对中国氢能产业的发展具有深远的意义 （ 参阅图5） 。 5 国际能源署 （IEA）全球氢能回顾2021 https//www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2021 。 6 国际能源署 （IEA）中国能源体系碳中和路线图 https//www.iea.org/reports/an-energy-sector-roadmap-to- carbon-neutrality-in-china 。 7 中国氢能联盟 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 7 战略定位 在规划中，氢能和氢能产业的战略定位被明确为  未来国家能源体系的重要组成部分；  用能终端实现绿色低碳转型的重要载体；  战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向 。 发展目标 规划以每五年为一个阶段，明确了各阶段的氢能和氢能产业发展目标  到2025 年 ， 燃料电池车辆保有量约 5 万辆 ， 部署建设一批加氢站 。 可再生能源制 氢量达到10–20 万吨/ 年 ， 成为新增氢能消费的重要组成部分 ， 实现二氧化碳减排 100–200 万吨/ 年。  到2030 年 ， 形成较为完备的氢能产业技术创新体系 、 清洁能源制氢及供应体系 ， 产业布局合理有序 ， 可再生能源制氢广泛应用 ， 有力支撑碳达峰目标实现 。 到2025年 到2030年 到2035年 可再生能源制氢量达到 10–20万吨/ 年，燃料电 池车辆保有量约5 万辆， 部署建设一批加氢站 形成较为完备的氢能产业 技术创新体系、清 洁能源 制氢及供应体系 产业布局合理有序，可再 生能源制氢广泛应用，有 力支撑碳达峰目标实现 形成氢能产业体系，构建 涵盖交通、储能、工业等 领域的多元氢能应用生态 可再生能源制氢在终端能 源消费中的比重明显提 升，对能源绿色转型发展 起到重要支撑作用 氢交通 氢储能 1 氢工业 其他 发展目标 应用场景 战略定位 1 未来国家能源体系的 重要组成部分 2 用能终端实现绿色低碳 转型的重要载体 3 战略性新兴产业和未来 产业重点发展方向 来源国家发展和改革委员会；国家能源局；BCG 分析 。 1 包括储能和发电 。 图5 | 中国氢能产业发展中长期规划（2021–2035年）波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 8  到2035 年 ， 形成氢能产业体系 ， 构建涵盖交通 、 储能 、 工业等领域的多元氢能应 用生态 。 可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升 ， 对能源绿色转型发 展起到重要支撑作用 。 应用场景 除交通领域的试点应用外，规划还强调了氢能在工业和能源（包括氢能、电能和 热能）领域的多元应用，通过引导用能终端的能源消费转型和高耗能、高排放行业绿 色发展，发挥氢能对碳达峰、碳中和目标的支撑作用。 此前，中国大多数氢能产业政策都集中在交通领域，尤其是燃料电池汽车的应用。随 着国家和地方性政策的逐步落地，氢能在交通领域的先导性应用将为其他场景起到示 范性作用，带动其他的氢能下游应用领域的进一步发展。 1.3.2 中国可再生能源供给的快速增长将促进氢能消费 中国风光等可再生能源装机的快速增长 ， 将会推动中国氢能产业发展成为可再生能源 消纳的有效途径 。 2011 年至2021 年 ， 中国的风能和太阳能发电装机量以29 的年复合增长率从48 吉瓦 迅速增长至635 吉 瓦 ，占 2021 年全国发电总装机量的27 8 。然 而 ，2021 年发电量只有12 来自于风能和太阳能发电 9 。 可再生能源装机量与发电量之间的巨大差异 ， 是由于风光等可 再生能源天然的间歇性和波动性导致的供需不匹配 ， 同时由于缺乏调节手段面临送出难 、 消纳难的困境 ， 从而造成大量弃电 。 在中国的北部和西部部分地区 ， 风能和太阳能年度弃 电率可高达30 。 波动性的风光发电资源如无法被充分利用 ， 中国能源结构转型的宏伟目标将受到挑 战 ， 因此持续发展建设可再生能源发电势在必行 。 随着可再生能源装机量的不断提升 ， 发 电侧与负荷侧的不匹配将持续增大 ， 促使业内寻求高效利用可再生能源的方法 ， 以突破可 再生能源的发展瓶颈 。 氢能被视作是一个前景无限的答案 。 通过将电能转换成氢能 ， 再通过多种途径将氢能 加以利用 ， 可以部分克服可再生能源本身的局限性 ， 从而更好地匹配能源供给和需求 。 氢 能也可以直接应用于丰富的下游场景 ， 包括氢能交通 、 工业脱碳 、 大规模储能和运输等 。 在中国 ， 随着下游氢能消费市场的增长和应用场景的拓展 ， 上游可再生能源市场玩家 纷纷投资布局氢能产业 ， 推动氢能全产业链的发展 。 8 中国国家能源局 http//www.nea.gov.cn/2022-01/26/c_1310441589.htm 。 9 中国电力企业联合会 2021 年中国电力工业经济运行报告 http//lwzb.stats.gov.cn/pub/lwzb/tzgg/202205/ W020220511403033990320.pdf 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 9 1.3.3 中国西北地区具有得天独厚的绿氢发展优势 绿氢产业的发展 ， 离不开可再生能源的禀赋 。 纵观中国的版图 ， 具有丰富风光资源的 地区 ， 集中分布在中国北部的内蒙古地区到西北部的新疆地区之间 ， 以及东南沿海地区 。 其中 ， 北部的内蒙古到新疆地区 ， 呈一条弧形带分布着我国的沙漠与戈壁 ， 具有光照强 、 风力大的特点 ， 具备优越的可再生能源自然资源条件 。 比如 ， 在内蒙古地区 ， 全年有效日 照时数可达到1,500–1,800 小时 ， 位居全国首位 。 丰富的可再生资源将有效降低当地可再生 电力的获取和使用成本 ， 进而推动绿氢产业发展 。 绿氢产业的发展 ， 需要一定的水资源支撑 。 作为电解水制氢的最主要原料 ， 水的可获 取性同样决定了绿氢产业发展的成本及推广的难度 。 在内蒙古鄂尔多斯地区 ， 黄河流过并 形成 “几” 字湾 ， 为当地的绿氢产业发展提供了关键的水资源保障 。 绿氢产业的发展 ， 更需要地方政府的决心与推动 。 2022 年全国超70 的绿氢示范项目 规划落地内蒙古地区 ， 其中鄂尔多斯示范区是重点区域 。 当地政府的决心体现在全球顶尖 的科研能力构建 、 全方面的优渥政策引导 ， 以及大规模的投资与引资计划 ， 进而从技术研 发 、 项目落地 、 产业链成熟三方面引领绿氢产业在全国的发展 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 10 2. 氢能的应用场景 氢能的主要利用途径包括交通 、 能源以及工业领域 （ 参阅图6） 。 作为纯电动汽车的补充，是零碳 交通的重要组成部分和关 键技术 路径之一 氢能产业 发展的先 导性应用 场 景，将打通并引领整个氢能产 业 价值链的发展 作为能源动力源 主要用于燃料电池汽车；铁 路、 航运、航空等领域也在积极探索 氢气或 氢基燃料的使用场景 作为新兴应用领域， 全 球的燃料电池汽车保有 量已经超过5万辆，约 占氢能总消费的0.03 处于早期阶段，氢能消 费量占比非常低，但全 球的示范应用规模在快 速扩大 是目前氢能最大的消费 终端，占总需求量 99，但以灰氢为主 作为清洁能源载体 作 为储能载体（通过电氢转 化 ）进行长周期、大规模的绿电 能源储 存，并作为清洁能源应用 于发 电、交 通或其他应用场景 作为工业原料 广泛应用于炼 油、化工（ 合成氨 和甲醇）、钢 铁（直接还原铁 ） 等领 域 氢的能源化利用，为可再 生电力 主导的电网系统奠定基础，助力 用能终端的清洁能源消纳，推动 绿色能源体系转型 通过绿氢对灰氢的大规模 替代， 实现工业领域深度脱碳 定位和价值 发展阶段 应用场景 氢交通 氢工业 氢储能 来源国际能源署 （IEA）； BCG 分析 。 图6 | 氢能的主要终端应用场景 氢交通、氢储能和氢工业 氢能在 交通领域 直接作为能源使用 ， 是零碳交通的重要组成部分和关键技术路径之一 。 在不断进步的燃料电池技术 、 不断建设完善的氢能基础设施 、 强有力的政策等因素的推动 下 ， 氢能交通迅速发展 ， 尤其是长途重载卡车领域 。 更重要的是 ， 氢能交通将作为氢能产 业的先导性应用 ， 打通氢能全产业链各环节 ， 有效地推动整个氢能产业链的发展 。 一旦燃 料电池交通应用场景的经济成本具备市场竞争力 ， 燃料电池汽车将成为短中期内氢能需求 的增长引擎 。 氢能以能源载体形式用于储能和发电被认为是其最具前景的应用 。 氢能是可再生电力 为主导的电网系统中最理想的长期储能方式 ， 也是灵活发电的清洁能源 。 目前 ， 在燃气轮 机的掺氢和纯氢发电 、 锅炉的掺氢掺氨发电 、 燃料电池热电联供等领域 ， 都已有丰富的探 索和商业实践 。 尽管在技术和成本等方面仍存在一定挑战 ， 但氢能的能源化应用场景正在 迅速发展 ， 并带动产业的大规模增长 。 氢能在工业领域具有成熟的应用基础 ， 几十年来一直做为各领域的工业原料被广泛使 用 。 而近年来 ， 随着工业脱碳趋势的发展 ， 绿氢替代灰氢的浪潮开始涌现 。 现有的氢气运输 、 储存和利用的基础设施将有效地促进绿氢在工业领域的快速应用和落地 。 要实现对灰氢的 大规模替代 ， 绿氢的成本竞争力至关重要 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 11 氢能交通和燃料电池过去一直是氢能产业链 中投融资最活跃的领域 ， 充分体现了氢能交通在 产业链中的先导地位 。 同时 ， 随着氢交通对全产 业链商业化的拉动作用 ， 氢能的其他应用和上游 领域也开始受到投资者的关注 ， 投融资事件持续 增多 ， 说明中国氢能产业已进入全面爆发阶段 。 在这样的背景下 ， 一批氢能领域的新兴企业正在 崛起 ， 其中在技术研发 、 供应链整合能力 、 商业 化资源等方面具有实力的企业将能够取得先发优 势 ， 有望成长为全球氢能产业的领导者 。 统计数据显示， 2021 年国内氢能领域发生 的投融资事件 ， 七成集中在燃料电池与氢交通领 域 ， 具体包括燃料电池及其关键零部件制造 、 整 车制造等 ；其余投融资事件则聚焦于氢能产业链 的其他关键环节 ， 如电解水制氢 、 氢气储运等 。 而到了2022 年 ， 尽管仍有约一半的投资流向了燃 料电池与氢交通领域 ， 但向氢能产业链上游关键 环节投资的案例数量在迅速增加 ， 说明战略和财 务投资者愈发关注从关键材料到电解槽 、 从储氢 到氢消纳等领域 。 中国氢能产业投融资事件 中国已披露的氢能产业链投融资事件，2021–2022年 （投融资事件数量，起） 6 4 2 12 5 5 2 4 2 2021 燃料电池零部件其他 1 0 燃料电池电堆 1 燃料电池零部件极板 1 2022 燃料电池零部件隔膜 燃料电池系统 交通工具 18 26 燃料电池与氢交通 其他氢能产业领域 2 5 2 4 5 2 6 5 2022 氢能设备零部件 2 1 加氢 电解水设备 1 0 2021 1 储氢及运氢 燃氢燃气轮机 氢能运营 8 26 来源华兴资本；BCG 分析 。 注限于数据可用性 ， 只披露了融资事件的数量 ， 而非融资总金额 。 1 气液分离 、 压缩机 、 电气设备等 。 2 制氢 、 储氢 、 加氢设备的零部件 ， 比如机械电气设备/ 气液分离设备 。 波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 12 2.1 氢交通 2.1.1 氢在交通领域的作用 交通是氢能的一个重要应用领域 。 在过去的几十年里 ， 交通行业在持续通过电动化进 行脱碳转型 。 而在难以电动化的领域 ， 如重载卡车 、 航运和航空 ， 氢能的应用则应运而生 。 尽管目前需求量有限 ， 但以氢为动力的交通对能源结构的转型至关重要 ， 因为这标志着氢 的应用从工业原料扩展到动力能源 。 在交通运输领域的终端应用之上 ， 当前的氢应用示范 也将拉动整条氢产业链 （ 包括制氢 、 储运 、 加注等环节 ） 的规模化蓬勃发展 。 在各种运输方式中 ， 以氢燃料电池汽车为代表的公路运输对氢能的需求量最大 ， 也是 目前氢在交通领域最主要的应用 。 在铁路和航运方面 ， 氢燃料也在进行着诸多有益的示 范。 例 如， 2022 年 ， 世界上首批氢能列车组在德国正式运行 10 ， 首艘液氢渡轮在挪威投入 运营 11 。 在航空方面 ， 空客公司计划在2035 年前推出以氢为燃料的ZEROe 飞机 12 ， 但当前 尚无商业化应用案例 。 接下来的部分 ， 我们会重点讨论氢能交通中最受关注的终端应用 燃料电池汽车 。 2.1.2 氢能汽车 氢能汽车主要是指燃料电池汽车 （FCEV ） ， 它使用燃料电池 ， 利用空气中的氧气和储 存的压缩氢气发电 ， 结合小型动力电池或超级电容一起为电机供电 。 另一条技术路线是氢内燃机 （H2-ICE） 汽车 ， 它通过直接在改造的内燃机中燃烧氢气 来驱动汽车 ， 取代汽油或柴油 。 尽管与燃料电池相比氢内燃机技术更为初期 ， 但不少汽车 制造商也都投入开发氢内燃机 ， 如康明斯 、 丰田 、 潍柴和北汽 ， 因为氢内燃机可以利用已 有的内燃机技术 ， 因此具有潜在成本优势 ， 且在重载和恶劣工况下可能有更好的性能 13 。 随着零排放汽车渗透率的快速上升 ， 全球燃料电池汽车市场增势强劲 。 2021 年 ，全 球 燃料电池汽车的销量超过1.7 万辆 ， 同比增长超70；至年底保有量已超过5 万辆 。 截至 2021 年底 ， 乘用车在全球燃料电池汽车保有量中占主导地位 ， 部分原因是日本和韩国汽车 制造商在燃料电池汽车领域起步较早 ， 其乘用车车型已经在全球销售 ， 如现代Nexo 和丰田 10 法国24 新闻台 世界首列氢气列车在德国运行 https//www.france24.com/en/live-news/20220824-whistle- blows-in-germany-for-world-s-first-hydrogen-train-fleet 。 11 Offshore Energy 巴拉德建成世界最大液氢渡轮 https//www.offshore-energy.biz/ballard-fuel-cells-for-worlds- largest-lh2-powered-ferry/ 。 12 空客公司官网 https//www.airbus.com/en/innovation/zero-emission-journey/hydrogen 。 13 康明斯公司官网 https//www.cummins.com/news/2022/01/27/hydrogen-internal-combustion-engines-and- hydrogen-fuel-cells 。波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 13 Mirai 。 而在中国 ， 燃料电池汽车的主流应用领域则是商用车和客车 ， 中国汽车制造商也重 点关注开发商用车车型 （ 参阅图7） 。 燃料电池汽车发展的关键驱动因素包括以下四点 燃料电池技术的进步 。 燃料电池系统一直在向更高效 、 更耐久 、 更经济的方向发展 ， 主要得益于贵金属催化剂用量降低或替代技术研发 ， 以及燃料电池关键零部件生产规 模扩大 。 在中国 ， 2021 年燃料电池系统的成本已迅速下降到700 美元/ 千 瓦（5,000 元 人民币/ 千 瓦） 14 。 节能与新能源汽车技术路线图2.0 15 将燃料电池系统的成本目标 定为2025 年实现300 美元/ 千 瓦（2,000 元人民币/ 千 瓦）和 2030–2035 年的85 美元/ 千 瓦（600 元人民币/ 千瓦 ） ， 与美国2030 年左右达到80 美元/ 千瓦的目标接近 16 。 配套基础设施的发展 。 燃料电池汽车运行所需要的基础设施涉及制氢 、 储运 、 加注等 环节 ， 其中加氢站是目前燃料电池汽车发展最直接的瓶颈 。 因此 ， 鼓励公共和私人部 门投资加氢站网络建设 ， 是支撑燃料电池汽车产业发展的重要举措 。 随着加氢站建设 的不断推进 ， 到2022 年中 ， 全球已建成近千个加氢站 （ 参阅图8） 。 加氢站的运行依赖 14 王贺武, 欧阳明高, 李建秋, 杨福源 “中国氢燃料电池汽车技术路线选择与实践进展” ， 汽车安全与节能学报 , 132, 211, 2022 年。 15 中国汽车工程学会 节能与新能源汽车技术路线图2.0。 16 美国能源部 能源电池技术回顾 （2021） https//www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review21/plenary8_ papageorgopoulos_2021_o.pdf 。 64 64 7 13 19 26 42 4 6 5 4 0 20 40 60 3 千辆 2017 2018 2 2019 25 2020 2021 35 52 按照类型划分的燃料电池汽车保有量 ，2017–2021年 按照国家/地区划分的燃料电池汽 车保有 量，2017–2021年 5 10 20 6 8 9 12 6 8 8 1 4 7 1 4 0 10 20 30 40 50 60 千辆 2 2017 7 1 1 4 3 2 2 2018 1 2019 3 1 2020 2021 13 25 35 52 4 0 日本 韩国 美国 中国 欧洲 其他地区 乘用车 客车 商用车 来源国际能源署 （IEA）； BCG 分析 。 注由于四舍五入的原因 ， 可能存在分项之和不等于合计的情况 。 图7 | 截至2021年底，全球燃料电池汽车保有量已超过5 万辆波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 14 于稳定 、 经济的氢源供应 ， 目前的氢主要来自集中化的制氢工厂或分布式的加氢站站 内制氢系统 。 有观点认为 ， 制氢加氢一体站是颇具前景的解决方案 ， 因为它缩减了从 制氢工厂到加氢站途中昂贵且低效的氢气储运环节 17 。 氢燃料成本的降低 。 氢燃料的成本占Class 8 燃料电池重卡总拥有成本 （TCO ） 的一半 以上 ， 因此昂贵的氢价一直是制约燃料电池汽车发展的另一个因素 。 目前 ， 就每公里 燃料成本而言 ， 在日本 、 欧盟和美国 ， 终端加氢价格通常超过10 美元/ 千克 ， 在中国 则约为40–70 元人民币/ 千 克（约 6–11 美元/ 千克 ， 不含补贴 ） ， 不含补贴的加氢价格 与柴油和汽油相比仍然高出很多 18,19 。 展望未来 ， 得益于绿氢供应增加 、 加氢站建设成 本降低和加氢站利用率的提升 ， 预计在2030 年以前 ， 中国终端加氢价格有望降至35 元/ 千克以下 ， 实现与燃油重卡的TCO 持平 。 17 国际清洁交通委员会 （ICCT） 欧洲加氢站现场生产可再生氢的成本 https//theicct.org/publication/fuels-eu- onsite-hydro-cost-feb22/ 。 18 标普全球普氏分析公司 https//www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/electric- power/090221-platts-launches-hydrogen-pump-prices-in-germany-japan-and-california 。 19 标普全球普氏分析公司 https//www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/energy- transition/110921-chinas-hydrogen-fuel-price-to-be-competitive-against-petroleum-by-2030-sinopec-marketing 。 2022H1 470 2021 2017 2018 2019 2020 396 343 581 777 981 美 国 欧洲 中国 韩国 日本 其他地区 各国家和地区加氢站数量（座） 来源国际能源署 （IEA）； BCG 分析 。 图8 | 加氢站数量的增长为燃料电池汽车的应用奠定了良好基础波士顿咨询公司 2023年8月 中国氢能产业展望 15 政策支持 。 在燃料电池汽车与燃油车实现成本平价之前 ， 政策性补贴和指导仍是市场 发展的重要驱动因素 。 可以看到越来越多的政府为燃料电池汽车 （ 或包含在零排放车 辆内 ） 制定了政策目标 。 例如 ， 中国的目标是到2025 年燃料电池汽车保有量达到5 万 辆 ，到 2035 年达到100 万辆； 日本的目标是到2030 年燃料电池汽车保有量达到80 万辆； 韩国则计划到2040 年累计生产620 万辆燃料电池汽车 。 为了实现这些目标 ， 各国政府 都提供了补贴和税收优惠方案 。 例如 ， 中国政府在五个城市群启动了燃料电池汽车试 点 ， 激励措施覆盖了燃料电池汽车的整个价值链 ， 包括燃料电池汽车示范应用 、 氢燃 料电池关键零部件和氢能供应等环节 。 在需求拉动增长到来前 ， 政策推动仍将是氢交 通发展最主要的驱动力 。 我们认为燃料电池汽车的最大潜力在于长途重载商用车领域 。 与纯电动重卡相比 ， 燃 料电池重卡的补能时间更短 、 重量更轻且能量密度更高 。 随着氢燃料价格的下降和燃料电 池系统成本的优化 ， 预计燃料电池汽车TCO 将显著改善 。 我们的分析表明 ， 在全球主要市 场 ， 与燃油重卡相比 ， 燃料电池重卡将在2030 年前具有TCO 优势 （ 参阅图9） 。 纯电动 柴油 氢燃料电池 xNG 氢内燃机 2025 2030 2035 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2030 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2025 2035 2025 2030 2035 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 预 计2027–2028年，燃 料 电池重卡与柴油重卡 TCO持 平 预 计2026–2027年，燃 料 电池重卡与柴油重卡 TCO持 平 预 计2027–2028年，燃 料 电池重卡与柴油重卡 TCO持 平 中国 欧盟 美国 长途重卡总拥有成本（TCO） 1, 2, 3 ，美元/公里 来源BCG 分析 。 1 总车重大于15 吨的重卡 ， 假设年行驶里程为10 万公里至16 万公里 （ 取决于地区 ）