“氢能十解”系列专题 | 第八解：氢基能源规模之密

全国用氢需求现状与预测

我国氢能政策体系日趋完善，氢能产业发展总体向好，产业链逐步完善，与国际先进水平差距逐步缩小，国内外合作进一步加强。目前我国的氢气生产量和需求量居世界首位，并呈逐年上升的态势，2022年氢气年产量达3781万吨，产能超4000万吨/年。大型能源企业逐步开展氢能布局，当前我国氢能相关企业已超8000家。我国各行业氢能获取及应用将逐步由灰氢、蓝氢向绿氢过渡，同时氢制备、储运和加注等相关核心材料、关键技术不断突破，设备国产化水平快速提升，氢能示范规模和应用场景将进一步扩大。

我国现阶段的氢产量主要来自于灰氢，“双碳”目标下，未来随着新型能源系统的快速转型，绿色氢能需求将快速提升，灰（蓝）氢的市场份额将逐步萎缩。我们预测，未来我国的灰（蓝）氢产量，在2030年、2040年、2050年将分别降至2340万吨、2010万吨、910万吨，直至2060年全面被绿氢取代；与此同时我国的绿氢需求量稳步上升，2030年、2040年、2050年和2060年绿氢需求量将分别达到2300万吨、6900万吨、9100万吨、1.2亿吨。

工业领域氢基能源需求

工业领域氢基能源需求主要集中在合成工业用氨、合成工业用甲醇、石油化工、冶金还原剂等领域，我们预测工业领域绿氢原料需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到800万吨、2100万吨、3000万吨和3850万吨。

合成工业用氨

氨是化肥的主要原料，也是重要的工业原料和中间产品，在工业领域具有广泛的用途。作为化肥工业的基础，约70％的合成氨产量被用于生产氮素化肥，约29％的合成氨产量被广泛应用于生产胺、染料、炸药、合成纤维、合成树脂等有机或无机化学工业产品。在电子工业中，高纯氨被应用于大规模集成电路减压与等离子体化学气相沉积。氨也作为碱性剂、酵母养料、食用色素稀释剂等广泛应用于食品工业中。

我国当前合成氨产量约5900万吨，多以煤炭和天然气制的灰氢作为原料。化肥的施用是现代农业产出的重要保障，随着我国测土配方施肥全面开展，化肥用氨的需求正在逐步下降，但化工、电子工业和食品工业等领域的氨需求仍在逐步增长当中。假设未来作为工业用途的合成氨的产量基本维持不变，但是随着碳约束的逐步缩紧，合成氨的氢来源将大规模由绿氨替代。

经研判2030年化工合成氨的绿氨占比可达到20%左右，2060年化工合成氨的氢来源将全部来自于绿氢。假设在2030年到2060年之间，绿氢在合成氨的领域的渗透率匀速增长，综合研判下总工业绿氨的需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到1180万吨、2870万吨、4550万吨以及5900万吨左右，其对应的绿氢原料需求将分别达到210万吨、520万吨、820万吨以及1060万吨。

合成工业用甲醇

甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，全球有超10%的氢气被用于生产甲醇。甲醇是重要的有机化工原料，是甲醛、醋酸、二甲醚、二甲基甲酰胺的上游产品，也是烯烃的重要来源，被广泛应用于化工、轻工、纺织、农药、医药、电子、食品等工业部门，是树脂、多元醇、尼龙、橡胶、汽油添加剂、涂料、医药产品、农药、消毒剂、防腐剂、人造皮革等产品的重要原料。

目前我国的化工甲醇产量约为8000万吨。现有甲醇生产多以化石原料作为基础，以绿氢为原料合成甲醇可减少化石能源的使用，是未来化工领域脱碳的重要技术路线。初步判断，未来我国的化工甲醇的总需求将基本维持不变，化工甲醇制备中绿氢合成甲醇的占比将稳步提升。

经研判，2030年以绿氢为原料合成的甲醇占比可达到总化工甲醇的15%左右，到2060年将逐步提升至100%。假设在2030年到2060年之间，绿氢在化工甲醇合成的领域的渗透率匀速增长，综合研判下总工业绿甲醇的需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到1140万吨、3430万吨、5710万吨以及8000万吨左右，其对应的绿氢原料需求将分别达到220万吨、650万吨、1190万吨以及1520万吨。

石油化工

石油炼制是仅次于合成氨和制甲醇的氢消费领域，使用氢对油品进行加氢裂化、加氢精制可以改善、改变重油性质，将重油转化为轻质油品，以提高石油的精炼效率以获得更多高附加值产品。近年来，加氢裂化的增长率有明显不断攀升的趋势，加氢裂化装置配置需求的增长率已超过催化裂化、催化重整和热加工等二次加工装置配置需求的增长率。

根据对未来我国新型能源体系的综合研判，我国2030年、2040年、2050年和2060年的石油消费量折算标煤将分别为12.5亿吨、9.5亿吨、6亿吨以及2.5亿吨左右。石油炼化过程中的加氢来源也将逐步从煤制氢和天然气制氢转变为可再生能源制绿氢。2060年我石油炼化行业的加氢需求除炼化过程中自产副产氢之外，将全部被绿氢气所替代。

2030年石油炼化领域的净氢气需求（炼化自产副产氢除外）的绿氢渗透率预计可达到30%左右，到2060年将全面被绿氢替代。假设绿氢的渗透率匀速增长，综合研判下总石油化工的用氢需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到，375万吨、475万吨、420万吨以及250万吨。

冶金还原剂

冶金行业是二氧化碳排放的重要源头，由于通过电气化手段实现碳减排的效果有限，因此冶金行业也是碳减排的重点领域。绿氢被视为冶金行业碳减排的关键原材料，氢具有的原料与能源的双重属性使其可以深度参与到冶金的各个环节中。传统的高炉炼铁是以煤炭为基础的冶炼方式，碳排放占总排放量的70%左右。氢可以代替碳在冶金过程中的还原作用，从而使冶金行业摆脱对煤炭的依赖，在源头实现降碳。其中，冶金行业中能源碳排放量与能源消耗最大的行业为钢铁冶炼行业。

目前我国的粗钢产量为10亿吨左右，随着我国基础设施建设的基本完善，未来钢铁需求量将逐步下降至6亿吨左右。而且我国历史上所积累的累计钢铁存量也将随着基础设施、建筑、以及相关设备的逐步退役给我国提供大量的废钢资源。预计未来我国的废钢资源量为每年4亿吨左右，因此2060年，我国的原生钢铁需求将逐步降低至2亿吨左右。

氢直接还原，未来将成为原生钢铁冶炼的主要脱碳技术，目前氢直接还原技术仍处于中式阶段。根据技术现状研判，2030年左右氢直接还原技术将开始逐步走向商业化阶段，2040年左右将达到20%左右的市场渗透率，2060年市场渗透率将逐步提升至60%。其对应的绿氢需求量在2040年、2050年和2060年分别将达到460万吨、670万吨和1000万吨。

交通领域氢基能源需求

交通领域氢基能源需求主要集中在公路运输、铁路及轨道交通、航空领域、航运等领域，我们预测交通领域绿氢原料需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到50万吨、1200万吨、2700万吨以及3800万吨左右。

公路运输

我国氢燃料电池汽车的发展采取先商用车后乘用车路线。氢燃料电池汽车主要以客车、重型卡车和牵引车、城市物流车为切入领域，相对于发展趋于成熟的纯电动汽车，氢燃料电池汽车适合固定路线、中长途干线和高载重场景。

甲醇作为汽车燃料是当前其在交通领域应用的一条有效路径。相比煤炭、汽油、柴油等化石燃料，甲醇成分单一，燃烧相对清洁，且具备高辛烷值，因此甲醇可用作内燃机中的汽油添加剂或替代品，也可应用于改装的柴油发动机以及先进的混合动力和燃料电池车辆，特别适合我国贫油、少气、多煤炭的能源结构的国情现状。

目前陆上交通领域的电动化趋势正在飞速发展当中，乘用车、公交车以及小型运输车辆均已经有成熟的电动化方案。但是长途重卡货运、受限于电池的能量密度的理论上限，在可以预见的未来仍然难以实现高度电气化。以绿氢为原料合成的绿甲醇、绿氨等绿色燃料替代化石能源是交通领域实现深度脱碳的基本路径之一。目前我国重型机动车的年燃油消费量为8500万吨左右，随着经济持续增长，未来仍有50%以上的上升空间，预计未来在“双碳”目标的引导下，基于绿色氢基能源为基础的各类车辆的技术渗透率将超过50%。

预计绿色氢基能源在我国重型机动车领域在2030左右实现商业化，2040年左右达到20%的市场份额，2050年和2060年市场份额逐步提升至40%和50%，假设我重型机动车的能源需求匀速增长，综合研判下陆上交通领域的的绿氢原料需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到28万吨、630万吨、1380万吨以及1880万吨左右。

铁路及轨道交通

氢能在铁路交通领域的应用主要是与燃料电池结合构成动力系统，替代传统的内燃机车。氢动力火车的优点在于不需要对现有铁路轨道进行电气化改造即可以实现铁路的碳减排。目前氢动力火车在国际上处于研发和试验阶段，在我国高电气化率的背景下，氢动力火车需求有限，暂不考虑氢能在铁路及轨道交通领域的预测数据。

航空领域

绿色航空煤油是指从非化石资源而来的C8～15液体烃类燃料。根据美国环球油品公司的生命周期分析，绿色航空煤油的温室气体排放量比石油基航空燃料减少65%～85%。在研发飞机新技术及提高运营与基础设施效率之外，发展可持续航空燃料将是实现减碳目标最重要的措施。当前国际上成熟的绿色航空煤油生产路径主要是依托加氢精制法、费托合成法两种工艺。我国主要是清华大学研究团队正在开展通过设计指向含芳环航煤馏分(C8～C15)为目标产物的工艺路线研究工作。

我国航空煤油年消费量在3500万吨左右，考虑航空运输量仍在高速增长当中，航空煤油未来需求将有较大的增长潜力。经初步研判，未来航空领域的能源需求量增长将超过100%，2060年我国基于绿氢制成的绿色航空煤油在航空领域的渗透率将达到50%左右。

预计绿色航空煤油在我国航空领域在2030左右实现商业化，2040年左右达到20%的市场份额，2050年和2060年市场份额逐步提升至40%和50%，假设我航空领域的能源需求匀速增长，综合研判下绿色航空煤油其应的绿氢原料需求将分别达到12万吨、290万吨、680万吨以及970万吨。

航运

绿甲醇是另一种极具潜力的船用动力来源，甲醇可以实现低改装成本下的柴油的部分或完全替代，且常温下甲醇是液体，无需加压或低温储存，这使得甲醇燃料动力船舶成为航运业减碳的重要手段。目前，包括日本、新加坡等国家都已明确，将可再生甲醇作为船舶运输零碳排放的燃料。绿色甲醇将在航运业脱碳方面发挥关键作用，其需求将随产能扩大和技术进步快速增加。

目前我国的航运燃油消费量约为3200万吨，航运作为成本最低廉的运输方式，未来随着经济的发展将有较大的增长空间，2060年我国的航运需求将比当前水平提高一倍左右。经研判，未来以绿氢合成绿甲醇为支撑的甲醇燃料动力船舶将在航运领域的技术渗透率将达到50%以上。

预计绿色氢基能源在我国航运领域在2025年~2030年间实现商业化，2040年左右达到20%的市场份额，2050年和2060年市场份额逐步提升至40%和50%，假设我航运领域的能源需求匀速增长，综合研判下航运绿色甲醇的需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到61万吨、1460万吨、3400万吨和4860万吨。对应的绿氢原料需求将分别达到12万吨、280万吨、650万吨以及920万吨。

电力领域绿氢需求

电力领域氢基能源需求主要集中在气电掺氢、煤电掺氨、燃料电池发电等领域，我们预测在电力领域绿氢原料需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到1460万吨、3540万吨、3280万吨以及4390万吨左右。

气电掺氢

气电掺氢的发展与燃气轮机的发展具备强耦合关系，目前GE在全球已有超过100台采用低热值含氢燃料机组在运行，累计运行小时数超过800万小时，其中部分机组的燃料含氢量超过50%，积累大量实践经验。GE公司将零碳排放的燃气技术分为五步，目标在2030年前GE HA燃气机组会具备100%的燃氢能力，最终实现零碳排放。因此，未来燃气轮机100%掺氢，在技术上是可以实现的。考虑到输氢管道技术难度与成本，保守估计我国燃气发电的掺氢比例将在2060年达到20%左右。

根据我院对未来电力系统的综合研判，未来我国气电的发电量在2030年、2040年、2050年以及2060年将分别为0.49万亿度、0.57万亿度、0.60万亿度和0.53万亿度，2030年气电掺氢比例达到1%左右，到2060年匀速提升至20%。

综合研判下燃气轮机掺氢需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到8.7万吨、73万吨、140万吨以及186万吨左右。

煤电掺氨

关于煤电锅炉掺氨，目前有煤掺氨燃烧器技术和纯氨燃烧器技术两种技术路线。在锅炉运行的过程中，有四种运行模式，第一种是纯煤燃烧器与纯氨燃烧器同时运行；第二种是纯煤燃烧器与煤掺氨燃烧器同时运行；第三种是纯煤燃烧器、纯氨燃烧器和煤掺氨燃烧器三种燃烧器同时运行；第四种是只有纯氨燃烧器运行。目前来看，前三种运行模式适合于近中期的碳减排策略，并且第三种运行模式下锅炉掺氨的可调节性更强，第四种适合于中远期。

未来能源用氨的主要需求将集中在煤电掺氨领域。煤电对我国的电力系统的稳定安全运行有非常重要的作用。随着碳约束的逐渐加紧，煤电掺氨是除碳捕集与封存外另一个煤电脱碳的重要的技术。根据我院对未来电力系统的综合研判，未来我国煤电的发电量在2030年、2040年、2050年以及2060年将分别为5.8万亿度、4.6万亿度、2.5万亿度和2.4万亿度。根据技术现状研判，2030年火电掺氨比例可达到2.5%左右，未来来火电掺氨的比例匀速增长，到2060年火电掺氨的比例将达到20%左右。

综合研判下煤电掺氨需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到8000万吨、19400万吨、17400吨以及23300万吨左右，其对应的绿氢原料需求将分别达到1460万吨、3470万吨、3130万吨以及4200万吨。

燃料电池发电

燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，基本原理是燃料进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下分解成质子和电子，形成的质子穿过膜达到燃料电池阴极，电子则通过外部电路到达燃料电池阴极形成电流。依据燃料的不同，燃料电池可以分为氢燃料电池、甲醇燃料电池和氨燃料电池。依据电解质的不同，可以将燃料电池分为五类：包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

燃料电池技术受限于设备的体积能量密度较低，主要适用于分布式电源的部署，总体而言，未来我国燃料电池电站的规模与“传统火电降碳”规模相比相对较小，绿氢需求较低，目前暂不考虑相应的绿氢需求。

建筑领域绿氢需求

建筑领域能源需求主要用于供暖（空间采暖）、供热（生活热水）等的能源消耗。在短期，氢气可借助较为完善的家庭天然气管网，以小于20%的比例掺入天然气实现低成本向建筑终端运输。长期来看，氢能可以以燃料电池的形式参与建筑的分布式供能。

目前我国建筑部门的天然气消费量为1200亿立方米，占总天然气消费量的33%。随着城镇化进程的继续发展以及清洁供暖的持续推进，我国的建筑燃气需求将稳步增长，到2060年我国的建筑领域的燃气需求将增长至2400亿立方米左右，考虑到氢气的安全性问题，预计未来我国的建筑领域燃气掺氢比例将达到10%左右，假设我国建筑领域的燃气需求匀速增长，根据技术现状研判，2030年左右建筑领域燃气中氢气占比可达到1%左右，至2060年匀速提升至10%。则综合测算下，建筑领域绿氢原料需求在2030年、2040年、2050年和2060年将分别达到，10万吨、80万吨、150万吨以及220万吨左右。

绿氢需求预测

绿色氢基能源未来主要用途集中在工业、交通、电力、建筑四大领域，经上述综合分析，根据我院研究预测，未来我国的绿氢需求量稳步上升，2030年、2040年、2050年和2060年绿氢需求量将分别达到2300万、6900万、9100万、1.2亿吨。

我国各领域绿氢需求预测表（单位：万吨）

我国四大领域绿氢需求预测图

特别说明

“氢能十解”为作者对于行业的粗浅理解，本文章部分数据及图片引自国际可再生能源机构、国家统计局、国家能源局、中国电力企业联合会、中国产业发展促进会氢能分会、水电水利规划设计总院、电力规划设计总院等单位发布的数据及相关报告，如有不足之处，请多包涵。本文章相关内容、数据及观点仅供参考，不构成投资等决策依据，作者不对因使用本文章内容导致的损失承担任何责任。转载请注明来源和作者。

来源：水电水利规划设计总院