氢能价值链市场研究报告：有没有一刀切万能解决方案？
IDTechEx 于 11 月 12 日发布氢能价值链市场研究报告。
蓝氢是过渡选择，绿氢是最终的清洁氢解决方案
氢能价值链通常被称为氢能经济，近年来经历了显著的发展势头，这受到需求和供应双方各种因素的推动。在需求方面，受碳税等监管压力的推动，各行业大力推动难以减排的行业脱碳，特别是在炼油和氨/化肥生产等领域。
此外，氢能终端使用技术在多个应用领域的进步进一步加速了这一需求。在供应方面，创新融资机制和激励措施的发展，尤其是针对绿氢生产商的融资机制和激励措施的发展，正在促进增长。
这种活动的加强得益于人们越来越认识到氢及其衍生物（例如氨、甲醇）对于实现不同行业的脱碳以及作为全球可再生能源运输的能源载体至关重要。
因此，市场看到了技术提供商、工程服务和项目开发商日益增长的商业兴趣，他们渴望利用这一不断扩大的机会。
生产低碳氢有两种主要途径：蓝氢和绿氢。蓝氢是通过重整天然气或其他轻质烃产生的，结合碳捕获和储存 (CCS) 技术，旨在捕获商业项目中 90-95% 的二氧化碳排放量。
相比之下，绿氢通常被视为最终的清洁氢解决方案，是通过可再生能源驱动的水电解生产的。虽然蓝氢被视为一种过渡选择，可以在短期内实现快速脱碳，但随着成本下降和经济竞争力的提高，绿氢预计将发挥更主导的作用。
氢的成功取决于在区域和全球层面发展经济可行、精心设计和有凝聚力的价值链
为了使低碳氢蓬勃发展，生产基地必须与高效的存储和配送基础设施无缝集成，以满足最终使用部门的需求。
与石油和天然气行业类似，氢价值链分为上游（生产）、中游（储存和运输）和下游（最终使用）部分，每个部分都面临着一系列技术和社会经济挑战。
在这些部分之间建立牢固的联系对于克服这些挑战并实现氢的广泛采用至关重要。
（未来氢价值链概览）
绿氢生产——市场供应方如何发展？
2023 年和 2024 年，绿氢领域取得了重大进展，标志着重大项目公告和投资。全球正在进行许多重大项目。瑞典的 H2 Green Steel 是最引人注目的公司之一，它已筹集 65 亿欧元，用于资助世界上第一家大型绿色钢铁厂，该厂由欧洲第一座千兆瓦 (GW) 级电解厂提供动力。
ACWA Power 获得了 85 亿美元，并开始在沙特阿拉伯 NEOM 建设一个 2.2 GW 的项目，计划向欧洲出口绿氨。
中国也有世界上最多的绿氢项目正在进行中。
全球在监管方面也在取得重大进展。2023 年 12 月，英国选择了 11 个绿色氢项目，总容量为 125MW，从电解氢分配轮 (HAR1) 中获得了 20 亿英镑的收入支持和 9000 万英镑的净零氢基金 (NZHF)。2024 年 2 月，英国又向 NZHF 拨款 2100 万英镑，用于支持七个清洁氢项目。
日本正准备启动一项 30 亿日元的计划，为未来 15 年的氢价值链项目提供资金。
2023 年 9 月，德国承诺在 H2Global Foundation 的氢气进口计划下投入 35 亿欧元促进绿氢的进口。
在全球范围内，有许多私人和公共联盟在协调努力和资助绿氢场地开发以及技术研发项目。例如，领先的绿氢项目开发商联盟 Green Hydrogen Catapult 报告称，有 14 GW 的项目处于高级工程设计阶段或接近最终投资决策。
未来的制氢设备市场将由碱性和质子交换膜 (PEM) 电解槽主导，到 2034 年，全球累计安装的电解槽容量将达到290GW
电解槽的制造能力显著提升，北美、欧洲和亚太地区正在开发多个超级工厂。制造能力扩大的推动力是电解槽的高需求、主要电解槽 OEM 的大量订单积压以及政府的推动。
为这些工厂的建设分配的资金值得关注。一个值得注意的例子是法国液化空气集团和西门子能源在德国的合资超级工厂，该工厂计划到 2025 年将其电解槽的年产能从 1 GW/年扩大到至少 3 GW/年。
IDTechEx 预计，未来的制氢设备市场将由碱性和质子交换膜 (PEM) 电解槽主导，它们也是市场上最广泛使用和最受欢迎的电解槽类型。
从初创公司到大型跨国公司，进入电解槽领域的 OEM 厂家数量也在逐年稳步增长。IDTechEx 已确定 83 家采用各种技术的电解槽 OEM 厂家正在为商业项目开发产品。由于对绿色氢的高度兴趣和市场活动，这一数字可能会进一步增长。
总体而言，全球绿色氢市场预计将继续快速增长，这得益于工业、运输和储能行业不断增长的需求。
IDTechEx 预测，到 2034 年，全球累计安装的电解槽容量将达到 290GW。
基础设施建设（包括管道和出口/进口终端）预计将取得进展，同时国际合作也将在绿色氢能生产和贸易方面取得进展。
然而，必须解决生产成本非常高、基础设施需求和支持政策必要性等挑战，以确保绿色氢能项目从工程阶段迈向商业运营的成功。降低电解槽资本成本、提高效率和获得廉价可再生电力将是支持市场进一步增长的关键。
整个氢价值链的市场活动也在升温，蓝氢、绿氢、灰氢各有作为，氢储运是关键
蓝氢在 2024 年取得了重大进展，尤其是美国和英国的大型项目。值得注意的是，Air Products 的路易斯安那州蓝氢和氨设施以及 OCI 的德克萨斯州蓝氨项目正在推进，两者的目标都是到 2025 年开始每年试生产几千吨 (ktpa) 的氢气。
在英国，蓝氢项目主导着低碳氢管道，BP 的 H2Teesside 项目正在推进，前端工程设计 (FEED) 预计将于 2025 年完成。其他几个英国项目预计将在 2024 年底或 2025 年底之前做出最终投资决定。
在全球范围内，蓝氢预计将在氢气供应中发挥关键作用——IDTechEx 预计到 2030 年蓝氢和绿氢将贡献类似数量的氢气。随着 2025 年的临近，该行业可能会继续增长，尤其是在天然气价格优惠和碳捕获基础设施完善的地区。
然而，这些项目的成功将取决于获得投资、克服政策不确定性和保持成本竞争力，而生产基地与 CCS 的有效整合对于取得进展至关重要。
许多其他替代制氢技术正在引起人们的关注并获得一些商业吸引力。其中最突出的是甲烷热解产生的灰氢，甲烷分子分解为气态氢和固态碳，许多较小的公司主导着这一领域。
Hazer Group 可能是最引人注目的公司之一，因为他们已于 2024 年在澳大利亚启动了一个示范项目，该项目利用废水处理产生的沼气生产氢气和石墨。该公司计划将模块化工厂授权给各个行业，尤其是炼钢行业，这两种产品都可以使用。许多其他甲烷热解公司也遵循类似的轨迹，建立模块化分布式生产工厂。
氢气储存和分配商业领域的活动也在回暖，比以往任何时候都有更多的公司提供储存和分配产品以及相关组件。在存储方面，大部分活动集中在压缩气体和液态氢系统上。然而，基于金属氢化物的固态氢存储系统也获得了一些商业吸引力，特别是在欧洲和中国，吉凯恩GKN Hydrogen（意大利）和氢枫能源Hydrexia（中国）等公司在系统商业化方面取得了重大进展。
在氢气分销方面，以Hexagon Purus和Chart Industries为代表的一些公司正在为加氢站等终端用途提供压缩气体和液态氢运输拖车。然而，更值得注意的活动集中在氢气管道网络设计上。
氢能技术的发展与盐穴储存相结合（例如欧洲的 RWE 和 Engie），以及使用氨和液态有机氢载体（例如 Hydrogenious LOHC Technologies）的氢载体项目计划。
IDTechEx 预计氢载体将发挥重要作用，主要是在可再生能源潜力高的地区（美国、南美、中东、北非）与氢气需求高但可再生能源潜力相对较低的地区（例如欧洲、日本、韩国）之间的国际贸易和氢气使用中。
关键点在于，没有任何一种氢能技术或用例能够主导市场；相反，有效脱碳需要多种方法的组合。
当前政策和辩论对绿色和蓝色氢的关注可能会无意中减缓其他有前景领域的进展，例如生物质或塑料衍生的氢气生产和新兴技术。
氢气的储存和分配没有一刀切的解决方案；最佳方法将根据氢气的体积和需要运输的距离而有所不同。在需求方面，工业部门继续处于领先地位，大多数商业项目的目标是将氢气用于石油精炼、氨/化肥生产和炼钢。
然而，新兴领域也在取得进展，例如道路氢气流动性，特别是重型和长途车辆、电力应用（例如美国和日本使用高达 100% 氢气的涡轮机）和合成碳氢化合物电子燃料生产。
IDTechEx 预计，这些新兴行业预计要到 2035 年之后才会真正产生大规模氢气需求。
燃料电池会有越来越多应用场景，数据中心、住宅、应急备用电源等固定式应用值得关注
燃料电池 (FC) 在移动和运输中的使用引起了广泛关注。然而，人们正在探索固定应用的更多机会，例如应急备用电源、公用事业、工业电力和住宅用途。尽管有明显的优势，但在燃料电池被广泛采用之前，还需要进行多项系统改进。
质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 目前是主要的 FC 选择，特别是对于移动应用和备用电源，因为它们具有快速启动时间（秒）、高效率（60%）和高功率密度（>2 W/cm2）。随着电力需求的增加和与电网不稳定相关的一些问题，PEMFC 的采用将会增加。
然而，包括铂 (Pt) 金属催化剂的高成本（32,000 美元/千克）、对无杂质氢气的需求以及相对有限的使用寿命等问题阻碍了市场主导地位。
IDTechEx 市场研究表明，开发新型非铂族金属 (non-PGM) 催化剂或减少 Pt 金属催化剂负载的趋势很明显，以有效降低系统的资本成本。随着氢气产量的增加和成本不可避免地下降，在多个领域增加 PEMFC 的采用已经有了明确的路线图。
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 在高温 (>600°C) 下运行，因此可以使用更便宜、更易获得的氢载体燃料（通过内部重整），并且无需使用 铂族 PGM 催化剂。通过利用热废气，效率可高达 90%，同时提供电力和热量。
住宅应用领域，尤其是亚洲，市场关注度不断上升，日本的目标是到 2030 年安装 530 万台 FC 装置，占家庭总数的 10%。
高工作温度可实现燃料灵活性，但也有缺点。需要昂贵的耐热材料，以及较长的启动时间（数小时），将 SOFC 的应用范围限制为公用事业和工业的持续发电。
随着全球氢气产量的扩大，成本的降低，SOFC 的早期市场采用将放缓，并受到 PEMFC 的限制。来自电池储能等替代新兴绿色技术的市场竞争也可能阻碍长期成功。
由于全球能源需求不断增长和净零排放承诺，PEMFC 和 SOFC 都因其在数据中心内的集成而备受关注。
根据国际能源署 (IEA) 的数据，数据中心每年的耗电量超过 500 TWh，到 2026 年将超过 1000 TWh。由于需要始终开启和备用发电，PEMFC 和 SOFC 在这个市场中都有引人注目的用例。谷歌和微软已经宣布了 2030 年全天候零碳电力的目标，并与 Ballard 和 Plug Power 等 FC 制造商达成合作伙伴关系，以测试 FC 作为备用电源解决方案。
（固定式燃料电池及其应用领域概览）
氢气在航空中的应用——500 至 4,000 公里航线最适合
飞机可能是最难找到化石燃料替代品的交通工具类型。电池技术适用于小型飞机；即使在今天，使用电池供电的双座飞机也能实现一小时的飞行时间。然而，电池的能量密度永远不会达到商用客机进行长途飞行的程度。
航空业发现氢气非常有吸引力；它的重量能量密度是普通航空燃料的 3 倍多，而且它是最丰富的元素。然而，以下两个特性严重限制了氢气在天空的使用，这意味着短时间内它们不会成为航空的神奇燃料。氢气具有很大的重量密度，但其体积密度意味着只有大约 25% 的喷气燃料能量容量可以装入相同大小的储氢瓶中。氢气储量丰富，但与化石燃料相比，氢气的生产、运输和储存都比较困难。
尽管存在局限性，但从长远来看，氢气在帮助航空业脱碳方面仍然具有巨大的潜力。使用高效燃料电池有助于减少体积能量密度不足，这意味着氢燃料飞机的航程应为喷气燃料飞机的三分之一。
这听起来并不是什么好事，但大多数航班并没有充分利用飞机的全部航程。例如，英国航空公司曾经在伦敦和法兰克福之间运营一架空客 A380 飞机，这架飞机的航程为 650 公里，单程航程超过 12,000 公里。
交通量大的短途至中程航线将是氢动力航空旅行的理想用例。理想情况下，500 至 4,000 公里之间的航线可以满足欧洲、美国和中国的大部分国内旅行需求。
例如，美国最繁忙的航线之一是从纽约飞往洛杉矶，航程约 4,000 公里，未来使用氢能可以实现这一目标。成功的关键在于在主要机场建设氢气生产基地和基础设施，并建立氢能航空旅行网络，同时尽量减少新加氢基础设施的支出。
加氢基础设施到位后，需要仔细考虑氢气的来源。氢气的绿色认证和成本之间需要权衡。通常，更便宜的氢气在生产过程中会产生更多的二氧化碳排放，对环境的影响甚至可能比使用传统化石燃料更严重。
（ 2023 年美国不同航线长度的可用座位数）
以上内容由铂道翻译，为方便阅读，已作部分删减。文章来自“技术创新展望 2025-2035”，这是一本由 IDTechEx 的分析师撰写的免费杂志，提供了对多个技术创新领域的见解，评估了当前的形势并提供了未来十年的展望。
撰稿人：Chingis Idrissov、James Jeffs、Maia Benstead
关于 IDTechEx
IDTechEx 全面关注燃料电池市场，提供了燃料电池类型（PEMFC、SOFC、PAFC、AFC、MCFC 和 DMFC）的详细技术概述、主要参与者的分析以及燃料电池主要应用领域的研究。此外，还对材料和组件趋势、即将出台的立法以及新兴替代材料进行了独立的第三方评估。