淺析“風口”下的氫能發展前景及建議

◎文/崔占良 王光遠 蔡 楊

前言

在目前已知的所有能源中，作為終端使用最為清潔的是氫能，氫氣使用最終產物是水，可以真正做到零排放、無污染，被看作是最具應用前景的能源之一，或成為能源使用的終極形式。在全球面對能源安全、氣候變化，在技術不斷進步的情況下，氫能被多國列入國家能源戰略部署中。隨著《2030年前碳達峰行動方案》等政策的發布，對氫能應用及發展的指導更加明確，氫能產業在我國的發展也如火如荼，引起了資本的狂熱追逐和地方對氫能產業的爭相布局，氫能產業又處于時代的“風口”。產業要健康發展就應理性看待氫能發展的機遇，減少低技術含量的過剩產能投資，避免電動汽車和光伏產業的前車之鑒。同時發展氫能產業，是為減少碳排放和溫室氣體排放、減少化石能源使用、防止氣候變化全球變暖的初心，而發展綠色制氫技術。

一、氫能發展的“風口”

（一）全球發達國家氫能產業發展政策及現狀

日本、美國、德國、韓國等國家依據本國實際情況，明確發展定位，制定了氫能相關的產業政策。

1.日本氫能產業政策和發展現狀

日本自2003年10月，第一次《能源基本計劃》中首次提出建設未來“氫能源社會”，已通過進口氫氣、利用燃料電池進行終端利用等措施，大大改變日本能源供需結構和消費方式。截至2021年，日本共發布了6次《能源基本計劃》。

日本政府對車用、家用、商業及工業用燃料電池以及加氫基礎設施建設給予持續全面補貼。截至2020年底，日本在營加氫站142座，計劃2025年達到320座，2030年達到900座。燃料電池汽車保有量4200輛，計劃保有量2025年20萬輛，2030年80萬輛，2040年實現燃料電池車的普及。

2.美國氫能產業政策和發展現狀

克林頓政府重視氫能與燃料電池技術，出臺了《1990年氫研究、開發及示范法案》《氫能前景法案》；布什政府將氫能源納入國家能源戰略體系之中，發布了《國家能源政策報告》《美國向氫經濟過渡的2030年遠景展望》等政策性報告，并提出《國家氫能發展路線圖》。2017年，特朗普政府將氫能與燃料電池作為美國優先能源戰略，開展前沿技術研究。

美國在氫能及燃料電池領域擁有專利數僅次于日本，美國液氫產能和燃料電池乘用車保有量全球第一。在政策支持下，截至2020年底，美國累計銷售燃料電池汽車9252輛，運營中的燃料電池公交共計64輛，已成為全球燃料電池車最大單一市場。運營加氫站共計49座，計劃2025年建成200座，2030年達到1000座。

3.德國氫能產業政策和發展現狀

德國是歐洲發展氫能最具代表性的國家。德國的可再生能源制氫規模為全球第一，燃料電池的供應和制造規模位列全球第三。截至2020年，德國可再生能源制氫規模全球第一，燃料電池供應和制造規模全球第三。已建成加氫站100座，是擁有第二大加氫基礎設施的國家，領先于美國，僅次于日本。到2030年，計劃建設400座加氫站。全球首列氫燃料電池列車已投入商業運營，續航可達1000公里，已經安裝了超過300座通信基站備用電源。

4.韓國氫能產業政策和發展現狀

韓國對氫能產業的扶持從2008年 開 始，2018年 韓國政府發布《創新發展戰略投資計劃》，將氫能產業列為三大戰略投資方向之一，計劃未來5年投入2.6萬億韓元。2019年發布了《氫能經濟發展路線圖》，在研發、推廣等多方面支持建設氫能產業鏈，提出要在2030年進入氫能社會，率先成為世界氫經濟的領導者。

截至2020年底，韓國建成加氫站60座，計劃2020年 建 成80座，2025年 達 到210座，2030年達到520座。在運行燃料電池汽車共有10093輛，計劃燃料電池乘用車保有量2025年15萬輛，2030年63萬輛，到2040年分階段生產620萬輛。在燃料電池發電領域，2019年初，韓國已累計安裝了3267個燃料電池裝置，在運行燃料電池電站41個，裝機能力達307.6MW。

（二）我國氫能產業發展政策及現狀

近幾年，氫能已經納入我國能源戰略，中央和地方政府出臺了系列支持氫能產業的政策。目前，氫能成為我國優化能源消費結構和保障國家能源供應安全的戰略選擇。2016年國家發改委、能源局聯合印發《能源技術革命創新行動計劃》，將氫能與燃料電池技術創新作為重點任務。2018年發布《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，燃料電池補貼政策基本不變，力度不減等相關氫能政策相繼發布。2019年《政府工作報告》補充“推動充電、加氫等設施建設”等內容。2020年《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》擬將氫能納入能源種類。2021年五部委聯合發布《關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知》，正式啟動北上廣燃料電池汽車示范應用工作。

《汽車產業中長期發展規劃》提出：2030年實現百萬輛燃料電池汽車的商業化，建成1000座加氫站。

到2020年，工信部公布《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》（征 求 意見稿），國家層面提及“燃料電池”和“氫能”的規劃文件共21個，發布相關財稅補貼政策16個。國內至少有36個地方（省市級）出臺了扶持氫能和燃料電池產業的相關政策，全國各地爭相計劃建設氫能產業園（表1）。

表1 我國部分地區發布的氫能專項政策或規劃（2019年6月-2021年8月）

從2020年開始，國家統計局大力推行“指標減負”，但增加了一個能源統計品種——氫氣，這是首次將氫氣納入能源統計。在2019年11月印制的《能源統計報表制度》里，氫氣和煤炭、天然氣、原油、電力、生物燃料等一起納入2020年能源統計。氫氣參考的折標系數為4.361噸標準煤/萬立方米，約142000千焦耳/千克，從一個側面也表明國家發展氫氣作為重要能源的策略。

國內不同研究機構、行業協會相繼發布了《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》《車用氫能藍皮書（2019）》《中國氫能產業政策研究》等系列研究書籍。

到2020年底，天眼查的信息顯示，公司名稱和經營范圍中包括有燃料電池的正常營業公司有9569家，其中近1220家成立時間在一年之內，不少公司想方設法與氫能概念聯系起來。

據中汽協數據統計，2020年1-11月，我國燃料電池汽車產銷量分別為1199輛和1177輛。遠遠超過此前提出的燃料電池汽車到2020年要生產1000輛左右的燃料電池汽車進行示范運行的發展目標。

目前，我國產氫規模全球第一，已建加氫站118座；已投運燃料電池汽車8443輛，全球最大質子交換膜燃料電池發電項目投入示范運營。

二、氫能產業全產業鏈綜述

氫能產業總體可分為上中下游，即氫氣制取、儲運和應用三個產業。

（一）氫氣的制取

制氫的方式很多，主要包括技術較為成熟的以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫；可再生能源電解水制氫；氯堿工業和焦爐煤氣尾氣制氫、高溫分解制氫及處于開發試驗階段的生物質氣化、微生物制氫等。根據中國氫能聯盟統計，2020年我國氫氣產量約4100萬噸，約77%的氫氣是由煤、石油和天然氣等化石能源制取，其中63.54%來源于煤炭，約13.76%來自天然氣，僅不到2%來自電解水，其余多為工業副產制氫。制氫技術路線的選擇關鍵在于經濟性和低碳性兩方面分析（圖1）。

圖1 上游產業（氫氣制取及設備制備）

制氫成本的順序為：煤制氫＜工業尾氣制氫＜天然氣制氫＜可再生能源制氫＜甲醇制氫＜電網制氫。從經濟性分析，最好的技術路線是煤制氫。

從低碳環保性角度分析，順序為：可再生能源制氫＜電網制氫＜天然氣制氫=甲醇制氫＜工業尾氣制氫＜煤制氫。可再生能源制氫是節能減排的最好技術路線選擇。

（二）氫的存儲與運輸

氫的儲存方式有氣液固三種，即高壓氣態儲氫、低溫液化儲氫、固態合金儲氫。單位體積儲氫密度為：20MPa高壓氣態的單位體積密度14.5kg/m3、 液 氫 儲 存 密 度64kg/m3、金 屬 氫 化 物 儲 氫50kg/m3。

主要的儲運方式為：氫氣專用管道、壓縮氫氣（CH2）管束車、液化氫氣（LH2）、液體有機物氫載體（LOHC）、金屬合金儲氫等。目前氫氣主要是以壓縮氣態或低溫液態儲運。長距離管道輸氫具有安全和高壓純氫對鋼管道氫脆等“卡脖子”問題，除德國外還鮮有大量應用（圖2）。

圖2 中游產業（氫氣儲備及運輸）

（三）加氫基礎設施

加氫站是燃料電池車輛及其他氫能利用裝置提供氫源的重要基礎設施，根據儲存相態分為氣氫和液氫加氫站兩種。加氫站有35MPa和70MPa兩種供氫壓力。目前我國加氫站的加注成本在13元/kg～18元/kg。

（四）燃料電池

燃料電池主要類型有固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸燃料電池。目前氫燃料汽車用的是質子交換膜燃料電池，固體氧化物燃料電池主要用于熱電聯產供應領域（圖3）。

圖3 下游產業（氫能應用）

三、氫能持續發展的幾點建議

（一）發展氫能要不忘初心

應對氣候變化是全球人民共同面對的問題，中國從2006開始成為世界上最大的二氧化碳排放國，從2013年超過全球排放量的四分之一。2020年我國承諾自主貢獻目標：2030年碳排放量達峰并盡早達峰。為實現減碳、脫碳的能源規劃，氫能作為理想清潔髙效的二次能源，消耗后產物是水，可實現零碳排放。所以我國積極發展氫能，其初心是為減排節能，保護環境。氫能屬于二次能源，自然界中沒有純凈的氫氣可以開采利用，要由一次能源轉化而來。氫能來源于化石能源的轉化，根本不能起到減排的作用。正如中國工程院院士、國家能源專家委副主任杜祥琬所說：發展氫能須不忘初心。從氫能產業發展到底減排了多少二氧化碳來衡量發展氫能源的戰略目標是否實現、是否達到了規模化、對能源轉型是否起到了重要作用。鑒于此，建議不忘發展氫能初心，加大使用清潔能源綠色途徑制氫，制氫應在全生命周期內做到低能耗、低污染和低碳，實現氫產業的可持續發展。

（二）加強氫能的綜合利用

當前，我國的氫能發展更多的關注是在交通領域的應用。其實氫除了在傳統上用于車用燃料電池、航空航天工業、化工的合成氨、石油煉化和甲醇等過程的加氫反應，其在冶金工業和智能電網中能源以氫能形式分布式存貯等領域應用還有很大的潛力。

冶金行業是未來氫能利用的第二大潛在應用領域，2020年，全球粗鋼產量為18.64億噸。中國粗鋼產量為10.53億噸，占全球產量的一半以上。生產出1噸生鐵，作為還原劑約消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉。將氫氣代替煤炭作為高爐的還原劑，可以減少鋼鐵生產中的二氧化碳排放。該技術于2019年11月在德國已經開始了實際應用，同時韓國也將氫還原煉鐵法指定為國家核心產業技術。天津市榮鋼集團于2021年成立綠色氫能產學研聯盟，打造全國首家國家級“鋼化聯產—氫能冶金”試驗基地和氫能綠色交通應用示范基地，拉開了我國氫能冶金的序幕。

智能電網是21世紀第三次工業革命的基礎設施，光伏建筑一體化、分布式能源、儲能等都與氫能的綜合利用相關，也是氫能利用研究的挑戰與機遇。

（三）注重財政資金使用績效、加強考核，減少低水平投資

國家和地方紛紛出臺氫能發展的財稅補貼政策，以歷史發展的眼光看，往往豐厚的補貼政策也造成低水平競爭、重復投資、無效投資，吸取新能源汽車騙補的教訓，避免“南陽水氫燃料汽車”套取政府資金的類似事件再發生。避免再次把氫燃料汽車的技術密集型的行業變成了低技術含量的行業，拼湊一個車型就能拿補貼，迅速做大而不能做精前車之鑒。

建議改進和優化補貼政策，充分發揮財政資金的引領和撬動作用，同時加強資金使用的監督管理，提高資金的使用效率，抑制低水平投資。

（四）聚焦科技創新，實現全產業鏈核心技術突破

在氫能的產生和生產方面，原料氫氣相對較多而能用作能源氫氣的較少，對尾氣產氫和副產氫氣要達到GB/T37244-2018的指標還需要技術攻關并降低氫提純成本；在氫的儲運上，要研發液氫儲運技術、安全可靠的站內制氫加氫站、高壓儲氫容器、高質量壓縮機等關鍵技術和設備；質子交換膜的生產能力和關鍵零部件的發展落后；固體氧化物燃料電池堆技術與國外先進水平差距較大，功率密度、發電效率等關鍵技術，已經成為制氫、儲運、利用氫能的發展瓶頸。隨著減排任務的緊迫要求，當前鋼鐵、化工等作為我國副產氫氣的優勢工業將引入無碳制氫技術替代當前的化石能源實現脫碳，從而將從氫氣的供給方變為需求方。

以上各技術環節都要求我們聚焦科技創新，解決“卡脖子”關鍵問題，從而抓住這次新能源開發利用的風口，使氫能這個“清潔能源”健康可持續發展。