中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望

張 智 趙苑瑾 蔡 楠

“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

0 引言

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)改委）和國(guó)家能源局在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》中明確指出中國(guó)要在2030年建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系[1]。

氫能具有來(lái)源豐富、應(yīng)用廣泛、燃燒熱值高、清潔綠色等特點(diǎn)，其燃燒熱值遠(yuǎn)高于其他燃料，燃燒產(chǎn)物只有水，是目前最有潛力替代傳統(tǒng)化石資源的“未來(lái)”能源之一[2]。在全球向低碳、綠色轉(zhuǎn)型的“第三次能源革命”大背景之下，以氫能為代表的可再生清潔能源正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇，世界各國(guó)都在氫能領(lǐng)域進(jìn)行了積極探索，氫能的發(fā)展將成為“十四五”期間中國(guó)能否引領(lǐng)世界經(jīng)濟(jì)“綠色復(fù)蘇”的關(guān)鍵因素。聚焦中國(guó)氫能發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)方向，筆者總結(jié)了近年來(lái)各國(guó)政府制定的氫能相關(guān)政策和戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，從氫能產(chǎn)業(yè)及科研成果等方面探討了中國(guó)氫能發(fā)展現(xiàn)狀，展望了中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 國(guó)際氫能發(fā)展戰(zhàn)略簡(jiǎn)況

1968年，氫能以燃料電池的形式首次應(yīng)用于美國(guó)Apollo號(hào)宇宙飛船中，掀起了氫能的發(fā)展序幕。但由于其成本和技術(shù)門檻較高，直到21世紀(jì)初期，氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)都未引起較大重視[3]。而隨著人類環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒，減少CO2排放、推廣綠色新能源應(yīng)用等逐漸成為新時(shí)代發(fā)展的主旋律，尤其在2015年，197個(gè)國(guó)家通過(guò)了《巴黎協(xié)定》，提出了減小碳排放的目標(biāo)，發(fā)展氫能就是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要途徑之一[4-5]。圖1為BP公司預(yù)測(cè)的2050年世界能源消費(fèi)終端結(jié)構(gòu)，可知在快速轉(zhuǎn)型模式（通過(guò)增加碳排放成本的方式降低碳排放）下，氫能占比為7%；而在凈零模式（在快速轉(zhuǎn)型模式基礎(chǔ)上提高社會(huì)對(duì)清潔能源的使用比例）下，氫能占比為16%[6-7]。

截至2021年，多個(gè)國(guó)家都先后推出了氫能發(fā)展戰(zhàn)略（表1）[8-14]，體現(xiàn)了全球?qū)τ诎l(fā)展氫能、推動(dòng)燃料電池應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)“碳中和”及能源綠色化的共識(shí)和決心。

在這些政府政策的扶持下，興起了一批國(guó)際氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)，部分氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)及其發(fā)展方向見(jiàn)表2。世界各國(guó)氫能發(fā)展的技術(shù)方向較為一致，但不同國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向存在差異，在美國(guó)、日本等氫能技術(shù)較為成熟的國(guó)家，其氫能產(chǎn)業(yè)更加側(cè)重于推廣普及氫能在日常交通中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的建設(shè)目標(biāo)。而另一部分國(guó)家側(cè)重于利用氫氣制備的化學(xué)物品的出口。

表1 多個(gè)國(guó)家氫能發(fā)展戰(zhàn)略表

表2 國(guó)外部分氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)及其發(fā)展方向表

2 國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展的形勢(shì)與挑戰(zhàn)

中國(guó)作為一個(gè)能源大國(guó)，氫能在其能源結(jié)構(gòu)中的占比也呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，如圖2所示，預(yù)計(jì)在2049年將達(dá)到10%，可以實(shí)現(xiàn)7×108t (CO2)的減排[15]，由此可見(jiàn)，氫能的發(fā)展既是滿足中國(guó)能源需求的必要條件，也是促進(jìn)中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。

圖2 中國(guó)氫能的能源比重柱狀圖

2019年，國(guó)際年產(chǎn)氫量約6 300×104t，而中國(guó)年產(chǎn)氫量達(dá)2 200×104t，占世界產(chǎn)氫量的約1/3[21]；同時(shí)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》顯示，中國(guó)氫氣產(chǎn)能可達(dá)4 100×104t/a，產(chǎn)量約3 342×104t/a，是當(dāng)之無(wú)愧的世界第一產(chǎn)氫大國(guó)[15]。筆者將從氫能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、科研成果及在燃料電池的應(yīng)用3個(gè)方面簡(jiǎn)要分析目前中國(guó)氫能的發(fā)展形勢(shì)與挑戰(zhàn)。

2.1 氫能產(chǎn)業(yè)遍地“開(kāi)花”，但能否“結(jié)果”還需觀望

2020年9月22日，中國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出“雙碳目標(biāo)”后，加速了傳統(tǒng)化石能源向綠色可再生能源的轉(zhuǎn)型，出臺(tái)了一系列的政策扶持以氫能為代表的新能源行業(yè)，目前已經(jīng)形成京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角3大氫能發(fā)展重點(diǎn)區(qū)域，其中京津冀地區(qū)依托殘奧會(huì)和冬奧會(huì)等國(guó)際賽事，計(jì)劃于2025年前，實(shí)現(xiàn)氫能累計(jì)產(chǎn)值超過(guò)1 000億元，減少碳排放量200×104t[22]；長(zhǎng)三角地區(qū)具有成熟的工業(yè)副產(chǎn)制氫技術(shù)，聚集了大量研究氫能的科技人才，發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，但由于工業(yè)副產(chǎn)制氫過(guò)程的碳排放無(wú)法避免，其綠色制氫技術(shù)仍存在瓶頸[23]；珠三角地區(qū)的佛山是中國(guó)最早開(kāi)始發(fā)展氫能的城市，在2009年便修建了云浮氫能產(chǎn)業(yè)基地，是中國(guó)氫能發(fā)展的“急先鋒”，但仍需加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，從而推動(dòng)珠三角地區(qū)不同城市在氫能方面的合作交流[24]。近年來(lái)，中國(guó)開(kāi)展了多個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)，部分見(jiàn)表3[25-31]，但這些園區(qū)仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)：①部分氫能園區(qū)仍處于前期建設(shè)中，基礎(chǔ)建設(shè)薄弱且投資較多但仍無(wú)收益；②氫能園區(qū)的發(fā)展受制于入駐企業(yè)的發(fā)展，存在不確定性。

表3 中國(guó)部分氫能產(chǎn)業(yè)園簡(jiǎn)況表

同時(shí)，政府工作也是氫能產(chǎn)業(yè)能否健康發(fā)展的一大關(guān)鍵因素，政府不僅需要對(duì)氫能園區(qū)的發(fā)展提供財(cái)政支持和宏觀調(diào)控，還需要加強(qiáng)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的監(jiān)管，嚴(yán)格把控資金補(bǔ)貼關(guān)，防止有人在國(guó)家扶持氫能產(chǎn)業(yè)的背景下謀取私利，破壞氫能產(chǎn)業(yè)的社會(huì)形象。除了幫扶政策外，各級(jí)政府還應(yīng)當(dāng)盡快出臺(tái)一系列完善的法律制度，規(guī)范氫能產(chǎn)業(yè)，切實(shí)解決“卡脖子”問(wèn)題，避免“炒概念”。

2.2 綠色制氫技術(shù)研究水平領(lǐng)先，但仍需縱向挖深

“綠氫”是指通過(guò)可再生能源電解水得到的氫氣，全過(guò)程碳排放為零，如何將“灰氫”（化石燃料制氫）向“藍(lán)氫”（結(jié)合碳捕集、碳封存技術(shù)的化石燃料制氫）、最終向“綠氫”轉(zhuǎn)化是目前氫能的主要研究方向[6]。圖3展示了近10年來(lái)中國(guó)與其他國(guó)家綠色制氫科技成果差異[32]。可知中國(guó)在綠色制氫技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表的SCI文章數(shù)量和獲得的發(fā)明專利數(shù)量都位居世界第一，表明中國(guó)在綠色制氫技術(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但每篇論文的平均引用次數(shù)較低，中國(guó)仍需加大綠色制氫的縱向研究，提高綠色制氫技術(shù)方面的國(guó)際影響力。

圖3 近10年中國(guó)綠色制氫科技成果與其他國(guó)家的差異圖

2.3 氫燃料電池推廣迅速，但安全問(wèn)題不容忽視

氫燃料電池是氫能的主要應(yīng)用方式，其通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)化率高、綠色環(huán)保、靜音等優(yōu)點(diǎn)。2018—2021年，中國(guó)氫燃料電池銷量不斷攀升，盡管由于疫情，2020年氫燃料電池銷量略低，但從2018年的53 MW發(fā)展到2021年的245 MW，增長(zhǎng)了5倍，未來(lái)還將持續(xù)升高，體現(xiàn)了氫燃料電池呈爆發(fā)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

然而，由于氫燃料電池構(gòu)造特殊、原材料（觸媒、質(zhì)子交換膜、分離器等）造價(jià)高昂，導(dǎo)致氫燃料電池仍存在價(jià)格偏高、研發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。此外，如何保證氫燃料電池生產(chǎn)、應(yīng)用過(guò)程中的安全性也是現(xiàn)階段亟待解決的難題。在推廣氫燃料電池的同時(shí)，必須考慮氫氣易燃、易爆、易泄漏的特點(diǎn)。

3 中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

3.1 降低綠色制氫成本，促進(jìn)氫能由“灰”轉(zhuǎn)“藍(lán)”再轉(zhuǎn)“綠”

由于其生產(chǎn)成本較低、技術(shù)較成熟，“灰氫”仍是中國(guó)目前主要的制氫手段，表4為不同制氫方式的成本及碳排放量，可知“灰氫”成本遠(yuǎn)低于“綠氫”，但“灰氫”制氫過(guò)程中會(huì)釋放大量的CO2，不利于中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”。“藍(lán)氫”平衡了碳排放量和成本，可以作為氫能由“灰”轉(zhuǎn)“綠”的過(guò)渡階段。

表4 不同制氫方式的成本及碳排放量表[33]

“綠氫”發(fā)展的關(guān)鍵在于降低電解水過(guò)程中電源的成本，國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）預(yù)測(cè)到2030年，由于風(fēng)電、光伏等可再生能源占比升高及電解槽規(guī)模增大，可再生能源制氫在成本上更具競(jìng)爭(zhēng)力[34]。美國(guó)NEL hydrogen公司表示未來(lái)低成本可再生電力可以將“綠氫”成本降至1.50美元/kg[35]。因此，氫能由“灰”轉(zhuǎn)“藍(lán)”最終轉(zhuǎn)“綠”是必然的趨勢(shì)。根據(jù)英國(guó)石油公司（BP）2020年發(fā)布的《Energy Outlook》，預(yù)計(jì)當(dāng)2050年時(shí)，在快速發(fā)展模式下，全球“藍(lán)氫”和“綠氫”分別約占總氫能的10%和14%；在凈零模式下，“藍(lán)氫”和“綠氫”的比例將分別達(dá)到28%和30%[6]。德國(guó)已經(jīng)修建了Stralsund、Salzgitter等多個(gè)風(fēng)電耦合制氫示范區(qū)[36]，沙特阿拉伯也在塔布克省修建光伏制氫示范區(qū)[37]。中國(guó)應(yīng)突破可再生能源制氫生產(chǎn)成本的制約，加速“氫能”由灰”轉(zhuǎn)“藍(lán)”再轉(zhuǎn)“綠”的進(jìn)程。

3.2 與CCUS協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)Power to X

2018年，IRENA根據(jù)全球終端熱值統(tǒng)計(jì)了不同制氫方式的產(chǎn)氫占比（圖4）。可知全球仍以化石能源轉(zhuǎn)化制氫為主，制氫過(guò)程中往往會(huì)伴隨大量CO2的釋放，不符合中國(guó)低碳減排的政策。而通過(guò)CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)可以捕集、提純大氣中的CO2，再將其應(yīng)用到別的領(lǐng)域中，從而實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)利用。德國(guó)將氫能與CCUS結(jié)合，首創(chuàng)了Power to X（電力多元化轉(zhuǎn)化理念，簡(jiǎn)寫為P2X），圖5為該理念核心，即通過(guò)可再生能源電解水制氫，再將H2與CO2結(jié)合制氫甲烷、甲醇等（Power to Gas）；或?qū)2應(yīng)用于供熱（Power to Heat）、供電（Power to Electricity）、交通（Power to Mobility）[38-40]等領(lǐng)域。

圖4 不同制氫方式的產(chǎn)氫占比圖

2020年，全球P2X總裝機(jī)容量約10×104kW，預(yù)計(jì)到2030年，總裝機(jī)容量將超過(guò)1 100×104kW[41]。世界多國(guó)都在積極建設(shè)P2X系統(tǒng)：瑞士市政公用事業(yè)聯(lián)盟（Swisspower）與德國(guó)西門子合作建立了P2X工程，預(yù)計(jì)可以提高50 MW的電量[42]；歐盟成員國(guó)共同參與的“地平線2020”科研規(guī)劃，計(jì)劃投入1 050萬(wàn)歐元建設(shè)Hy flexpower項(xiàng)目，預(yù)期實(shí)現(xiàn)每年高達(dá)6.5×104t的CO2減排量[43]。中國(guó)應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)外開(kāi)展的P2X項(xiàng)目，去粗取精，充分利用可再生能源電解制氫，從源頭降低碳排放，再將氫氣應(yīng)用于天然氣摻氫、氫燃料電池、化工等多個(gè)領(lǐng)域，以加快中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的進(jìn)程。

圖5 Power to X系統(tǒng)示意圖

3.3 克服“短板效應(yīng)”，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)配套

1）中國(guó)氫能的頂層設(shè)計(jì)較為薄弱，缺乏國(guó)家層面的氫能戰(zhàn)略布局，沒(méi)有細(xì)化分工到各級(jí)政府、各個(gè)部門，氫能定位不明確且缺乏基層宣傳工作，導(dǎo)致民眾對(duì)氫能的認(rèn)識(shí)仍停留在氫氣是化學(xué)危險(xiǎn)品上。同時(shí)，中國(guó)本土產(chǎn)新能源汽車海外發(fā)展規(guī)劃不夠完善，新能源產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展的紅利減弱，核心技術(shù)對(duì)外依賴性高帶來(lái)的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，新能源用車占據(jù)的全球市場(chǎng)份額由2018年的54%縮減到了2020年的41%[38]。國(guó)家應(yīng)盡快制定更加全面的氫能發(fā)展規(guī)劃，明確氫能的戰(zhàn)略地位，加大氫能科研投入，切實(shí)突破國(guó)外技術(shù)壁壘，同時(shí)幫扶中國(guó)新能源汽車的海外產(chǎn)業(yè)，確立中國(guó)在全球市場(chǎng)的龍頭地位。

2）由圖6可知?dú)淠茉串a(chǎn)業(yè)鏈“制、儲(chǔ)、運(yùn)、用”4個(gè)環(huán)節(jié)缺一不可，但目前中國(guó)氫能發(fā)展重點(diǎn)仍集中在制、儲(chǔ)、運(yùn)上中游產(chǎn)業(yè)，而對(duì)下游氫能終端應(yīng)用的發(fā)展力度不夠，沒(méi)有開(kāi)拓出適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的氫能消費(fèi)市場(chǎng)，導(dǎo)致氫能用戶量少，無(wú)法提供足夠的正向反饋，轉(zhuǎn)而抑制氫能技術(shù)的發(fā)展[39]。為此，中國(guó)應(yīng)當(dāng)在“十四五”期間，加大對(duì)氫能消費(fèi)市場(chǎng)的鼓勵(lì)政策，完善氫能終端應(yīng)用的配套設(shè)施，加強(qiáng)氫能產(chǎn)學(xué)研用一體建設(shè)，促進(jìn)氫能消費(fèi)，利用產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)技術(shù)發(fā)展。

圖6 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈圖

3.4 加強(qiáng)國(guó)際交流合作，打造氫能出口大國(guó)

一些發(fā)達(dá)國(guó)家在氫能方向上起步早，已經(jīng)有了較多研究成果，比如日本由于其能源短缺，早在1999年就開(kāi)始發(fā)展氫能，其氫能及燃料電池相關(guān)專利超過(guò)全球總專利的50%[37]。中國(guó)應(yīng)加強(qiáng)與氫能發(fā)達(dá)國(guó)家之間的交流合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，攜手共建低碳、綠色新世界。目前中國(guó)已有多個(gè)國(guó)外合作氫能項(xiàng)目（表 5）[44-49]。

表5 中外合作氫能項(xiàng)目表

同時(shí)，中國(guó)氫氣產(chǎn)量潛力巨大，比如致力于打造“中國(guó)氫谷”和“東方氫島”的山東省計(jì)劃在2030年時(shí)氫能產(chǎn)業(yè)總值達(dá)到3 000億元，燃料電池固定式發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到10 000 MW[50]。而產(chǎn)氫大省又毗鄰多個(gè)需氫國(guó)家，新疆、甘肅、內(nèi)蒙古與中亞及歐洲毗鄰，山東、遼寧、吉林與日本和韓國(guó)毗鄰，氫能貿(mào)易優(yōu)勢(shì)巨大，中國(guó)應(yīng)打造氫能出口大國(guó)，制造貿(mào)易順差。

3.5 發(fā)揮傳統(tǒng)能源公司優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)天然氣摻氫項(xiàng)目

盡管近年來(lái)氫能在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，國(guó)家也出臺(tái)了一系列政策扶持氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)，但傳統(tǒng)化石能源短時(shí)間內(nèi)仍無(wú)法被氫能替代，而且傳統(tǒng)化石能源公司發(fā)展氫能有較大的優(yōu)勢(shì)，一方面可以利用已建立的油氣運(yùn)輸管線輸送氫氣，這一點(diǎn)尤其有利于海上制氫業(yè)的發(fā)展，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)能與太陽(yáng)能豐富，具備良好的制氫條件，但海上運(yùn)輸儲(chǔ)存困難，導(dǎo)致海上制氫受到制約。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源公司可以將加油站改建為氫油合建站，實(shí)現(xiàn)氫能“制、儲(chǔ)、運(yùn)、加”一體化發(fā)展。中國(guó)石油化工股份有限公司致力于打造“中國(guó)第一大氫能公司”，計(jì)劃在“十四五”期間非化石能源制氫量達(dá)到50×104t/a，加建1 000座加氫站，引領(lǐng)氫能交通和綠氫煉化發(fā)展，每年減排

此外，天然氣與氫能的混合利用也是傳統(tǒng)油氣行業(yè)發(fā)展氫能的一大方向[52-53]。根據(jù)2019年全球各國(guó)已經(jīng)建立的37個(gè)天然氣摻氫的示范項(xiàng)目，天然氣中摻入20%的氫氣后，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可以提高15%，經(jīng)濟(jì)性提高8%，污染物排放降低60%～80%[54]。但摻氫也對(duì)中上游的輸氣管道和配套設(shè)施以及下游的用氣裝置（居民用氣設(shè)備等）帶來(lái)了氫脆、泄漏等風(fēng)險(xiǎn)，因此還需要對(duì)這些裝置所能承受的氫氣含量能力進(jìn)行評(píng)估，制定氫氣泄漏的應(yīng)急預(yù)案，保障天然氣摻氫的安全性。

4 結(jié)論

1）世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都以建成“氫能社會(huì)”為目標(biāo)，積極制定政策，大力推動(dòng)氫燃料電池和汽車的發(fā)展，力爭(zhēng)2050年前實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。

2）中國(guó)氫能發(fā)展形勢(shì)良好，但也面臨諸多挑戰(zhàn)：①氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，但其發(fā)展能否達(dá)到預(yù)期還需觀望，政府應(yīng)當(dāng)在扶持的同時(shí)，把好經(jīng)濟(jì)關(guān)；②綠色制氫技術(shù)相關(guān)外文文章數(shù)量居世界第一，但仍需縱向深入，提高國(guó)際影響力；③氫燃料電池市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但仍需重視其安全經(jīng)濟(jì)應(yīng)用。

3）指出了中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展方向：①以全面建設(shè)“綠氫”社會(huì)為目標(biāo)，降低綠色制氫成本，促進(jìn)氫能由“灰”轉(zhuǎn)“藍(lán)”再轉(zhuǎn)“綠”；②與CCUS技術(shù)協(xié)同發(fā)展，借鑒國(guó)外成熟的P2X模式，積極建設(shè)中國(guó)的P2X系統(tǒng)；③克服“短板效應(yīng)”，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)配套，以消費(fèi)促生產(chǎn)，全面發(fā)展氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)；④加強(qiáng)國(guó)際交流與合作，打造氫能出口大國(guó)；⑤發(fā)揮傳統(tǒng)能源公司優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)天然氣摻氫商業(yè)化。