國內(nèi)外氫能發(fā)展動態(tài)及發(fā)展趨勢研判
姜士宏
（電力規(guī)劃設(shè)計總院黨委常委、副院長）
一、氫能和電能的對比分析
氫能是一種來源廣泛、清潔靈活、應(yīng)用場景豐富的二次能源。同屬于二次能源的氫能和電能，均可以存在于能源生產(chǎn)、存儲、輸送和消費的各環(huán)節(jié)，表1所示是電能和氫能的定性對比分析。從生產(chǎn)的角度說，電能和氫能均能以化石能源（+CCS）、非化石能源作為原料制??；從運輸?shù)慕嵌日f，電能通過輸配電網(wǎng)進行實時傳輸，氫能通過輸氣管道、陸/海運輸方式進行輸運；從存儲的角度說，電能和氫能都可以進行存儲。從消費的角度說，電能和氫能均可以在交通、電力領(lǐng)域進行應(yīng)用，是具有能源屬性的。然而，氫能還有電能無法替代的原料及燃料屬性，可以應(yīng)用于化工和冶金領(lǐng)域，也就是說，氫能和電能最大的區(qū)別在于氫能是具有物質(zhì)形態(tài)的二次能源。這也就決定了在未來高比例可再生能源系統(tǒng)中，氫能可以作為清潔電力的有力補充，在能源領(lǐng)域發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。
表1 電能和氫能定性對比分析圖片
為了更加直觀全面地了解電能和氫能的技術(shù)特點區(qū)別，我們用定量分析的方法對兩者再次進行對比。有研究以單位熱量作為標尺，通過在不同維度對電能和氫能的安全、運輸、效率、密度、存儲和價格等方面進行比較發(fā)現(xiàn)，相較于氫能，電能在能量轉(zhuǎn)換、運輸和終端售價存在優(yōu)勢，而氫能在儲能、質(zhì)量能量密度兩個方面更優(yōu)于電能。
圖1 電能和氫能定量對比分析
（數(shù)據(jù)來源：《中國能源發(fā)展報告2018》）
正是因為預(yù)見了氫能在能源系統(tǒng)中的獨特優(yōu)勢，全球范圍內(nèi)正在興起氫能發(fā)展熱潮。
二、國際氫能發(fā)展
（一）規(guī)劃與政策分析
世界各主要國家和地區(qū)在氫能戰(zhàn)略中明確了氫能發(fā)展定位，并制定了分階段實施的氫能發(fā)展目標，這些目標主要包括氫能在終端能源消費結(jié)構(gòu)中的占比、可再生能源電解水制氫裝置規(guī)模、加氫站規(guī)模、氫燃料電池車規(guī)模、氫氣生產(chǎn)成本和銷售價格等。
GDP總量在全球排名前50名（共占全球GDP90%以上）的國家中，共有12個國家制定了國家層面的氫能發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，歐盟發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，另有近30個國家已經(jīng)開展氫能發(fā)展布局。
圖2 各主要國家可再生能源電解水制氫、加氫站、燃料電池車規(guī)模發(fā)展目標
（數(shù)據(jù)來源：世界各主要國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、中國氫能聯(lián)盟）
總體而言，各主要國家發(fā)展氫能的出發(fā)點主要包括保障能源安全、應(yīng)對氣候變化、保持技術(shù)領(lǐng)先、占領(lǐng)氫能市場。由于各國國情不同，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的主驅(qū)動因素也有所差異。
保障能源安全。日本是以保障能源安全為主要目標而發(fā)展氫能的典型國家。日本國內(nèi)能源資源極度匱乏，存在能源對外依存度高、能源自給率低的問題，煤炭、石油的對外依存度均達到99%以上，天然氣對外依存度達到97%以上，其能源自給率不足12%。尤其是福島核事故之后，日本亟需尋找一條支撐本國社會經(jīng)濟發(fā)展的能源發(fā)展道路。此外，日本制定了溫室氣體減排目標，已經(jīng)承諾到2050年實現(xiàn)碳中和?；谏鲜鲈?，日本實施了一系列促進氫能發(fā)展的戰(zhàn)略和政策，主要包括：開展海外化石能源+CCS制氫及本國可再生能源電解水制氫，加強進口和國內(nèi)氫運輸、分配基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進氫在汽車、家庭熱電聯(lián)供和電力等各個部門的應(yīng)用等。韓國、德國、愛爾蘭等國家發(fā)展氫能均有保障能源安全方面的考慮。
圖3 日本能源自給率統(tǒng)計
（數(shù)據(jù)來源：www.statista.com）
應(yīng)對氣候變化。以德國為代表的歐盟一直在積極探索向脫碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。德國一直以來積極發(fā)展新能源，制定了2022年的退核計劃及2038年的退煤計劃。此外，德國能源對外依存度達到90%以上，其天然氣主要依靠從俄羅斯進口，能源供應(yīng)隨時受到國際關(guān)系變化的影響。為了維持本國能源安全，以及應(yīng)對氣候變化、推動能源轉(zhuǎn)型，德國對于氫能的發(fā)展主要基于以下邏輯：1.發(fā)展以可再生能源電解水制氫技術(shù)，實現(xiàn)低成本零排放制氫，以消納更高比例的可再生能源；2.提出以氫替代部分天然氣用于合成燃料（合成甲烷、煤油、甲醇和氨）；3.利用現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，加快構(gòu)建氫氣管道運輸網(wǎng)絡(luò)。德國已經(jīng)將氫能確立為重載交通、航空、航海等領(lǐng)域的替代能源，并持續(xù)推動氫作為工業(yè)原料進行使用。法國、意大利等歐洲國家發(fā)展氫能均有應(yīng)對氣候變化方面的考慮。
保持技術(shù)領(lǐng)先。由于美國頁巖油氣革命相關(guān)技術(shù)逐步成熟，美國能源結(jié)構(gòu)和能源安全等問題并不突出，但美國重視對各類戰(zhàn)略性新興技術(shù)的占領(lǐng)，各屆政府都將氫能與燃料電池作為先進技術(shù)進行戰(zhàn)略投資，確保其技術(shù)經(jīng)濟領(lǐng)先地位。2019年發(fā)布的《美國氫能經(jīng)濟路線圖》將氫能發(fā)展作為碳減排的重要途徑之一，并明確通過氫經(jīng)濟活動擴大美國在全球能源領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。
占領(lǐng)氫能市場。澳大利亞具有豐富的煤炭資源，制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略除了考慮實現(xiàn)氫能技術(shù)領(lǐng)先外，更多是考慮采用類似煤炭和油氣的國際貿(mào)易模式，將氫作為商品出售給氫氣需求國，其制定的《氫能戰(zhàn)略目標》中明確的一個重要目標就是將澳大利亞打造成亞洲三大氫氣出口地之一。目前，澳大利亞已經(jīng)和日本達成合作意向，由澳大利亞褐煤制得的氫氣，通過海運的方式運輸?shù)饺毡?，日本川崎重工與澳大利亞已合作開展液氫輸運船下水試驗。智利、南非、沙特等新能源資源稟賦豐富的地區(qū)發(fā)展可再生能源制氫也主要是考慮占領(lǐng)氫氣出口市場。
（二）定位與趨勢研判
從各主要國家發(fā)展氫能的動因及氫能戰(zhàn)略部署可以看出，圍繞安全、綠色、低碳的能源主題，氫能發(fā)展定位可以概括為三點。
降低對傳統(tǒng)化石能源的依賴。氫能是具有物質(zhì)形態(tài)的二次能源，可替代部分或全部天然氣以降低天然氣消費量，通過加強天然氣摻氫、純氫管網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進氫氣的規(guī)?；斔秃屠?，提高低碳化水平。
提高可再生能源開發(fā)利用比例。各國紛紛布局可再生能源電解水制氫，鼓勵風(fēng)電、光伏、新型低碳或零碳制氫技術(shù)的發(fā)展，以提高綠氫的比例。
在難以減碳的領(lǐng)域進行深度脫（低）碳。聚焦重型交通工具、化工合成、冶金、高品質(zhì)供熱等，鼓勵氫能在上述領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)及工程應(yīng)用。
各國結(jié)合自身資源稟賦及經(jīng)濟發(fā)展階段，對制氫、儲運和應(yīng)用方面的發(fā)展有不同的側(cè)重。
在制氫方面，日本和韓國提出近期和中期以化石燃料制氫（需配置碳捕集及封存或利用裝置）為主，中遠期氫氣主要來源于可再生能源電解水制氫。德國和其他主要歐盟國家則提出重點發(fā)展可再生能源電解水制氫技術(shù)，并分階段實現(xiàn)可再生能源電解水制氫規(guī)模的不斷擴大。
在儲運方面，世界各主要國家因地制宜、結(jié)合運輸距離和具體運輸條件，研究探索氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、有機液態(tài)儲運和固態(tài)儲運技術(shù)的示范應(yīng)用，開展天然氣管道摻氫技術(shù)的應(yīng)用。對于日本、韓國，重點開展本國境內(nèi)氣態(tài)氫儲運的布局，對于遠距離氫氣輸送則主要采用遠洋液態(tài)運輸、有機液態(tài)運輸?shù)姆绞剑粚τ诘聡忍烊粴夤艿阑A(chǔ)設(shè)施完善的國家，則主要考慮依托現(xiàn)有的管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，開展天然氣管道摻氫、純氫管道輸氫的布局。
在應(yīng)用方面，各國對交通領(lǐng)域的氫能應(yīng)用進行了重點發(fā)展布局，主要關(guān)注加氫站和氫燃料電池車，尤其是重型氫能交通工具的開發(fā)及應(yīng)用、加氫站規(guī)模的布局；電力和建筑領(lǐng)域主要關(guān)注燃料電池發(fā)電及熱電聯(lián)供、摻氫及純氫燃機的開發(fā)及應(yīng)用；工業(yè)領(lǐng)域主要關(guān)注氫冶金、氫化工合成等低碳化應(yīng)用。
三、我國氫能發(fā)展
（一）規(guī)劃與政策分析
國家層面上，我國雖然尚未出臺國家層面的氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖，但是一直通過政策文件鼓勵、財政補貼支持等方式引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)步發(fā)展。
在氫能政策方面，2019年3月，國務(wù)院《政府工作報告》首次提及氫能；2020年4月，國家能源局印發(fā)《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》，首次將氫能納入“能源”范疇；2020年3、6月，氫能先后被寫入《2021年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃草案》和《2020年能源工作指導(dǎo)意見》；2020年3月，國家發(fā)展改革委、司法部印發(fā)《關(guān)于加快建立綠色生產(chǎn)和消費法規(guī)政策體系的意見》，提出2021年完成研究制定氫能、海洋能等新能源發(fā)展的標準規(guī)范和支持政策。2021年2月印發(fā)的《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》中提出“因地制宜發(fā)展水能、地?zé)崮?、海洋能、氫能、生物質(zhì)能、光熱發(fā)電”。
在產(chǎn)業(yè)政策方面，我國從2001年起支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重點布局加氫和車用燃料電池領(lǐng)域。自2009年起，我國燃料電池車和電動車一起享受財政補貼，2014年，我國單獨出臺了對加氫站的補貼，自2018年起，燃料電池車和新能源車的補貼力度出現(xiàn)差異，在大幅調(diào)整其他新能源車型補貼時，對氫燃料電池汽車仍保持原有補貼支持。2020年，我國采用“以獎代補”的方式，對入圍示范的城市群根據(jù)目標完成情況進行補貼，重點支持自主化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用、新技術(shù)示范等方面。
地方層面上，據(jù)統(tǒng)計，截至2020年12月，我國共有20多個省份、涉及近50個市（縣）正在編制或已經(jīng)發(fā)布氫能專項規(guī)劃和推廣補貼政策，在文件中規(guī)劃加氫站規(guī)模，制定產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、氫燃料電池汽車推廣、固定式發(fā)電應(yīng)用、企業(yè)培育等目標，并配套車輛購置補貼、加氫站建設(shè)補貼、加氫補貼等不同程度的扶持。
圖4 全國已經(jīng)發(fā)布或正在制定氫能政策的地區(qū)
（來源：根據(jù)公開信息整理）
從各地支持的力度看，我國氫能發(fā)展支持力度最大的地區(qū)為珠三角、長三角、京津冀魯?shù)冉?jīng)濟發(fā)達地區(qū)及市（縣）。氫能的商業(yè)化發(fā)展適合從有一定經(jīng)濟實力基礎(chǔ)的省市起步，廣東、山東、江蘇等地對氫能發(fā)展支持力度大、財政補貼金額多，這些地區(qū)前期氫能積累較多、也是氫能快速發(fā)展應(yīng)用的地區(qū)。
從資源稟賦的角度看，西北地區(qū)風(fēng)光資源豐富，具備發(fā)展可再生能源電解水制氫產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。隨著我國碳達峰、碳中和目標的逐步推進，碳排放水平高、化工產(chǎn)業(yè)聚集的地區(qū)對于氫能發(fā)展的迫切需求將逐漸凸顯，有望出臺氫能發(fā)展政策，增加氫能發(fā)展支持力度，支撐地方能源轉(zhuǎn)型。
（二）定位與趨勢研判
氫能作為一種清潔靈活的二次能源，在高比例可再生能源的能源電力系統(tǒng)中，將發(fā)揮降低能源對外依存度、保障能源安全、推進綠色低碳發(fā)展等重要作用。
近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到高度重視，氫能在交通領(lǐng)域快速發(fā)展，進入商業(yè)化應(yīng)用初步階段，但在能源電力領(lǐng)域尚在起步期。未來，隨著可再生能源大規(guī)?？焖侔l(fā)展，可再生能源電力與氫能互為補充，可以提高能源系統(tǒng)靈活性，保障能源安全。
從能源供應(yīng)角度看，可再生能源電力是電、冷、熱主要來源，氫能可作為可再生能源電力的有效補充，并降低油氣對外依存度；從能源輸送角度看，可再生能源電力輸電線路和摻氫/純氫管網(wǎng)將在保障能源安全方面發(fā)揮巨大作用；從能源消費角度看，氫能進行原料化和燃料化利用，應(yīng)用于化工、冶金等領(lǐng)域，可降低化石能源消費比例。
中國和世界其他國家發(fā)展氫能的長遠目標是一致的，但是國情和發(fā)展方式?jīng)Q定了我國和其他國家氫能發(fā)展具有差異性，近期氫能處于產(chǎn)業(yè)培育期，中遠期大規(guī)模發(fā)展可再生能源之后，氫能是提升能源系統(tǒng)安全性和靈活性的重要方式之一。
在制氫方面，現(xiàn)階段，煤化工制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫仍是我國氫氣供應(yīng)的主體，共占氫氣總供氣量的70%以上；未來隨著低碳能源社會的建立，配套碳捕集裝置的化石能源制氫和可再生能源電解水制氫方式將主導(dǎo)氫氣供給結(jié)構(gòu)；遠期來看，在可再生能源電力大規(guī)模發(fā)展后，氫氣的來源將以可再生能源電解水制氫為主。
在儲運方面，近期應(yīng)重點關(guān)注氫儲運技術(shù)的高質(zhì)量、大規(guī)模發(fā)展，包括氫氣長距離輸運、液氫生產(chǎn)和輸送、固體儲氫技術(shù)的應(yīng)用，為低成本、安全穩(wěn)定的氫氣輸運創(chuàng)造條件。中遠期，應(yīng)結(jié)合可再生能源制氫不同的應(yīng)用場景需求，對不同氫儲運技術(shù)進行推廣應(yīng)用。
在應(yīng)用方面，繼續(xù)推廣加氫站建設(shè)、氫燃料電池車等交通領(lǐng)域氫能應(yīng)用，推動國產(chǎn)化技術(shù)的應(yīng)用。加強氫能與能源電力領(lǐng)域的融合，重點突破固定式燃料電池發(fā)電及摻氫/純氫燃機技術(shù)，以創(chuàng)新規(guī)劃建設(shè)氫能綜合能源系統(tǒng)、氫能儲能系統(tǒng)和氫能固定發(fā)電等協(xié)同發(fā)展的基本要求，選擇條件適宜的地區(qū)、企業(yè)進行示范。因地制宜開展燃料電池?zé)犭娐?lián)供示范，替代化石能源供熱并減少碳排放，顯著提高清潔供暖質(zhì)量。
（三）面臨的機遇與挑戰(zhàn)
我國氫能發(fā)展正處于產(chǎn)業(yè)培育的關(guān)鍵時期，具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和市場潛力。從推進能源轉(zhuǎn)型、規(guī)劃政策支持、產(chǎn)業(yè)資本推動、技術(shù)經(jīng)濟競爭力提升等角度看，氫能發(fā)展正面臨巨大的發(fā)展機遇。
1.在能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳發(fā)展的環(huán)境下，氫能發(fā)展空間廣闊
我國關(guān)于碳達峰、碳中和的承諾展現(xiàn)了我國堅定走綠色低碳發(fā)展道路的戰(zhàn)略定力。在未來相當長一段時間內(nèi)，綠色低碳發(fā)展將是我國能源轉(zhuǎn)型的主基調(diào)。低碳制氫是連接可再生能源發(fā)電與終端用戶的重要紐帶，高效氫儲運技術(shù)是解決大規(guī)模新能源發(fā)電存儲的新途徑，氫能在工業(yè)、交通、電力和建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用是降低化石能源消費占比的重要方式。因此，發(fā)展氫能對提高可再生能源消納比例、優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)具有重要作用，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要抓手。
2.在國家和地方政府的政策規(guī)劃支持下，氫能產(chǎn)業(yè)迅速布局
當前我國氫能產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，國家多項產(chǎn)業(yè)政策支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。地方政府積極發(fā)展氫能，一方面為了助力地方綠色低碳轉(zhuǎn)型，一方面為了吸引氫能產(chǎn)業(yè)鏈聚集落戶，促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。以上海和江蘇為代表的長三角地區(qū)、以廣州和佛山為代表的珠三角地區(qū)、以北京和山東為代表的京津魯豫地區(qū)，在地方支持政策和推廣補貼的支持下，已經(jīng)初步顯現(xiàn)了氫能產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)；以內(nèi)蒙古等地為代表的西北地區(qū)，風(fēng)光資源稟賦豐富，具備布局風(fēng)電、光伏電解水制氫的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；以川渝、云南為代表的西南地區(qū)，水電資源豐富，具備布局水電制氫的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。應(yīng)因地制宜，結(jié)合各地支持政策和氫能產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)方向，統(tǒng)籌規(guī)劃氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局。
3.在能源企業(yè)和產(chǎn)業(yè)資本的共同推動下，氫能應(yīng)用加快步伐
以中石化、中石油、延長石油等為代表的石化企業(yè)擁有氫能資源優(yōu)勢以及加油站的建設(shè)運營經(jīng)驗，重點部署氫能在交通領(lǐng)域的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型；以國家電投、國家能源集團等為代表的電力企業(yè)擁有豐富的氫能技術(shù)儲備及發(fā)電廠建設(shè)運營經(jīng)驗，積極探索氫能應(yīng)用場景；以中國能建、中國電建為代表的能源建設(shè)服務(wù)企業(yè)具有豐富的技術(shù)裝備制造、集成設(shè)計、建設(shè)運行及總包經(jīng)驗，協(xié)同帶動技術(shù)裝備應(yīng)用推廣；此外，東方電氣、中船重工、哈電集團也在布局氫能產(chǎn)業(yè)。各類企業(yè)在氫能發(fā)展中具有優(yōu)勢互補、協(xié)同共贏的需求，在合作中推動氫能應(yīng)用、加快企業(yè)轉(zhuǎn)型步伐。
4.隨著氫能技術(shù)應(yīng)用推廣及技術(shù)水平提高，氫能經(jīng)濟競爭力逐漸凸顯
在國家和地方政府配套政策和資金的支持下，一方面，氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新不斷突破，大規(guī)模低（零）碳制氫技術(shù)、多元化氫儲運技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)等實現(xiàn)示范及推廣；另一方面，隨著對氫能認識的加深，氫能的能源屬性將被廣泛認可，行政管理審批機制將逐步建立健全，氫能競爭力將逐漸凸顯，氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；⒔?jīng)濟化發(fā)展將迎來窗口期和機遇期。
在看到氫能發(fā)展機遇的同時，也應(yīng)該清醒的認識到，現(xiàn)階段我國氫能發(fā)展也存在巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的統(tǒng)籌規(guī)劃，尚未形成明確健全的監(jiān)督管理機制，核心關(guān)鍵自主化水平有待提升，完善健全的氫能標準體系亟需建立等。
一直以來，我國缺乏國家層面的氫能頂層設(shè)計，氫能發(fā)展路徑、發(fā)展目標尚不清晰，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在一定程度的“過熱”現(xiàn)象。地方政府為搶占氫能市場先機，出臺氫能規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)支持政策，存在政策同質(zhì)化、碎片化問題，易導(dǎo)致各地氫能產(chǎn)業(yè)無序競爭和產(chǎn)能過剩等情形。
在我國，氫氣作為危險品進行管控，氫能作為能源利用的國家主管部門尚未明確，安全監(jiān)督管理體制尚不健全，這些使得氫能全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)應(yīng)用受到了較大制約，一定程度上制約了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
我國氫能關(guān)鍵技術(shù)、材料、裝備與國外相比仍然存在一定差距。我國在氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)、材料與裝備，加氫站的加氫機、壓縮機，摻氫/純氫燃機技術(shù)，車載儲氫氣瓶碳纏繞纖維制造等方面與國外仍然存在較大差距，關(guān)鍵核心技術(shù)裝備自主化水平有待提高。
我國氫能和燃料電池國家標準體系框架初步建立，但還存在不協(xié)調(diào)、不配套的問題。在制氫、輸運、應(yīng)用各環(huán)節(jié)仍然缺乏相關(guān)國家標準。如尚無適用于可再生能源規(guī)?；茪?、化工園區(qū)制氫應(yīng)用、加氫站等不同應(yīng)用場景下的設(shè)計、建設(shè)、驗收標準體系，缺乏35兆帕等級以上的壓縮氫氣長管拖車國家標準，缺乏民用液氫儲運、應(yīng)用等國家標準，尚無天然氣管道摻氫的相關(guān)標準等。
