全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)動態(tài)
能源情報研究中心 邱麗靜
隨著應(yīng)對氣候變化壓力增大、能源低碳轉(zhuǎn)型加速，氫能以其清潔、靈活高效和應(yīng)用場景豐富的優(yōu)勢備受世界矚目。歐美日韓等國家和地區(qū)通過戰(zhàn)略引領(lǐng)、路線規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)支持政策以及持續(xù)投資，在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展上取得了實質(zhì)性進展。在氫能戰(zhàn)略布局上，歐洲將氫能作為能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要保障，美國重視氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢的建立和前瞻技術(shù)的研發(fā)，日韓致力于構(gòu)建氫能社會和氫經(jīng)濟。技術(shù)發(fā)展上，可再生能源電解水制氫、鹽穴儲氫、管道輸氫以及利用氫替代天然氣供熱將成重點發(fā)展方向。本文重點分析各國在氫能發(fā)展方向、目標(biāo)、路徑和政策等方面的推進現(xiàn)狀，觀察全球氫能技術(shù)最新動態(tài)，并提出中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議，供參考。
一、全球氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局
（一）制定發(fā)展戰(zhàn)略
2019～2020年，多個國家和地區(qū)相繼出臺具有實操性的氫能戰(zhàn)略和氫能發(fā)展路線圖。一些國家對氫能技術(shù)應(yīng)用進行具體部署，主要以氫能在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用為主。部分國家著手設(shè)定工業(yè)、建筑和發(fā)電等部門的氫能發(fā)展目標(biāo)（見表1）。推動氫能發(fā)展的政府計劃（包括政府制定的目標(biāo)、承諾、激勵措施等）中，重點聚焦于乘用車、車輛加油站、公共汽車、電解裝置、卡車五大應(yīng)用領(lǐng)域。此外，在建筑物供暖和供電、發(fā)電與工業(yè)領(lǐng)域也有國家出臺政策助力應(yīng)用。
表1 2019～2020年主要國家氫能戰(zhàn)略/路線圖
日本高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，明確提出將氫能社會納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。日本先后發(fā)布《日本復(fù)興戰(zhàn)略》《能源戰(zhàn)略計劃》《氫能源基本戰(zhàn)略》《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，規(guī)劃實現(xiàn)氫能社會戰(zhàn)略的技術(shù)路線。在2019年4月發(fā)布的《第五次能源基本計劃》中，日本計劃將氫能源汽車數(shù)量從2020年的4萬輛增加到2025年的20萬輛，2030年氫能源汽車數(shù)量將達到80萬輛。
2020年7月，歐盟委員會推出歐盟氫能戰(zhàn)略，將綠氫作為未來氫能發(fā)展重點。作為氫能戰(zhàn)略的一部分，歐盟委員會宣布成立清潔氫能聯(lián)盟。在此之前的6月，成員國中德國已率先推出國家氫能戰(zhàn)略，明確綠氫的優(yōu)先地位，并計劃到2030年將其國內(nèi)綠氫產(chǎn)能提高至5吉瓦，到2040年進一步提高至10吉瓦。
除歐盟、日本外，俄羅斯、美國、韓國、澳大利亞等國也已發(fā)布國家氫能戰(zhàn)略。俄羅斯新版《2035年能源戰(zhàn)略草案》明確將氫能作為能源行業(yè)戰(zhàn)略重點，目標(biāo)是通過擴大氫氣產(chǎn)能到2035年成為全球重要的氫能經(jīng)濟國家。2020年，俄羅斯聯(lián)邦能源部公布本國第一份氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，提出2024年前在俄境內(nèi)建立一個完全由傳統(tǒng)能源企業(yè)主導(dǎo)的、涉及上下游的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。未來俄羅斯氫氣將通過管道運輸?shù)姆绞剑ǜ脑飕F(xiàn)有天然氣管道）出口至歐洲國家，氫氣將成為繼天然氣之后俄羅斯出口歐洲的又一重要能源資源。值得一提的是，俄羅斯氫能計劃中大力發(fā)展的氫氣，并不是通過可再生能源水解方式制備，而是通過天然氣裂解、天然氣高溫催化裂解、核電水解方式制備而成。
（二）成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
為協(xié)同推進氫能市場化和產(chǎn)業(yè)化進程，歐美日韓等建立了由政府、非政府組織、學(xué)術(shù)界、企業(yè)界等組成的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，作為推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要平臺。
日本的Japan H2 Mobility聯(lián)盟，2017年由豐田、日產(chǎn)、本田、新日本石油、巖谷、東京燃氣、日本發(fā)展銀行等機構(gòu)聯(lián)合出資成立，橫跨政府、金融、產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界，包括氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，涵蓋了研發(fā)、示范、推廣等各階段，樹立了協(xié)同推進的樣板。
歐盟推進氣候和能源轉(zhuǎn)型的政策框架中，采取了組建跨區(qū)域、跨產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式，由政府牽頭、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)龍頭企業(yè)參與，協(xié)同推進氫能發(fā)展。歐洲清潔氫聯(lián)盟，2020年由歐盟相關(guān)企業(yè)、民間機構(gòu)、國家及地區(qū)能源官員和歐洲投資銀行共同發(fā)起，旨在為氫能大規(guī)模生產(chǎn)提供投資、促進技術(shù)合作。企業(yè)成員包括蒂森克虜伯、西門子、殼牌、空客，以及丹麥和挪威的一些公司等。此外還有歐盟倡議成立的氫能聯(lián)盟，歐盟和氫能聯(lián)盟共同規(guī)劃歐洲共同利益重要項目，以帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈整合和強化。氫能聯(lián)盟擬推動280家企業(yè)參與制氫電解槽的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，并推進實施1吉瓦規(guī)模的電解槽項目。
德國為加大氫能和燃料電池汽車的開發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用，先后成立多個技術(shù)聯(lián)盟和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。最為典型的是2015年法國液化空氣集團、戴姆勒、林德、OMV、殼牌和道達爾等企業(yè)聯(lián)合組建H2 Mobility聯(lián)盟，以社會產(chǎn)業(yè)資本的身份與國家氫能和燃料電池技術(shù)組織（NOW）一同支持德國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。H2 Mobility計劃在漢堡、柏林、魯爾、法蘭克福、斯圖加特、慕尼黑六大都市圈的主干道和高速公路上建成100座加氫站，以上六大都市圈各布局10座，其余40座布局在相鄰城市之間，作為加氫站網(wǎng)絡(luò)的連接站和目的地站，形成環(huán)網(wǎng)狀氫能高速公路。截至2019年年底，H2 Mobility已建成75座加氫站，其中絕大多數(shù)已實現(xiàn)運營。
（三）加大政策支持
1.提供補貼和稅收優(yōu)惠
目前國外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的財政補貼和稅收優(yōu)惠政策主要集中在燃料電池和加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面。隨著燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的突破，日本政府開始對車用、家用、商業(yè)及工業(yè)用燃料電池以及加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給予持續(xù)全面補貼，設(shè)立清潔能源汽車補助金和燃料電池汽車加氫站建設(shè)補助金。目前可為每輛豐田Mirai和本田Clarity分別補貼202萬日元、208萬日元；每座加氫站根據(jù)供氫能力、供應(yīng)方式不同，可獲得0.6億～3.9億日元補貼。燃料電池車主可享受免繳汽車重量稅和購置稅等優(yōu)惠政策。在財政補貼和稅收優(yōu)惠政策的鼓勵下，Ene-farm家用燃料電池和燃料電池汽車推廣成效顯著。
韓國政府高度重視汽車產(chǎn)業(yè)與氫能協(xié)同發(fā)展，于2019年10月推出氫能城市計劃，當(dāng)年為氫燃料電池汽車提供財政補貼1304億韓元。根據(jù)韓國政府計劃，到2022年將為15000輛燃料電池汽車和1000輛氫氣公交車提供資金，還將資助310個新的氫氣加氣站，未來5年內(nèi)用于氫燃料電池以及加氫站的補貼將達到20億歐元。
美國通過向消費者提供經(jīng)濟補貼和稅收減免，間接促進企業(yè)加大開發(fā)力度，推動燃料電池產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進程。加州政府啟動了清潔車輛補貼項目，其中為氫燃料電池汽車提供5000美元的補貼，該補貼政策將持續(xù)至2024年1月1日前。截至目前，加州氫燃料電池汽車數(shù)量始終位于全美首位。2019年，美國實施了幾項對氫能和燃料電池市場持續(xù)增長至關(guān)重要的政策，包括恢復(fù)并延長對交通運輸和固定燃料電池應(yīng)用的稅收優(yōu)惠等。
2.研發(fā)投入與融資支持
2019年，除化石燃料下降4%外，國際能源署成員國所有能源技術(shù)研究、開發(fā)和示范（RD&D）投入均有所增加，其中氫能和燃料電池技術(shù)領(lǐng)域增幅最大（為18%），是有史以來的第二高值（2018年增幅25%）。日本則是成員國中氫能和燃料電池研發(fā)領(lǐng)域投入最多的國家，2019年該領(lǐng)域投入達到2.97億美元。
從現(xiàn)在到2050年，歐洲對可再生能源制氫的累計投資可能高達1800億～4700億歐元。歐盟2014～2020年期的“地平線2020”投資計劃，支持設(shè)立了燃料電池和氫能聯(lián)合項目，重點領(lǐng)域包括氫能合成航空燃料、氫動力航空電池、氫能航空發(fā)動機研發(fā)等。2020年后，歐盟科研支持計劃“地平線歐洲”將加大對氫能的科研支持。歐盟近期準(zhǔn)備力推可再生融資項目分類標(biāo)準(zhǔn)改革，引導(dǎo)投資者加大對綠氫等綠色項目的支持。歐盟諸多公共投資機制，包括新冠肺炎疫情后推動經(jīng)濟發(fā)展的恢復(fù)基金、多年期預(yù)算框架下的區(qū)域發(fā)展基金、團結(jié)基金、投資歐盟（invest EU）等，均將加大對氫能項目的支持力度。
3.完善市場配套機制
歐盟通過碳交易配額等市場手段，縮小可再生能源制氫與化石能源制氫的成本差距。未來歐盟將對碳排放交易機制（ETS）中有關(guān)氫能以及制氫方法的概念進行界定，改革相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使化石燃料制氫受到碳排放交易機制的成本約束。
西班牙2020年氫能戰(zhàn)略中提出的監(jiān)管行動包括引入原產(chǎn)地保證制度，確保氫氣100%由可再生能源制取，通過價格信號引導(dǎo)綠氫消費。
2019年，標(biāo)準(zhǔn)普爾全球普氏能源資訊發(fā)布全球第一款氫價評估產(chǎn)品。目前標(biāo)準(zhǔn)普爾共有3套計算氫氣生產(chǎn)價格的方法，計算因素包括天然氣、電力、甲醇、水、碳排放配額、資本支出等。氫價格指數(shù)既可以顯示目前主要的制氫方式，也可以反映目前運輸?shù)拳h(huán)節(jié)成本在終端氫氣價格中的占比。
4.完善安全標(biāo)準(zhǔn)體系
氫氣易燃易爆，其利用過程中的安全措施一旦失當(dāng)，容易引發(fā)起火爆炸事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，在生產(chǎn)、存儲、運輸以及終端應(yīng)用過程中必須謹慎對待。2020年2月，韓國率先發(fā)布全球首個《促進氫經(jīng)濟和氫安全管理法》，為氫能供應(yīng)和氫設(shè)施安全管理提供支持，以促進基于安全的氫經(jīng)濟建設(shè)。該法的頒布，將明確政府對氫能產(chǎn)業(yè)和氫能企業(yè)的行政和財政支持，為氫能企業(yè)的培育、援助、人才培養(yǎng)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)事項奠定法律基礎(chǔ)，同時為電解水制氫等低壓氫氣設(shè)備及氫燃料使用設(shè)施的安全管理提供了法律依據(jù)。
日本加快修訂完善車用氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系，在車用氫能領(lǐng)域建立先進、完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，如針對氫燃料電池汽車、高壓氫系統(tǒng)（包括高壓儲氫瓶和容器主閥），適用《高壓氣體保安法》，其余車輛系統(tǒng)適用《道路運送車輛法》；針對加氫站，適用的法律標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范主要有《高壓氣體保安法》《消防法》《建筑基準(zhǔn)法》《加氫站安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》等。
（四）建立示范區(qū)域和氫能城市
從全球范圍看，德日韓等國在推動氫能示范區(qū)域和氫能城市建設(shè)方面力度較大，走在世界前列。德國注重推廣氫能示范區(qū)項目，韓國推出氫能城市計劃，日本、英國和瑞典則大范圍推廣氫能源住宅社區(qū)。
作為德國國家創(chuàng)新計劃氫和燃料電池技術(shù)（NIP）的一部分，氫能示范區(qū)（HyLand）計劃自2019年初提出以來獲得各地積極響應(yīng)，共有154個地區(qū)提交申報材料。先后于9月和12月確定了3批次共25個氫能示范區(qū)試點。根據(jù)資助類型的不同，德國氫能示范區(qū)可分為側(cè)重于理念萌芽或著手組織搭建的地區(qū)（HyStarter）、側(cè)重于創(chuàng)建集成概念和具備開展項目可行性分析的地區(qū)（HyExperts）、側(cè)重于已著手方案具體實施的地區(qū)（HyPerformer）三類。2019年，德國共有130個地區(qū)申報HyStarter，28個地區(qū)申報HyExperts，6個地區(qū)申報HyPerformer。通過申報，德國運輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部掌握了已經(jīng)在能源系統(tǒng)中部署氫能或?qū)で蠹涌鞂嵤淠艿牡貐^(qū)情況，大量的申請也反映出整個德國對改變能源供應(yīng)現(xiàn)狀的強烈需求。
2019年10月，韓國國土交通部在全國檢查和調(diào)整會議上宣布氫試點城市推廣戰(zhàn)略。同年12月，韓國國土交通部宣布選擇安山、蔚山、完州與全州作為氫經(jīng)濟示范城市試點，每個城市規(guī)劃出3～10平方千米，在住宅和交通區(qū)域引入和采用氫技術(shù)。韓國政府將在三個示范城市各投資290億韓元（合1.73億元人民幣），其中50%由地方政府支付。根據(jù)韓國政府的計劃，到2040年全國40%的城市將成為氫能城市，總計運營825000輛氫能汽車和12000輛氫能公交車。
日本東京奧運會的運動員村5000多戶住宅和街區(qū)的商業(yè)設(shè)施全部采用氫燃料電池，這是日本首次在新式街區(qū)大范圍推廣使用氫能源。選手村每套公寓均采用家用氫能源燃料電池作為基本電源，同時在社區(qū)內(nèi)建設(shè)大型加氫站和氫氣管線管控中心，通過管線直接將氫氣輸入到各戶家庭的燃料電池中，使得燃料電池成為永久性發(fā)電系統(tǒng)。另外，社區(qū)內(nèi)所有商業(yè)設(shè)施、路燈用電，以及巡回巴士也將使用氫能。按照規(guī)劃，奧運會結(jié)束后這里將成為規(guī)劃入住1.2萬人的全新氫能街區(qū)。
英國政府2020年公布的《綠色工業(yè)革命十點計劃》提出，從2023年開始建設(shè)氫能社區(qū)，到2025年建成氫能村落，最終實現(xiàn)在十年內(nèi)建成一座氫能城鎮(zhèn)，相當(dāng)于數(shù)萬個住宅。瑞典市政住宅供應(yīng)商V?tterhem計劃建造以氫能為動力的住宅。該住宅樓將氫作為燃料，通過燃料電池技術(shù)進行發(fā)電，項目目標(biāo)是做到100%脫離電網(wǎng)供電，實現(xiàn)電力自給自足。
（五）加強國際合作
國際合作對于加速氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。2020年，荷蘭和葡萄牙簽署諒解備忘錄，將各自的2030年綠氫計劃聯(lián)系起來。兩國政府希望將葡萄牙在錫內(nèi)斯的氫項目與歐洲最大的海港鹿特丹連接起來，并發(fā)展戰(zhàn)略性的進出口價值鏈，以確保綠色氫氣生產(chǎn)及運輸至荷蘭。
歐盟積極探索與非洲特別是北非地區(qū)合作發(fā)展可再生能源制氫行業(yè)的可行性，推動周邊鄰國發(fā)展電解氫產(chǎn)能，使其2024年制氫產(chǎn)能達到40吉瓦。在投融資方面，歐盟通過其主導(dǎo)的多邊投資機構(gòu)或開發(fā)銀行，支持周邊國家綠氫建設(shè)，其中“西巴爾干投資促進框架”是其重要抓手。
澳大利亞與日本合作建立氫能試點供應(yīng)鏈，并與韓國簽署意向書，以實現(xiàn)氫能進出口方面的合作，此外正在與德國進行氫能合作的可行性研究，探討向較遠目的地出口氫氣面臨的高昂海運成本問題。
二、全球氫能技術(shù)最新動態(tài)
（一）制氫領(lǐng)域
當(dāng)前，工業(yè)部門（如煉油、合成氨、化肥生產(chǎn)等）對氫能的需求在氫能市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，氫能已經(jīng)在工業(yè)部門實現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用。在1975～2018年的40多年間，全球工業(yè)部門對氫能的需求增長了三倍多，從1975年的1820萬噸增長到2018年的7390萬噸。然而，目前氫氣主要通過化石燃料制取，每年制氫產(chǎn)生近8.3億噸的二氧化碳排放。改進現(xiàn)有制氫工藝，或者開發(fā)全新的綠色制氫工藝以減少碳排放，是氫氣規(guī)模化應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。解決上述挑戰(zhàn)的潛在路徑有兩條：一是針對現(xiàn)有化石燃料生產(chǎn)氫氣的設(shè)施進行碳捕集、利用和封存（CCUS）改造；二是利用可再生能源制氫（如可再生能源富余電力電解水制氫）實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。
1.“化石燃料制氫＋CCUS”引導(dǎo)向綠氫過渡
目前，全球絕大部分氫是利用化石能源生產(chǎn)的，其中，76%基于天然氣、23%基于煤炭。在短中期內(nèi)，將常規(guī)制氫與CCUS相結(jié)合仍然是低碳制氫的主要途徑，這是目前最具成本效益的制氫技術(shù)（見圖1），即在化石燃料制氫系統(tǒng)的后端配合運行CCUS裝置。根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，截至2019年底，共有6個CCUS常規(guī)制氫項目投產(chǎn)，每年可生產(chǎn)低碳氫35萬噸。另有20余個新項目在2020年宣布投產(chǎn)，主要集中在歐洲北海周邊國家。
資料來源：IEA
圖1 2023年不同技術(shù)制氫成本預(yù)測
2.可再生能源電解水制氫將成技術(shù)發(fā)展方向
利用可再生能源（太陽能、風(fēng)能等）生產(chǎn)氫氣，也就是將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣或者含氫燃料的能源載體。一方面，可再生能源制氫能夠?qū)⒖稍偕茉措娏﹂L期穩(wěn)定存儲，以平抑可再生能源的長周期波動性和間歇性，有效促進可再生能源消納，緩解風(fēng)能、太陽能等可再生能源大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)帶來的巨大調(diào)峰調(diào)頻壓力；另一方面，可以通過遠距離輸運氫燃料或者含氫燃料，將可再生能源從資源豐富的地區(qū)高效轉(zhuǎn)移到用能負荷中心，有效解決可再生能源供需存在的區(qū)域錯配問題。
可再生能源制氫可以通過電解水來獲得，而電解過程所需的電能則來自成本低廉的風(fēng)電和太陽能發(fā)電。近年來電解制氫項目數(shù)量和裝機容量快速增長，從2010年的不足1兆瓦增至2019年的25兆瓦以上。預(yù)計有數(shù)百兆瓦的電解制氫項目將在2020年后開始運營。2020年7月，沙特和美國空氣產(chǎn)品公司（Air Products）達成投建巨型綠色制氫工廠的合作，預(yù)計總投資達70億美元。該工廠配有裝機4吉瓦的太陽能、風(fēng)能和儲能發(fā)電系統(tǒng)，2025年投產(chǎn)后氫產(chǎn)量有望達到650噸/日。據(jù)彭博新能源財經(jīng)數(shù)據(jù)，過去五年中，電解槽成本下降了40%。如果電解槽的部署規(guī)模進一步擴大，成本還將繼續(xù)下降。
利用風(fēng)能等可再生能源制氫，還可以使可再生能源發(fā)電波動更低、電力系統(tǒng)更加靈活。在所有可再生能源制氫方案中，海上風(fēng)電制氫最有潛力。海上風(fēng)電的高容量系數(shù)和不斷下降的成本使之成為可再生能源制氫的最佳選擇，綠氫為海上風(fēng)能提供更多的市場增長機會。據(jù)測算，一個1吉瓦的海上風(fēng)電項目可以生產(chǎn)足夠的氫，為大約25萬個家庭供暖。目前歐洲、澳大利亞已有不少綠氫項目正在規(guī)劃建設(shè)中。
（二）儲運領(lǐng)域
氫的特定物理化學(xué)性質(zhì)決定了其存儲和運輸?shù)募夹g(shù)復(fù)雜性和高成本特點（見圖2），氫的存儲和運輸方式是其最終價格形成過程中的重要因素，選擇最佳的儲運方式可以降低氫的存儲和運輸成本。
資料來源：BNEF等
圖2 不同技術(shù)儲氫成本對比
彭博新能源財經(jīng)指出，未來儲氫技術(shù)的布局可能呈階段性特點。在短期內(nèi)，商業(yè)儲氫方式主要是利用鹽穴和高壓儲氫罐，因為這兩者成本較低、成熟度較高。高壓儲氫罐會廣泛普及，儲罐也會變得更輕更堅固，并且儲氫量也會不斷提高。高壓儲氫仍是小規(guī)模、短期儲氫的首選技術(shù)，因其具有價格低廉、不受地域限制、易于運輸、可快速加注和排空的特點。
1.液氫儲運成本相對較低
液氫的密度是常溫常壓下的800多倍，因此液氫儲氫密度高、儲運成本低、儲存壓力低，也更安全。
目前國外液氫發(fā)展已經(jīng)比較成熟，從液氫的儲存到使用，包括加氫站建設(shè)都有比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。日本已經(jīng)將液氫供應(yīng)鏈體系的發(fā)展作為解決大規(guī)模氫能應(yīng)用的前提條件，基本思路是以澳大利亞的褐煤為原料生產(chǎn)氫氣，再通過碳捕捉實現(xiàn)去碳化，然后通過船舶運回日本使用。為了支撐液氫供應(yīng)鏈體系的發(fā)展，解決液氫儲運方面的關(guān)鍵性技術(shù)難題，企業(yè)積極投入研發(fā)，推出的產(chǎn)品大多已經(jīng)進入實際檢驗階段，如巖谷產(chǎn)業(yè)開發(fā)的大型液氫儲運罐，通過真空排氣設(shè)計保證儲運罐高強度的同時實現(xiàn)了高阻熱性。
現(xiàn)階段液氫儲運逐漸成為研發(fā)重點，日、美、德等國已將液氫的運輸成本降低到高壓氫氣的八分之一左右。目前全球液氫儲氫型加氫站占比接近40%，主要集中在美、歐、日。日本巖谷產(chǎn)業(yè)公司已建立液氫加氫站16座，美國液氫加氫站建設(shè)企業(yè)以Plug power、Air product公司為主，法國液氫加氫站建設(shè)企業(yè)主要是林德公司。
2.鹽穴最適合大規(guī)模儲氫
長時且大量的氫氣可以被儲存到鹽穴、枯竭油氣層或含水層。目前鹽穴應(yīng)用較廣泛，鹽穴儲氫相對成本較低、污染較小。自20世紀(jì)七八十年代以來，英國和美國的化學(xué)部門已將鹽穴用于儲氫。鹽穴的成本通常低于0.6美元/千克氫氣，效率約為98%，且儲存的氫氣受污染的風(fēng)險較低。
一個典型的鹽穴可在200帕左右的壓力下儲氫，儲氫能力約為6000噸，包括管道、壓縮機和氣體處理在內(nèi)的總安裝成本約為1億歐元。相比之下，如果將這些能量儲存在電池中，成本為100歐元/千瓦時，總投資成本將達到240億歐元?？梢哉f，在鹽穴中以氫的形式儲存能量比電池儲存電量至少便宜100倍。
如果條件允許，鹽穴最適合大規(guī)模儲氫。歐洲、北美、中東、俄羅斯和澳大利亞在地質(zhì)條件上有優(yōu)勢，鹽巖沉積范圍大、厚度大，利于建造鹽穴儲氣庫，因此儲氫成本相對較低。其他大規(guī)模的儲氫技術(shù)成本則要高很多。歐洲有許多可供大規(guī)模儲氫的空鹽穴。除了新的氫專用鹽穴外，還可以在歐洲不同的鹽地層中開發(fā)儲氫能力。最近的一項研究表明，歐洲鹽穴具有巨大的儲氫潛力（見圖3）。目前英國有3個鹽穴可以儲存1千噸氫氣，德國計劃于2023年建設(shè)1個3.5千噸氫氣的鹽穴儲存示范項目。
資料來源：Caglayan等
圖3 歐洲鹽穴儲氫潛力
3.管道輸氫將成未來氫能運輸主要方式
一是采用純氫的管道輸氫，這種運輸方式運營成本低，管道使用壽命可達40～80年，但建設(shè)成本高，需獲得通行權(quán)。若運輸距離不超過1500千米，管道輸氫最為便宜，成本約為1美元/千克氫氣。目前全球已建成超過5000千米的氫氣管道，其中美國擁有2600千米以上的氫氣管道，歐盟1500千米以上。我國已有多條輸氫管道在運，如中國石化洛陽煉化濟源-洛陽的氫氣輸送管道全長為25千米，年輸氣量為10.04萬噸。
二是全球多國已嘗試利用天然氣基礎(chǔ)設(shè)施輸送氫氣。為逐步達到碳減排目標(biāo)，向現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)中注入氫氣是快速提升低碳氫需求以促進其發(fā)展的有效方法。盡管歐盟各國大力發(fā)展氫能經(jīng)濟，但快速新建大量氫氣運輸管網(wǎng)一時也難以實現(xiàn)。法國的GRHYD項目，2018年開始向天然氣管網(wǎng)加注6%的氫氣，2019年摻入氫的比例已達到20%。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司表示，在舊天然氣管道中，最多可混合20%氫氣，而在諸如“北溪2號”這樣的新管道中，氫氣的混合比例可高達70%。
構(gòu)建更多氫氣骨干管網(wǎng)，在推動氫氣遠距離傳輸?shù)韧瑫r還能更好地服務(wù)于氫能貿(mào)易。目前，法國與德國天然氣管網(wǎng)運營商已開始討論合作事宜，計劃在兩國建設(shè)跨境純氫氣運輸管網(wǎng)，將現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施管道改造為只運輸氫氣的管道。據(jù)悉，該管道設(shè)計長度為70千米，每小時可運輸氫氣2萬立方米。一旦建成，這一項目將成為歐洲首個跨境純氫氣運輸管道項目。德國、奧地利、法國、荷蘭、比利時和盧森堡的能源部長曾共同強調(diào)加大對于氫氣運輸基礎(chǔ)設(shè)施的投資。
值得一提的是，相比電纜輸電，管道輸氫的經(jīng)濟性更勝一籌。電纜輸送電力和管道輸送氫氣的根本區(qū)別在于基礎(chǔ)設(shè)施的容量。一條電力傳輸電纜的容量在1～2吉瓦之間，而一條氫管道的容量在15～30吉瓦之間。此外，通過電纜輸送電力會產(chǎn)生損耗，而通過管道輸送氫氣的損耗則要小很多。相關(guān)測算顯示，輸送同樣的能量所需的管道建設(shè)成本要比電纜建設(shè)成本低大約10～20倍。
（三）終端應(yīng)用領(lǐng)域
氫的傳統(tǒng)用途主要在工業(yè)領(lǐng)域，例如作為煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)等化工流程的原料，某些工業(yè)過程的保護氣，以及航天等特殊領(lǐng)域的燃料。近10年來，氫燃料電池汽車在歐洲、美國、日本、韓國、中國等國家或地區(qū)開始進行示范或商業(yè)級的應(yīng)用。此外，歐洲在論證將氫用于規(guī)?；岬目尚行?。歐盟提出的2050年“零碳歐洲”目標(biāo)計劃中，交通和供熱是氫能未來重要的應(yīng)用場景。
1.氫燃料電池汽車
國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2019年，燃料電池汽車在亞洲市場獲得大幅增長。其中，日本、韓國和中國的銷售量均有所增長。中國和韓國2019年燃料電池汽車銷量接近，中國為4400輛，韓國為4100輛。中國快速發(fā)展的主要原因是對燃料電池公交車和輕型卡車的政策支持，這兩種車的保有量分別達到近4300輛和1800多輛，這使得中國燃料電池公交車（97%）和卡車（98%）保有量在全球遙遙領(lǐng)先。
受亞洲市場增長的影響，全球燃料電池汽車市場蓬勃發(fā)展。2019年底，全球燃料電池汽車的保有量為25210輛，年銷售量達12350輛，比2018年的5800輛增加了一倍（見圖4）。美國是全球燃料電池汽車保有量最大的國家，占全球保有量的三分之一，其次是中國、日本和韓國。2020年初，全球氫燃料電池乘用車保有量達17000輛，氫燃料電池公交車4250輛，商用氫燃料電池車1000輛。
資料來源：IEA
圖4 全球及部分國家燃料電池汽車部署情況和發(fā)展目標(biāo)
2.加氫站
燃料補給基礎(chǔ)設(shè)施的推廣是燃料電池汽車的一個關(guān)鍵要求，歐盟計劃為氫燃料電池公交汽車和卡車建設(shè)更多加氫站，并圍繞加氫站部署電解槽產(chǎn)能，在港口和機場等交通樞紐布局氫能制造及輔助基礎(chǔ)設(shè)施。歐洲目前擁有超過200個加氫站，科隆、羅馬、奧斯陸、鹿特丹等城市已投入使用氫燃料電池巴士。根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，截至2019年底，全球在運加氫站共有470個，同比增長20%以上。其中日本加氫站數(shù)量最多（113個），其次是德國（81個）、美國（64個）和中國，2019年中國在運加氫站數(shù)量從20個增加到61個，緊隨其后的是韓國和法國。
3.氫能供熱
目前化石燃料仍是全球主要的供熱能源，而氫是極優(yōu)質(zhì)的儲能媒介，利用氫替代天然氣供熱是實現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型最有潛力的方向之一。對比歐洲各國的電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)負荷曲線可以發(fā)現(xiàn)，天然氣管網(wǎng)負荷的波動程度顯著高于電網(wǎng)（見圖5）。以英國為例，英國居民用氣負荷的峰谷比約為5～7倍，遠高于電網(wǎng)的1.7倍。因此，如果利用可再生能源制取的氫作為儲能載體，在管道天然氣中摻混一定比例的氫，有助于電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)協(xié)同調(diào)度，在實現(xiàn)供熱系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的同時，有效提高電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的整體調(diào)峰能力。
資料來源：IHS Markit
圖5 英國和法國電網(wǎng)與天然氣管網(wǎng)負荷波動對比
●替代管道天然氣供熱
英國天然氣管網(wǎng)公司Cadent和Northern Gas Networks正在與挪威國家石油公司合作開展氫供暖示范項目H21。該項目計劃在英國北部海岸利茲市建設(shè)9套1.35吉瓦規(guī)模的天然氣自熱重整制氫裝置并配套碳捕集和儲存裝置（二氧化碳將通過管道注入北海海底的鹽水層），對該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)進行大規(guī)模氫替代。該項目已進入工程設(shè)計階段，計劃2023年可完成投資決策開工建設(shè)，利茲市計劃從2028年開始對居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進行配套改造用以輸送氫氣。通過合理規(guī)劃氫輸配管網(wǎng)，預(yù)計項目可替代利茲市370萬居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求。
●可再生能源制氫供熱
2020年，英國天然氣網(wǎng)絡(luò)運營商SGN啟動了世界上第一個直接利用海上風(fēng)電制造綠色氫能供熱的項目。此次試驗依托的是蘇格蘭Levenmouth海上風(fēng)電試驗項目，風(fēng)場為制氫工廠供電，所制取的氫氣為蘇格蘭法夫郡的300戶家庭供熱。海上風(fēng)力發(fā)電可提供大規(guī)模清潔能源，是一種新型供熱思路，為氫氣的可持續(xù)增長解決了關(guān)鍵難題，同時有助于地區(qū)減排脫碳。
4.平衡電力需求和供應(yīng)
隨著越來越多的可再生能源接入，電網(wǎng)需要更多的靈活性解決方案。氫能的季節(jié)性儲能價值在未來可再生能源高比例開發(fā)利用的情景下尤其重要，但當(dāng)前成本還是過于高昂。目前世界各地有多個試點項目致力于研究如何通過大規(guī)模制氫消納富余的可再生能源，促使電網(wǎng)平衡并不斷滿足日益增長的電力及能源需求，為電網(wǎng)中的薄弱區(qū)域提供可再生能源的發(fā)電支持等。以壓縮氣體、氨或合成甲烷的形式，氫有望成為一種周期儲能選擇，用以平衡電力需求或可再生能源發(fā)電的季節(jié)性變化。
三、全球氫市場預(yù)測及啟示
（一）全球氫市場發(fā)展預(yù)測
綜合各大機構(gòu)對全球氫市場的展望（見圖6），國際可再生能源署、殼牌、澳大利亞可再生能源署等機構(gòu)認為，到2050年全球氫市場規(guī)模將達到500～2000太瓦時；而國際氫能委員會則認為，屆時氫市場有望達到16100太瓦時，占世界能源總消費的18%。也就是說，如果從目前氫在非能源領(lǐng)域的消耗水平來看其未來的絕對產(chǎn)量，根據(jù)最樂觀的預(yù)測，到2050年氫產(chǎn)量有望增長6.5倍，或者說到2050年的復(fù)合年均增長率約為6%。
資料來源：根據(jù)公開資料整理
圖6 到2050年全球氫市場發(fā)展預(yù)測
在BP《世界能源展望2020》的快速轉(zhuǎn)型情景和凈零排放情景中，到2050年全球95%以上的氫為綠氫和藍氫，其余是未配備CCUS的、由天然氣或煤炭制取的灰氫。BP認為，隨著技術(shù)發(fā)展、成本下降及碳價上漲，氫能將在2035～2050年顯著增長（見圖7）。到2050年，氫能在終端消費中占比將達到7%（快速轉(zhuǎn)型情景）或16%（凈零排放情景）左右。在快速轉(zhuǎn)型情境中，中國和發(fā)達經(jīng)濟體中氫能發(fā)展較為突出；凈零排放情境中，氫能適用范圍更廣，在印度和亞洲其他發(fā)展中國家也有顯著增長。
資料來源：BP
圖7 2035和2050年不同部門和不同地區(qū)氫能消費量
（二）對我國的啟示
總體來看，世界主要國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向基本明朗，主要包括明確的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及產(chǎn)業(yè)定位、政府相關(guān)部門分工、制氫技術(shù)路線，以及推進氫燃料電池試點示范與多領(lǐng)域應(yīng)用、持續(xù)的氫燃料電池技術(shù)研發(fā)支持、不斷完善的氫能產(chǎn)業(yè)政策體系等方面。在我國，2020年公布的《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》明確將氫能納入能源范疇，這是繼2019年《政府工作報告》中涉及氫能的論述后，從頂層設(shè)計角度規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，已有多個省市發(fā)布了氫能和氫燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)劃，上海、如皋、佛山、張家口、武漢等城市積極謀劃氫能城市建設(shè)，形成了華東、華中、華南、華北、東北、西南六大氫能和氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)群。然而我國氫能和燃料電池相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)，燃料電池和氫能核心技術(shù)能力、關(guān)鍵部件與裝備、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等方面亟待加強。
1.強化頂層設(shè)計和戰(zhàn)略規(guī)劃
全球范圍內(nèi)對氫能的政策支持力度正在加強。最近一兩年間，多國相繼發(fā)布氫能戰(zhàn)略和路線圖，將氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度，明確氫能在未來能源體系中的定位，一些國家還制定了氫能技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。在我國，約有40個地方政府出臺了氫能發(fā)展規(guī)劃，但是全國性的專項規(guī)劃還未出臺。建議盡快從國家層面制定我國的氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，科學(xué)測算發(fā)展目標(biāo)，優(yōu)化技術(shù)發(fā)展路徑，統(tǒng)籌規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局。科學(xué)引導(dǎo)地方政府充分結(jié)合自身資源稟賦特點、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)等發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，避免同質(zhì)化發(fā)展，防范低端惡性競爭和行業(yè)無序發(fā)展。
2.促進基礎(chǔ)研發(fā)，加快關(guān)鍵部件和設(shè)備國產(chǎn)化進程
氫能產(chǎn)業(yè)鏈條長，制取、儲運、加氫設(shè)施及下游應(yīng)用，涉及不同環(huán)節(jié)不同技術(shù)路線。日本、美國、韓國、歐盟等國家和地區(qū)在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中投入巨資研發(fā)核心技術(shù)，目前已掌握了主要氫能技術(shù)及大量核心專利。近年來，我國在科技專項、創(chuàng)新工程等方面重點布局，氫能及燃料電池重點領(lǐng)域技術(shù)取得較大進展。當(dāng)前發(fā)展階段，應(yīng)推動關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。制取環(huán)節(jié)，推動以煤制氫為主向可再生能源電解制氫轉(zhuǎn)變；儲運環(huán)節(jié)，加快高壓、液態(tài)儲運技術(shù)研究，提高長距離儲運水平；應(yīng)用環(huán)節(jié)，支持氫燃料電池多場景應(yīng)用；同時還應(yīng)加強氫燃料電池電堆、關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成的研究，突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。
3.加快完善氫能供應(yīng)體系，降低氫能供給成本
根據(jù)國際能源署、國際可再生能源署最新報告，到2030年可再生能源制氫成本將大幅下降（可能下降30%），氫能將在全球?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模利用，可再生能源制取的綠氫將成為最主要的氫源。建議國內(nèi)因地制宜發(fā)展綠氫，探索發(fā)展光伏、風(fēng)電（含海上風(fēng)電）、水電等可再生能源制氫，支持光解水、生物發(fā)酵等綠色制氫技術(shù)示范及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動開展吉瓦級可再生能源制氫試點示范，逐步構(gòu)建以綠氫為主的多元化制氫體系。
4.推廣終端應(yīng)用試點示范建設(shè)，探索建立市場化發(fā)展機制
作為積極推進氫燃料電池示范應(yīng)用的國家，德日韓等國都提出了氫能示范區(qū)計劃。結(jié)合國際經(jīng)驗，建議國內(nèi)開展氫能終端應(yīng)用試點示范建設(shè)，支持示范城市開展氫能交通、備用電源、分布式發(fā)電等氫能終端產(chǎn)品示范應(yīng)用。同時支持以工業(yè)副產(chǎn)氫（僅限于既有產(chǎn)能）、可再生能源制氫替代煤炭或天然氣制氫，應(yīng)用于傳統(tǒng)煉鋼、化工等行業(yè)，開展綠色化工（合成氨、甲醇等）試點示范。建議國內(nèi)積極打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，探索成熟可行的商業(yè)模式，建立氫能產(chǎn)業(yè)市場化發(fā)展機制。
5.加強國際交流合作，積極融入國際氫能市場
發(fā)展氫能，不僅需要國內(nèi)產(chǎn)業(yè)和市場的發(fā)展，還需要借助國際合作、依托國際市場。國際氫能委員會預(yù)計，要建立氫能經(jīng)濟，到2030年全球每年需要投資200億～250億美元，同時需要各國在長期的政策框架支持下大規(guī)模部署氫能，通過規(guī)模效應(yīng)降低氫能生產(chǎn)和應(yīng)用成本。這樣才能全面實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉吹恼虾桶l(fā)電、跨部門和跨地區(qū)的能源分配、提高能源系統(tǒng)的抗御能力、加速在氫能運輸、建筑熱能、電力及工業(yè)領(lǐng)域的脫碳過程以及為工業(yè)提供清潔的原料等氫能發(fā)展的總體目標(biāo)。因此，氫能產(chǎn)業(yè)未來也必然具有全球性流動特征，“走出去”是大勢所趨，國內(nèi)氫能從業(yè)者需要準(zhǔn)備好面對全球化氫能市場的競爭格局，加強技術(shù)和人才交流，加強標(biāo)準(zhǔn)化合作，主動融入全球市場競爭。
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原文首發(fā)于《能源情報研究》2020年11月
