中國儲能網(wǎng)訊：縱觀全球能源發(fā)展史，能源品種演變呈現(xiàn)出從固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)、由高碳向低碳演變的特征。相比傳統(tǒng)化石能源，氫能具備來源廣、能量密度高、環(huán)保效果好和用途廣的優(yōu)勢，有望成為保障能源安全、緩解氣候變化的未來能源，正被世界各國納入能源戰(zhàn)略版圖。
1、國際社會布局氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點
全球對“未來能源”的探索在上世紀70年代石油危機后進入了“快車道”，氫能成為國際社會公認的“未來能源”之一，各國在不同的戰(zhàn)略目標指導下形成了差異化的氫能發(fā)展路線。日本以突破本土能源稟賦、實現(xiàn)能源獨立為導向，提出建設氫能社會，下游應用場景豐富，形成了自上而下、以政府為主導的發(fā)展路線。美國以培育氫能經濟為導向，形成了自下而上、以培育市場為導向的發(fā)展路線。歐盟作為發(fā)展低碳能源的領頭區(qū)域，堅持以發(fā)展可再生能源為導向，形成了基于可再生能源制氫的技術路線。整體而言，能源資源競爭和汽車產業(yè)競爭是各國布局氫能的兩個出發(fā)點。
1.1從能源資源角度出發(fā)
氫能是各國爭相搶占的“未來能源”之一，是實現(xiàn)各類能源轉換的“樞紐”，可以實現(xiàn)不同能源品種向各類終端的傳輸，是增加未來低碳能源網(wǎng)絡靈活性的重要抓手。前端，氫是自然界最普遍存在的元素，氫氣可取自水、天然氣、化工廢氣、丙烷、甲醇等，原料來源極廣。末端，燃料電池為氫能提供了儲能載體，能夠與熱、電末端網(wǎng)絡有效銜接，可以解決能源供需配置上的時空矛盾。由此，以氫能為中介的能源系統(tǒng)具備充足的“安全墊”，有望打破傳統(tǒng)化石能源的剛性供給。
其次，氫是有望實現(xiàn)“零碳排放”的未來能源，末端排放僅產生水，環(huán)保性好，是“純綠”能源。再者，氫燃料的熱值高，同等質量能量密度下的熱值僅次于核燃料，達142351kJ/kg，大約是汽油熱值的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，但能量密度優(yōu)勢的發(fā)揮仍有賴于應用場景的拓展和電堆技術的突破。四則氫能的安全底線有支撐。由于氫氣較輕，會以20m/s的速度在空氣中快速逸散，雖然氫氣易燃、爆炸極限寬等，但仍是最不容易形成可爆炸氣霧的燃料。
1.2從汽車產業(yè)角度出發(fā)
隨著燃油車退出趨勢加速，在氫燃料電池汽車和電動車的“路線之爭”尚未明朗的背景下，率先搶占新能源汽車的技術高地對各國未來汽車產業(yè)的發(fā)展意義重大。相比電動車，在現(xiàn)有技術條件下氫燃料電池汽車具備以下三點相對優(yōu)勢。
首先，受制于電池自重，鋰電池快充也需40min才可達到80%的電量，而氫燃料電池汽車的加氫時間在3~5min，相比電動車充電時間，氫燃料電池汽車加氫時間更短。其次，燃料電池能量密度高，在大載重、中長距離場景中優(yōu)勢明顯。再者，電動車在低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)電阻變大、工作效率變低、低溫老化等問題，而用于氫燃料電池汽車的質子交換膜電池不僅可以在低溫環(huán)境正常運行，而且更容易實現(xiàn)車內取暖。
2、國際社會布局氫能的戰(zhàn)略選擇
2.1日本：立足于打破資源稟賦約束，著力構建多元化的氫能供給體系
日本能源對外依存度高、發(fā)展氫能的戰(zhàn)略出發(fā)點明確、訴求強烈。以突破本土能源稟賦、破除對化石能源的依賴、提高能源自給率、實現(xiàn)能源獨立為導向，日本提出要建設氫能社會，形成了自上而下、以政府為主導的發(fā)展路線。日本在2014年提出“氫能和燃料電池戰(zhàn)略路線圖”，隨后相繼出臺了《氫燃料發(fā)電研究報告》《零碳氫燃料研究報告》，形成了日本氫能戰(zhàn)略的主要內容，將氫能作為保障能源安全和應對全球變暖議題的一張“王牌”。
日本的氫能發(fā)展路線圖包含三個階段：第一步到2025年，重點是擴大燃料電池市場，包括家用燃料電池和交通運輸兩大領域；第二步到2030年，重點是實現(xiàn)氫燃料發(fā)電，以及建立大規(guī)模氫能供給體系；第三步是從2040年開始，要全面建成零排放的制氫、儲氫、運氫的氫燃料供給體系。
供給端，上游供給體系構建路線明確，目前初步形成了制氫“兩條腿”走路、運氫多元化展開的路線。日本氫氣供應體系有國際、國內兩個層面上的支撐，國內主要依靠可再生能源制氫，目前已建成了全球最大的可再生能源電解制氫項目FH2R。國際供氫主要有四個渠道，各個渠道的制氫工藝、儲運方式各異：一是與澳大利亞合作開發(fā)褐煤制氫項目，以液態(tài)船運方式運輸?shù)饺毡荆欢桥c文萊合作開發(fā)天然氣重整制氫項目，以有機液體為載體將氫氣運輸?shù)饺毡?；三是與挪威合作開發(fā)水力發(fā)電制氫項目，擬以低溫液化的方式將液態(tài)氫海運至日本；四是與新西蘭合作的地熱制氫項目。
需求端，下游應用場景豐富，氫能在家用燃料電池、燃料電池汽車領域的推廣尤為亮眼，在不同細分領域上培育出了諸如豐田、松下、本田、愛信等龍頭企業(yè)。在家用燃料電池領域上，ENE-FARM是日本大力推廣的家用燃料電池系統(tǒng)，從2009年開始由松下、東芝、愛信等廠商研發(fā)生產，由東京燃氣和大阪燃氣等燃氣公司向用戶銷售，2009-2019年間，ENE-FARM系統(tǒng)累計銷售30萬套，每套政府補貼由最初的8.9萬元逐年下降直至取消。在車用燃料電池領域上，豐田mirai是氫燃料電池乘用車的領頭羊，目前續(xù)航里程達到了約850km、最大功率達到了134kW。
2.2美國：立足于推動氫能經濟，固定式電池和重卡領域發(fā)展領先
美國將油氣視作其參與國際關系的重要籌碼，短時間內仍會守住傳統(tǒng)能源的壓艙石，布局氫能則更多是從參與產業(yè)競爭角度出發(fā)、著力從市場開拓角度發(fā)力。
立足于構建氫能經濟，美國較先提出“氫經濟”，早在2002年即頒布“國家氫能發(fā)展路線圖”，將氫能發(fā)展分為了四個階段：
第一階段是開發(fā)階段，包括降低燃料電池成本、開發(fā)固體儲氫裝置、天然氣繼續(xù)作為制氫主要原料、開發(fā)氫內燃機、批量生產燃料電池汽車、在建筑物中增加燃料電池供熱供能試驗、繼續(xù)開發(fā)便攜式氫燃料電池；
第二階段是市場過渡階段，政府將在市場過渡階段發(fā)揮重要作用，比如政府或公共部門將成為氫能的“第一用戶”，公共交通、消防等將采用基于氫燃料電池的分布式儲能，車輛、艦艇、飛機等軍事設備也將逐漸運用氫能系統(tǒng)；
第三階段是市場和基礎設施擴張階段，氫能將從局部向整體推廣，國家政策將以支撐氫能市場化推廣為出發(fā)點；第四階段是氫經濟時代，即氫能全面取代化石能源成為居于主導地位的終端能源，個人氫能交通市場將自發(fā)形成。
以發(fā)展氫經濟為導向，美國率先在經濟可行性較高的領域獲得了突破。
一是依托美國國內天然氣價格低廉的優(yōu)勢，以天然氣重整氣為原料的固定式燃料電池已經在數(shù)據(jù)中心、樓宇供電領域應用多年，并培育出了Bloomenergy、UTCPower等固定式領域的龍頭企業(yè)。
二是在連續(xù)作業(yè)、大載重的物流貨運領域，氫燃料電池汽車燃料加注時間短、可以減少停機時間、提高經濟效益。因此，與日本大力推廣氫燃料電池乘用車不同，美國在燃料電池商用車產業(yè)積累了豐富的經驗，其中，PlugPower在全球燃料電池叉車市場的市占率居于首位，以尼古拉為首的重卡企業(yè)也開始布局氫燃料電池領域。
2.3歐盟：立足于實現(xiàn)低碳發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源制氫
歐盟歷來是低碳發(fā)展上的領跑者，因而也將氫能視作其低碳發(fā)展的抓手之一。立足于提高可再生能源比例、降低交通領域溫室氣體排放、推動能源轉型，歐盟在2003年發(fā)布了“氫發(fā)展構想報告和行動計劃”，計劃在4年內投資20億美元，規(guī)劃到2030年使氫能源汽車的比例達到15%。
歐盟的氫能技術路線圖將氫能發(fā)展分為了三個階段：
第一階段規(guī)劃到2010年，重點任務是通過電解水制氫提高可再生能源發(fā)電的比例，通過項目示范運營實現(xiàn)氫能和燃料電池的初級市場應用、制氫基礎設施的早期開發(fā)、解決關鍵技術瓶頸；
第二階段規(guī)劃到2020年，重點內容包括完善可再生能源制氫系統(tǒng)、具有價格競爭力的氫燃料電池汽車進入家庭、建設分布式燃料電池供電站；
第三階段規(guī)劃到2050年，重點任務包括實現(xiàn)大規(guī)模可再生能源和先進核能制氫、擴大氫能分配網(wǎng)絡、將30%的加油站改成加氫站、氫能經濟基本取代傳統(tǒng)化石能源經濟。
以實現(xiàn)溫室氣體減排為引領，歐盟各國的氫能利用在以下兩個場景上取得了亮眼成績。
一是電轉氣項目：為了解決可再生能源消納問題，德國、丹麥、英國等國家先行先試了powertogas項目，利用風能、光伏發(fā)電的剩余電力制氫，再將氫氣用于與天然氣進行摻混、直接發(fā)電和供熱等。
二是燃料電池公交和列車：交通領域是對歐盟降低溫室氣體排放貢獻較大的領域之一，為了降低交通碳排放，歐盟多個國家在公用交通領域氫能利用上實現(xiàn)了突破，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，德國率先在列車領域應用了氫能。
3、結論
在全球能源供需格局走向寬松、氫能發(fā)展技術路線不確定的背景下，我國應理性看待氫能發(fā)展。一方面，氫能是綠色能源的終極形式之一，是增強未來能源系統(tǒng)靈活性的重要介質，不能放棄推進氫能技術的研發(fā)。另一方面，規(guī)?；茝V氫能仍有賴于儲運技術、應用場景、商業(yè)模式的突破，不應盲目跟風，要避免重蹈可再生能源無序發(fā)展的覆轍。
1）不同的戰(zhàn)略目標對產業(yè)的引導作用大相徑庭，應盡早定下戰(zhàn)略基
對于我國而言，以消化可再生能源、解決“三棄”問題為目標，則應大力突破電解水制氫的效率和成本問題，重點采用分布式形式利用氫能，避免大規(guī)模集中式建設；以提高能源自給率、保障能源安全為目標，則應大力發(fā)展大規(guī)模集中式的化石能源制氫，突破儲能系統(tǒng)的關鍵技術；以增強技術儲備、趕超能源技術為目標，則應突破電堆等關鍵零部件技術，提高氫能系統(tǒng)裝備的國產化率，重點采用示范形式運營相關項目。
2）在要素無法自由流動的能源市場，應從資源稟賦實際出發(fā)，不能對灰氫、藍氫“一刀切”不同區(qū)域需要結合自身的資源稟賦和下游需求，統(tǒng)籌布局氫能發(fā)展。
如，西北地區(qū)擁有豐富的風光資源，但下游需求有限，可考慮重點發(fā)展可再生能源制氫、氫燃料電池儲能的發(fā)展路線，山東、上海擁有豐富的副產氫資源，則可在短期內重點發(fā)展副產氫提純的技術路線。不同區(qū)域的灰氫、藍氫清潔程度不一，不應過度追捧電解氫、扼殺工業(yè)副產氫。如，對于化石能源發(fā)電占比較高的區(qū)域，電解氫的清潔程度不一定比工業(yè)副產氫高，而對于伴生CO2有具體用途的部分上?；@區(qū)副產氫，其清潔用途反而有望超過電解氫。
