技经观察丨主要国家氢能发展现状
近年来，在全球碳减排的趋势背景下，各国对于发展氢能产业的热情空前高涨。发展氢能产业有益于保障能源安全、促进能源供应多元化，以及拉动经济增长，截至目前，全球已有17个国家发布国家级氢能战略或氢能路线图，另有十余个国家正在制定和计划发布氢能战略。
一、主要国家氢能发展综述
美国能源部发布了《氢能项目计划》，为其氢气研究、开发和示范活动提供了一个战略框架。2021年7月，美国能源部宣布投入5250万美元资助31个氢能项目，旨在推进下一代清洁氢能技术，该项目是美能源部“氢能攻关计划”的一部分。这31个项目包括改进并简化电解水制氢设备、生物制氢研究、电化学制氢研究、燃料电池系统设计、电力行业脱碳、碳捕集、利用和封存系统设计、氢气和天然气混合燃气机设计、氧化物电池设计，以及美国氢供应链研究等方面。8月，美国能源部推出“能源地球”计划，以加速氢能创新，增加清洁氢能需求，并计划将清洁氢能的成本降低80%，至1美元/千克。美国希望不断完善其氢能的生产、运输、储存和利用各个环节，稳固氢能领先地位。
欧盟委员会通过《欧盟氢能战略》，战略中提出到2024年将安装600万千瓦的电解设施以具备100万吨绿氢制备能力，到2030年将安装4000万千瓦的电解设施，以具备1000万吨绿氢制备能力，到2050年制备的氢均为绿氢，并将25%的可再生能源用于电解制氢。考虑到目前欧洲电解设施生产能力远低于100万千瓦/年，要达成该目标需要大幅提升其生产能力或加大进口。《欧盟氢能战略》中预计到2030年将需要投入240亿-420亿欧元，到本世纪中叶将需要投入1800亿-4700亿欧元。
2021年8月，英国商务能源与产业战略部（BEIS）发布《国家氢能战略》，该战略详细说明了如何促进氢能经济增长、支持创新、刺激投资以发展所需的供应链和技能，并为英国创造就业和出口的经济效益。战略指出，英国将支持基于天然气的“蓝氢”与由可再生能源提供电力的“绿氢”双轨发展方向，并在2030年前大力支持技术创新。到2030年，氢将在英国化工、炼油厂、电力和重型运输（如航运、重型货车和火车）等高污染、能源密集型行业脱碳方面发挥重要作用，氢能经济产值将达9亿英镑，创造超9000个高质量的工作岗位，释放40亿英镑的私人投资；到2050年，英国20%至35%的能源消耗将以氢为基础，氢能经济产值达到130亿英镑，并有望增加10万个工作岗位。英国还推出“英国氢能网络”计划，拟建成全球首个纯氢气供应管道网络。英国核工业委员会也发布《氢能路线图》，计划利用核能大规模生产绿氢。
德国通过了《德国国家氢能战略》，其认为氢能，特别是可再生能源产生的绿氢，将是支持德国2050年实现碳中和的必要条件。2021年7月，德国国家氢能委员会发布2021-2025年氢能行动计划。计划分析了到2030年氢经济增长预期，并为有效实施国家氢战略提出了包括绿氢获取在内的80项措施。该计划或将成为下一任联邦政府有关氢主题的政府计划的蓝图。2021年以来，德国围绕氢的研发和应用推出了一系列举措，政府资助总额超过87亿欧元，有力支持了德国在整个价值链上实现氢市场的增长。德国还计划在汉堡市建设拥有100兆瓦容量电解槽的欧洲最大的绿氢工厂。
西班牙政府批准了“氢能路线图：对可再生氢的承诺”（Hydrogen Roadmap: a Commitment to Renewable Hydrogen）。该路线图指出，绿氢将是西班牙实现气候中和以及于2050年之前实现全国100%可再生电力系统的关键。为此，西班牙拟在2024年前使电解槽装机容量达到300～600兆瓦；到2030年，使电解槽装机量容量达到4吉瓦，并有25%的工业用氢来自可再生能源。
加拿大政府发布了《加拿大氢能战略》（Hydrogen Strategy for Canada），旨在支持2050年前实现净零碳排放的计划，并将“巩固加拿大作为清洁可再生燃料全球工业领导者的地位”，以此作为其经济复苏后工作的一部分。
意大利公布《国家氢能战略指南》草案，计划到2030年使氢气占本国能源需求的2%，到2050年升至20%。
韩国SK集团计划投资18.5万亿韩元（约合160亿美元），于2023年前在仁川市建设年产3万吨液化氢的全球最大的液化氢工厂，并健全氢生产、分配、消费生态系统。
日本政府从其绿色创新基金中拨款3700亿日元（约合34亿美元），开发可再生能源制氢系统并建立完整的氢气供应链。
受“富煤贫油少气”的资源限制，我国2020年石油和天然气的对外依存度分别达到73%和43%，而我国是世界第一产氢（灰氢）大国，具备成熟的制氢工业基础，发展氢能有助于优化能源消费结构，保障我国能源安全，同时也有助于实现我国“碳达峰、碳中和”目标。2019年，氢能首次写入《政府工作报告》，其中提出“推动充电、加氢等设施建设”。2020年4月发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》中，将“氢能”纳入能源范畴；同年9月，国家五部委发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，表示国家将采取“以奖代补”的形式鼓励符合条件的地区开展燃料电池汽车示范。2021年9月《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》里提出，要统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，推进可再生能源制氢，加强氢能生产、储运、应用关键技术研发、示范和规模化应用。目前，我国已公开宣布53个氢能项目，其中50%与交通应用相关。已宣布项目中，中国石化将在未来5年内建设1000个加氢站，以及宁夏地区投产200兆瓦并网光伏制氢工厂。
二、前沿技术进展
氢能产业链包括制氢、储存、运输以及氢气利用，其中，制氢是基础，储存和运输是氢气利用的核心保障。制氢的主要技术方式有化石能源制氢、副产制氢、可再生能源制氢、电解水制氢以及光解水制氢等；储氢主要技术方式包括低温液态、高压气态和金属氢化物储氢等；氢气应用可以渗透到传统能源的各个方面，包括交通运输、工业燃料、发电发热等，主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。
钢铁行业以氢替代煤技术已开始研发和示范。2016年，瑞典钢铁公司（SSAB）、瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）和瑞典矿业集团（LKAB）联合成立了HYBRIT项目。项目基本思路是：在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭（氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生），氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原，产生海绵铁（直接还原铁），并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气，水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。韩国政府从2017年到2023年投入1500亿韩元（约合9.15亿人民币），以官民合作方式研发氢还原炼铁法。韩国计划将通过以下三步完成氢还原炼铁：从2025年开始试验炉试运行；从2030年开始在两座高炉实际投入生产；到2040年12座高炉投入使用，从而完成氢还原炼铁。2019年11月，位于德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢铁厂第一批氢气被注入9号高炉。这标志着“以氢（气）代煤（粉）”作为高炉还原剂的试验项目正式启动。在传统的工艺流程中，需要在高炉中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂，才能生产出1吨生铁。采用“以氢代煤”炼铁工艺后，用氢气替代焦炭和煤炭投入高炉中作为铁矿石的还原剂，可以减少钢铁生产过程中排放的一部分二氧化碳排放。这一尝试预示着钢铁产业或进入了一个新时代。
储氢技术方面，与其他燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度小（汽油的1/3000），因此，构建氢储能系统的一个大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。尤其当氢气应用于交通领域时，还要求有较高的质量能量密度。目前，氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机液体储氢、多孔材料及金属合金等物理类固态储氢。对于氢气的规模化储存和运输，尽管迄今已研发出多种技术和手段，但目前工业上最可行的仍只有高压气态储氢和深冷液化储氢。高压气态储氢是最普通、直接的储氢方式，高压容器内氢以气态储存，储存量与压力成正比。高压储氢技术商业一般选用可承受20MPa氢压的储气钢瓶，贮氢压15MPa左右，因为氢气密度较低而储氢罐自身较重，氢的质量分数一般都少于3%。为了提高储氢密度，研究人员研发出铝内胆成型、高抗疲劳性能的碳纤维全缠绕高压氢气瓶，可耐受35~70MPa高压，质量浓度为19~39g/L。丰田公司推出的Mirai氢燃料电池汽车储氢系统采用的是聚酰胺连线外加轻质金属的高压储氢罐，可承受70MPa高压。低温液化储氢是一种可实用化的储氢方式，由于常温常压下液态氢的密度是气态氢的845倍，因此低温液化储氢具有储氢密度高、储存容器体积小等优势，其质量浓度约为70g/L，高于高压气态储氢（70MPa下质量浓度约为39g/L）。但氢气液化过程需要多级压缩冷却，氢气温度降低至20K，将消耗大量能量，液化消耗的能量约占氢能的30%。另外，为了避免液态氢蒸发损失，对液态氢储存容器绝热性能要求苛刻，需要具有良好绝热性能的绝热材料。低温储氢罐的设计制造及材料的选择一直存在成本高昂的难题，导致液化过程和储氢容器技术复杂，成本增加。低温液化储氢技术主要应用于军事与航天领域，商业化研究与应用才刚刚开始，然而由于在大规模、长距离储运方面的优势，或将在未来与高压气态储氢互补共存发展。
氢能有着广阔的应用范围。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是目前发展规模最大的一种燃料电池。从国外发展来看，质子交换膜燃料电池的应用处于商业化示范应用阶段，目前已涉及移动电源、笔记本电源、摄像机与手机电源等小型电源领域，车辆、小游艇、潜艇等交通领域，更大的规模化市场需求正在扩展，增长潜力巨大。最优质的质子交换膜被美国杜邦公司和比利时苏威集团等企业长期垄断，日本企业的质子交换膜主要自给自足，供应丰田、本田等本国汽车厂商。不同企业产品呈现出各自技术特点和性能优势，以美国杜邦公司的Nafion系列、日本旭化成公司的Aliciplex、日本旭硝子公司的Flemion、日本氯工程公司的Ｃ系列为代表的长支链全氟磺酸膜，其使用寿命远远高于其他膜材料，具有优良的氢离子传导特性，是现在市场应用最广泛的质子交换膜；以比利时苏威集团的Hyflon、美国陶氏化学的Xus-B204为代表短支链全氟磺酸膜，适宜高温的燃料电池，可以提高催化剂活性和抗一氧化碳中毒的问题，但制备过程复杂且价格较高，目前未能完全实现产业化生产；以美国戈尔公司的Gore Select、美国3M公司的PAIF为代表的复合膜，通过聚四氟乙烯和杂多酸进行杂化，可以降低氟化程度和对水分的依赖性，在低水环境应用中具有较好性能。
相较于国外质子交换膜产业成熟化发展，国内燃料电池只在车辆、小游船、移动式电源等小型移动电源领域有示范应用，距离商业化应用距离较大。同时，由于国外质子交换膜稳定性和可靠性更优，市场还是以进口为主，造成质子交换膜价格高居不下，也限制了燃料电池的推广。在核心材料方面，全氟磺酸树脂几乎完全依赖进口，这也成了国内燃料电池产业发展的“卡脖子”关键环节。在核心技术方面，国内比较落后，处于产业加速发展阶段。其中，山东东岳集团代表着国内质子交换膜最高发展水平，实现了全磺酸树脂和全氟磺酸膜技术研发和生产能力的突破，其生产的 DF系列产品可以在开路电位情况下耐久性超过600小时，使用寿命超过6000小时，得到奔驰与福特合资公司AFCC的认可和采购。此外，武汉理工新能源公司、上海神力科技公司、新源动力股份有限公司和三爱富新材料科技有限公司都有全氟磺酸型质子交换膜的生产能力；在复合膜方面，武汉理工新能源公司已向国内外数家研究单位提供测试样品；中科院大连化物所和上海交通大学也在质子交换膜的研究领域有所突破。随着国家对氢能的政策支持持续加码，国内质子交换膜未来有望进一步缩小差距、实现自主可控。
交通是当前氢能应用最大的领域，产业化进展相对较快。在氢燃料电池乘用车方面，韩国现代汽车公司的氢燃料电池车NEXO力压丰田汽车公司的Mirai成为新的销量冠军，市场规模不断攀升。现代汽车NEXO自2018年上市以来，截至2020年10月底在韩国累计销量突破10000辆，成为全球首款在单一国家销量过万的氢燃料电池车型。丰田Mirai虽然失去了保持多年的销量冠军，但其第二代Mirai于2020年12月正式上市，输出功率达到128千瓦，电堆体积功率密度由3.1千瓦/升大幅提升至4.4千瓦/升，超越加拿大巴拉德动力系统公司开发的4.3千瓦/升的燃料电池电堆，再次领先全球；储氢罐由2个增至3个，储氢量提升20%，续航里程提升至850千米，较上一代车型提升约30%。同时，新车在日本地区的售价从740万日元（约合7.12万美元）降至710万日元（约合6.83万美元），享受日本环保车补贴后，最低售价为570万日元（约合5.48万美元）。根据丰田规划，Mirai新款车型上市后，其年产能将由3000辆提升至30000辆，储氢罐、燃料电池电堆的生产规模将同步扩大。在氢动力火车方面，2018年10月，全球首列搭载乘客的氢动力火车Coradia iLint于德国首次投入服务，开往下萨克森州。氢动力火车由法国阿尔斯通公司生产，时速可达140千米，每次充电后可以行驶1000千米。列车顶部安装有氢燃料箱和将氢转化为电的燃料电池。行驶过程中产生的多余能量被转移到位于地板下的锂离子电池中，当列车速度下降时，电池将启动。2020年11月，德国国铁（Deutsche Bahn）也宣布与西门子开发了名为Mireo Plus H的氢气动力火车，该列车有600千米左右的续航力，同时时速可达160千米。在氢动力飞机方面，早在2008年，空客公司就开始了这方面的尝试。2020年9月，空壳公司发布了三种基于氢动力概念的飞机，其一是基于涡轮扇设计，航程约2000海里，可跨大陆飞行，可载客120~200人的氢动力飞机。该概念飞机由一个改装的氢能驱动燃气涡轮发动机提供动力。其二是基于涡轮螺旋桨设计，使用经过改装的燃气涡轮发动机提供动力，航程约1000海里，可载客约100人的氢动力飞机。其三是采用机翼与机身合并的混合翼体设计的氢动力飞机，航程约2000海里，可载客约200人。此外，荷兰代尔夫特理工大学还研发了氢动力无人机。该无人机使用氢燃料电池和辅助电池的组合作为动力源，配有压力300巴、容量6.8升的碳复合氢气钢瓶。气缸将低压氢气输入功率800瓦的燃料电池，然后将其转化为电能为无人机供电，其机翼上分布了12个可旋转角度的螺旋桨单元，可实现垂直起飞和降落，且在个别电机出现故障的情况下，无人机仍可维持飞行和着陆。
除了终端应用领域不断推进外，全球继续不断完善氢能基础设施。据市场研究公司Information Trends的《2021年全球氢燃料站市场》报告，截至2020年底，全球已有33个国家共部署了584座加氢站，其中欧盟189座，日本150座，中国111座，美国70座。2020年新增的在运营加氢站方面，亚洲是主导力量，中国、日本、韩国分别新增在运营加氢站49座、25座、19座。
三、我国氢能发展风险与挑战
整体来看，我国氢能发展存在以下三点不足：
一是氢能大规模商业化应用仍存在诸多挑战。从制氢环节上看，现有制氢技术大多依赖煤炭、天然气等一次能源，经济、环保性问题依然突出。利用核能、生物质气化制氢尚不成熟，利用太阳能或风能等可再生能源则存在效率低、综合成本高等问题。从储氢环节上看，虽然加压压缩储氢技术、液化储氢技术、金属氢化物储氢技术和有机化合物储氢技术均取得了较大进步，但储氢密度、储氢安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决，离大规模商业化应用还有一定差距。从用氢环节上看，氢燃料电池汽车规模不足，导致加氢站建造成本居高不下、难以大规模铺设，加氢站数量不足反过来又导致用户难以选用氢燃料电池汽车。总体来看，用氢环节的便利性和成本控制难以兼顾。
二是基础研究能力不足，知识产权保护力度弱。从全球范围的氢能专利布局看，大量核心专利掌握在美国、日本等国的大型企业手中，我国尚未成为主导国际氢能发展的技术来源方。国外专利申请者多为实力雄厚的跨国企业，在行业内具有绝对领先的技术优势和资本优势，而国内专利申请者多为高校和科研院所，应用技术基础研究能力薄弱，产品转化速率较低。此外，以丰田、本田为首的国外跨国企业，具有很强的专利保护意识和清晰的国际专利布局战略意图，在很多国家都申请了相当数量的PCT专利。相比之下，中国研发机构对专利保护意识不足，在国外申请数量较少，不利于未来市场竞争与拓展。
三是标准化建设不足制约氢能产业发展。在氢能产业发展的过程中，目前依然面临着“谈氢色变”的问题。全球学术界和产业界已形成共识，只要按照标准来发展氢能产业，安全程度是可保障的。目前氢能方面的标准已经超过21项，但远远不能满足产业发展的需求，而没有相应基础标准的支撑，新产品推广就会受限。
氢能是未来能源革命的突破口之一，其发展和利用必将带来能源结构的重大改变。氢能与燃料电池涵盖了庞大的技术体系，对科学技术发展具有重要的辐射作用。但氢能发展中尚存在诸多技术瓶颈与现实挑战，短期内高强度投资布局或不利于行业可持续发展。对此，我应适度审慎布局氢能产业发展。氢能利用仍面临诸多障碍，在技术实现重大突破、成本显著下降之前，投入过多政治意愿、资金支持反而不利于氢能产业的发展。我国的社会经济发展现状在一段时期内还无法承受向前景不够明朗的氢能经济转型的巨大代价。针对国内现状，我应适度审慎布局氢能产业发展，厘清发展思路和定位，优先在军事用途、空间开发、偏远地区供能、与可再生能源结合、小规模商用热电联供等方面发展氢能产业。
其次，我应依靠市场主导，合理制定补贴政策。目前，我国氢能产业存在一哄而上的现象，缺乏统筹规划，群龙无首、各自为战的现象十分突出。国家对于氢能产业的高额补贴，或将导致资本蜂拥而至，一些不具备“氢经济”天然禀赋的地方也争相发展氢能产业。对此，我应鼓励发展市场主导的氢能产业，合理制定补贴政策，积极培养市场基础，推动制氢、储氢、用氢的高效发展。
第三，我应加大力度打通科研成果转化效率。一方面，我应加强企业、高效的专利保护意识，提升参与国际市场竞争的强度，做好国际专利申请和布局，积极抢占科技创新的制高点；另一方面，我应加强高校与传统技术优势企业的合作，结合各方优势，促进核心技术的研发与应用，通过专利许可、专利转让等形式，实现技术创新成果的市场价值最大化。此外，我还应鼓励国内、国际合作，借鉴其他产业行之有效的经验。
作者简介
张宇麒 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，三级分析员
研究方向：能源领域前沿技术研究跟踪及产业、政策研究
联系方式：1055791136@qq.com
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编辑丨郑实
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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