氢能：双碳目标下的“终极能源”

氢是宇宙中最常见的元素，主要以化合物的形态存在于自然界中，需要通过一定化学反应才能从水、化石燃料等含氢物质中提取出来。氢能作为一种二次能源，相对于其他能源而言，具有来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色低碳、储存方式与利用形式多样等特点，是21世纪最具发展潜力的清洁能源，被誉为人类社会的“终极能源”。

产业链关键技术装备

电解槽为水电解制氢的关键设备，根据电解槽隔膜材料的不同，主要分为碱性电解槽和质子交换膜电解槽。碱性电解槽的核心部件是电极和膜片等，质子交换膜电解槽的核心部件是质子交换膜和双极板等。碱性水电解技术经过较长时间发展相对成熟，目前我国已实现碱性电解槽的大规模量产，但其与可再生能源变化的适应性较低。相比之下，质子交换膜水电解制氢工作电流密度更高，总体效率更高，氢气体积分数更高，产气压力更高，动态响应速度更快，能适应可再生能源发电的波动性，被认为是极具发展前景的水电解制氢技术，目前其成本是碱性电解槽的４倍以上。

在氢气储存方面，目前在我国气态氢储存已得到了广泛应用，液态氢和固态氢处于示范阶段。在氢气运输阶段，由于氢气与空气混合能形成爆炸性混合物，因此对氢气的运输安全要求非常高。氢气储运和加氢的主要设施设备为加氢站、储氢瓶等，核心部件包括压缩机、加氢和冷却系统等。

交通运输领域的燃料电池汽车是氢的首要应用场景之一，其核心部件和材料包括空压机、电堆、双极板、膜电极、催化剂等。

前景广阔的氢能产业

通过风电、光伏等可再生能源制取的绿氢成为未来制氢重点，是建立脱碳社会的长远解决方案。现阶段由于绿氢的制取成本较高，绿氢的经济性面临挑战。但在技术进步、可再生能源发电成本的下降、政策指引和企业社会责任意识的多重作用下，绿氢制备的制取成本有望持续下降，将使绿氢的经济优势更为突出。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测，目前绿氢仅占据氢气总产能的4%，到2030年绿氢市场规模增长将近30倍，2030年绿氢占比将提高到10%，到2060年绿氢占比则将提高到70%。绿氢的增长主要来自于交通领域，得益于氢燃料电池车的大面积推广使用，其次是工业领域和能源领域。

氢气平价趋势。现阶段处于氢能成本高的起步阶段。根据国际氢能委员会与中国氢能联盟于2020年7月联合发布的《氢能平价之路》，在5年至10年内，由于电解槽资本支出大幅减少（约70%~80%），可再生能源的平准化成本（LCOE）不断下降，所以在条件最优地区可再生氢成本可能降至1~1.50美元/千克左右，所有地区的平均价格约2-3美元/千克。到2050年氢能可满足终端能源需求的18%。根据彭博新能源财经的数据，2023年中国将成为世界上首个新生产绿氢成本低于新生产蓝氢成本的国家，多数欧美国家将在2028年—2030年实现这一目标。

氢气的应用场景将更加丰富，新兴及交叉领域的应用示范将迎来新的发展机遇。氢能将在多领域成为最具竞争力的碳减排解决方案之一，例如氢能船舶、氢能无人机、氢能电车、家用储能、分布式发电等。此外，能源互联网、人工智能等前沿科技将对氢能产业产生全局性影响。

我国西北地区风光资源丰富，具备发展绿氢制取产业的突出优势。2021年4月，宝丰能源实施的“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”在宁夏银川宁东化工基地正式投产，成为全球单厂规模最大、单台产能最大的电解水制氢项目。随着我国双碳目标的推进，高排放、高耗能产业聚集区对于发展氢能的需求将会越来越迫切，有望进一步增加对氢能发展的支持，以期实现能源转型。

全球发展路线图

目前，氢能发展越来越受到各国尤其是发达国家的重视。截至目前，已有40多个国家和地区制定了氢能发展规划。中国国际工程咨询有限公司氢能战略研究课题组2021年报告《全球氢能发展态势及我国的战略选择》研究发现，“美国、日本、德国、韩国等发达国家已将氢能规划上升到国家能源战略高度，逐步明确了氢能在国家能源体系中的战略地位，并通过加强顶层发展政策指引，加大研发投入力度，加快基础设施和应用示范建设，持续推动氢能产业发展。”从全球格局看，在技术储备方面，大量核心专利掌握在美国、日本等国。其中，日本专利数量居全球第一，是产业技术的掌握者；在氢能装备方面，美国、欧洲较为领先；在氢能发展的先天禀赋方面，美国、中国、俄罗斯、澳大利亚、智利等国的优势较为明显。

美国的氢能发展起步较早，自1990年开始制定推动氢能源产业发展的各项政策。2002年，美国能源部发布了《国家氢能发展路线图》。2020年11月12日，美国能源部发布《氢能计划发展规划》，提出未来10年及更长时期氢能研究、开发和示范的总体战略框架。美国氢源充足，不仅有大量的化工副产氢，而且页岩气资源丰富，规模化制氢优势明显。此外，作为航天强国和工业强国，美国具有完善的液氢产业链基础，现已是全球第一大液氢生产和使用大国，从储运到应用都比其他国家更具成本优势。美国注重氢能全产业链的综合协调发展，商业化应用市场基础雄厚，有着较为丰富的发展经验。

相比美国，欧洲氢能发展起步较晚，但发展速度很快。欧盟委员会于2020年7月推出了欧盟氢能战略，首要任务是开发主要利用风能和太阳能生产的可再生氢能，但在中短期内仍需要相对低排放的“蓝氢”来推动氢能市场的发展和成熟。欧盟国家目前拥有全球60%以上的电解生产能力，已将电解技术作为出口技术的战略方向。

俄罗斯的天然气、煤炭，及水资源储量丰富，发电能力雄厚，且蒸汽转化、电解等制氢方法多样，距亚太、欧盟等潜在市场较近，致力于在能源转型进程中成为氢能出口大国。俄罗斯已于2020年10月出台了氢能发展路线图。

日本是目前全球氢能应用开发最全面和最坚定的国家，“氢能社会”理念已广泛渗透到日本国民意识层面。日本将发展氢能产业作为国家能源战略，更多关注创新技术研发和专利布局、氢能应用场景的推广。丰田、本田、松下、东芝等日企已经成为氢能和燃料电池技术领域的全球领先企业。日本拥有完善的氢能法律法规体系，政府也对氢能发展给予了充分的资金扶持。此外还开展了广泛的国际合作，例如和沙特阿拉伯、澳大利亚、文莱、挪威等国，利用当地可再生能源或化石能源配套碳捕获和封存技术制氢进行合作开发。

我国氢气产业基础较好，为氢能产业发展创造了良好条件。中国具备丰富的资源基础，2009年，中国氢气产量超过千万吨，成为世界第一大产氢国家。中国煤炭工业协会数据显示，从2012至2020年，中国氢气产量整体呈稳步上升趋势，氢气年产量从1600万吨增加到2500万吨，2020年实现同比增长13.6％。其中，国家能源集团和中国石化是我国最大的两家氢气供应企业之一，其氢气产量分别占总产量的16%和14％。在储氢材料端，稀土储氢材料是目前唯一实现大规模商用化的储氢材料，而我国稀土储量丰富，为储氢材料行业的发展提供了充足的原材料市场保证。

中国社科院经济研究所能源研究室主任朱彤认为，“我国的氢能产业发展还处于初级阶段。2020年的氢气产量中仅有1%左右被作为能源使用，但我国氢气产量和储氢材料产销量居全球榜首，为氢能技术开发利用和氢能产业发展创造了良好条件。”

我国31个省份已经发布了氢能产业发展的相关政策，其中多地明确提出了相关补贴政策。从各地支持的力度看，对氢能发展支持力度最大的地区为珠三角、长三角、京津冀鲁等地区。大多数省份都把氢能产业发展的主导方向和重点放在了燃料电池汽车及其产业链上。

同时也应该看到，我国无论是在氢的制造、运输和储存方面，还是在氢能的利用方面都处于起步状态。现阶段中国氢气的制取主要来自于化石能源，氢能应用场景主要集中于工业领域。中国煤炭工业协会的数据显示，中国氢源结构为煤制氢的氢气约占62%，天然气制氢占19%，工业副产占18%，电解水制氢仅占1%，可见化石能源制氢仍占据主导地位（80%）。根据德勤《为碳中和创造可行的氢经济》的研究，中国氢能消费结构为生产合成氨用氢占比37%、甲醇用氢占比19%、炼油用氢占比10%、直接燃烧占比15%、其他19%，即80%的氢能被应用于工业领域。

对标国际先进水平，我国在氢气生产、储运、加注和燃料电池等应用领域的全产业链中，一些关键核心技术仍存在差距。目前，我国主要采用气态储运方式，液态储氢已实现国产化，但是关键零部件主要依赖进口，与国外技术差距明显，产能严重不足。中国国际工程咨询有限公司氢能战略研究课题组2021年报告《全球氢能发展态势及我国的战略选择》研究认为，在用氢环节，燃料电池的关键物料如催化剂、质子交换膜与碳纸等依然为国外垄断。此外关键组件制备工艺亟须提升，膜电极、双极板、空压机等与国际水平仍存在一定差距。

助力氢能产业步入快车道

通过化石能源制取的灰氢占主导地位，限制了我国氢能产业的高质量发展。中国国际经济交流中心常务副理事长张晓强曾指出，我国目前的制氢方式中，约80%是通过化石能源制取的，但这种制氢方式难以为继，应坚持绿氢的产业发展趋势，将我国丰富的“风光”资源优势转化为氢能产业优势。

我国氢能技术自主创新能力相对薄弱，会推高全产业链成本，不利于氢能的大规模商业化推广应用。质子交换膜、有机液态氢化物储氢材料、气体扩散层、碳纸、膜电极、催化剂等国产化水平有待进一步提高，电解槽和系统可靠性与耐久性同国际先进水平相比仍存差距，不利于成本的降低，进而不利于氢能的大规模商业化推广应用。

根据国际氢能委员会发布的《氢能洞察》指出，到2030年，氢能可在22种终端应用中成为最具竞争力的减碳解决方案之一，包括炼油、化肥、商用车、长途卡车运输、航运和氢冶炼等应用领域。目前我国各地氢能的应用场景主要局限在燃料电池汽车领域，示范应用主要集中在以公交车为主要应用场景的交通领域，应用场景较为单一。

反观国外，欧美日韩等发达国家和地区在氢能的多个应用场景已初具产业规模。在清洁船舶领域，欧洲对该项研究的支持力度最大，拥有领先的创新技术。2009年，德国Alster-Touristik GmbH公司研发出了全球首艘氢动力船舶，并于同年在汉堡进行首航,此后一直在汉堡进行内河运输。2021年，由欧洲26家公司组成的联盟启动了MarHySafe联合开发项目，共同研究船运中氢燃料的安全问题。在分布式发电和家用热电冷联供系统方面，美国已采用8000多套小型燃料电池系统，日本从2009年开始，累计安装了30多万套千瓦级家庭用分布式热电联供系统，运行寿命已经超过10年，预计2030年达到530万套，占日本家庭的10%。在燃料电池叉车方面，美国燃料电池叉车的保有量已超过30000辆，居全球第一。

我国氢能发展正步入快车道，应按照氢能发展的顶层设计，按照全国一盘棋原则，引导行业健康有序发展，加强上下游产业链的配套协同，进一步推进绿色转型和协同发展，避免同质化无序竞争。应拓展我国氢能的多元化应用场景，加大政策对产业的支持力度，促进产业尽快形成规模，通过多应用场景促进氢能的商业化进程，参与国际竞争，形成优势产业。

同时，应加快我国技术创新，在氢气制取、储存、运输、应用的上中下游全产业链提升核心技术、设备、关键物料，及部件的自主化研发水平，也应加快推进加氢站的科学布局，完善输氢管道、网络的建设和布局。应在金融创新领域提前开展氢能金融产品研究，探讨氢能期货交易的可行性和交易规则，培育氢能交易平台，促进氢能生产、流通和消费，实现资源优化配置。