相较于其他能源，氢能清洁环保，能量密度大，没有温室气体排放，便于贮存和运输且安全性高，成为各国竞相开发新能源的技术首选，被称为21世纪的“最理想能源”。

 

据国际氢能委员会统计，全球氢能产业链已有228个已建、在建及规划项目。近年来，美国、欧盟、日本、韩国、新西兰等20多个国家和地区先后发布氢能发展战略，强势入局。一条氢能大规模商业化应用的能源新赛道正在世人面前展开。

 

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备受“氢”睐

 

氢能为何成能源转型新宠儿

 

近年来，随着温室气体排放的加剧，全球气温持续变暖，气候问题日益突出。为应对这一挑战，全球主要国家于2016签订了《巴黎协定》，形成了气候共识，纷纷制定了二氧化碳减排计划，并在今年11月13日闭幕的《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会上达成《巴黎协定》实施细则一揽子决议。为了实现碳减排目标，使用低碳清洁的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源变得越来越紧迫。风能、太阳能、潮汐能以及氢能等一系列的洁净能源备受人们关注。

 

氢能是一种能够替代化石燃料的绿色可再生能源，能量密度极高，具有最高的燃烧热值，是其他燃料的2到3倍。氢能应用广泛，可随时随地进行供给，储量丰富，制备方法多样，并可由其他能源进行转换，从而成为世界各国竞相投入发展的能源模式。由于近年来燃料电池技术的逐步成熟和燃料电池汽车的商业化推广，氢气作为动力燃料的潜力日益受到各界重视，有望逐步取代传统汽柴油，彻底改变人类的动力能源，促成第三次能源革命。

 

目前制取氢的方法主要分为传统化石燃料制氢法和电解水制氢法。传统的化石燃料制氢技术成熟，但制备氢气依赖的是不可再生的矿物燃料，能耗高且会造成环境问题，属于“灰氢”。电解水制氢以水为原料，通过外接电路施加电压来生成氢气和氧气，该方法工艺简单高效，制备的氢纯度高。其原料为水，储量丰富，产物为氧气和氢气 ，无任何其他有害物质产生，故而被称为“绿氢”。

 

随着碳达峰、碳中和“双碳”政策的不断推进和深化，可再生能源电力成本的降低，氢燃料电池汽车的规?；乒愫颓饽苁谐〉闹鸾コ墒?，市场对氢气的需求将呈爆发式增长，虽然传统的化石原料所生产的“灰氢”在中短期内仍将占据市场主流，但通过“绿色”电力来电解水制氢将是未来低碳经济的主流方向，也是氢能发展的必经之路。“绿氢”成本也必将随着氢能的推广和技术的进步下降到可接受的水平，电解水会成为氢气的主要来源，氢能社会的目标也终将实现。

 

目前，氢能源利用技术已经在燃料电池汽车、家庭热电联供等领域取得成效，也逐步在氢能的无碳排放生产、氢能发电、氢能社区等领域进行示范试验。

 

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“氢”动世界

 

约20个国家先后发布氢能战略

 

随着全球气候变化压力增大以及能源转型加速，氢能源产业发展走向了“风口期”。站在巨大风口下，各国相继出台具有实操性的氢能发展战略。一场争抢未来氢能制高点的竞争，在世界各国间展开。

 

数据显示，当前全球已有约20个国家和地区发布或制定了氢能战略规划，已公布的2030年“绿氢”的年产能从之前的230万吨增加至670万吨。仅在2020年，就有10多个国家发布氢能战略。其中，美国、加拿大、德国、法国、俄罗斯等发达国家的氢能战略，将发展氢能产业提升到国家能源战略的高度，旨在于2030-2050年间完成二氧化碳减排目标及能源结构调整。而在氢能研发领域处于世界领先地位的日本，更是早在2017年就制定了《氢能源基本战略》，确立到2030年普及氢能源的行动计划等。

 

根据战略规划，各国纷纷制定相应政策。欧盟建议各成员国将低碳氢气生产纳入可再生能源规划，通过此举可显著推动炼油厂和燃料供应商应用氢气。此外，4个欧盟国家（法国、德国、葡萄牙和西班牙）在其国家战略中不仅宣布了针对特定行业的清洁氢使用目标，而且还就航空和航运燃料配额进行了深入讨论。美国通过税收优惠的方式建立了对低碳氢应用的激励措施，即按照捕获与封存的碳氧化物数量抵免所得税。

 

伴随着各国氢能政策陆续出台，国际能源巨头快马加鞭入局，以BP（英国石油公司）、壳牌、道达尔为代表的石油公司围绕氢气制取、储运以及加氢站建设已有丰富的实践，成为世界氢能产业发展的积极推动者。

 

从1978年申请第一件氢燃料电池相关专利开始，BP拥有超过40年的制氢和超过10年的汽车加氢站运营经验。目前，BP已参与多个氢能示范项目，包括同戴姆勒克莱斯勒公司、福特公司合作研究先进燃料电池技术。

 

壳牌在氢能领域全面发力，2016年，壳牌与川崎重工签署协议，合作开发液氢运输船；壳牌还与日本岩谷产业、日本电源开发公司合作，将澳大利亚丰富的低质褐煤转化为氢气，液化后船运至日本。2017年2月，壳牌与丰田正式达成合作协议，在加利福尼亚州建造7座加氢站，并将在2024年增加至100座?？桥圃?018年发布的《能源转型报告》中指出，将于2030年前在英国投资加氢设施。

 

道达尔推进加氢站布局，2013年在德国政府主导下，道达尔与壳牌、戴姆勒等公司启动了氢气Mobility项目，计划在2023年前建设400座加氢站。截至目前，道达尔已经在德国建成了10座加氢站。道达尔还与林德公司、宝马公司在氢气加注技术等方面开展了合作。

 

目前，全球氢能产业链已有228个已建、在建及规划项目，其中有17个是已公开的兆瓦级绿氢生产项目（即1GW可再生能源和20万吨/年的低碳氢产能项目），主要分布在欧洲、亚洲、澳大利亚、智利等国家和地区，欧洲在已公开的氢能项目数量方面处于领先地位（126个项目，占比55%）。

 

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最大障碍

 

氢能革命面临高昂成本

 

当前，全球氢能需求旺盛，氢能产量约达每年7000万吨，96%的氢气直接由化石燃料制成，即“灰氢”或“蓝氢”。虽然“灰氢”具有成本低廉、技术成熟、可大规模应用等优势，但制备过程伴随着二氧化碳等温室气体的排放，不利于实现“碳中和”目标。而将“灰氢”生产过程中产生的二氧化碳进行捕集、利用和封存，进而间接达成“碳中和”目标所获得的“蓝氢”，则存在生产成本仍然较高，制备系统成熟度较低，暂时无法大规模应用等问题。因此，通过零污染、低成本、可持续的方式制取“绿氢”是未来能源发展的重点。

 

然而，“绿氢”的困局并非全部来自于制氢技术，几十年前，电解水制氢已被广泛应用于航天工业等一些特殊的领域。阻碍“绿氢”发展的核心因素是制氢成本的居高不下，同样制取1立方米氢气，“绿氢”的成本是“灰氢”的3-5倍，是“蓝氢”的2倍以上。

 

按照制备1立方米氢气需要5度电计算，这种氢气如果要在市场中获得经济性和竞争力，电价就需要控制在0.3元/度，甚至更低。然而当前风电光伏为主的可再生能源的平均电价仍在0.5元/度以上。即便日本专家实现了“光触媒”制氢的技术突破，该技术应用大规模推广仍旧需要一定的时间以及存在不确定因素，因此对于当下的氢能市场，成本依旧是氢能获得广泛使用的最大障碍。

 

专家指出，应通过政府干涉，比如发放“绿氢”使用补贴的方式，来促进“绿氢”的生产。今年8月，英国就宣布，2030年前启动40亿英镑资金投入“绿氢”生产。彭博新能源财经估计未来10年全球将需要投入1500亿美元才能将制氢成本降低到具有竞争力的水平。

 

此外，氢气生产和运输技术还面临一系列瓶颈。氢气会腐蚀金属，这对氢气的输送构成挑战，而且由于氢气点火能量小，使氢不论在空气中或者氧气中，都很容易点燃，因此对氢气的储存与运输都提出了极高的安全要求。

 

科普

 

氢绿

 

通过使用再生能源（例如太阳能、风能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在生产绿氢的过程中，完全没有碳排放。

 

氢灰

 

通过化石燃料（例如石油、天然气、煤炭等）燃烧制取氢气，在生产过程中会有二氧化碳等排放?；仪獾纳杀窘系?，制氢技术较为简单。

 

氢蓝

 

将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。由于在此过程中使用了碳捕捉、利用与储存等先进技术，温室气体被捕获，实现了低碳排放生产制氢。

 

案例

 

日本：燃料电池领域发展突出

 

2017年12月26日，日本公布了“基本氢能战略”，意在创造一个“氢能社会”。该战略的主要目的是实现氢能与其他燃料的成本平价，建设加氢站，替代燃油汽车（包括卡车和叉车）及天然气和煤炭发电，发展家庭热电联供燃料电池系统。

 

日本在家用燃料电池、燃料电池汽车领域推广氢能成就尤为突出，在不同细分领域上培育出了诸如丰田、松下、本田、爱信等氢能龙头企业。

 

在氢能家用燃料电池领域，ENE-FARM是日本大力推广的家用燃料电池系统，该设备通过将氢气注入燃料电池中发电，同时用发电时产生的热能来供应暖气和热水，形成微型热电联供系统，满足部分电力需求和全部的热水需求。从2009年开始由松下、东芝、爱信等厂商研发生产，由东京燃气和大阪燃气等燃气公司向用户销售，2009-2019年间，ENE-FARM氢能家用燃料电池系统累计销售30万套。

 

在氢能车用燃料电池领域，丰田mirai是氢燃料电池乘用车的领头羊，目前续航里程达到了约850km；本田也推出Clarity车型，实际驾驶距离也超过500km。日本氢能车目前正在向公共汽车、重型卡车和叉车等领域拓展。2020年，日本总共建成加氢站137座，新增氢能燃料电池汽车761辆，累计推广3902辆。

 

美国：氢能源技术高度商业化

 

经过40年的发展，美国的氢能产业及相关技术已逐渐从专业化应用过渡到商业化应用。2020年，美国已经在数以千计的乘用车、商用车、铲车、分布式及备用动力装置中应用了氢能燃料电池，并已建成145个加氢站（包括试验项目）。

 

在发电方面，以氢气/天然气混合物为燃料的大型涡轮机已经进入到商业化运营阶段。在过去的20年里，美国能源部在氢能和相关领域投资超过了40亿美元，主要包括氢气生产、运输、储存，以及氢能燃料电池和氢能涡轮机发电等技术的研发。这些研究成果与工业项目相结合，取得了许多成功，例如：应用配备碳捕获和储氢装置的制氢技术，以低于2美元/公斤的成本生产无碳氢；燃料电池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。截至2020年12月，美国能源部已颁发了1100多项氢能技术专利，并在市场上推出了30多项氢能商业技术。

 

得益于长期对氢能技术研发支持，美国拥有一大批氢能产业的尖端技术和明星企业。如以氢燃料电池叉车为主的PlugPower公司，以固定式燃料电池为主的FuelCellEnergy、BloomEnergy等大型燃料电池生产企业，以及掌握氢能储运核心技术的AirProducts、Praxair等公司，其中，PlugPower公司的电池叉车在在全球燃料电池叉车市场占有率居于首位。

 

欧盟：以减排为引领发展氢能

 

欧盟委员会于2020年3月10日宣布包括德国西门子、荷兰壳牌、法国空客等品牌在内的“欧洲清洁氢联盟”的成立。由相关产业领导者、民间机构、国家及地区能源官员和欧洲投资银行共同发起，旨在为氢能源的大量生产提供投资，满足欧盟国家对清洁氢能的需求。

 

以实现温室气体减排为引领，欧盟各国的氢能利用在以下两个场景上取得了亮眼成绩。一是电转气项目：为了解决可再生能源消纳问题，德国、丹麦、英国等国家先行先试了power to gas（可再生能源制氢＋天然气管道掺氢）项目，利用风能、光伏发电的剩余电力制氢，再将氢气用于与天然气进行掺混、直接发电和供热等。截至2019年年底，德国已有在建和运行的power to gas示范项目50个，总装机容量超过55兆瓦。

 

二是氢能燃料电池公交和列车：交通领域是对欧盟降低温室气体排放贡献较大的领域之一，为了降低交通碳排放，欧盟多个国家在公用交通领域氢能利用上实现了突破，科隆、罗马、奥斯陆、鹿特丹等城市已投入使用氢燃料电池巴士，德国率先在列车领域应用了氢能。

 

此外，蒂森克虏伯集团已开展氢能炼钢示范项目，预计到2022年进入大规模应用阶段。