编者按

全球氢能发展及应用瓶颈

CMISI低碳研究团队

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前言

人类社会对能源的获取大致经历了煤炭取代柴薪、石油和天然气逐渐取代煤炭两大阶段，但始终都未能摆脱对化石能源的依赖。随着工业发展，以化石燃料为主要能源的工业体系使二氧化碳排放量增加，导致全球气候变暖，极端天气增多，各国纷纷制定碳中和路线图，以应对日益增长的气候挑战。优化能源结构，降低化石能源比例势在必行。太阳能、风能、核能为主的清洁能源将加速发展，而氢能作为高效、清洁、可持续的二次能源，在全球碳中和进程中，将成为构建多元清洁能源体系的重要载体。

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氢能分类

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全球氢能战略

氢能作为零碳能源，是化石能源和可再生能源之间过渡和转换的桥梁，近年来热度持续攀升，欧盟、德国、日本、美国、加拿大等发达经济体纷纷密集出台国家氢能源战略或发展路线图，将发展氢能产业提升到支撑国家能源、气候、经济、科技、安全的战略高度，加快部署和推进氢能产业发展，但因各国或地区资源禀赋条件不同，其氢能产业发展布局方向明显不同。其中，化石资源禀赋条件不高的欧洲、日本和韩国，其氢能主要用于满足自身能源结构优化、战略资源保障、巩固产业和行业脱碳；而化石资源禀赋条件较好的澳大利亚和加拿大除满足自身消费需求外，其氢能布局主要面向全球出口，打造全球氢能供应基地是其重要的战略目标。

欧盟：2020年7月，欧盟委员会发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》，希望借此为欧盟设置新的清洁能源投资议程，以达成在2050年实现气候中和的目标，同时在相关领域创造就业，进一步刺激欧盟在后疫情时代的经济复苏。欧盟提出氢能发展分三个阶段：第一阶段（2020—2024年），在欧盟境内建造一批单个功率达100兆瓦的可再生氢电解设备。2024年前，全欧的可再生氢制备总功率达到6千兆瓦，年产量超过100万吨。第二阶段（2025—2030年），在继续加大可再生氢制备产能的基础上，建成多个名为“氢谷”（Hydrogen Valleys）的地区性制氢产业中心。通过规模效应以较低廉的价格为人口聚集区供氢，这些氢谷也是未来泛欧氢能 络的骨架。第三阶段（2030—2050年），重点是氢能在能源密集产业的大规模应用，典型代表是钢铁和物流行业。

德国：2020年6月，德国联邦政府发布总投资90亿欧元的《德国国家氢能战略》指出，第一阶段从2020年到2023年，为德国氢能源国内市场打好基础；第二阶段从2024年到2030年，要稳固国内市场，塑造欧洲与国际市场，服务德国经济。2021年8月，德国国家氢委员会发布《德国氢行动计划2021—2025》，分三个部分：一是从气候保护目标、产业潜力和法律框架条件等方面探讨氢能产业发展初期状况；二是按需求、容量和必要的基础设施区分，分析到2030年氢经济增长预期；三是为有效实施国家氢能战略提出了具体的80项措施行动建议。其中特别强调，需要在短期内尽快明确绿氢的可用性以及在工业过程中使用可追溯气体的碳足迹设备；给予适当的价格激励，制氢电价须免于《可再生能源法》征税，以大幅降低成本；运输领域需要加强加氢站基础设施发展，支持供氢行业发展。

日本：早在20世纪70年代，日本就开始探索氢燃料电池技术。2014年4月，日本绘制了氢能和燃料电池发展路线图，并计划打造“氢能社会”通过布局氢能巩固产业基础，提升能源安全。2017年12月，日本确立了“氢能源基本战略”，制定了“三步走”计划：首先通过发展氢燃料电池迅速占据全球氢能和燃料电池市场，进而扩大氢能需求；其次在2025年之前全面推进氢能发电，建立大规模氢能供应系统；最终实现在2040年建立起零碳氢能供应系统的目标。

加拿大：2020年12月，加拿大政府发布国家氢能战略，提出到2050年使加拿大成为全球前三大氢生产国的愿景目标。核心目标包括：到2050年实现能源供给的30%来自氢能、建成低碳强度的氢能供给基地、遍布全国的氢燃料 络、低成本的氢供应 络所支持的新兴产业、超过500万辆氢燃料电池汽车上路、超过35万个氢能源领域的工作机会、有竞争力的氢能源出口市场等。

法国：2020年9月，法国生态部和经济部联合发布《法国国家无碳氢能发展战略》，计划到2022年投资20亿欧元、到2030年投资70亿欧元推动氢能生产与应用，包括大规模建设安装水电解装置、促进交通工具使用氢燃料电池等，旨在到2030年拥有6.5吉瓦的电解槽产能，可生产绿氢60万吨、减排二氧化碳600万吨。

英国：2021年8月，英国商业、能源与产业战略部（BEIS）发布氢能战略，提出到2030年，英国将成为全球氢能领域的领导者，拥有5吉瓦的氢生产能力，可替代天然气，为300万户英国家庭提供电力。

葡萄牙：2020年5月，葡萄牙内阁批准了投资70亿欧元的《国家氢战略》（EN-H2）和《2030年国家能源和气候行动计划》，旨在促进逐步将氢作为该国可持续的能源转型中不可或缺的支柱，全面实现脱碳经济的战略过渡。

澳大利亚：2019年11月，澳大利亚政府发布了《国家氢能战略》，确定了15大发展目标、57项联合行动，力争到2030年成为全球氢能产业的主要参与者。澳大利亚正积极推动与日、韩等国的氢气贸易，签订氢气供应协议，同时与相关企业开展联合技术创新，完善氢能供应链，扩大供应能力、降低成本。

韩国：2020年7月，韩国第一次氢能经济委员会会议主要议案指出，到2030年培育500家氢能企业，普及85万辆氢能源车，将加氢站扩充至660个；到2040年培育1000家氢能企业。议案还规定，计划自2021年起引进燃料补贴制度，推动货车等大型氢能源车普及。

目前，我国还没有出台明确的国家级氢能战略或规划路线图，但自2017年开始，在《能源发展“十三五”规划》《2020年能源工作指导意见》《“十四五”规划及2035年远景目标纲要》等相关政策 件中多次提到支持氢能产业发展，2019年首次将氢能写入政府工作 告，2020年4月，国家能源局发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，首次将氢能列为能源范畴，第一次从法律上确认氢能属于能源。2020年12月由国务院新闻办公室发布了《新时代的中国能源发展》白皮书，明确提出“应加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展”。

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氢能应用领域

氢能应用十分广泛，遍布各个行业，主要包括燃料电池、氢能冶金、氢气化工和天然气掺氢等四大方面。

（1）燃料电池

氢燃料电池以氢为燃料，通过氧化还原反应完成氢-电转换，具有转换效率高、无碳排放等优点，是目前最佳的氢能利用途径。以氢燃料电池为核心的氢能电力应用主要集中在氢燃料电池车、家用热电联产、便携式/应急电源和分布式发电四大领域。

（2）氢能冶金

氢能冶金是以氢作为还原剂进行冶炼生产，与传统的高炉流程相比，以氢代碳作为钢铁的还原剂，省去了铁前的焦化、烧结等工序，减少冶炼过程中污染物和二氧化碳排放。

在全球碳中和进程中，钢铁行业作为碳排放大户，面临着碳减排压力和挑战。近年来，全球各大钢企正在紧锣密鼓地开展各项减碳工作，而传统的冶炼方式已难以适应当前低碳发展的步伐，氢能冶金技术应运而生并持续创新改进，将给钢铁行业深度脱碳带来革命性变革，从源头上实现能源结构优化，摆脱对化石能源的绝对依赖，实现大幅降碳甚至零碳。

（3）氢气化工

氢气在化工领域主要作为原料和催化剂使用，包括合成氨生产、石油催化剂提高油品和医药合成中的催化加氢等。我国工业制氢50%-60%用在了合成氨工业；石油催化加氢是石油馏分（包括渣油）在氢气存在下催化加工过程的通称，中国加氢装置年加工能力已超过5000万吨，占原油总蒸馏能力的18.6%；煤化工氢能利用主要包括焦油加氢和苯及苯的同系物加氢；精细化工采用催化加氢技术，具有连续性操作、污染小、环境友好等优点。

化工行业当中，大部分氢气用于加氢处理、加氢裂化和脱硫。由于优质低硫燃料的需求激增，以及轻质低硫燃油的减少，氢的需求量在不断增长。过去氢气本身是化工的副产品之一，然而现在需求量增加，导致供需失衡，石化工业目前也在采取天然气为原料进行氢气的制备。根据现在情况假设，估计到2030年，与2005年相比，炼油行业氢气使用量将翻倍。

（4）天然气掺氢

天然气掺氢燃料简称HCNG（Hydrogen enriched with Compressed Natural Gas）又名Hythane，是将氢气与天然气按一定比例混合而得到的代用气体燃料，是“浅氢燃料”的一种。由于氢气具有燃烧速度快、燃烧界限宽、比热值小、淬熄长度长等特点，因此，天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。目前，全球约有40个示范项目正在研究天然气管 中掺氢。

目前，国内天然气管 掺氢的范例很少。2020年，国家电投中央研究院参与投资的“天然气掺氢关键技术研发及应用示范”项目在张家口启动。此外，朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程已经圆满完工，是国内首个电解制氢掺入天然气项目。

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氢能应用瓶颈

（1）氢气脱碳技术仍未取得革命性突破，绿氢之路任重而道远。

（2）氢气储运成为制约绿氢发展的又一瓶颈，成本和关键技术亟待突破。

氢气因其密度小，在储运过程中需要进行特殊处理以提高单位运输量。储运方式主要包括：高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机液体化合物储氢及其他化合物储氢。目前，低温液态储氢和化合物储氢是现阶段储运技术的重要发展方向，可以大幅提高单位运输量，降低运输成本。但是，低温液态储氢需要将氢气压缩冷却到-252℃以下，对储运设备和相关技术要求较高；以液态氨形式储存的化合氢要容易得多，世界很多大型氢出口项目都在考虑运输绿氨，但从氨转化为氢效率较低。

（3）用氢成本高企，碳减排压力释放有限，氢能利用动力不足。

目前，可再生能源发电直接用于制氢，其价格是煤制氢成本的两倍以上，其中电价会占到制氢成本的70%以上。此外，氢的储运成本也不容忽略，据了解采用低温储存的液态氢成本为30-50元/kg，仅用于制取和储运绿氢的成本已高达60-80元/kg。目前，碳成本还未真正计入企业生产成本、全生命周期碳足迹评价还未提上日程，企业采用氢能替代化石燃料动力明显不足，未来随着可再生能源电力价格走低、氢气储运取得突破、碳减排压力真正释放，氢能利用将迎来窗口期。

冶金工业信息标准研究院

低碳研究团队：

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