国外氢能源利用情况及对我国发展的启示

王林 曹宇

中国航天系统科学与工程研究院

0 前言

氢能源由于具有储量大、效率高、没有温室气体排放、便于贮存和运输且安全性高等优势，被认为是未来能源替代的终极解决方案。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。

据不完全统计，2020年，全球主要经济体已建成加氢站527座，在运营504座。在运营加氢站中，欧盟以179座高居榜首，日本以137座紧随其后，中国以101座全面超过德国的89座位居第三。美国因疫情影响，在运营加氢站由2019年的48座降至2020年的42座，韩国则因此实现赶超，成为在运营加氢站第四多的国家。

1 国外氢能源利用现状

1.1 美国

美国能源部日前发布《氢能项目计划2020》（下称“《计划》”），为美国的氢能研究、开发和示范应用提供了战略支撑。《计划》指出，美国政府致力于氢能全产业链的技术研发，并将加大示范和部署力度，以期实现产业规模化。根据美国国家实验室预测，到2050年，美国本土氢能需求将增至4100万t/y，占未来能源消费总量的14%。

1）美国氢能商业化应用初具规模

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也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/kg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多项美国专利，并在市场上推出了30多项商业技术。

2）氢能发展将推动美国能源变革

美国能源部下属的可再生能源、化石能源、核能、电力和科技部门参与了此项目。该项目还与其他相关的部门进行协调合作，包括高级能源项目部门（ARPA-E），网络安全、能源安全和应急响应部门，以及能源部以外的国家相关部门，如储能技术、先进制造业、电网现代化、综合能源系统和人工智能。每一个部门都管理与其任务有关的氢能项目，所有部门经过协调合作，以实现战略管理和项目执行的凝聚力。

美国能源部主导的氢能和相关技术研发，在其各部门的一致努力下，以及广泛的利益相关者的投入和协作下，该计划的实施将有助于实现美国氢能产业的发展愿景：清洁环保、成本低廉、安全可靠的氢能广泛应用于各类场景，并成为美国能源体系中的重要组成部分，推动美国的能源体系变革。

1.2 欧盟

2020年，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。

1）《欧盟能源系统整合策略》

《欧盟能源系统整合策略》将为欧盟向绿色能源过渡搭建框架，旨在让不同的能源生产载体、基础设施及消费行业彼此关联，实现统一规划和运营，以提高效率并降低成本。

该策略提出了38项行动计划，具体措施包括修订现有立法、财政支持、研究部署新技术和数字工具、向成员国提供财政措施并逐步淘汰化石燃料补贴的指导、市场治理改革和基础设施规划、改善向消费者提供的信息等。

2）《欧盟氢能战略》制定

欧盟专门制定《欧盟氢能战略》，则是为了在一体化的能源系统中，更好地支持工业、交通、能源生产等领域的脱碳进程。这一战略的重点是主要依靠风能、太阳能生产可再生氢能。

这一战略包括三大支柱：首先，一个以能效为核心的更易于“循环”的能源系统，更有效地利用本地能源，同时最大程度实现当地工厂、数据中心等排放出的废热以及由生物废物或废水处理厂产生的能源的再利用。其次，在终端领域大力推进电气化，打造一个百万数量级的电动汽车充电桩网络。第三，对于难以实现电气化的领域，则用可再生氢能、可持续生物燃料和沼气替代。

3）“欧洲清洁氢联盟”成立

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，目的便是为了迎接来自中国的挑战。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。欧盟委员会称，氢能开发分三个阶段进行：

第一阶段（2020—2024年），在欧盟境内建造一批单个功率达100 MW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 GW，年产量超过100万t。

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网络的骨架。

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。

1.3 日本

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。鉴于日本的资源状况，日本政府还将重点推进可大量生产、运输氢的全球性供应链建设，主要建设包括以下几个方面。

1.3.1 燃料电池汽车

2002-2010财政年度，日本经济、贸易和产业省资助了“燃料电池系统示范研究”项目，涵盖“燃料电池车的示范研究”和“氢基础设施示范研究”两个主题。研究内容包括氢能生产基础数据收集、燃料电池车性能、环境特征、能源效率和安全性等方面，并与其他部门共享这些数据。

2014年12月，丰田推出了Mirai车型。2016年3月，本田推出Clarity车型，它们的实际驾驶距离都超过500 km，成为全球燃料电池汽车的主打产品之一，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，新增燃料电池汽车761辆，累计推广3902辆，但东京奥运会的延迟也一定程度上影响了氢车的推广。

1.3.2 家用热电联供

ENE-FARM是日本氢能在居民住宅中应用的尝试，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。目前主要有固体高分子型燃料电池（PEFC）和固体氧化物型燃料电池（SOFC）两种类型，生产700 W和1000 W发电量的产品，能够满足部分电力需求和全部的热水需求。2009年，固体高分子型燃料电池（PEFC）热电联供系统正式上市销售，2011年固体氧化物型燃料电池（SOFC）热电联产系统也上市销售。由于技术的不断改进，自上市以来，SOFC和PEFC的价格分别下跌了约43%和70%。

1.3.3 发电及产业领域

日本的三菱、日立电力系统公司和川崎重工业公司都在研究氢的直接燃烧以及与天然气共同燃烧发电技术。在煤气化联合循环（IGCC）中混入50%以上氢能的涡轮机也逐步进入商业化生产。日本政府预测，在未来的几十年里，发电将成为氢能源增长的最大驱动因素，占氢消耗量的64%左右。目前，利用氢能进行大规模发电的技术仍在研究之中，最主要的是解决成本问题。日本政府的目标是到2030年将氢燃料的价格降低到17美分/kWh，2050年降为12美分/kWh，这样才能与天然气发电进行竞争。

1.4 韩国

韩国在2020年第一季度投入运行了三个新的氢站，今年计划再运行37个。韩国政府将氢视为经济增长的新引擎，也是该国长期向低碳经济转型的核心。韩国政府决心从2019年起，在路线图的基础上建立一个氢经济，到2040年，将生产620万辆燃料电池电动汽车，并建设1200个加油站。计划在2022年前让8万辆氢动力燃料电池汽车上路，并有大约300个加油站为其提供燃料。韩国正在寻求建立一个利用氢作为移动和发电的主要能源的社会。

韩国能源经济研究所估计，2020年韩国氢产业的规模为120亿美元，预计到2030年，这一数字将翻一番，达到213亿美元。降低氢能源的用户价格是一项挑战，该国加油站的氢气价格在每公斤5.7至7.1美元之间。政府希望到2022年将这一价格降至4.8美元/kg，到2040年降至2.4美元/kg。

氢能新政包括在数字、绿色经济和安全网领域的1300亿美元财政投资。韩国几乎所有的氢能源站点都是由地方政府运营的，这些地方政府有能力吸收早期损失。最初，政府的计划是提供加油站总资本支出的一半，而另一半由私营部门提供。然而，迄今为止，私营部门在投资氢能源站点方面一直犹豫不决。为了吸引私营部门投资，政府宣布了一个BTL模式，即私营部门建造氢站基础设施并将其移交给政府。政府保证在一段时间内给予一定的回报。

韩国目前正在用SMR解决方案建造大型“枢纽”氢站，以期将氢输送到附近的加油站。管道拖车是目前可用的选择，然而，政府正计划将其转换为更清洁的选择，如氢气管道。目前，氢气从提炼厂通过200 km长的氢气管道输送到炼油厂和其他终端用户，这些管道主要分布在该国南部。旧管道是基于传统的金属型管道，在60 Pa的压力下运行。行业专家越来越多地认为，为了运输，从重整器输出压力约为10～60 Pa的氢气被压缩，会使其更加危险和低效。因此，市场上需要灵活的低压(40 bar以下)氢气管道。韩国没有强大的氢管道技术，主要依赖西方的氢管道技术。

2 对我国氢能源发展的启示

随着氢能利用技术发展成熟，以及应对气候变化压力持续增大，氢能在世界范围内备受关注，氢能已经纳入我国能源战略，成为我国优化能源消费结构和保障国家能源供应安全的战略选择。氢能产业基础设施是发展氢能产业的前置条件，能带动高端装备制造业快速发展、促进产业结构调整。

我国十分重视氢能产业的发展，在《能源技术革命创新行动计划2016-2030》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《“十三五”国家科技创新规划》中都对氢能予以重点关注。2021年，国家“十四五”发展规划中，氢能与储能被纳入战略性新兴产业，并具体归入未来产业。各地政府纷纷出台政策支持氢能源行业的发展。

2.1 转变对氢能源的利用理念

当前氢能发展最重要的障碍是把氢能单纯作为危化品来对待，并没有将氢气作为能源进行管理。氢能产业已经从原来小规模示范，进入产业规模示范阶段，下一步目标是商业化运行。氢气主要的特性是可燃的、易燃的，但事实上，氢气作为化学元素周期表中质量最轻的元素，“跑出来”以后挥发速度很快。实验证明，氢燃料和燃油汽车一旦着火以后，氢燃料汽车灭火更快且汽车不会坏。

2.2 加强和完善氢能产业标准

我国已经成立了全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC309）和全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会（SAC/TC342），主要负责氢能的生产、储运及应用的标准化的制定，已先后发布氢能技术相关国家标准和行业标准近100项。但随着氢能在各个领域应用的逐步深入和技术进步，越来越多的新标准需要制定或者修订。

对不同类型的气态氢、液态氢、固态储氢、有机液体储氢等氢能的运输、储存以及加氢站的安全等问题，尤其需要予以足够的重视，明确各种类型氢能的定义范围，制定严格的标准和完善的管理程序，保证氢能产业链的整体安全。我国应该及时制定氢能全面发展的目标规划及路线图，在清晰目标的指导下，更快更好地发展我国的氢能产业。

2.3 加大对氢能技术研究与推广力度

氢能的应用覆盖面非常广，不仅可以作为燃料电池的能源，还可以进行发电，在汽车、潜艇、单兵发电设备等多个场景可以广泛使用，其成功更多的是取决于实验室的技术突破和示范项目的及时推广。在国家不断增加研发经费和示范推广项目的同时，制定促进氢能发展的各项激励扶持政策，促进私营投资，扩大氢能发展的资金来源，打通上游低成本、低碳制氢的产业链，加强在加氢站等基础设施领域的建设，并大力发展氢燃料电池发动机、氢能社区、氢能汽车等下游氢能利用场景。

2.4 扩大氢能专业人才队伍

我国庞大的工业实力和消费基础为氢能发展提供了规模优势。同时，我国在发展新兴产业中先启动再规划的方法尽管风险较高，但也取得了广泛的成功。但随之而来的是专业人才供给的滞后。目前，我国没有足够的燃料电池研发机构，也很少有中专、大专、大学等技能培训教育提供相关课程。特别是在加氢站的维护、运营，氢燃料电池技术的安装和运行方面，均需要高度先进的基础设施和熟练的技术人员。

3 结语

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国CO2排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和目标。对我国来说，在碳达峰和碳中和的背景下，能源建设是国民经济发展之重点战略。我国化石能源探明可采储量中，煤炭量为1145亿t、石油量为38亿t、天然气储量为1.37万亿m3，分别占世界储量的11.6%、2.6%、0.9%。我国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采储量仅为世界平均值的1/2，石油仅为1/10左右，人均能源占有量明显落后，氢能源这种新型能源对我国的可持续发展有着特别重要的意义。借鉴国外在氢能源利用方面的先进经验，提升我国在氢能源利用的能力，实现绿色与可持续能源供给，是未来我国社会经济发展的重要工作。