国际社会氢能发展战略分析

罗 楠

上海市发展改革研究院

0 引言

纵观全球能源发展史，能源品种演变呈现出从固态-液态-气态、由高碳向低碳演变的特征。相比传统化石能源，氢能具备来源广、能量密度高、环保效果好和用途广的优势，有望成为保障能源安全、缓解气候变化的未来能源，正被世界各国纳入能源战略版图。

1 国际社会布局氢能的战略出发点

全球对“未来能源”的探索在上世纪70年代石油危机后进入了“快车道”，氢能成为国际社会公认的“未来能源”之一，各国在不同的战略目标指导下形成了差异化的氢能发展路线。日本以突破本土能源禀赋、实现能源独立为导向，提出建设氢能社会，下游应用场景丰富，形成了自上而下、以政府为主导的发展路线。美国以培育氢能经济为导向，形成了自下而上、以培育市场为导向的发展路线。欧盟作为发展低碳能源的领头区域，坚持以发展可再生能源为导向，形成了基于可再生能源制氢的技术路线。

整体而言，能源资源竞争和汽车产业竞争是各国布局氢能的两个出发点。

1.1 从能源资源角度出发

氢能是各国争相抢占的“未来能源”之一，是实现各类能源转换的“枢纽”，可以实现不同能源品种向各类终端的传输，是增加未来低碳能源网络灵活性的重要抓手。前端，氢是自然界最普遍存在的元素，氢气可取自水、天然气、化工废气、丙烷、甲醇等，原料来源极广。末端，燃料电池为氢能提供了储能载体，能够与热、电末端网络有效衔接，可以解决能源供需配置上的时空矛盾。由此，以氢能为中介的能源系统具备充足的“安全垫”，有望打破传统化石能源的刚性供给。其次，氢是有望实现“零碳排放”的未来能源，末端排放仅产生水，环保性好，是“纯绿”能源。再者，氢燃料的热值高，同等质量能量密度下的热值仅次于核燃料，达142 351 kJ/kg，大约是汽油热值的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍，但能量密度优势的发挥仍有赖于应用场景的拓展和电堆技术的突破。四则氢能的安全底线有支撑。由于氢气较轻，会以20 m/s的速度在空气中快速逸散，虽然氢气易燃、爆炸极限宽等，但仍是最不容易形成可爆炸气雾的燃料。

1.2 从汽车产业角度出发

随着燃油车退出趋势加速，在氢燃料电池汽车和电动车的“路线之争”尚未明朗的背景下，率先抢占新能源汽车的技术高地对各国未来汽车产业的发展意义重大。相比电动车，在现有技术条件下氢燃料电池汽车具备以下三点相对优势。首先，受制于电池自重，锂电池快充也需40 min才可达到80%的电量，而氢燃料电池汽车的加氢时间在3～5 min，相比电动车充电时间，氢燃料电池汽车加氢时间更短。其次，燃料电池能量密度高，在大载重、中长距离场景中优势明显。再者，电动车在低温环境下容易出现电阻变大、工作效率变低、低温老化等问题，而用于氢燃料电池汽车的质子交换膜电池不仅可以在低温环境正常运行，而且更容易实现车内取暖。

2 国际社会布局氢能的战略选择

2.1 日本：立足于打破资源禀赋约束，着力构建多元化的氢能供给体系

日本能源对外依存度高、发展氢能的战略出发点明确、诉求强烈。以突破本土能源禀赋、破除对化石能源的依赖、提高能源自给率、实现能源独立为导向，日本提出要建设氢能社会，形成了自上而下、以政府为主导的发展路线。日本在2014年提出“氢能和燃料电池战略路线图”，随后相继出台了《氢燃料发电研究报告》《零碳氢燃料研究报告》，形成了日本氢能战略的主要内容，将氢能作为保障能源安全和应对全球变暖议题的一张“王牌”。日本的氢能发展路线图包含三个阶段：第一步到2025年，重点是扩大燃料电池市场，包括家用燃料电池和交通运输两大领域；第二步到2030年，重点是实现氢燃料发电，以及建立大规模氢能供给体系；第三步是从2040年开始，要全面建成零排放的制氢、储氢、运氢的氢燃料供给体系。

供给端，上游供给体系构建路线明确，目前初步形成了制氢“两条腿”走路、运氢多元化展开的路线。日本氢气供应体系有国际、国内两个层面上的支撑，国内主要依靠可再生能源制氢，目前已建成了全球最大的可再生能源电解制氢项目FH2R。国际供氢主要有四个渠道，各个渠道的制氢工艺、储运方式各异：一是与澳大利亚合作开发褐煤制氢项目，以液态船运方式运输到日本；二是与文莱合作开发天然气重整制氢项目，以有机液体为载体将氢气运输到日本；三是与挪威合作开发水力发电制氢项目，拟以低温液化的方式将液态氢海运至日本；四是与新西兰合作的地热制氢项目。

需求端，下游应用场景丰富，氢能在家用燃料电池、燃料电池汽车领域的推广尤为亮眼，在不同细分领域上培育出了诸如丰田、松下、本田、爱信等龙头企业。在家用燃料电池领域上，ENE-FARM是日本大力推广的家用燃料电池系统，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系统累计销售30万套，每套政府补贴由最初的8.9万元逐年下降直至取消。在车用燃料电池领域上，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850 km、最大功率达到了134 kW。

2.2 美国：立足于推动氢能经济，固定式电池和重卡领域发展领先

美国将油气视作其参与国际关系的重要筹码，短时间内仍会守住传统能源的压舱石，布局氢能则更多是从参与产业竞争角度出发、着力从市场开拓角度发力。立足于构建氢能经济，美国较先提出“氢经济”，早在2002年即颁布“国家氢能发展路线图”，将氢能发展分为了四个阶段：第一阶段是开发阶段，包括降低燃料电池成本、开发固体储氢装置、天然气继续作为制氢主要原料、开发氢内燃机、批量生产燃料电池汽车、在建筑物中增加燃料电池供热供能试验、继续开发便携式氢燃料电池；第二阶段是市场过渡阶段，政府将在市场过渡阶段发挥重要作用，比如政府或公共部门将成为氢能的“第一用户”，公共交通、消防等将采用基于氢燃料电池的分布式储能，车辆、舰艇、飞机等军事设备也将逐渐运用氢能系统；第三阶段是市场和基础设施扩张阶段，氢能将从局部向整体推广，国家政策将以支撑氢能市场化推广为出发点；第四阶段是氢经济时代，即氢能全面取代化石能源成为居于主导地位的终端能源，个人氢能交通市场将自发形成。

以发展氢经济为导向，美国率先在经济可行性较高的领域获得了突破。一是依托美国国内天然气价格低廉的优势，以天然气重整气为原料的固定式燃料电池已经在数据中心、楼宇供电领域应用多年，并培育出了Bloomenergy、UTC Power等固定式领域的龙头企业。二是在连续作业、大载重的物流货运领域，氢燃料电池汽车燃料加注时间短、可以减少停机时间、提高经济效益。因此，与日本大力推广氢燃料电池乘用车不同，美国在燃料电池商用车产业积累了丰富的经验，其中，Plug Power在全球燃料电池叉车市场的市占率居于首位，以尼古拉为首的重卡企业也开始布局氢燃料电池领域。

2.3 欧盟：立足于实现低碳发展，大力发展可再生能源制氢

欧盟历来是低碳发展上的领跑者，因而也将氢能视作其低碳发展的抓手之一。立足于提高可再生能源比例、降低交通领域温室气体排放、推动能源转型，欧盟在2003年发布了“氢发展构想报告和行动计划”，计划在4年内投资20亿美元，规划到2030年使氢能源汽车的比例达到15%。欧盟的氢能技术路线图将氢能发展分为了三个阶段：第一阶段规划到2010年，重点任务是通过电解水制氢提高可再生能源发电的比例，通过项目示范运营实现氢能和燃料电池的初级市场应用、制氢基础设施的早期开发、解决关键技术瓶颈；第二阶段规划到2020年，重点内容包括完善可再生能源制氢系统、具有价格竞争力的氢燃料电池汽车进入家庭、建设分布式燃料电池供电站；第三阶段规划到2050年，重点任务包括实现大规模可再生能源和先进核能制氢、扩大氢能分配网络、将30%的加油站改成加氢站、氢能经济基本取代传统化石能源经济。

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。二是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。

3 结论

在全球能源供需格局走向宽松、氢能发展技术路线不确定的背景下，我国应理性看待氢能发展。一方面，氢能是绿色能源的终极形式之一，是增强未来能源系统灵活性的重要介质，不能放弃推进氢能技术的研发。另一方面，规模化推广氢能仍有赖于储运技术、应用场景、商业模式的突破，不应盲目跟风，要避免重蹈可再生能源无序发展的覆辙。

1）不同的战略目标对产业的引导作用大相径庭，应尽早定下战略基调

对于我国而言，以消化可再生能源、解决“三弃”问题为目标，则应大力突破电解水制氢的效率和成本问题，重点采用分布式形式利用氢能，避免大规模集中式建设；以提高能源自给率、保障能源安全为目标，则应大力发展大规模集中式的化石能源制氢，突破储能系统的关键技术；以增强技术储备、赶超能源技术为目标，则应突破电堆等关键零部件技术，提高氢能系统装备的国产化率，重点采用示范形式运营相关项目。

2）在要素无法自由流动的能源市场，应从资源禀赋实际出发，不能对灰氢、蓝氢“一刀切”

不同区域需要结合自身的资源禀赋和下游需求，统筹布局氢能发展。如，西北地区拥有丰富的风光资源，但下游需求有限，可考虑重点发展可再生能源制氢、氢燃料电池储能的发展路线，山东、上海拥有丰富的副产氢资源，则可在短期内重点发展副产氢提纯的技术路线。

不同区域的灰氢、蓝氢清洁程度不一，不应过度追捧电解氢、扼杀工业副产氢。如，对于化石能源发电占比较高的区域，电解氢的清洁程度不一定比工业副产氢高，而对于伴生CO2有具体用途的部分上海化工园区副产氢，其清洁用途反而有望超过电解氢。