碳中和愿景下氢储能的发展机遇与挑战

文|邹志刚

能源迭代大势泱泱。值此百年未有之大变局，新一代科技革命和产业变革深入发展，“双碳”战略推动新发展格局和高质量发展，新能源和数字经济深度融合，生产生活方式加速转向绿色化、智能化，能源体系和发展模式正在进入非化石能源主导的崭新阶段。

氢能作为零碳绿色的二次能源，具有能量密度大、转化效率高、来源丰富和应用广泛等特点，是现代能源体系的重要组成部分，是最具发展前景的高效替代能源，正逐步成为全球能源转型发展的最重要载体之一，也将深刻影响中国能源应用前景。燃料电池是氢能高效利用的主要方式，氢能利用横跨电力、供热和燃料动力三个领域，因此氢能与燃料电池的技术发展在目前全球能源结构变革中占有重要的地位。

为实现“双碳”目标，我国能源、电力、钢铁等行业压力巨大，但也孕育新的机遇。在“十四五”乃至更长的时间内，氢能源将在减碳进程中发挥重要作用。随着我国可再生能源发电量逐年增多、装机容量占比不断增大，氢储能系统可参与并网消纳，有效减少弃风弃光弃水率，提高可再生能源综合收益。

在我国，随着风电和光伏装机不断扩大，通过储能来解决弃风弃光弃水的问题越来越受到重视。但是，通过传统储能方式解决风光电资源浪费问题，当前风电的度电成本在0.25元左右，光伏在0.35元左右，而主流应用的电池储能系统的成本普遍高于0.6元/千瓦时，不但投资成本高，而且更换周期短，大幅提高了储电、用电成本。因此用风、光、水、电制氢，实现电力增值和循环，将成为一个重要的消纳途径。

国内外氢能发展现状

国际氢能源发展现状

日本政府将氢能作为新一代能源战略的主体，持续多年推广氢燃料电池。在政策上，日本将氢能上升为国家战略，规划路线清晰，补贴扶持力度大，2017年日本发布的《氢能源基本战略》明确，到2050年建成氢能社会的目标；在推动路径上，日本从汽车和热电联产等领域推动氢能发展；在技术上，日本氢能与燃料电池领域技术全面，专利数量位居全球第一。丰田Mirai和本田Clarity是全世界最先进的燃料电池乘用车，ENE-Farm热电联产效率高达97%。此外，日本重视加氢站基础设施建设，目前加氢站达110座。

美国曾是领导世界燃料电池发展的主要国家，自20世纪70年代开始研发氢能，并在小布什政府时期掀起了一轮燃料电池的投资高峰期。在2020年12月22日，美国能源部（DOE）发布了美国储能大挑战路线图，这是美国发布的首个关于储能的综合性战略。该路线图提出，到2030年，在美国国内开发、制造能够满足美国所有市场需求的储能技术，并实现全球部署。路线图列举了储能的“三个技术方向”，其中氢储能受到高度重视，已成为一个重要的储能技术方向。

■ 美国储能大挑战路线图氢电双向储能示意图

下图中，氢储能主要技术是电氢双向储能，即仅通过电解水方法制造并储存氢气，再通过燃料电池将氢重新转化成电和水，形成一个完整的能源利用闭环。路线图不仅强调电解水是短期制氢的重要方法，更重视太阳光直接制氢技术，将光催化制氢技术列为未来制氢技术主要探索方向之一。

欧洲于20世纪末开始关注燃料电池领域，2008年成立氢能源和燃料电池联盟（FCH-JU），通过联盟运作形式推动产业。FCH-JU现阶段启动一系列项目推动燃料电池公交车和燃料电池CHP发展，远期规划宏大，预计到2050年氢能市场规模达到8200亿欧元，氢燃料电池汽车占家用车的比重达35%。2014年，欧盟启动Horizon计划，在氢能和燃料电池领域的总预算达到220亿欧元。目前，欧洲正在运行的加氢站数量位居全球第一，氢能技术和产业发展政策效果显著。

国内氢能源政策与发展

近年来，我国高度重视氢能源产业发展，在科技专项、创新工程等方面进行了重点布局，取得了一定成效。

当前国内制氢主要还是依靠化石能源，电解水制氢占比非常有限。随着氢储能相关技术的发展和建造成本的下降，未来风、光、水等可再生能源制氢的规模会越来越大，我国氢能源结构会越来越清洁。

随着“双碳”目标的提出，今年，《“十四五”新型储能发展实施方案》《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》《“十四五”现代能源体系规划》等政策相继出台，均将氢储能列为可再生能源发电消纳的主要方式之一。尤其是国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》（以下简称《规划》），明确到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升。

《规划》强调发展的重点任务包含系统构建支撑氢能产业高质量发展创新体系，统筹推进氢能基础设施建设， 加快完善氢能发展政策和制度保障体系。尤其是首次提出“积极开展储能领域示范应用”“合理布局发电领域多元应用”“推动氢燃料电池在备用电源领域的市场应用。探索以燃料电池为基础的发电调峰技术研发与示范”。这些标志着国家对氢能战略地位和应用的认识深化，政府对氢储能的关注和支持在持续升温，氢储能的春天正在到来。

3月23日，国家发展改革委专题发布会上，国家发展改革委高技术司副司长王翔明确表示：“氢能是大规模、长周期储能的理想选择，通过‘风—光—氢—储’一体化融合发展，为可再生能源规模化消纳提供解决方案。随着燃料电池等氢能利用技术开发成熟，氢能—热能—电能将实现灵活转化、耦合发展。”国家能源局科技司副司长刘亚芳明确表示，将“积极开展储能领域示范应用。发挥氢能长周期、大容量储能优势，探索培育‘风光水电+氢储能’一体化应用新模式”。进一步对《规划》进行了深入解读。

氢储能系统的应用前景

随着风电、光伏、水电等可再生能源已成为我国新增电力的主力，新增装机容量及累计装机容量均排名世界第一，清洁能源替代作用日益显现。氢储能系统在电力系统中与能源供给侧配合、与分布式能源发电和电网发展相结合，可减少新能源出力不稳定等问题，其应用价值愈加突出。

可再生能源电力系统

氢储能技术是极具发展潜力的规模化储能技术，该技术可用于可再生能源消纳、电网削峰填谷、用户冷热电气联供、微电网等诸多场景。利用大规模不可控的可再生能源制氢是完全清洁无污染的，是真正意义上的“绿氢”，且成本可控，可再生能源制氢的效率约为45度电/千克氢气，采用可再生能源成本为12～16元/千克氢气，由于可再生能源电解水制氢纯度高，基本可以不经过纯化直接利用。而目前99%以上的氢气售价为40～70元/千克，增值潜力巨大。同时可再生能源制氢可为煤化工和石油化工提供洁净的原料氢，减少二氧化碳的排放。

区域多能互补一体化

在氢能生态社区，或位置相对偏远的小镇可利用“三弃”发电制氢，通过燃料电池为汽车、船舶提供动力。将氢电作为电能存储方案进行推广利用，进而解决区域电源和负荷的匹配问题，可在一定程度上延缓较偏远地区微电网的电力设备投资。

热电联供

利用氢燃料电池为建筑、社区等供热，并作为备用电源，与电力、热力等能源品种实现互联互补，可以解决热力管网、电网等基础设施建设的高额投资问题。在满足供热需求的同时，也可承担部分负荷进行供电。

能源互联网

能源互联网是充分将互联网思想和能源产、输、储、用各环节以及能源市场深度融合的发展新形态。氢能源低碳、环保，促进可再生能源利用，无额外环境负担，可作为能源互联媒介实现跨能源网络的协同优化。

氢燃料电池汽车

到2025年，我国燃料电池汽车保有量预计将达到5万辆。尽管国内外企业每年都不断推出性能提高的新型燃料电池车，但多数燃料电池汽车的储氢系统仍是采用高压储氢罐实现的。总体来说并未有革命性进步，仅满足一般行驶需求。随着对金属、有机等储氢材料研究的深入发展，工作性能安全的储氢系统将是未来的研究发展方向。同时，通过氢能源交通的布局发展，推动燃料电池关键材料、核心零部件国产化，促进氢能源产业链快速发展。

氢储能建议及展望

发展中存在的问题

作为战略性新兴产业，氢能与燃料电池的发展不仅需要在一点或多点实现技术突破，更要依托产业链条的整体技术突破和联动发展。中国氢能产业发展程度总体来讲还落后于世界先进水平，主要体现在以下几个方面：

氢气来源丰富，但高效清洁制氢技术有待发展

燃料电池目前已基本实现国产化，而制氢和储运氢气仍是氢能和燃料电池实现产业化的“卡脖子”技术。目前氢气售价是50～70元/千克，仍高于汽油车的百公里油价。另外，加氢站价格过高，储氢和制氢仍在沿用百年前的技术。因此，要切实实现可再生能源制氢和净化副产氢，将氢气价格降下来。目前，低成本的氢气主要来自化工副产氢，但是副产氢资源存在地域上的极大差异，东部沿海地区多，内地较少；有化工企业的地区多，无化工企业的地区少。虽然化石能源制氢商业化技术已相对成熟，但提纯过程比较复杂，更重要的是会排放温室气体。电解水制氢还需要解决效率低、规模小的问题。利用光伏或风电等可再生能源制氢是目前最理想的选择，但是系统方面的研究和示范较少。新型制氢技术如生物质制氢、光催化制氢等还亟须技术上的突破。总的来看，缺乏低成本、大规模商业化制氢方式是制约氢能发展的最大“瓶颈”。

氢燃料电池关键材料及部件有待国产化

国内氢燃料电池产业发展迅速，带动了区域产业集群的形成，形成了京津冀、华东（上海、江苏）、华南（佛山—云浮）、华中（武汉）四个氢燃料电池产业集群。例如，清华大学在2019年4月与丰田汽车公司成立“清华—丰田燃料电池联合研究院”，通过技术转让引进丰田的燃料电池技术。但是国内燃料电池仍缺少具有自主知识产权的核心材料和关键零部件的制备技术，缺乏与丰田等国际大型燃料电池相关技术企业相抗衡的国内上游和中游的企业，尤其是关键材料催化剂、扩散层以及核心部件膜电极、电堆等核心产品的生产企业，产业链配套体系不完善，燃料电池关键指标存在明显差距，燃料电池技术的整体研发实力还落后于发达国家，关键零部件及技术依赖进口，成本难以控制。中国需要自己的燃料电池公司和自己的技术路线，不能完全依靠国外。此外，燃料电池仍存在成本、寿命、可靠性和耐久性、安全等问题。现在燃料电池的售价是4000～10000元人民币/kW，燃料电池的推广仍需把成本降下来，其核心在于把铂载量降下来。

氢能应用技术测评体系亟待构建

标准发挥着产业引领与支撑作用，自1985年GB 4962 《氢气使用安全技术规程》发布以来，氢能与氢燃料电池相关标准也在不断制定和完善中，但仍未形成完整体系。燃料电池相关检测机构数目少，检测能力覆盖范围较小，技术力量布局分散，缺乏具有全面检测能力的权威检验检测机构。在燃料电池检测方面亟须全面开展电催化剂、质子交换膜、炭纸、双极板等燃料电池原辅材料，以及膜电极组件、电堆及模块、燃料电池系统等产品的质量检测检验工作。

加氢站基础设施建设薄弱以及氢气的储运技术有待研发

在加氢站建设方面，我国的35 MPa加氢站技术已趋于成熟，加氢站的设计、建设以及三大关键设备如45 MPa大容积储氢罐、35 MPa加氢机和45 MPa隔膜式压缩机均已实现国产化。相较于国外，我国加氢站建设较为滞后，未形成区域性的分布，无法为新能源汽车的普及提供完善的加氢服务。在70 MPa车载供氢系统方面，正处于研发阶段，已开发出车载70 MPa储氢瓶样机，而在70 MPa关键阀组件的开发方面尚未组织立项，总体上与国外技术差距明显。

氢能产业装备制造等方面较为滞后

在燃料电池膜电极材料、重要元器件和相关系统集成的研发和生产过程中，主要涉及浆料连续化生产设备、膜电极涂覆生产设备、膜电极自动化集成设备、双极板点胶密封系统、电堆装配系统、燃料电池专用测试仪；系统集成配套零部件有氢气循环泵、氢气专用调压阀、气体加湿器和氢气传感器等重要配件。与国外相比，目前国内在氢能相关核心装备和配件上的研究相对过于薄弱，基本上处于仿制阶段，而且在功能、模块化和集成度、精度、整体性能上和进口设备存在相当大的差距。所以在本领域内，国内当前应亟须解决关键的技术问题，同时，加强相关装备高端技术的研究、加大企业生产能力。

氢储能及应用的示范运营项目少，缺乏相关技术和经验

虽然目前氢能和燃料电池产业已经进入商业导入阶段，但是由于现阶段相对高昂的成本和加氢基础设施的限制，短期内大规模推广氢能以及燃料电池产品存在诸多障碍。在现有的情况下，氢能以及燃料电池示范运营项目是推广燃料电池相关产品和检验燃料电池以及加氢设施可靠性的有效途径。加强氢能与燃料电池的整体应用方案设计及推广，包括制氢/加氢站、氢能大巴、物流车、乘用车、重卡、叉车、分布式电源等。

■ 本文作者邹志刚

随着氢能技术与燃料电池的发展，在真正实现商业化之前，未来会有更多的氢能与燃料电池的示范运营项目启动与推进，以确定氢能与燃料电池技术的社会效益和经济效益。示范运营工程的成功会帮助完善产业链和金融链，推广燃料电池技术，实现氢能与燃料电池技术的早期商业化，并最终实现完全市场化。

导引、规范、扶持、资助、标准等相关产业政策和法规有待系统化

氢能与燃料电池产业作为一个新兴产业，我国开始设立国家层面上的重点专项研究要追溯到20世纪90年代，并且2000年后还有过一段时间的断档期，直到最近两年随着国际上对氢能的日益重视，我国的氢能及燃料电池行业才开始回暖。因此，在氢能产业发展初期，我们还存在政府引导不足、产业资本力度不够、行业规范和标准不健全甚至缺失、法律法规不健全等情况。

政策建议

大力支持氢能与燃料电池技术研发创新

一、组织编制氢燃料电池汽车技术创新路线图，瞄准世界先进水平，制定近、中、远期技术创新目标。在新能源汽车重大科技研发专题中设立氢燃料电池子项，重点解决核心技术自主化问题，提高性能、降低成本。对氢燃料电池电堆、膜电极等关键部件、催化剂和碳纸（气体扩散层）等基础材料，以及燃料电池动力系统集成与控制和关键零部件的重大研发项目予以支持，开展高性能电堆和氢燃料电池核心技术专项攻关。

二、推进可再生能源制氢的创新研发，发展新型的制储用一体化的电氢双向转化储能新技术。探索未来太阳光直接制氢方式，重点培育和推进光催化、光/电解海水制氢技术研发以及规模化。

三、加快推进创建国家级、省级创新平台，从现有的产业创新平台资金中优先给予建设补助。大力支持氢燃料电池相关企业引进和培育国内外院士及创新团队等高层次人才。

加快推进可再生能源制氢/加氢站规划建设

一、组织氢燃料电池示范运营城市编制可再生能源制氢站、现场制氢/加氢一体化站点、加氢站试点建设方案，以满足氢燃料电池汽车运营需求为目标，适度超前规划布局建设制氢/加氢站。

二、统筹新能源汽车推广应用和充电基础设施建设补贴资金，国家、省级财政对日加氢能力200千克及以上的现场制氢/加氢站建设给予合理补贴，对2025年年底前建成的加氢站财政补贴标准按加氢能力确定，对日加氢能力200～500千克的、 500～1000千克的、1000千克及以上的给予一定的差额补贴政策。鼓励各省、各地市对加氢站建设给予合理补贴。

■ 新能源汽车储能系统

三、开展现有LPG和LNG加气站改（扩）建加氢站试点，为满足氢燃料电池乘用车示范运营需求，选择部分加气站进行改造试点，加快建设和完善港口、园区制氢/加氢站建设，对列入改造试点范围的项目另给改造补贴。

四、加快完善加氢站设计、建设及运营的管理体制和建设标准。独立选址的加氢站，由各地住建部门办理报建、验收等审批手续。鼓励加油（气）站与加氢站合建，新规划建设的加油（气）站均应配套建设加氢站或预留建设场地，与加油（气）站合建的加氢站，由加油（气）站主管部门会同住建部门办理报建、验收等审批手续。在满足规划要求情况下，支持以租赁等方式利用公交站场和物流园区、工业园区、厂区闲置用地建设加氢设施，降低加氢站用地成本。对纳入规划、独立占地的加氢站，按公用设施优先安排项目用地。基础设施投资基金可将加氢站建设纳入重点支持范围。

多渠道增加氢源供应

一、在满足安全前提下，在加氢站或周边开展电解水制氢试点，氢燃料电池汽车专用制氢站谷期用电价格执行蓄冷谷期电价。探索利用发电厂低谷时段富余发电能力在发电厂建设可中断电力电解水制氢项目，开展海上风电制氢试点，加快电解水制氢设备本地化生产。

二、支持开发氢气运输鱼雷车，满足氢气运输需求。

推动氢能特色小镇与氢能工业园区项目

一、围绕氢能产业链上游可再生能源制氢、中游储运以及下游应用中氢燃料电池、加氢站配套服务等环节进行产业布局。建设集制氢、运氢、储氢、加注、公交物流车辆示范运用、小区热电联产示范、氢能体验旅游于一体的氢能特色小镇。

二、吸引燃料电池上下游企业投资入驻，同时配套金融、环境、服务、政策等产业要素，形成氢能产业聚集的发展平台，打造具有核心竞争力的氢能与燃料电池产品生产及检测服务集聚区。

加快培育氢燃料电池汽车产业集群

一、加快氢燃料电池高性能电堆国产化，支持高性能、低成本膜电极项目投产，推动开发高性能氢燃料电池电堆，支持开发氢燃料电池动力系统。

二、大力支持由大型汽车企业牵头，联合燃料电池电堆及膜电极等核心组件和燃料电池动力系统生产企业，制定氢燃料电池乘用车开发方案与标准，力争在2024年前开发出全面国产化的氢燃料电池乘用车，技术水平达到国际先进水平。

三、瞄准碳纸、质子交换膜、双极板、催化剂、高压储氢瓶、制氢设备等氢燃料电池汽车产业链缺失环节和关键设备，培育与引智相结合，逐步完善氢燃料电池汽车产业链。支持引进国外先进企业，积极推动校企合作，建立质子交换膜、碳纸（气体扩散层）研发中心和生产线；开展氢燃料电池汽车相关材料研究，建设75MPa高压储氢瓶生产线；加快形成催化剂、电解水制氢设备生产能力；加强国家电力投资集团、中国石化等央企与燃料电池相关企业合作。

四、推动氢燃料电池整车生产企业，加快氢燃料电池客车和物流车等商用车产品开发和生产，支持整车生产企业加快布局生产氢燃料电池汽车，并给予相应用地、资金政策支持。

五、推进建设氢能产业园区，推动电堆和动力系统、空压机和氢气循环泵等动力系统、膜电极规模化生产线、可再生能源制氢、光催化海水制氢设备等项目建设，优先通过相关专项资金扶持，支持项目扩大生产能力，提高市场竞争力。发挥氢燃料电池汽车整车企业的带动作用，培育形成错位竞争、相对完善的氢燃料电池产业集群。

六、加快集聚国内乃至全球的氢能与燃料电池产业创新要素，规划建设氢能和燃料电池产业创新中心。推动组建国家级和省级氢燃料电池汽车产业创新联盟，形成合力，共同推动氢燃料电池汽车产业发展。

加大氢燃料电池汽车推广应用力度

一、以公共交通、通勤班车和楼巴、物流车、环卫车等为重点，加快推进氢燃料电池乘用车和专用车示范运营，建设氢燃料电池汽车运营示范区，运营示范区所在地方政府加大氢燃料电池汽车推广力度，做好氢燃料电池汽车地方补贴资金配套，创造条件为氢燃料电池汽车的使用提供便利。鼓励物流园区推广应用氢燃料电池汽车，优先纳入低碳资金和现代物流园区建设专项资金支持范围。

二、在加快开发氢燃料电池乘用车基础上，以出租车、共享汽车和政府公务用车为切入点，开展氢燃料电池乘用车示范运行，力争在2025年前实现氢燃料电池乘用车商业化生产和运营。推进长三角、珠三角、京津冀等地区氢燃料电池物流车运输网络建设，探索建设氢燃料物流运输通道。

着力完善产业配套

一、依托大型车企、氢能企业建设氢燃料电池汽车乘用车整车检测认证平台，建设氢燃料电池和动力系统检测认证中心，积极建设氢燃料电池国家级质检认证中心。

二、积极开展氢燃料电池汽车标准体系研究，制订标准体系规划和路线图，加强与国内外产业和行业组织之间的联系，推动优势产品、技术成为国家和行业标准。

三、加强氢燃料电池技术科普宣传，重点消除对氢燃料的安全疑虑，营造氢燃料电池汽车产业发展良好氛围。

“双碳”目标的确定，彰显了我国走绿色低碳、可持续发展道路的雄心和决心。氢能是21世纪最具发展潜力的清洁能源之一，虽然发力较晚，但备受瞩目。综合国内外新能源产业的发展趋势，以及应对气候变化脱碳减排的进程，我国的“十四五”正值氢能发展的关键窗口期。在氢储能产业发展上，现在我们和发达国家都处于同一起跑线，但若是谁抢先占有核心技术，谁就将占有这一产业发展的制高点和话语权。