氢能开发利用与产业布局的全球竞速

张锐

在美国物理学家Ranga Dias及其团队日前宣布取得突破的“室温超导”技术中，氢是除氮和钚之外排名第一的超导体组成材料，虽然“室温超导”技术的成果真实性还有待進一步论证与确认，但氢作为一种清洁能源所携带的巨大商业与社会价值却是不可置疑的。尤其是在推动各国能源结构转型升级以及实现全球“碳中和”目标上，氢能发挥着十分重要的作用，由此驱动着各主要经济体围绕着氢能开发与利用的脚步不断提速。

最广泛与最友好的能源

在门捷列夫的元素周期表上，氢（H）位于63种化学元素之首，这不仅仅是理论上说氢只有一个质子，同时也代表氢是宇宙中分布最广泛的物质。天空的大气中有氢，地下的水中也有氢，甚至地壳岩石层断裂时也会冒出氢，另外，石油天然气以及煤炭等化石燃料中也蕴含着氢，焦炉、钢铁、化工等工业副产品中同样藏着氢能源。可以说，整个宇宙质量的75%都由氢所构成。

正是因为藏匿和分布于不同的载体，氢作为二次能源就有山门派系之别。从煤炭、石油等化石燃料以及工业副产品中制取的氢称为灰氢，但如果通过碳捕获技术隔离掉了取氢过程的二氧化碳，灰氢就变成了蓝氢，同时从电解水、光能、风能等可再生能源或生物质中制取的氢则叫绿氢。目前，全球氢气产量主要取自化石燃料，但随着技术的进步，运用可再生能源或生物质方式制取氢能的比重会越来越大。

在一般人的印象中，氢气球是再熟悉不过的东西，注入了氢的气球之所以能飘起来，那是因为氢是重量最轻的化学元素。尽管如此，氢气却是除核燃料外所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中能量密度最高的一种能源，分别是木材的1000倍、煤的6.8倍、天然气的3.4倍和石油的3.3倍。正是如此，氢的导热系数是绝大多数气体的10倍以上，说得通俗点就是，氢气不仅容易点着，而且火焰传播速度快，作为能源用在汽车等交通工具上可使发动机快速点火启动，作为能量用于火箭等航天器的发射可使飞行工具更敏捷起飞，作为动能作用于机械等生产工具可以让作业效率更高。

在经济性方面，由于受到制取成本的制约，虽然很难说氢气在所有方面都具有性价比优势，但在许多领域却有着足够多的吸引力，以氢燃料电池为例，汽车充满五公斤的氢气可以续航650公里，总价格大约是175元，而改用汽油同样行驶650公里，车辆烧油平均费用约为390元，前者成本显然比后者低了很多。按照国际能源署与国际氢能委员会的研究成果，规模化是降低氢能成本的关键，一旦使用量上来，氢能源系统的制取成本会以每年20%～30%左右的速度下降，到2030年氢能产业链整体成本至少会下降50%。

再看安全性。由于许多人知道氢弹作为核武器的杀伤力，因此往往会“谈氢色变”，其实不然。且不说氢弹并不等于氢，作为一种能够爆炸的气体，氢气的比重只有整个空气的十四分之一，这样轻飘飘的一个东西，一旦泄漏出来就会往天空中跑，而且跑得非常快，快到没来得及燃烧和没来得及爆炸就已经挥发掉了。氢气实际上是一种非常安全的气体，而更有意义的是，氢燃烧的产物是水，丝毫不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及粉尘颗粒等危害环境的负外部性产品。因此，氢也算得上是世界上最友好的能源。

使用场景与产业链条

从消耗煤炭为主的单一能源结构，转向以风、光、热等可再生能源为主的多元能源结构，人类能源革命的步伐一直都在朝着能量密度高、环保程度强的方向演进。对于整个能源系统而言，氢的比例越高，成分结构就越干净，热量值也越高，正是如此，氢能被称为“21世纪的终极能源”。同时，鉴于自身所携带的高效性、经济性以及安全性等多功能特征，氢的使用场景特别广泛。

在工业领域，氢气可以代替焦炭和天然气作为还原剂，消除炼铁、炼钢过程中的大部分碳排放；同时氢作为十分重要的化工原料可用于合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等生产过程；将煤、天然气制灰氢升级为电解水制绿氢，在此基础上生成绿色甲醇和绿氨，带动相关生产过程中二氧化碳的显著减少和排放，且从终极目标看，氢有望直接取代部分化石原料，实现工业生产全领域、全过程的低碳以及零排放。

在建筑领域，氢能不仅可转换为电能，还可以转换为热能，而且热电联产的整体效率高达85%。一方面，氢燃料电池为建筑物发电，可回收废热用于供暖和热水，同时，将氢气输送到建筑终端时，建筑中的电加热，替代传统的锅炉加热；另外，可以借助相对完整的天然气管网将氢气以恰当的比例混合到天然气中，并输送到数千户家庭。据估计，到2050年，全球10%的建筑供暖和8%的建筑能源由氢气提供，每年可减少7亿吨二氧化碳。

在交通领域，氢作为燃料电池除应用于乘用车之上外，也可作为燃料内燃机动力在飞机、轮船等非陆地交通载体上大显身手。目前来看，全球氢燃料电池汽车总量虽只有1.6万辆，但国际氢能委员会预测2050年全球至少有2500万辆汽车搭载氢燃料电池；另根据国际海事组织的预测，由于船舶替代使用了氢能，至2030年全球海运领域二氧化碳平均排放量相比目前至少降低50%，同时因使用了氢燃料，全球飞机排放气体对气候的影响将降低50%～75%。

在电力领域，氢气作为新型能源替代煤炭、水力等不可再生能源进行发电，在实现对传统电能生成系统彻底颠覆的同时，也从电力源头上杜绝了碳排放。不仅如此，氢气可以配合可再生能源形成弹性高与持续性强的电力供给体系，也就是在低功耗期间将风能与光伏等产生的余电进行电解水而生成氢，到用电高峰时再变成电投入使用，而且相比于电化学储能与抽水储能，氢储能的容量更大，持续更长，由此既可以实现对再生能源的有效消纳，也能增强电网的稳定性与持续性。

综合评判，时下全球氢气需求量约为7000万吨/年，但根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》， 2050年全球氢能源需求将增至目前的10倍，至2070年将达到5.2亿吨。当然，任何行业对氢能的需求，都涉及氢的制取、氢的储运、氢的交易、氢的分发和使用等全产业链过程，据国际氢能委员会预测，到2050年全球氢能产业链产值将超过2.5万亿美元。

政策导引与商业驱动

基于氢能的巨大使用场景以及庞大的产业链价值，氢能的开发与利用不仅成了许多国家实现能源转型的重要路径，而且上升为国际竞争的重要部位。按照美国能源部发布的《国家清洁氢能战略与路线图》，2030、2040和2050年美国国内氢需求将分别升至1000万吨、2000万吨和5000万吨/年，同时，2030年与2035年前分别将制氢成本降至2美元/千克和1美元/千克；同样，欧盟Repower EU规划提出到2030年要实现自产和进口各1000万吨/每年的可再生氢目标，为此欧盟将通过欧洲氢能银行、投资欧洲计划等多个项目对氢能提供融资支持。紧随欧美的脚步，日本“2050碳中和绿色增长战略”计划于2030年实现国内氢产量达到300万吨/年，2050年达到2000万吨/年，而韩国的《促进氢经济和氢安全管理法》也提出了于2050年实现进口氢替代进口原油的目标。截至2023年2月末，全球已有42个国家和地区发布了氢能政策， 36个国家和地区的氢能政策也正在筹备中。

从商业层面看，截至2022年末，全球已经启动的680多个大型氢能项目绝大部分都是由企业直接出资开发，包括埃克森美孚在得克萨斯州开发的全球最大低碳制氢设施、西班牙伊比德罗拉电力公司在普埃托里亚诺建设的欧洲最大工业用氢能工厂、法国企业Lhyfe正在筹建的全球首个海上氢气工厂等。除了在本土加大布局外，跨区域投资也成了企业开发氢能的重要方向，如德国可再生能源开发商Svevind Energy Group斥资500亿美元在哈萨克斯坦投资建设的氢能项目，世界能源公司投资120亿美元在加拿大斯蒂芬维尔等地开建的氢能基地等。数据显示，截至2022年底，全球氢能领域的直接投资额近2500亿美元，而根据国际氢能委员会预测，到2030年该投资总额将升至5000亿美元。

从氢能建设方向看，绿氢成了各国一致性的开发重点。美国的《通胀削减法案》提出为绿氢提供最高3美元/千克的税收抵免，而按照启动不久的欧盟绿色交易工业计划，欧盟创新基金将为绿氢提供8亿欧元的专项补贴，同时，日本也推出了2万亿日元的绿色创新基金用以建设大规模的绿氢供应链，韩国则计划到2030年构建100兆瓦级绿氢量产体系。与发达国家抢夺全球绿氢市场相竞争，新兴市场国家也不约而同地瞄准了绿色氢能，包括印度政府拨款23亿美元用于支持绿氢产业，沙特超级未来城市工程NEOM的目标就是要在境内建成一个超过2吉瓦的水电解制氢工厂，阿聯酋计划五年内每年斥资4000亿美元扩展绿氢市场，另外，南美洲的巴西、智利以及非洲的埃及、纳米比亚等都宣布了绿氢投资计划。受到影响，国际能源组织预测，到2030年全球绿氢产量将达3.6万吨，2050年达到3.2亿吨。

中国的布局谋篇

数据显示，2022年我国氢气产量3781万吨，为全球最大氢气生产国，且这一趋势有望长期保持；需求方面，到2030年，国内市场对氢气需求量为3700万吨， 2050年升至6000万吨，中国作为全球氢能最大消费国的地位将得到进一步巩固。不仅如此，作为终端能源体系的消费主体，氢能将带动形成一个12万亿元产值的新兴产业。同时必须看到，我国氢能产业尚处示范应用和商业模式探索阶段，氢能产业生态尚未全面建立，不仅规模尚未形成，而且受国外技术壁垒限制严重，与此同时，制氢方面以灰氢为主要产出，产业链绿色升级尚存壁垒；另外，多层次的金融支持体系尚未建立，氢能建设的融资渠道偏窄，接下来唯有坚持战略升维与政策创新，中国才有可能在氢能国际竞争中抢占到更广阔的高地。

一方面，要加大自主创新力度。从加氢枪、压缩机、储容器和质子交换膜等关键设备到氢密封材料、低温金属材料、高效冷绝缘材料等关键材料，围绕着氢的制取、运输、储藏甚至使用全过程所需要的许多核心技术与材料装备以及零部件，我国目前都需要通过进口来解决，久而久之氢能的开发利用很可能走上如同半导体那样被人“卡脖子”的悲壮之路。但中国完全可以通过强化自主创新实现“弯道超车”。除了加大资金投入外，首先需要组建央企、国企创新联合体，围绕产业链进行科技攻关，在此基础上依托大型能源企业成立国家级联合研发和推广应用平台，有效整合社会资源，推动全社会相关领域科研力量的广泛参与和协同攻关，聚焦核心技术，加快突破薄弱环节，同时也为新技术新产品的推广应用提供成熟的产业依托和试用平台，合力推动我国氢能产业迈上全球价值链的中高端。

另一方面，要加强区域产业协同。目前，我国已形成以北京为核心的京津冀、以上海为核心的长三角和以广州为核心的珠三角三大氢能产业区域，全国有绝大部分省份出台了氢发展规划和支持政策。但各个产业区与地方政府抢滩布局中不仅都希望打造出完整的氢能产业闭环，同时存在着较为明显的方向趋同与同质化现象，这种结果显然与顶层设计缺位紧密相关，而立足于本地资源禀赋、突出产业长项、打破技术瓶颈才是全国氢能布局的主线。如长三角作为我国最大的化工产业集群，氢能的开发应集中到化工副产品身上；京津冀的氢能发展可聚焦蓝氢与绿氢的开发与示范应用，尤其是重点打造出绿氢基地；而珠三角则可借助工业基础与科技实力展开膜电极、高性能电堆以及储运氢设备等产业攻关与布局，在此基础上实现成果共享与利益协同，走出一条成本投入低、区域共振强和整体效能优的氢产业经济路径。

再者，要构建氢能的金融支持体系。在政策性金融方面，政府可通过设立重大专项、产业基金等，将氢能列入国家投资管理体系的重要方向，明确财政、税收等政策工具的支持标准和支持时限，借助政府补贴措施加快氢能基础设施建设，引导社会资本投向。在商业性金融方面，鼓励行业协会、龙头企业带头设立氢能发展专项投资基金，为初创型氢能企业提供发展资金；鼓励私募股权基金投资氢能绿色环保产业，承担企业“高精尖”技术研发的后备力量；与此同时，要创新绿色金融产品，既将绿氢技术纳入绿色信贷及绿色债券的指导目录中，又以CCER（国家核证自愿减排量）发展路径为基石，搭建碳交易中心氢能产业板块交易机制，推动氢产生的碳减排量纳入CCER市场交易。

（作者系中国市场学会理事、经济学教授）