相較于其他能源，氫能清潔環保，能量密度大，沒有溫室氣體排放，便于貯存和運輸且安全性高，成為各國競相開發新能源的技術首選，被稱為21世紀的“最理想能源”。

 

據國際氫能委員會統計，全球氫能產業鏈已有228個已建、在建及規劃項目。近年來，美國、歐盟、日本、韓國、新西蘭等20多個國家和地區先后發布氫能發展戰略，強勢入局。一條氫能大規模商業化應用的能源新賽道正在世人面前展開。

 

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備受“氫”睞

 

氫能為何成能源轉型新寵兒

 

近年來，隨著溫室氣體排放的加劇，全球氣溫持續變暖，氣候問題日益突出。為應對這一挑戰，全球主要國家于2016簽訂了《巴黎協定》，形成了氣候共識，紛紛制定了二氧化碳減排計劃，并在今年11月13日閉幕的《聯合國氣候變化框架公約》第二十六次締約方大會上達成《巴黎協定》實施細則一攬子決議。為了實現碳減排目標，使用低碳清潔的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源變得越來越緊迫。風能、太陽能、潮汐能以及氫能等一系列的潔凈能源備受人們關注。

 

氫能是一種能夠替代化石燃料的綠色可再生能源，能量密度極高，具有最高的燃燒熱值，是其他燃料的2到3倍。氫能應用廣泛，可隨時隨地進行供給，儲量豐富，制備方法多樣，并可由其他能源進行轉換，從而成為世界各國競相投入發展的能源模式。由于近年來燃料電池技術的逐步成熟和燃料電池汽車的商業化推廣，氫氣作為動力燃料的潛力日益受到各界重視，有望逐步取代傳統汽柴油，徹底改變人類的動力能源，促成第三次能源革命。

 

目前制取氫的方法主要分為傳統化石燃料制氫法和電解水制氫法。傳統的化石燃料制氫技術成熟，但制備氫氣依賴的是不可再生的礦物燃料，能耗高且會造成環境問題，屬于“灰氫”。電解水制氫以水為原料，通過外接電路施加電壓來生成氫氣和氧氣，該方法工藝簡單高效，制備的氫純度高。其原料為水，儲量豐富，產物為氧氣和氫氣 ，無任何其他有害物質產生，故而被稱為“綠氫”。

 

隨著碳達峰、碳中和“雙碳”政策的不斷推進和深化，可再生能源電力成本的降低，氫燃料電池汽車的規模化推廣和氫能市場的逐漸成熟，市場對氫氣的需求將呈爆發式增長，雖然傳統的化石原料所生產的“灰氫”在中短期內仍將占據市場主流，但通過“綠色”電力來電解水制氫將是未來低碳經濟的主流方向，也是氫能發展的必經之路。“綠氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術的進步下降到可接受的水平，電解水會成為氫氣的主要來源，氫能社會的目標也終將實現。

 

目前，氫能源利用技術已經在燃料電池汽車、家庭熱電聯供等領域取得成效，也逐步在氫能的無碳排放生產、氫能發電、氫能社區等領域進行示范試驗。

 

2

 

“氫”動世界

 

約20個國家先后發布氫能戰略

 

隨著全球氣候變化壓力增大以及能源轉型加速，氫能源產業發展走向了“風口期”。站在巨大風口下，各國相繼出臺具有實操性的氫能發展戰略。一場爭搶未來氫能制高點的競爭，在世界各國間展開。

 

數據顯示，當前全球已有約20個國家和地區發布或制定了氫能戰略規劃，已公布的2030年“綠氫”的年產能從之前的230萬噸增加至670萬噸。僅在2020年，就有10多個國家發布氫能戰略。其中，美國、加拿大、德國、法國、俄羅斯等發達國家的氫能戰略，將發展氫能產業提升到國家能源戰略的高度，旨在于2030-2050年間完成二氧化碳減排目標及能源結構調整。而在氫能研發領域處于世界領先地位的日本，更是早在2017年就制定了《氫能源基本戰略》，確立到2030年普及氫能源的行動計劃等。

 

根據戰略規劃，各國紛紛制定相應政策。歐盟建議各成員國將低碳氫氣生產納入可再生能源規劃，通過此舉可顯著推動煉油廠和燃料供應商應用氫氣。此外，4個歐盟國家（法國、德國、葡萄牙和西班牙）在其國家戰略中不僅宣布了針對特定行業的清潔氫使用目標，而且還就航空和航運燃料配額進行了深入討論。美國通過稅收優惠的方式建立了對低碳氫應用的激勵措施，即按照捕獲與封存的碳氧化物數量抵免所得稅。

 

伴隨著各國氫能政策陸續出臺，國際能源巨頭快馬加鞭入局，以BP（英國石油公司）、殼牌、道達爾為代表的石油公司圍繞氫氣制取、儲運以及加氫站建設已有豐富的實踐，成為世界氫能產業發展的積極推動者。

 

從1978年申請第一件氫燃料電池相關專利開始，BP擁有超過40年的制氫和超過10年的汽車加氫站運營經驗。目前，BP已參與多個氫能示范項目，包括同戴姆勒克萊斯勒公司、福特公司合作研究先進燃料電池技術。

 

殼牌在氫能領域全面發力，2016年，殼牌與川崎重工簽署協議，合作開發液氫運輸船；殼牌還與日本巖谷產業、日本電源開發公司合作，將澳大利亞豐富的低質褐煤轉化為氫氣，液化后船運至日本。2017年2月，殼牌與豐田正式達成合作協議，在加利福尼亞州建造7座加氫站，并將在2024年增加至100座。殼牌在2018年發布的《能源轉型報告》中指出，將于2030年前在英國投資加氫設施。

 

道達爾推進加氫站布局，2013年在德國政府主導下，道達爾與殼牌、戴姆勒等公司啟動了氫氣Mobility項目，計劃在2023年前建設400座加氫站。截至目前，道達爾已經在德國建成了10座加氫站。道達爾還與林德公司、寶馬公司在氫氣加注技術等方面開展了合作。

 

目前，全球氫能產業鏈已有228個已建、在建及規劃項目，其中有17個是已公開的兆瓦級綠氫生產項目（即1GW可再生能源和20萬噸/年的低碳氫產能項目），主要分布在歐洲、亞洲、澳大利亞、智利等國家和地區，歐洲在已公開的氫能項目數量方面處于領先地位（126個項目，占比55%）。

 

3

 

最大障礙

 

氫能革命面臨高昂成本

 

當前，全球氫能需求旺盛，氫能產量約達每年7000萬噸，96%的氫氣直接由化石燃料制成，即“灰氫”或“藍氫”。雖然“灰氫”具有成本低廉、技術成熟、可大規模應用等優勢，但制備過程伴隨著二氧化碳等溫室氣體的排放，不利于實現“碳中和”目標。而將“灰氫”生產過程中產生的二氧化碳進行捕集、利用和封存，進而間接達成“碳中和”目標所獲得的“藍氫”，則存在生產成本仍然較高，制備系統成熟度較低，暫時無法大規模應用等問題。因此，通過零污染、低成本、可持續的方式制取“綠氫”是未來能源發展的重點。

 

然而，“綠氫”的困局并非全部來自于制氫技術，幾十年前，電解水制氫已被廣泛應用于航天工業等一些特殊的領域。阻礙“綠氫”發展的核心因素是制氫成本的居高不下，同樣制取1立方米氫氣，“綠氫”的成本是“灰氫”的3-5倍，是“藍氫”的2倍以上。

 

按照制備1立方米氫氣需要5度電計算，這種氫氣如果要在市場中獲得經濟性和競爭力，電價就需要控制在0.3元/度，甚至更低。然而當前風電光伏為主的可再生能源的平均電價仍在0.5元/度以上。即便日本專家實現了“光觸媒”制氫的技術突破，該技術應用大規模推廣仍舊需要一定的時間以及存在不確定因素，因此對于當下的氫能市場，成本依舊是氫能獲得廣泛使用的最大障礙。

 

專家指出，應通過政府干涉，比如發放“綠氫”使用補貼的方式，來促進“綠氫”的生產。今年8月，英國就宣布，2030年前啟動40億英鎊資金投入“綠氫”生產。彭博新能源財經估計未來10年全球將需要投入1500億美元才能將制氫成本降低到具有競爭力的水平。

 

此外，氫氣生產和運輸技術還面臨一系列瓶頸。氫氣會腐蝕金屬，這對氫氣的輸送構成挑戰，而且由于氫氣點火能量小，使氫不論在空氣中或者氧氣中，都很容易點燃，因此對氫氣的儲存與運輸都提出了極高的安全要求。

 

科普

 

氫綠

 

通過使用再生能源（例如太陽能、風能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發電進行電解水制氫，在生產綠氫的過程中，完全沒有碳排放。

 

氫灰

 

通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒制取氫氣，在生產過程中會有二氧化碳等排放。灰氫的生產成本較低，制氫技術較為簡單。

 

氫藍

 

將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。由于在此過程中使用了碳捕捉、利用與儲存等先進技術，溫室氣體被捕獲，實現了低碳排放生產制氫。

 

案例

 

日本：燃料電池領域發展突出

 

2017年12月26日，日本公布了“基本氫能戰略”，意在創造一個“氫能社會”。該戰略的主要目的是實現氫能與其他燃料的成本平價，建設加氫站，替代燃油汽車（包括卡車和叉車）及天然氣和煤炭發電，發展家庭熱電聯供燃料電池系統。

 

日本在家用燃料電池、燃料電池汽車領域推廣氫能成就尤為突出，在不同細分領域上培育出了諸如豐田、松下、本田、愛信等氫能龍頭企業。

 

在氫能家用燃料電池領域，ENE-FARM是日本大力推廣的家用燃料電池系統，該設備通過將氫氣注入燃料電池中發電，同時用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水，形成微型熱電聯供系統，滿足部分電力需求和全部的熱水需求。從2009年開始由松下、東芝、愛信等廠商研發生產，由東京燃氣和大阪燃氣等燃氣公司向用戶銷售，2009-2019年間，ENE-FARM氫能家用燃料電池系統累計銷售30萬套。

 

在氫能車用燃料電池領域，豐田mirai是氫燃料電池乘用車的領頭羊，目前續航里程達到了約850km；本田也推出Clarity車型，實際駕駛距離也超過500km。日本氫能車目前正在向公共汽車、重型卡車和叉車等領域拓展。2020年，日本總共建成加氫站137座，新增氫能燃料電池汽車761輛，累計推廣3902輛。

 

美國：氫能源技術高度商業化

 

經過40年的發展，美國的氫能產業及相關技術已逐漸從專業化應用過渡到商業化應用。2020年，美國已經在數以千計的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動力裝置中應用了氫能燃料電池，并已建成145個加氫站（包括試驗項目）。

 

在發電方面，以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機已經進入到商業化運營階段。在過去的20年里，美國能源部在氫能和相關領域投資超過了40億美元，主要包括氫氣生產、運輸、儲存，以及氫能燃料電池和氫能渦輪機發電等技術的研發。這些研究成果與工業項目相結合，取得了許多成功，例如：應用配備碳捕獲和儲氫裝置的制氫技術，以低于2美元/公斤的成本生產無碳氫；燃料電池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。截至2020年12月，美國能源部已頒發了1100多項氫能技術專利，并在市場上推出了30多項氫能商業技術。

 

得益于長期對氫能技術研發支持，美國擁有一大批氫能產業的尖端技術和明星企業。如以氫燃料電池叉車為主的PlugPower公司，以固定式燃料電池為主的FuelCellEnergy、BloomEnergy等大型燃料電池生產企業，以及掌握氫能儲運核心技術的AirProducts、Praxair等公司，其中，PlugPower公司的電池叉車在在全球燃料電池叉車市場占有率居于首位。

 

歐盟：以減排為引領發展氫能

 

歐盟委員會于2020年3月10日宣布包括德國西門子、荷蘭殼牌、法國空客等品牌在內的“歐洲清潔氫聯盟”的成立。由相關產業領導者、民間機構、國家及地區能源官員和歐洲投資銀行共同發起，旨在為氫能源的大量生產提供投資，滿足歐盟國家對清潔氫能的需求。

 

以實現溫室氣體減排為引領，歐盟各國的氫能利用在以下兩個場景上取得了亮眼成績。一是電轉氣項目：為了解決可再生能源消納問題，德國、丹麥、英國等國家先行先試了power to gas（可再生能源制氫＋天然氣管道摻氫）項目，利用風能、光伏發電的剩余電力制氫，再將氫氣用于與天然氣進行摻混、直接發電和供熱等。截至2019年年底，德國已有在建和運行的power to gas示范項目50個，總裝機容量超過55兆瓦。

 

二是氫能燃料電池公交和列車：交通領域是對歐盟降低溫室氣體排放貢獻較大的領域之一，為了降低交通碳排放，歐盟多個國家在公用交通領域氫能利用上實現了突破，科隆、羅馬、奧斯陸、鹿特丹等城市已投入使用氫燃料電池巴士，德國率先在列車領域應用了氫能。

 

此外，蒂森克虜伯集團已開展氫能煉鋼示范項目，預計到2022年進入大規模應用階段。