中國氫能源與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略及未來展望

2020年9月，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提出后，減碳降碳成為熱點(diǎn)話題，能源問題成為重要議題。其中，氫能作為一種綠色、高效、應(yīng)用廣泛的二次能源，受到廣泛重視。因?yàn)樗鼘?jié)能、提高能效，乃至推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型可以發(fā)揮積極作用。

從“雙碳”戰(zhàn)略理解氫能是傳統(tǒng)和未來的“黏合劑”

在“雙碳”戰(zhàn)略大背景下，氫能不僅是能源，還是重要載體，能夠?qū)鹘y(tǒng)化石能源和可再生能源連接起來，實(shí)現(xiàn)二者平穩(wěn)過渡，也就是氫能被視為傳統(tǒng)能源與未來能源的“黏合劑”。

尤其是中國能源結(jié)構(gòu)存在著特殊性，概括起來說就是“一多三少”：煤比較多，油氣、非化石能源、核能占比較少。目前，以煤為基礎(chǔ)的能源利用形式轉(zhuǎn)化效率不高，油氣供應(yīng)安全形勢嚴(yán)峻，大規(guī)?？稍偕茉唇谶€很難全面替代煤炭。此外，二氧化碳資源化回收及高值化利用技術(shù)不足。對比歐美日等國家和地區(qū)，中國核電占比也小，這意味著中國減碳難度更大，需要更好更快發(fā)揮氫能的“轉(zhuǎn)化作用”。

對于氫能的發(fā)展利用，各國資源稟賦的不同凸顯出不同特色。同時(shí)，不同發(fā)展目標(biāo)決定了不同技術(shù)路線和發(fā)展模式。日本發(fā)展氫能主要是解決國家的能源安全問題，澳大利亞主要是發(fā)展氫能貿(mào)易，歐洲是為了解決工業(yè)脫碳，美國主要是固定式發(fā)電，韓國主要是發(fā)展氫燃料電池汽車。

我國對氫能的認(rèn)識正逐步深入。從最初對氫能的制備技術(shù)、成本、安全等問題存在諸多爭議，到工業(yè)制備技術(shù)成熟，氫能成為重要的補(bǔ)充能源；到2022年3月23日《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》發(fā)布，氫能成為中國能源的重要組成部分。

氫能作為我國低碳發(fā)展的重要途徑，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，節(jié)能和提高能效的減排潛力巨大；二是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加大可再生能源的比例，同時(shí)如何把化石能源比例降下來；三是在解決不了可再生能源占比擴(kuò)大、對碳中和的作用還不明顯的時(shí)候，我國要采用CCS（Carbon Capture and Storage，二氧化碳捕獲和封存技術(shù)）或是CCUS（Carbon Capture、 Use and Storage，碳捕獲、利用與封存技術(shù)）來兜底。氫能與電能的耦合，是解決“雙碳”問題的重要選擇。氫能產(chǎn)業(yè)鏈非常長、應(yīng)用前景廣闊，它涉及上游的制氫、輸氫、儲氫、加氫，再到下游的用氫發(fā)電、供熱、交通等，它涉及的領(lǐng)域主要包括交通、發(fā)電、儲能、新型利用等。國際氫能專家理事會預(yù)測到2030年，氫能將為大約1000萬到1500萬輛汽車和50萬輛卡車提供動力；2050年，氫能約占全球總能耗的1/5。

國內(nèi)外氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

從2006年起，我國已著手制定氫能源相關(guān)政策，2020年度發(fā)展規(guī)劃草案里已明確制定國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，2021年采取“以獎代補(bǔ)”扶持氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前正推動“氫進(jìn)萬家”的計(jì)劃。

全世界的“純氫”產(chǎn)量超過7000萬噸，最大可達(dá)1.1億噸，主要用于化工精煉、合成氨等領(lǐng)域，交通領(lǐng)域的消費(fèi)占比不到0.1%。目前，我國是全球最大的產(chǎn)氫國之一，產(chǎn)氫能力超過4100萬噸，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量在3300萬噸左右，但交通領(lǐng)域應(yīng)用也只有0.1%左右，主要用于化工行業(yè)。

氫的來源主要是天然氣制氫和煤制氫。世界其他國家主要是天然氣制氫，中國煤制氫占比較大。目前，可再生能源電解水制氫占比很小，國內(nèi)在1%以下。2019年全國統(tǒng)計(jì)是50萬噸，其中堿性水電解槽已基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)的國產(chǎn)化。電解水制氫為代表的低碳制氫，無論在市場應(yīng)用，還是技術(shù)水平方面，我國都落后于國際水平。

從供氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，2020年全球共有544座加氫站，中國有128座，日本有137座，韓國有56座，歐洲145座，美國45座，其他國家加起來只有三十多座。另據(jù)Information Trends研究表明，截至2022年底，全球加氫站部署已超1000座大關(guān)。其中，中國加氫站數(shù)量占全球加氫站總數(shù)的1/3，遙遙領(lǐng)先，而美國則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，加氫站數(shù)量仍不到100座。緊隨中國其后的是日本、韓國。德國則是歐洲唯一一個(gè)超過100座加氫站的國家。

各國氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，我國制氫供氫產(chǎn)業(yè)的社會投入強(qiáng)度顯著提升，加氫站數(shù)量和規(guī)模增長強(qiáng)勁，技術(shù)進(jìn)步明顯。

從典型國家和地區(qū)供氫布局來看，日本儲運(yùn)氫的技術(shù)處于先進(jìn)地位，已經(jīng)突破45MPa高壓長管拖車儲運(yùn)氫技術(shù)和法規(guī)，氫氣運(yùn)輸能力可以達(dá)到700kg以上，預(yù)計(jì)到2030年，日本加氫站數(shù)量可達(dá)1000座以上，成本有望大幅度降低。歐盟在儲運(yùn)氫技術(shù)方面也處于領(lǐng)先地位，如長管拖車、液氫槽車、氫氣管道等。美國在儲運(yùn)氫方面，高壓氣氫、液氫與管道并行發(fā)展，加氫站部署主要集中在加州。目前，我國供氫情況主要是采用壓縮氫氣方式進(jìn)行儲存和運(yùn)輸。加氫站技術(shù)基本上是35MPa，加氫站的設(shè)計(jì)、建設(shè)，以及三大關(guān)鍵設(shè)備（45MPa大容積儲氫罐、35MPa加氫機(jī)整機(jī)和45MPa隔膜式壓縮機(jī)）均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。儲氫方面，國內(nèi)關(guān)鍵裝備技術(shù)有待突破，以20MPa的長管拖車運(yùn)輸為主，效率低成本高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模化水平偏低。加氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)總體薄弱，核心裝備與零部件技術(shù)需要進(jìn)一步提升。

燃料電池領(lǐng)域，目前的出貨類型以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）為主。從商業(yè)應(yīng)用上來看，PEMFC和SOFC是當(dāng)前最主要的燃料電池技術(shù)路線之一。從商業(yè)角度，質(zhì)子交換膜燃料電池在中國的市場占比大，固體氧化物燃料要少一點(diǎn)。PEMFC要求氫燃料的純度高，工作溫度比較低（80度到90多度），因此它啟動比較快，主要應(yīng)用在交通方面。SOFC工作溫度比較高，在650~800度之間，比較來看，能源轉(zhuǎn)化效率高，而且它不需要用昂貴的催化劑，適合于大型集中式供電、分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供，在交通領(lǐng)域已有應(yīng)用，尤其是重型卡車。

2020年，全球燃料電池出貨量超過8萬臺，固定領(lǐng)域的出貨量占了絕大多數(shù)，主要是小型的家庭型熱電聯(lián)供。美國Bloom Energy公司已經(jīng)為蘋果大型數(shù)據(jù)中心、沃爾瑪大型商業(yè)中心、谷歌及可口可樂的大型數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)。燃料電池是并聯(lián)方式，即使其中一個(gè)構(gòu)件壞了，也不會全線崩潰，是目前最穩(wěn)定的發(fā)電方式之一。日本已開發(fā)出10套250kW的SOFC-微氣輪機(jī)混合動力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率期待值可以達(dá)到75%左右。家庭熱電聯(lián)供方面，日本ENE-FARM計(jì)劃在2030年讓家庭型熱電聯(lián)供燃料電池超過530萬套。

氫燃料電池汽車是全球的重要熱點(diǎn)，2022年全球保有量67315輛，較2021年增長35.8%。從發(fā)展類型來看，全球以乘用車為主，商用車為輔，而我國以商用車為主。截至2022年底，我國共擁有12682輛氫燃料電池車。

未來，氫能的重要新興領(lǐng)域還有氫冶金、天然氣管網(wǎng)摻氫、燃料電池?zé)o人機(jī)等。氫儲能方面，2020年全球共有13個(gè)氫儲能項(xiàng)目，裝機(jī)規(guī)模共計(jì)20.23MW左右，有7個(gè)位于德國，裝機(jī)規(guī)模占全球的77%。2023年初，我國氫儲能相關(guān)的政策不斷出臺，項(xiàng)目也呈明顯增多趨勢。比如，工信部等六部門、青海省、甘肅省、河南新鄉(xiāng)市等都將氫儲能納入政策規(guī)劃，支持氫儲能技術(shù)研發(fā)，積極培育氫儲能商業(yè)化應(yīng)用模式；項(xiàng)目方面，云南首個(gè)光伏制氫與電網(wǎng)氫儲能綜合示范工程投運(yùn)，常溫常壓氫能儲用一體化項(xiàng)目在上海正式運(yùn)行，等等。

我國氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景及存在的問題

從氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景看，為促進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型升級，在目前能源結(jié)構(gòu)以煤為主以及“雙碳”目標(biāo)的情況下，如何把高碳能源低碳化應(yīng)用，是必須考慮的問題。交通動力的轉(zhuǎn)型是重要方向。前幾年，鐵路系統(tǒng)為什么要搞氫能源運(yùn)輸？原因即在于，以電動機(jī)車為主體的能源動力，如果電網(wǎng)出現(xiàn)問題，整個(gè)線路都會受影響。氫能源機(jī)車只是一個(gè)車輛出問題，并不影響整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行。交通領(lǐng)域里大型海上運(yùn)輸?shù)膶?shí)際排放量很高，今后可能通過固體氧化物燃料電池作為船舶動力系統(tǒng)，比其他技術(shù)更有前景。

我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)是擁有比較豐富的氫氣資源，開發(fā)潛力較大，完全可支撐我國中長期氫能源發(fā)展愿景。我國是世界第一大制氫國，也是第一大汽車市場。但總的來講，我國跟國際上還有比較大的差距，氫燃料電池技術(shù)落后于國際水平，相關(guān)核心設(shè)備及技術(shù)主要是依賴進(jìn)口。

從氫能源與燃料電池發(fā)展存在的問題來看，制氫成本方面，中國發(fā)展的重點(diǎn)是以可再生能源為主體的綠氫。為什么提出綠氫，主要是我國已過度倚重質(zhì)子膜燃料電池。質(zhì)子膜燃料電池工作溫度低，對氫氣的純度要求很高，一般是使用電解水制氫氣源，若使用可再生能源發(fā)電，最大的問題是間歇性問題。實(shí)際上，目前我國化石能源制氫，氫氣純度并不高，但是制氫成本相對較低，仍需把大規(guī)模煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)提純氫利用好。煤制氫進(jìn)一步規(guī)?；?，成本還會降低，但這仍是高碳能源。低碳利用方面的途徑是進(jìn)一步把煤制氫得到的二氧化碳資源化，把它作為一種化工原料利用起來。儲運(yùn)氫方面，還需要在儲運(yùn)、加氫技術(shù)和裝備方面進(jìn)一步研究和完善?；茉粗茪浜凸I(yè)副產(chǎn)提純氫技術(shù)與國際水平并跑，在煤制氫方面，國內(nèi)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。電解水制氫方面，跟國際有差距。燃料電池方面，國內(nèi)質(zhì)子膜成本仍較高，關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化程度較低。國內(nèi)關(guān)于固體氧化物燃料電池的研究基礎(chǔ)薄弱，應(yīng)該給予更多關(guān)注。另外，地區(qū)層面存在產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化現(xiàn)象，“技術(shù)空心化”問題凸顯，產(chǎn)業(yè)發(fā)展商業(yè)模式有待檢驗(yàn)等。

重點(diǎn)在突破“卡脖子”難題。在氫的生產(chǎn)上，中國與國際水平相當(dāng)，但氫能產(chǎn)業(yè)裝備制造等方面相對滯后，相關(guān)核心設(shè)備主要依靠進(jìn)口，與美歐日韓差距有拉大的趨勢。

儲運(yùn)上，我國以氣氫為主，主要沿用國外技術(shù)手段，液態(tài)儲氫尚未應(yīng)用到民用領(lǐng)域，固態(tài)儲氫國內(nèi)基本處于研發(fā)階段。車輛運(yùn)輸氫氣的效率低、成本高，2020年儲運(yùn)占?xì)淠艹杀镜?0%左右，更高壓及大規(guī)模管道運(yùn)輸在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等方面仍存在較大障礙。氫能不便于存儲、液化成本高等難題限制了氫能的遠(yuǎn)距離輸送。

在應(yīng)用端上，燃料電池關(guān)鍵部件、測試裝備有較大追趕空間。可以說，“卡脖子”難題分布在氫能產(chǎn)業(yè)的多個(gè)環(huán)節(jié)，亟待打破國外技術(shù)封鎖。

短期內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)突破固體氧化物燃料電池電堆及系統(tǒng)集成技術(shù)，完善我國可再生能源制氫技術(shù)鏈，建立綠色制氫試點(diǎn)示范項(xiàng)目，推動可再生能源制氫技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國氫能源與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略

未來10~20年是我國氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期，要從戰(zhàn)略、政策、技術(shù)、資金、國際合作等方面積極謀劃，在改革創(chuàng)新的過程中，還是以技術(shù)為本、區(qū)域協(xié)同，同時(shí)要尊重市場。相關(guān)企業(yè)在中國氫能源和燃料電池方面要唱主角，可以先行先試，利用行業(yè)的優(yōu)勢以及國家的扶持政策，拓展氫能市場，穩(wěn)步推進(jìn)氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

對于氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)，2021—2025年是政策引導(dǎo)、局部示范導(dǎo)入期，企業(yè)能不能通過管網(wǎng)系統(tǒng)開展熱電聯(lián)供或分布式制氫，這是關(guān)于如何做的問題。2026—2035年是市場驅(qū)動商業(yè)模式培育期，需要建立比較完整的氫能儲運(yùn)供應(yīng)體系，相關(guān)企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)占有優(yōu)勢，重點(diǎn)要布局在基礎(chǔ)設(shè)施方面。制氫要進(jìn)入化工園區(qū)，成本大幅度升高，燃?xì)馄髽I(yè)通過管網(wǎng)體系可否把分布式加氫站建起來？2036—2050年是產(chǎn)業(yè)生態(tài)綠色智慧成熟期。在碳中和階段，通過今后10~15年的努力，為碳中和提供好基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)應(yīng)用平臺。

對于燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)，首先在PEMFC方面，2021—2025年開展在船舶、重卡等領(lǐng)域的示范應(yīng)用；2026—2035年國產(chǎn)化低成本材料與部件建立批量生產(chǎn)線，提升電堆的性能和穩(wěn)定性，成本降低；到2036—2050年，高性能、高耐久性的新材料及電堆要做到規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。在SOFC/SOEC方面，2021—2025年把成本大幅度降低，把7萬元/千瓦~8萬元/千瓦降低到3萬元/千瓦以下，壽命達(dá)到1萬小時(shí)；到2026—2035年，要把固體氧化物燃料電池壽命提高到8萬小時(shí)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低成本。規(guī)模上，到2025年左右做出十兆瓦系統(tǒng)，到2035年左右做出百兆瓦、千兆瓦系統(tǒng)，這樣使我國能夠真正實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。

制氫、供氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，主要考慮可再生能源制氫和綠氫消納。供氫產(chǎn)業(yè)，主要考慮從氣氫向液氫、輸氫、加氫幾個(gè)角度如何做的問題。對供氫，首先可能是氣氫往液氫、加氫方面發(fā)展。

對于質(zhì)子膜燃料電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，是提高燃料電池電堆關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化，提高燃料電池耐久性、動力性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和安全性，降低燃料電池系統(tǒng)噪聲。質(zhì)子膜燃料電池技術(shù)成本降不下來，不利于整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

對于固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)，是開發(fā)低成本高性能的單電池批量化制備技術(shù)，突破高可靠性的電堆設(shè)計(jì)、集成及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，掌握高效系統(tǒng)集成、控制管理及示范技術(shù)等。如何把固體氧化物燃料電池應(yīng)用場景往外拓展，希望今后在交通領(lǐng)域以重卡、公交等商業(yè)車為突破口，建立起柴改氫工業(yè)示范，發(fā)展船用氫燃料電池技術(shù)工程化的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)電領(lǐng)域“氫儲能+固定式燃料電池電站”有望成為發(fā)展出路之一。燃料電池作為通信基站的備用電源將是一種具有競爭力的應(yīng)用方式，天然氣管網(wǎng)摻氫是解決大規(guī)模可再生能源消納問題的途徑之一。用氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖也已經(jīng)提出來了，今后我國在百M(fèi)W級IGFC重大工程，低成本先進(jìn)電解水制氫準(zhǔn)備研制工程科技專項(xiàng)，氫能安全儲存與快速輸配工程科技專項(xiàng)，100千瓦級SOFC發(fā)電模塊開發(fā)工程科技專項(xiàng)，分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)工程科技專項(xiàng)，高能效長航時(shí)燃料電池船舶動力工程科技專項(xiàng)，固體氧化物電解池耦合可再生能源轉(zhuǎn)化儲存工程科技專項(xiàng)，氫冶金重大工程科技專項(xiàng)等方面，需要進(jìn)行專項(xiàng)立項(xiàng)探索。

保障措施與政策建議

保障措施方面，一是進(jìn)一步加強(qiáng)氫能源與燃料電池的頂層設(shè)計(jì)；二是國有資本要堅(jiān)持穩(wěn)妥有序進(jìn)入、有所作為和有所不為的原則；三是建立健全產(chǎn)業(yè)政策、安全監(jiān)管及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；四是加大對氫能基礎(chǔ)設(shè)施全產(chǎn)業(yè)鏈的補(bǔ)貼政策及金融支持；五是建立氫能基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與核心裝備自主化的長效機(jī)制。

政策建議方面，明確氫能源與燃料電池發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，健全氫能源產(chǎn)業(yè)政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)體系和金融環(huán)境。加強(qiáng)技術(shù)的自主研發(fā)與應(yīng)用示范支持，完成平臺體系建設(shè)，鼓勵務(wù)實(shí)的國際合作。因地制宜選擇氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展技術(shù)路線，探索有效的商業(yè)模式。

審核編輯 ：李倩