世界氫能利用現狀及發展分析

宮攀 蔡翹楚 李淼 楊豐銘 劉曉琳

摘 要：氫能利用始于上世紀70年代，作為能源轉型的路徑選擇之一，目的是實現使用氫作為燃料取代傳統化石燃料。通過氫燃料電池將氫能轉化為電能兼具高轉化效率、安全性和經濟性，是目前氫能主要利用方式和未來發展方向。氫燃料電池主要應用于氫能汽車、分布式發電及熱電聯供系統、氫儲能。世界上多數國家將發展氫能作為能源政策的重要補充，制定氫能發展戰略和路線圖。總體來看，氫能產能較大，交通運輸集中，氫燃料電池低溫適應性強，應用氫燃料電池的分布式熱點聯供系統短期具有一定應用前景，同時也受到技術、成本及政策方面的制約。

關鍵詞：氫能;氫燃料電池;清潔能源。

一、氫能介紹

氫在地球上主要以化合態的形式出現，是宇宙中分布最廣泛的物質，地球上氫的儲量非常豐富，水是氫的大“倉庫”。氫能是一種理想的清潔能源，不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學轉化，其產物只有水。氫具有燃燒熱值高的特點，熱值高達到34千卡每千克，大約是焦炭的4.5倍，汽油的3倍和酒精的3.9倍。氫能是氫在物理與化學變化過程中所釋放的能量，具有能量密度大、無碳排放、資源蘊藏豐富的優點。

氫能利用有著悠久的歷史，19世紀，電解水和燃料電池首次進行了展示，并出現了第一臺用氫氣作為燃料的內燃機。自20世紀中期以來，氫能一直是能源行業不可或缺的組成部分。美國賓夕法尼亞大學的J.O.M. Bockris教授于1972年第一次次提出了“氫經濟”的理念，描繪了未來氫氣取代石油成為支撐全球經濟的主要能源后，整個氫能源生產、配送、貯存及使用的市場體系。但隨后20年間，受到中東局勢、原油價格下行、氫能技術不成熟等各種不確定性因素的影響，石油市場出現回暖，氫能發展的研究分析不斷減少。

進入21世紀，全球能源出現了深入轉型，燃料電池技術突飛猛進，氫能成為解決棄風、棄光等問題的儲能方案之一，再次進入人們的視野。。

預計未來隨著氫能技術的發展，特別是零碳氫燃料的制備技術、固態儲氫技術、燃料電池技術的突破和加氫站的建設，氫能將在燃料電池汽車、船舶和飛機等交通運輸領域擁有一定的應用前景。

二、氫能應用現狀

氫能利用方式主要有氫燃料電池、直接燃燒和核聚變三種。通過氫燃料電池將氫能轉化為電能兼具高轉化效率、安全性和經濟性，是目前氫能主要利用方式和未來發展方向。

氫燃料電池是通過電解水的逆反應，將燃料（氫氣）與氧化劑（氧氣）中的化學能，轉化為電能的發電裝置。氫燃料電池主要應用于氫能汽車、分布式發電及熱電聯供系統、氫儲能。其中氫能汽車正逐步進入市場化推廣階段;分布式氫能電源和分布式熱電聯供系統處于早期市場化推廣階段;氫儲能仍處于研究和示范階段。

氫能汽車：氫燃料電池汽車（FCEV）是氫能清潔利用的主要方式，氫燃料電池汽車的最大優點是零排放、能量密度高、能量轉換效率高（可高達60%）、續駛里程長、加氫時間短（一般加氫時間3分鐘，可以續航里程400公里以上）等。豐田公司2014年推出第一款氫燃料電池車，以液態氫為動力源，充滿儲氫罐大約需要3-5分鐘，可以支持500公里續航里程。

分布式發電及熱電聯供系統：美國能源部資助的“未來發電”項目中固體氧化物燃料電池與熱機的300千瓦級工程示范裝置發電效率達52%，熱電聯供后效率可達到80%以上。將氫能作為燃料廣泛應用于社會日常生活和經濟活動中，旨在建立可持續發展的地方氫能供應鏈，實現交通、供暖、工業等領域的低碳化。

氫儲能：通過電解制氫的方式將多余的風電、光伏電轉化為氫氣可提高風能、太陽能的使用量和利用效率。法國阿海琺集團在科西嘉島的“MYRTE”項目，集成了氫能系統和太陽能光伏電廠，旨在通過調峰和平穩光伏電廠負載來穩定電網。國內于2010年年底，在江蘇沿海建成了首個非并網風電制氫示范工程，利用1臺30千瓦的風機直接給新型電解水制氫裝置供電，日產氫氣120立方米（標準狀態下）。

三、氫能相關政策

1. 各國氫能政策

從各國氫能源的產業規劃來看，多數國家將發展氫能作為能源政策的重要補充，加快氫能頂層設計，制定氫能發展戰略和路線圖，目標是到2040～2050年實現氫能的廣泛應用。

20世紀90年代，環境污染和能源供需問題突出，氫能利用受到世界各國的重視，于2000年前后制定了一系列的發展戰略和政策。

（1）日本于2004年將燃料電池列為國家新興戰略產業之一，并于2014年發布《氫能源白皮書》和《氫能戰略發展路線圖》，目標是到2040年，應用氫燃料電池的家用熱電聯供設備達到530萬臺，氫能汽車占新車銷售份額的50%-70%。

（2）美國能源部于2001年發布氫能愿景，2018年恢復《燃料電池投資稅收抵免政策》，目標到2040年實現使用氫燃料取代化石燃料的經濟發展模式過渡。

（3）歐盟于2003年制定了《歐盟氫能路線圖》，發布氫能與氫燃料電池技術發展愿景與規劃，目標到2040年氫能汽車占新車銷售份額的35%。

2. 中國氫能政策

中國在2001年發布《“十五”國家“863”計劃重大專項》，指出發展氫燃料電池技術，并在2012年發布《節能與新能源汽車產業發展規劃》，在2018年發布了氫能汽車財政補貼方案，最高可達100萬元/輛，目標到2030年實現百萬輛氫能汽車商業化應用，并建成1000座加氫站。

2019年，氫能源首次寫入《政府工作報告》。2019年4月，國家發展改革委會同有關部門對 《產業結構調整指導目錄（ 修正 ）》進行了修訂，形成《產業結構調整指導目錄》，氫能及燃料電池產業被納入鼓勵類發展。2020年4月，國家能源局發布的《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》首次將氫能列入能源范疇。2020年5月，國家發改委 《關于2019年國民經濟和社會發展計劃執行情況與2020年國民經濟和社會發展計劃草案的報告》中提出：制定國家氫能產業發展戰略規劃。支持新源汽車、儲能產業發展，推動智能汽車創新發展戰略實施。2020年7月，國家能源局《關于加快能源領域新型標準體系建設的指導意見（征求稿）》公開征求意見，意見稿指出要在智慧能源、能源互聯網、風電、太陽能發電、生物質能、儲能、氫能等新興領域，率先推進新型標準體系建設，發揮示范帶動作用。

四、氫能發展前景分析

氫能發展具備以下優勢，一是我國具備全球最大制氫產能和巨大的可再生能源可開發量，城市及港口的交通運輸較為集中，產業鏈和標準規范已初步形成。二是氫燃料電池低溫適應性強，在極寒冷地區有一定市場。根據IEA預測，到2050年，理想情景下，氫能汽車占比有望達到15%。三是應用氫燃料電池的分布式熱電聯供系統未來短期內可得到一定應用。應用氫燃料電池的分布式熱電聯供系統對比傳統內燃機熱電聯供系統具有節能減排的優勢，得到了日本、美國和德國等國家的推廣。四是分布式氫能電源和氫儲能應用有一定發展空間。未來隨著氫燃料電池以及制氫成本的降低，分布式氫能電源有望取代柴油發電機成為重要的離網電源和備用電源。未來，隨著氫技術進步，其在遠距離運輸等特定場景具有一定市場空間，值得關注。

同時，氫能發展受到一定的制約，一是在核心材料、零部件、裝備和重大工程方面存在關鍵技術問題，例如，氫能汽車的成本短時間內難以大幅下降，總體上與電動汽車競爭有明顯劣勢，但在客車領域和寒冷地區有一定發展空間。氫燃料電池的核心組件，催化劑依賴于貴金屬“鉑”，尚未發現替代產品，氫能汽車的成本過高問題短時間內難以解決。并且，“電-氫-電”的環節，讓氫能汽車電能利用率大大降低，僅為30-40%，與電動汽車相比（85-95%）差距很大。二是在能源體系中定位需進一步清晰，各級政府的頂層設計和法律法規需進一步完善，商業模式待清晰。

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