氫產業鏈發展的路徑分析

黃晟，楊振麗，李振宇

（1 燕山大學公共管理學院，河北 秦皇島 066004；2 多弗國際控股集團有限公司，北京 100124）

為應對全球氣候變暖，世界各國紛紛出臺控制碳排放的有關政策，積極推進各行業綠色低碳轉型與發展，控制和減少溫室氣體排放。中國國家領導人已經多次聲明計劃在2030 年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和[1]，該目標為我國各行業綠色低碳轉型指明了方向。氫氣具有來源豐富、燃燒熱值高、使用過程零碳清潔、用途廣泛等諸多特點，可成為推動多個行業低碳發展的解決方案，同時氫產業鏈較長，涉及環節較多，氫產業發展可帶動氫產業鏈上游制氫、中游儲運加氫以及下游氫的商業應用涉及的多個領域的經濟發展。近年來，全球各國不斷提高對于氫產業重要性的認識，美國、歐盟等制定了通過發展氫產業進而減少碳排放和污染物等定量的環境效益目標[2]，氫逐步被應用到多個領域。本文將在對美國、歐盟、日本和我國的氫產業發展情況進行比較與分析的基礎上，立足我國實際，為我國氫產業發展提出對策與建議。

1 全球氫產業發展現狀

制取氫氣主要有化石能源制氫、工業副產氫、電解水制氫三種方式，不同方式的具體對比情況見表1。目前全球氫氣來源以天然氣制氫、副產氫為主，電解水制氫僅占4%，全球氫源結構如圖1所示[3]。

表1 主要制氫方式具體對比情況

圖1 全球氫源結構

目前，全球每年可以生產9000 萬噸左右氫氣[4-5]，全球氫的主要消費情況如圖2 所示[6]，氫主要應用在煉油和化工領域，在其他領域應用較少。2021 年，交通運輸、氫基直接還原鐵、電力和建筑等新用途的需求僅占全球氫需求的0.04%。

圖2 全球氫的主要消費情況

1.1 氫發展相關戰略與主要政策

世界各國為積極推動氫的發展與應用發布了大量相關戰略與政策，主要的代表性經濟體有美國、日本、歐盟等，以下分別介紹各國主要氫發展戰略與政策。

美國注重氫能全產業鏈的發展。美國在1970年首先提出“氫經濟”概念，先后頒布《氫研究、開發及示范法案》與《氫能前景法案》，撥付1.6億美元推動生產、儲運以及應用氫能等相關技術研究。2012年，美國國會重新修訂氫燃料電池扶持政策，減免制儲氫設備、加氫站以及氫燃料電池車等多項基礎設施稅收[2]。2021年，美國總統簽署《基礎設施投資和就業法案》，計劃于2022—2026年間為推動電解槽和氫能全產業鏈研究投入15 億美元。2023年6月，美國發布《美國國家清潔氫能戰略和路線圖》，旨在加快清潔氫的生產、加工、輸送、儲存和使用。

日本注重氫能的發展，尤其是氫燃料電池的應用。日本在2017 年發布了全球第一個在碳中和目標下的氫發展規劃《氫基本戰略》，把建立“氫社會”作為其國家基本戰略之一[7]，同年，確立了“氫能源基本戰略”。日本新能源技術綜合開發機構（NEDO）設立2 萬億日元的“綠色創新基金”，推動大型氫供應鏈建設、可再生能源制氫以及下一代飛機、船舶開發等[8]。2019年，日本修訂了《氫燃料電池戰略路線圖》，同時制定“氫燃料電池戰略技術發展戰略”。該戰略提出要加強互相合作推進技術研發與應用，著重發展燃料電池技術、氫供應鏈和電解技術三大技術領域，車載用燃料電池是優先發展項目之一[9]。

歐盟重點推進綠氫生產與應用。2020年6月歐洲清潔氫能聯盟成立，同年12 月，22 個歐盟國家和挪威發起了歐洲價值鏈共同利益重點工程支持計劃（Important Project of Common European Interests，IPCEIs），支持綠氫全產業鏈的各類項目，形成跨國綠氫網絡。CertifHy 作為歐洲首個氫、藍氫溯源認證機制，已推出首個歐盟范圍的綠色氫源保證（CertifHy GO） 認證計劃，并向市場發放超過75000個GO認證。《歐洲氫戰略》提出為推動歐洲2050 年實現碳中和必須加快氫能發展，預計到2030 年投入240 億～420 億歐元用于安裝4000 萬千瓦的電解設施，生產1000 萬噸的“綠氫”[10]?！稓W盟氫能戰略》提出到2050 年氫能占歐盟能源消費的比重提高到13%～14%，并大力推動綠氫發展，計劃到2050年可大規模應用綠氫。

1.2 氫產業發展具體情況

美國、日本、歐盟目前各國氫氣大部分都來自于天然氣制氫與工業副產氫，氫氣主要用于煉油與化工領域，美國每年的氫氣消耗量超過1100萬噸，占全球需求的13%，其中三分之二用于煉油，其余大部分用于氨生產。歐盟2020年氫氣消耗量700萬噸，用于煉油370 萬噸、化工行業300 萬噸。氫氣在發電、建筑、交通等其他領域應用較少，但近年來也在逐步發展，尤其是氫燃料電池發展迅速，其中美國在氫燃料電池汽車市場、加氫站利用率等方面發展全球領先，加州政府已成為全球燃料電池車推廣最為成熟的地區。交通方面，美國氫燃料電池叉車保有量超過5萬輛，氫燃料電池小汽車約1.5 萬輛，開放加氫站54 座。氫燃料電池發電方面，美國固定電站和備用電源總規模超過500MW。日本在氫燃料電池技術研發與應用上全球領先，氫燃料電池汽車是其重點研究方向，2014 年豐田MIRAIFCV、2015年本田CLARITYFCV上市，在全球率先實現了氫燃料電池汽車產業的商業化，截至2020 年日本氫燃料電池汽車全球累計銷量超過1.2 萬臺，累積建成加氫站162 座[11]，并計劃到2030 年國內氫燃料汽車達到80 萬臺，部署加氫站900 個[12]；日本也大力推動氫能和燃料電池在固定式發電領域的應用，擁有全球最大的微型分布式熱電聯供系統[13]。

在氫能應用技術方面，日本在現階段全球氫能技術創新中占主導地位。2011—2020 年，日本在堿性電解槽技術和質子交換膜電解槽技術方面的專利申請量全球排名領先[14]。美國液氫與輸氫技術發展較快，美國是全球最大的液氫市場，實際消耗的液氫占全球80%以上[15]。美國管道輸氫技術走在世界最前端，輸氫管道總里程已超過2700km，最高運行壓力到10.3MPa，管道主要位于墨西哥灣沿岸，管線長達1000km。歐盟近年來尤其重視綠氫的生產與應用，投入大量資金推進電解基礎設施建設，已安裝超過140MW 的電解專用制氫設備，占全球產能的40%以上。

2 中國氫發展戰略與應用現狀

2.1 氫發展相關戰略與主要政策

在國家層面，2020 年國務院辦公廳發布《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，提出加快推進氫燃料電池汽車應用相關核心技術研發。2021 年發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》，提出應謀劃布局發展氫能產業。2021 年，國家能源局發布《“十四五”能源領域科技創新規劃》，強調要推進制氫、儲運、應用等相關技術的研發?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l展規劃》強調推動可再生能源制氫發展。在地方層面，北京、河北、上海、江蘇、山東等各地也都陸續出臺推進氫能發展的相關政策，多地在“十四五”發展規劃中提出推動氫能發展并發布氫能源相關專項規劃。除此以外，各地為推動氫能產業發展，發布一系列補貼政策，天津市出臺《燃料電池汽車示范城市地方財政支持政策指導意見》，指出對新建加氫制氫設施按固定資產投資總額的30%給予最高500萬元的一次性補貼。北京市頒發《關于開展2022—2023 年度北京市燃料電池汽車示范應用項目申報的通知》，提出北京市經信局將按照車輛使用年限，對940輛車按使用年限發放獎勵資金，對加氫站按照不超過核定的設備購置投資總額10%給予補助，最高200萬元。

2.2 中國氫產業發展具體情況

2.2.1 中國制氫技術發展現狀

中國是世界上最大的制氫國，2020 年產氫近2200 萬噸。我國制氫主要來自化石能源制氫和工業副產氫，這兩種制氫方式成本低、技術成熟、產量大且產能分布廣，但是制取過程中會產生大量的二氧化碳。2022 年我國制氫來源占比如圖3所示[16]。

圖3 2022年中國氫源結構

2.2.2 中國儲氫技術發展現狀

儲氫有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液體儲氫、固態儲氫、液氨和甲醇儲氫等多種方式[17]，固態儲氫又分為化學吸附儲氫和物理吸附儲氫。液態儲氫成本較高主要應用于航天領域，固態儲氫技術仍處于研發階段，有機液體儲氫方式儲氫密度高、安全方便，但脫氫過程需要消耗大量能量。液氨儲氫密度高，但氫與氨之間的轉換過程中有大量損耗，轉換效率有待提高，目前液氨儲氫和甲醇儲氫正逐漸受到各國關注。現階段我國高壓氣態儲氫技術應用最為廣泛，高壓儲氫瓶以35MPa的Ⅲ型為主，其各方面性能與Ⅳ型儲氫瓶都存在一定差距，但受技術限制，Ⅳ型儲氫瓶還未生產與應用，且Ⅲ型儲氫瓶的一些關鍵零部件也未實現自主化生產。目前，國外高壓儲氫瓶生產與應用技術較為先進，我國儲氫技術與國外還存在一定差距，國內外部分儲氫瓶技術參數對比見表2[18]。

表2 國內外儲氫瓶技術參數對比

2.2.3 中國輸氫技術發展現狀

氫氣運輸主要有長管拖車、液氫槽車、管道運輸三種形式，目前我國以高壓氣氫拖車運輸為主，液氫槽車運輸儲氫密度高，但成本較高，目前民用市場還不適用。管道輸氫有純氫管道輸送和天然氣摻氫管道輸送，目前主要采取天然氣管道摻氫輸送，且仍處于探索階段，氫氣輸送管網建設里程不足，只有400km。2019年，國家電投在遼寧省朝陽市實施首個電解制氫摻入天然氣示范項目。2020 年，國家電投在河北張家口啟動“天然氣摻氫關鍵技術研發及應用示范”項目，預計每年可向張家口市區輸送氫氣440 萬立方米[3]。目前，在寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺，管道中氫氣比例已逐步達到24%[19]。

2.2.4 中國氫的應用發展現狀

目前我國以能源與化工領域為氫氣主要應用方向，近年來，氫燃料電池汽車在交通領域的應用發展較快，截至2022 年底，我國氫燃料電池汽車保有量約1.3 萬輛，居全球第三，累計建成加氫站358 座，其中在營245 座，數量全球第一[20]。氫氣在煉油加氫、生產氨、生產甲醇等化工領域也發揮著重要作用，但綠氫化工仍然在探索階段[3]。此外，氫氣也常被用在半導體工業中，高純氫氣還原三氯氫硅是制取高純多晶硅的一種重要途徑。目前，氫氣在鋼鐵冶金、儲能、建筑、發電等領域的應用較少，技術路線也不夠成熟。

2.3 國外經驗與中國實踐的比較與啟示

美、日、歐盟等都非常重視氫產業的發展，各國相繼出臺了氫發展相關政策與戰略，并在技術研發以及設施建設上給予了資金和政策支持，不斷推動氫融入能源、交通、建筑等多個領域，加大氫產業的布局逐漸成為各國共識。相比較而言，美國重視氫能全產業鏈的發展，日本研究重點在于氫燃料電池，歐盟更加重視綠氫的生產與應用。

通過國內外氫產業多方面發展情況的對比可以看出，第一，我國對于氫產業發展的認識較晚，國外的氫發展規劃以及氫的應用方面較我國更為成熟，尤其是涉及的相關核心技術方面，我國與國外存在一定差距。目前我國尚缺乏氫產業發展戰略的總體規劃，核心技術有待突破，對氫產業還處在探索和謀劃階段。第二，國家整體層面的系統布局仍有待完善，氫產業發展前期各地都在爭相發展氫能，在區域合作、跨省合作方面考慮不夠，存在盲目競爭、資源分散的問題，不利于全國市場體系的構建。同時我國地方缺乏對于全產業鏈發展的考慮，在建設加氫站、支持氫燃料電池汽車運營等方面補貼高昂，難以持續推進后續發展，建議從氫產業鏈整體布局、合理規劃，從而推進產業長久發展。

在雙碳目標的背景下，我國亟需推動綠色產業的發展，發展氫產業是我國實現雙碳目標的重要途徑，應當借鑒國際先進經驗，全面審視本國目前氫產業鏈各環節發展情況，立足我國各地資源分布情況以及現實條件，建立氫產業發展的長遠規劃，構建從制氫、儲運、加氫站建設到多場景應用的全產業鏈，謀劃區域產業布局。

3 氫產業發展方向

氫氣（H2）是氫元素形成的一種單質，常溫常壓下是一種易燃燒且難溶于水的氣體，密度為0.089g/L（101.325kPa，0℃），只有空氣的1/14，是世界上已知的密度最小的氣體。氫氣體積能量密度低，質量能量密度高，具有來源廣泛、零碳清潔的特點，目前已被多個國家應用到化工、交通、發電、冶金等多個領域中，在推進各行業低碳轉型過程中發揮了重要作用?，F階段制取的氫氣大部分仍為灰氫與藍氫，綠氫占比較低，而在推動各行業完成真正意義上的綠色轉型需要綠氫發揮關鍵作用，從而加快一些領域實現零碳突破（灰氫通常是指通過化石燃料燃燒產生的氫氣，生產過程中有大量二氧化碳排放；藍氫是指在灰氫的基礎上，應用碳捕集和封存技術獲取得到的氫氣，減少了生產過程中的碳排放量。綠氫是指通過太陽能、風力等可再生能源發電電解水制取得到的氫氣，制氫過程無二氧化碳的排放）。氫產業鏈涉及氫氣制取、儲運與應用等環節，發展綠氫產業需從加大綠氫的大規模低成本制取、突破氫氣儲運的核心技術瓶頸、推廣綠氫多元化應用等多方面考慮。綠氫具有綠色能源、綠色原料、綠色材料三個屬性，作為能源主要應用在交通、發電等領域，對于目前的氫氣儲運技術要求較高；作為原料使用，重點是合成氨和甲醇等化工產品；還可以作為合成材料，通過綠氫調節合成氣氫碳比，實現對煤化工的綠色升級，綠氫的總體應用路線如圖4所示。

圖4 綠氫應用總體路線

3.1 氫氣作為綠色能源

氫氣作為綠色能源主要通過以下三種方式利用：氫能源交通工具、氫內燃機和氫燃氣輪機、民用天然氣管網摻氫。

3.1.1 氫能源交通工具

氫能可以應用到交通領域，通過氫燃料電池將氫氣與氧氣反應的化學能轉化為電能，然后驅動電動機使汽車運行。氫燃料電池主要包括質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等，質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高等優點，在汽車領域應用較廣，是現階段國內外主流的應用技術。目前，在氫燃料電池汽車相關技術研發與應用方面，日本和韓國較為成熟，已應用于乘用車、商業車、叉車、列車等[21]。日本豐田推出第二代MIRAI 氫燃料電池汽車，并在北京冬奧會上大量使用，其2021 款氫燃料電池汽車MIRAI續航再突破，一次加氫可行駛1000km以上?，F代汽車公司推出的氫燃料電池汽車NEXO銷量全球領先。氫能在交通領域的應用并不局限于燃料電池汽車，還推廣至重型卡車、輪船、飛機等領域。韓國現代汽車的氫燃料電池重型卡車XCIENT Fuel Cell在歐洲正式商用化，以批量出口瑞士的氫燃料重卡為開端，截至2021年6月，在瑞士總行駛里程已經超過100萬千米。目前我國氫燃料電池汽車以商用車為主，乘用車還未實現規模化應用，福田歐輝、鄭州宇通等公司的燃料電池客車正在逐步推入市場，同時氫燃料電池物流車也將逐步實現商業化[22]，氫能重卡也在逐步發展，嘉興港投用20 輛氫能重卡用于碼頭集裝箱運輸，蘇州金龍49t氫燃料電池牽引車續航里程超過350km。

為推動氫能在交通領域的應用，還需要進一步解決以下問題：第一，質子交換膜是氫燃料電池和電解槽的關鍵部件，目前美國、日本質子交換膜研發技術較為領先，美國杜邦公司的Nafion系列膜市場化應用較多，我國在質子交換膜研發技術還有待突破，燃料電池其他零部件的研發例催化劑、膜電極等也都與國外存在一定差距。第二，氫燃料電池家用汽車對空間要求高，如何推進燃料電池小型化、提高儲氫能量密度有待研究。第三，目前我國車載儲氫主要采用35MPa 的Ⅲ型高壓儲氫瓶，其儲氫密度、承受壓力、自身重量與Ⅳ型儲氫瓶存在差距，應一步研發高端碳纖維技術，加快Ⅳ型儲氫瓶的生產。同時應完善加氫站基礎設施建設，進一步研究氫氣輸運和加注技術。

3.1.2 氫內燃機和氫燃氣輪機

氫內燃機也稱為氫燃料發動機，原理與燃油發動機相同，是指氫氣作為燃料在內燃機中燃燒，將化學能轉化為熱能或者動能。氫具有零碳清潔的特點，作為燃料燃燒不會產生二氧化碳的排放，一定程度上可以取代傳統的燃油發動機，可以作為氫能向氫燃料電池發展的短期過渡。法國雷諾推出最新款氫混合動力概念車Scenic Vision，采用氫燃料作為內燃機的動力來源，續航里程可達497英里（1 英里=1.609 千米），預計2024 年實現量產，同時，作為混合動力汽車，該車的碳排放比傳統電動汽車低75%。目前有效降低NOx排放、研發氫噴射系統核心技術是氫內燃機的研究方向。

氫燃氣輪機將氫氣燃燒的化學能轉化動能，目前以發電應用為主，可以實現高效率、大規模的氫-電轉換。氫燃氣輪機相比于傳統的燃煤發電機發電效率高、排放污染物少，同時比天然氣燃氣輪機能量高、碳排放較少。目前全球多國致力于應用氫燃氣輪機發電，2022 年，通用電氣成功運行全球首個HA級摻氫燃燒示范項目，預計2030年實現100%燃氫[23]。日本三菱重工成功研制30%混氫比例的燃氣輪機，并與歐盟EU Turbines 承諾2030 年前推出100%燃氫重型燃氣輪機。2022年，我國國家電投首個燃氣輪機摻氫燃燒示范項目正式投運。目前氫燃氣輪機發展還存在燃氫過程中產生的回火和溫度過高等問題，需要進一步解決。

3.1.3 民用天然氣管網摻氫

天然氣的主要成分是甲烷，甲烷燃燒會產生大量二氧化碳，而天然氣摻氫將氫氣以一定體積比例摻入其中，通過現有天然氣管道進行輸送，替代天然氣使用，可以改善燃燒性能，并減少污染物排放。我國使用的天然氣大量依賴進口，天然氣摻氫不僅可以減少溫室氣體的排放，同時可以有效補充燃氣資源。國家電投開展“朝陽可再生能源摻氫示范項目”，其燃氣輪機摻氫燃燒示范項目已正式投運，張家口開展河北省首個天然氣摻氫示范項目，摻氫天然氣最終應用于本市的商用用戶、民用用戶和天然氣摻氫混合燃料汽車（HCNG）。

目前天然氣摻氫使用還存在一些問題。第一，無論是綠氫制取，還是天然氣管道摻氫運輸，都需要較高的成本投入，同時存在價格計量問題，由于氫氣體積能量密度低，每標準立方米氫氣價格高于天然氣，但熱值只有天然氣的三分之一，若按熱值為基礎計算，氫氣價格低于相應制取成本，經濟效益難以實現，因此天然氣管道摻氫市場化應用需要解決價格計量問題。第二，天然氣摻氫存在氫脆、泄漏、爆炸等安全風險，應逐步完善相關基礎設施建設，對摻氫后管道相容性、摻氫比例安全模型、氫脆機理等進行進一步研發，提高安全性。

3.2 氫氣作為綠色原料

3.2.1 合成氨的生產

綠氫可以與空氣中的氮氣生產合成氨，實現氫能到氨能的轉化。綠氨作為燃料使用不會產生碳排放，可以用于發電、航運等領域，是一種清潔能源。日本積極開展燃煤電站的摻氨燃燒以及航運燃料領域的研究，計劃到2030 年實現20%的摻氨比例，并隨著技術發展逐漸提高到100%。韓國注重零碳氨燃燒發電，計劃到2030 年將氨電比例提高到3.6%。中國江南造船、日本郵船等企業也紛紛布局探索綠氨動力船舶的建設。氨燃料電池是綠氨作為能源使用的另一種方式，目前處于研發階段。日本京都大學在2014 年研發氨燃料電池。2022年5月，美國間接供氨式燃料電池拖拉機成功運行。同時氨具有較高的儲氫密度，易壓縮，具有長期儲存和運輸穩定的特點，在催化條件下可以分解釋放出氫氣，是一種優良的氫能載體。

綠氫和空氣中的氮氣合成綠氨，綠氨可以結合二氧化碳生產尿素。尿素是世界應用最廣泛、最大規模的氮肥，在農業生產中發揮著重要作用，利用綠氫可以減少尿素生產過程中二氧化碳的排放。綠氨也可用于硝酸等化工用品生產，作為工業上最基本、結構最簡單的含氮原料，幾乎所有的含氮化合物最上游都是氨。

目前氨制取主要通過哈伯-博施法。該技術發展成熟，但生產氨所需的氫氣主要通過化石能源制取，在生產過程中仍然有大量二氧化碳的排放。根據中國氣體工業協會數據，2020 年我國合成氨行業二氧化碳的總排放量2.19億噸，占到了化工行業排放總量的19.9%，使用綠氫有利于合成氨工業深度脫碳。

3.2.2 碳一化工

綠氫的應用可推動合成氣綠色升級，向“綠CO+綠H2”轉變。一氧化碳和氫氣是合成氣的主要組成部分，合成氣是碳一化工的重要原料，一氧化碳提供羰基，氫氣提供還原氫，是合成一切有機物的根本途徑。一氧化碳和氫氣可以合成甲醇，甲醇既是化工產品，同時又是碳一化工過程中的重要有機原料，以合成氣或甲醇作為基礎原料，可以生成甲醛、甲酸、甲醇、二甲醚、乙醇等含氧化合物產品，也可以通過甲醇直接制汽油（MTG）、合成氣制液體燃料（GTL）等生產液體燃料，還可以通過甲醇直接制烯烴（MTO）、合成氣直接制烯烴（GTO）等合成烯烴，合成氣在化工生產中發揮著非常重要的作用[24]。目前合成氣主要通過化石能源制取，甲烷水蒸氣重整技術最為成熟，利用可再生能源電解水制取的綠氫可推動“CO+H2”向低碳合成氣“CO+綠H2”轉變。同時大規模低成本“綠氫”的制備，也將促使逆水汽變換或電催化CO2還原為“綠CO”大規模應用，即利用清潔新能源“綠氫”的CO2逆水汽變換制備“綠CO”，推動低碳排放的“CO+綠H2”向負碳排放的“綠CO+綠H2”發展，推動碳一化工降碳減排[25]。

二氧化碳催化加氫可以合成甲醇，同時實現了碳減排，目前國內外正在進行相關研究。2009 年日本三井化學公司100t/a二氧化碳制甲醇中試裝置建成[26]。2020年，安陽順利環?？萍加邢薰鹃_展二氧化碳制綠色低碳甲醇聯產液化天然氣（LNG）項目，生產綠色低碳甲醇聯產LNG，CO2減排10萬噸/年[27]。近日，馬斯達爾、日本三菱化學集團和INPEX 計劃利用綠色氫和二氧化碳生產負碳聚丙烯。聚丙烯是世界上使用最廣泛的塑料之一，由可再生氫結合二氧化碳生成高附值品聚丙烯，再通過塑料廢棄物制氫，從而形成降碳的循環經濟。

3.2.3 綠氫冶金

在冶金領域，綠氫可以替代傳統上的焦炭作為鐵礦石的還原劑，在源頭上減少二氧化碳的排放，使鋼鐵行業擺脫對化石能源的依賴。目前，氫冶金主要研發應用方向為高爐富氫冶煉和非高爐氫基還原工藝，高爐富氫冶煉是通過向高爐噴吹富氫介質，以氫部分取代碳，減少了一部分二氧化碳還原產物，實現部分氫冶金。非高爐氫基還原工藝主要是氫基豎爐直接還原工藝，氫氣在豎爐中將球團礦直接還原成海綿鐵，實現深度脫碳。國外氫冶金發展起步較早，日本于2008年啟動COURSE50項目，利用富氫高爐還原和CO2捕集回收技術實現高爐低碳冶煉。瑞典鋼鐵HYBRIT公司將可再生電力電解水制取的氫氣用于替代焦炭，發展氫基直接還原煉鐵技術[28]。我國河鋼集團利用氫能直接還原技術，建設了全球首例120萬噸氫能還原制備高品質金屬化爐料的示范工程。建龍集團建成年產30 萬噸氫基熔融還原法冶煉高純鑄造生鐵項目（CISP）。

利用可再生能源電解水得到的綠氫作為還原劑是鋼鐵行業實現零碳排放的重要途徑，目前綠氫在氫冶金領域的應用有待進一步提高，如何降低綠氫制取成本是推進大規模綠氫冶金的關鍵。

3.3 氫氣作為綠色材料

我國富煤、少油、少氣，煤炭在能源結構中占主導地位，充分發揮煤炭資源優勢是保障我國能源安全、緩解石油與天然氣供需矛盾的重要途徑。目前我國煤化工發展迅速，推動經濟發展的同時造成了大量的二氧化碳排放，高能耗、高碳排放是煤化工行業發展需要考慮的問題，2020 年我國煤化工（含焦化）使用約7.97 億噸標準煤，占全國煤炭消費量的28%左右，年排放CO2約6.77億噸，占全國碳排放量的5.75%左右[29]。在煤化工行業中應用綠氫，可以調節合成氣的碳氫比，降低碳排放；同時實現區域優化，實現氫氣更大范圍的平衡。

3.3.1 加強綠氫與煤化工的有機結合

2023 年7 月27 日，國家發展改革委等部門發布《關于推動現代煤化工產業健康發展的通知》，文件提出推動現代煤化工與可再生能源、綠氫、二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）等耦合創新發展。煤炭和太陽能、風能等自然資源主要分布在華北、西北、東北等地區，利用風能、太陽能等可再生資源電解水制取綠氫，就近輸送到煤化工產業地區，一方面可以利用氫能發電替代燃煤發電，減少煤燃料的使用，降低碳排放；一方面將綠氫利用到化工工藝中，調節合成氣中的碳氫比，綠氫結合合成氣中的碳原子生成相應化工產品，減少二氧化碳的排放，節約煤資源。寧夏寶豐能源公司新建“綠氫+煤”制烯烴項目，采用綠氫與現代煤化工融合協同生產工藝，相比純煤方案，該項目有望增加甲醇122.9萬噸/年，節約標準煤253萬噸/年，減少碳排放631 萬噸/年。中國石化在鄂爾多斯市建設風光融合綠氫化工示范項目，就近用于中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目，用綠氫替代合成氣，推進煤炭資源由“燃料型”向“原料型”轉變。

3.3.2 改善產品結構，平衡含氧化合物與烴類產品

煤化工生產產品需要氧氣的參與，氧氣可以用作富氧燃燒或原料，工業生產氧氣時需要消耗能源并會造成二氧化碳的排放，而如果用綠氧替代，完全不會產生碳排放。此外，生產烯烴和油產品時需要去掉氧，碳加氫和碳去氧工藝復雜，過程中也會有能耗損失以及產生二氧化碳的排放。如果加大煤化工生產過程中氧氣的參與，省去去氧環節，研發生產含氧化合物（如醇醚類化學品）和新型可降解塑料（如聚乙醇酸PGA）等，不僅可以生產出化學產品，還能減少碳排放，發揮煤化工的綠色發展優勢，利用風能、太陽能等可再生能源電解水制取綠氫與綠氧，可以同時解決原料氫氣與氧氣的來源問題，并且不會產生碳排放。

3.3.3 區域優化，實現園區氫平衡

煤化工生產甲醇、烯烴等過程中需要大量的氫氣參與，煤化工園區內煤氣化等自產的氫氣結合風能、光能等可再生能源電解水制取的綠氫，提高園區內氫氣的供給量，實現用氫端的供給需求，解決氫氣供需兩方時間、強度等方面的不均衡，提高氫氣的利用效率，實現園區更大范圍的氫平衡。

3.4 構建新型氫能源產業鏈

依據綠氫具有的綠色能源、綠色原料、綠色材料等多重屬性，應用綠氫可推動化工、鋼鐵等高碳排放行業實現深度脫碳，在有條件的地區應積極推進新型氫能源綜合利用產業鏈建設。依據風電、光伏等可再生能源發電方式電解水制取綠氫與綠氧，加快推進西部地區綠氫規模化生產，就近通過管道輸送至化工園區，進一步實現園區氫平衡，特別是集中的煤化工產業園區，通過加入綠氫調節合成氣碳氫比，加入綠氧改善產品結構，生成合成樹脂、合成油、天然氣等傳統煤化工產品以及可降解含氧合成材料PGA，同時供應綠氨，用氫氣的增量帶動碳的存量，實現源頭碳減排、分子層面的碳減排，實現化工園區綠色升級的同時加大了廢光、廢風等資源的利用，推動了風電、光伏等發電技術的發展與應用，利用風電、光伏發電與氫能發電等清潔發電方式，將綠電應用于化工園區以及更大范圍的調峰使用，推進西部電網建設，形成產業協同化發展布局。氫冶金過程中氫氣替代一氧化碳作為還原劑，還原產物為水，從源頭上減少了二氧化碳的排放。在鋼鐵冶煉過程中加大綠氫的應用，有利于推進鋼鐵行業深度脫碳，同時減少傳統化石能源的大量消耗，促進能源消費結構調整，緩解能源危機。在東部沿海地區積極開展海上風電制氫、核電制氫項目，就近運輸用于沿海地區鋼鐵生產基地，并開展“西氫東送”，推動綠氫在鋼鐵冶煉工藝中的大規模利用，加快氫能應用產業鏈的建設。

4 加快我國氫產業鏈發展的優化策略

發展氫產業可成為推動我國經濟發展、助力行業綠色低碳轉型與加快實現雙碳目標的重要途徑，為推動氫產業發展應構建完整的氫產業鏈，氫氣制取、氫氣儲運和氫氣應用等各環節都是推動氫產業發展必不可少的部分，建議從政策機制、產業布局、技術研發、國際合作等方面進行考慮，從而進一步完善氫產業鏈發展。

4.1 建立完善氫產業發展的政策機制

氫作為綠色能源、綠色原料、綠色材料，在化工、冶金、交通等多個領域發揮著重要作用，建議我國完善氫產業發展領域的頂層設計和整體規劃，突出氫產業在實現雙碳目標、推動經濟發展、改善能源消費結構實現能源革命中的戰略地位，加強涉氫產業法律體系、制度體系和標準體系建設，加強氫氣制、儲、運、用等技術標準和安全規范，推進氫產業規范化建設。建立健全激勵機制，鼓勵社會資本和市場主體廣泛參與，加快推進相關核心技術的研發與應用，構建從制氫、儲運、加氫到多場景應用的氫產業鏈，完善相關設施建設，優化區域產業布局，推動氫產業全面融入到交通、工業、建筑和發電等各個領域。

4.2 適度加大綠氫產業布局

目前我國制氫以化石能源制氫為主，工業副產氣制氫為輔，制氫過程中會產生大量的CO2，只有將綠氫融入到各行業領域中，發揮其對于化石能源等的替代作用，才能幫助各行業實現真正意義上的綠色轉型。加大綠氫的產業布局，從氫氣制取、儲運到應用等各方面進行考慮推動綠氫產業鏈的發展。

4.2.1 積極發展可再生能源制取綠氫

目前關于可再生能源制氫的技術研究主要集中在風力發電電解水制氫、太陽能制氫、核能制氫以及生物質制氫等，其中生物質制氫具有原料來源廣泛、清潔高效的優點，生產氫氣的同時，可以改善大氣環境，但產氫效率低、穩定性差、技術發展現階段不夠成熟，建議可以進一步研究高活性催化劑提高生物質熱化學法制氫產率、速度等，并加大對生物法制氫過程影響因素的機理研究[30]，以提高氫氣產率、速度、穩定性以及實現大規模工業化為發展方向，將生物制氫作為綠氫制取的一種重要儲備來源。對于太陽能制氫技術的研究主要集中在光催化制氫技術、光電化學分解水制氫技術、太陽能熱化學制氫技術以及光伏發電電解水制氫等，其中光伏發電電解水制氫技術產氫效率最高，商業化應用最為廣泛，建議進一步加大光催化劑耐高溫材料、太陽能聚集器和太陽能反應器等關鍵材料的研究[31]。核能制氫較有優勢的主要技術有核能耦合高溫蒸汽電解制氫、核能耦合熱化學循環制氫、核電+電解水制氫等，核能耦合甲烷水蒸氣重整制氫仍會有大量二氧化碳排放，不能制取綠氫，其中核能發電直接電解水技術發展較為成熟，短期內是最可行的核能制氫工藝。高溫蒸汽電解制氫與直接電解相比，具有電能需求低、制氫效率高的優點，但高溫電解所需材料是研究難點，熱化學循環制氫產氫效率友好，但反應環境復雜，應進一步研發高溫電解與熱化學循環工藝所需材料和工藝技術[32-33]。綜上所述，短期內可以風力、光能、核能發電電解水制氫為主，以其他可再生能源制氫為輔，并對其他可再生能源制氫技術進行進一步研發，提高其產氫效率、經濟性、穩定性以及安全性，推動其實現規?；?、商業化發展，為綠氫產業發展提供多種高效的綠氫制取方式。

我國西北地區具有豐富的太陽能以及風能，西南地區具有豐富的水資源，建議充分利用西部的可再生能源資源，發展可再生能源電解水制氫以及太陽能光解水制氫，建立氫氣生產基地，大規模生產綠氫，推進西部地區風光發電與綠氫產業協同化發展。在沿海地區，可依托風電、核電與海水資源制取綠氫，一體化布局降低對外能源的依賴，規?；a綠氫?？稍偕茉措娊馑茪溆袃蓚€需要考慮的重要問題：第一是電解水技術，主要電解水技術優缺點見表3[34-35]；第二是電解水成本，不同方式制氫成本對比如圖5所示。

表3 主要電解水技術優缺點對比

圖5 不同制氫方式成本對比

目前發展較為成熟的電解水技術為質子交換膜電解水技術（PEM）、堿性電解水技術（ALK）。我國堿性電解水技術路線較為成熟，成本低、運行時間長[36]，但該技術難以快速啟動或變載，制氫速度不易調節，而PEM 電解槽運行更加靈活，更適合可再生能源的波動性[37]，是目前最適合的電解水制氫技術。但目前PEM 技術應用還存在質子交換膜不夠成熟、成本高、催化劑少等問題，建議進一步研發質子交換膜技術，合理開發更先進的膜合成方法，制備復合材料膜取代Nafion膜，同時加大降低貴金屬催化劑負載量以及開發非貴金屬基催化劑等相關研究[38]。陰離子交換膜電解水制氫技術兼具PEM 和ALK 的大多數優點，且無需貴金屬作為催化劑，但其技術不成熟，目前尚處于實驗室研究階段[39]，國家應當聯合相關企業適當加快AEM 電解水技術的研發與應用，探索解決強耐堿性膜材料等關鍵技術難題[40]，同時，進一步優化堿性電解水的制氫設備，嘗試提升堿性電解水制氫技術與可再生能源發電的適配性[3]。

降低電解水制氫成本是大規模化應用綠氫的關鍵，可再生能源電解水制氫較電網電解水制氫成本較低，但仍然高于傳統的化石能源制氫與工業副產氫，在市場上缺乏競爭優勢。降低成本可從降低電價成本與降低技術能耗兩方面考慮：第一，進一步研發可再生能源發電技術和相關設施，充分利用廢光、廢風等資源，降低發電成本；第二，研發質子交換膜等關鍵部件，擺脫進口依賴，研發高效低成本催化劑，進一步研究電解水相關技術，改進配置設施，提高電解水制氫效率。

4.2.2 加快氫氣儲運相關技術的研發

儲運氫氣是氫氣大規模利用的關鍵，而管道輸送是大規模輸送氫氣經濟有效的運輸方式，目前我國天然氣管道摻氫現處在示范研究階段，國家和地方應當適當推動天然氣摻氫輸送、純氫管道輸送技術攻關和示范，充分利用“西氣東輸”天然氣管網，開展天然氣摻氫輸送，建立起“西氫東送”輸運方式，將西部大規模氫氣輸送到東部市場地區，推動氫產業的發展。同時加大高端碳纖維技術、氫氣液化、固態儲氫、液氨和甲醇儲氫等相關技術的研發，適當開展全復合纖維結構纏繞的輕質高壓容器儲氫技術，發揮其質量優勢，添加輔助儲氫物質進一步改進儲氫容器的材質。

加氫站是氫燃料電池汽車應用的重要配套設施，國內加氫站主要是35MPa 型加氫站，加氫能力與能耗等各方面與70MPa 型加氫站存在一定差距，目前國內加氫站核心設備仍然還無法實現國產化，尤其是氫氣壓縮機、加氫機及部分關鍵零部件需要依賴進口，其建站投資成本較高[41]。國家應當聯合相關企業以及研發機構加強加氫站關鍵部件以及加氫技術的研發，在政策與資金上給予適當的支持。目前加氫站建設主要集中在廣東、上海、山東、河北、江蘇等領域[42]，考慮加氫站建設成本較高，可主要依托現有加油站和加氣站體系，建立油、氣、電、氫合建站，逐步完善加氫站網絡。加氫站建設應優先考慮氫源豐富、應用場景較為成熟的城市區域，可首先在產業園區、國省道（含縣鄉道）、高速公路、城鎮、船舶等五類“點位”布局加氫站，后續通過建立完善氫走廊等發展模式串聯起各地加氫基礎設施建設[43]。

4.2.3 逐步完善綠氫的多元化應用場景

《中國氫能產業發展報告2020》提出2019年我國年產氫氣近2000 萬噸，2050 年氫氣需求量預計增加到6000 萬噸[44]。隨著氫氣需求上升，綠氫在交通、建筑、發電、化工等各領域將發揮重要作用。綠氫具有多元屬性以及清潔低碳、靈活高效的特點，多場景充分應用綠氫是我國實現雙碳目標的有效途徑。國家和地方層面應當積極推進綠氫融入各領域，加強財政扶持及企業間合作，提高制氫技術與制氫效率，進一步降低綠氫成本[3]。

在京津冀、長三角、珠三角等地區發展氫燃料電池汽車產業，在沿海地區和長江經濟帶大力發展氫燃料電池船舶產業，在大型礦山、港口建立燃料電池叉車和重卡產業集群，完善氫燃料電池在各領域發展的政策和制度，推動氫燃料電池在交通、航運等多領域應用與發展。在石化基地、煤化工基地、合成氨基地、鋼鐵生產基地等領域推行氫替代煤炭的工業流程再造。在可再生能源豐富地區試點建設農村家庭用燃料電池熱電聯產設施[2]，提高摻氫比例與應用安全性，加快摻氫管道輸送技術研發，推廣天然氣管網摻氫使用。

4.3 構建國際合作發展模式

日本在氫能利用的相關技術和材料上全球領先，日本尋求在全球范圍內構建供應鏈的背景下，我國在積極推進氫利用關鍵技術的研發。在此背景下，我國可考慮與日本圍繞質子交換膜燃料電池、燃料電池系統和車載儲氫三大關鍵技術開展相關技術合作。其中重點考慮與豐田、本田等日本氫燃料電池領域發展領先的企業開展氫燃料電池汽車項目合作。美國與歐盟致力于綠氫的生產與應用，我國與美歐特別是歐盟方面在擺脫化石能源依賴、實現大規模綠色制氫等目標方面具有一致性，可圍繞海上風電、太陽能發電以及綠氫應用等領域開展技術研發合作，設立或聯合成立研發機構，開展以燃氣發電、綜合能源、海上風電、電力系統靈活性等為主的項目合作。同時，我國要與其他國家和國際組織進一步加強涉氫國際標準制定以及氫安全國際知識共享工作，協同推進氫產業發展。

5 結語

綠氫具有多元屬性以及清潔低碳、靈活高效的特點，近年來隨著全球氫氣需求的上升以及應用領域的推廣，氫有望在各個領域發揮重要作用，發展綠氫產業可成為我國實現雙碳目標的有效途徑之一。從美、日、歐盟等世界主要代表性經濟體的氫產業發展狀況可以看出，各國都非常重視氫產業的發展，我國應當立足本國國情，抓緊構建從制氫、儲運、加氫到多場景應用的產業鏈，優化區域產業布局，把氫產業全面融入到能源、工業、建筑和交通等各個領域。同時還要從創新和技術上著手，大力發展電解水制氫以及氫儲運的相關技術，利用我國的可再生能源優勢，在西部地區建立規?；G氫生產基地，在沿海地區進行核電制氫和“風電+海水”制氫，積極發展管道輸氫開展“西氫東送”，從而推動綠氫的大規模利用。最后，鑒于當前世界各國氫產業發展方興未艾，我國應當積極開展國際合作，共同推進氫產業相關技術的研發與基礎設施建設。