1. 引言
氢能作为一种清洁、高效、可持续的二次能源，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获得，被广泛应用于工业、交通、电力等多种行业。国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和” [1] 。能源系统的快速零碳化是实现“双碳”愿景的必要条件之一，氢能打破了现有煤电等传统能源与可再生能源等清洁能源单一的能量转换模式，可成为现有能源体系的互转点与耦合中心，是构建未来清洁能源供给系统的重要载体 [2] 。
1970年，John Bockris首次提出“氢能经济”概念，但由于全球化石能源大规模消费及氢能利用受技术瓶颈制约，氢能产业长期发展缓慢。近年来，随着传统能源的供应波动、人类可持续发展要求和氢能全产业链的技术进步共同推动了氢能产业高速发展。国际氢能理事会预测：到2050年，氢能将占世界能源总量的18% [3] 。截至目前，全球已有30多个国家发布了国家层面的氢能路线图，日本政府在“第四次能源基本计划”明确提出了“氢能社会”的战略方向，致力于将氢能广泛应用于社会日常生活和经济产业活动之中，与电力、热力共同构成二次能源的三大支柱 [4] [5] ；欧洲燃料电池和氢能事业联合组织(FCHJU)发布了“欧洲氢能路线图”，提出了欧洲氢能未来30年发展规划，得到了欧洲17家氢能组织和公司的支持 [6] ；2016年10月，中国标准化研究院资源与环境分院和中国电器工业协会发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》首次提出了我国氢能产业的发展路线 [7] 。中国氢能产业进入了产业化发展的快车道，国家部门和地方政府相继制定了许多推动氢能发展的政策与规划，特别需要关注的是，2020年4月，国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》中，氢能首次被列为能源范畴，表明我国法律上确认氢能的能源属性 [8] 。
2. 中国氢能产业基础设施发展现况
氢能系统的基础设施是发展氢能产业的前置条件，能带动高端装备制造业快速发展、促进产业结构调整。氢能系统是指氢的制备、储存、输配和应用的系统总称。
2.1. 制氢由“灰氢”向“蓝氢”、“绿氢”过渡
中国作为世界第一产氢国，工业体系完善，制氢工业基础良好，现有工业的制氢产能已达到2.5 × 107 t，国内化工行业还存在部分无法循环利用的副产氢，均可提供大规模氢源 [9] 。目前，氢的制备途径主要分为三种 [10] ：以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；电解水制氢，其中，化石能源制氢占据主导地位。据不完全统计，我国氢气年产量约3300万吨左右，其中，煤炭和天然气制氢占比约为78%，工业副产氢约为21%；电解水制氢占比约为1%。我国良好的制氢基础是氢能产业规模化的前提。
为实现低碳和化石能源替代的目标，可遵循两条路径：一是发展“蓝氢”，即在“灰氢”(煤炭制氢)制作过程中结合碳捕捉、利用与存储(CCUS)技术降低碳排放，能够实现80%碳减排；二是发展“绿氢”(可再生能源制氢)。2020年1月，全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在我国兰州新区绿色化工园区试车成功，该项目配套建设总功率为10 MW光伏发电站，为2台1000 Nm3/h电解水制氢设备提供电力，将太阳能等可再生能源转化为液体燃料甲醇(绿氢载体)，将CO2作为碳资源，实现了零碳排放。据权威学者预测，我国化石能源制氢、工业副产氢、弃电制氢产量在2030年达峰后开始缓慢下降，这3种方式作为氢制备的主要方式将持续至2050年；可再生能源发电制氢将从2030年开始逐步实现规模化和商业化 [11] 。
2.2. 储运：氢能产业链的核心环节
氢气储运指的是氢气制成后运输往加氢站的过程，该过程是我国氢气实现超越燃油成本优势的核心环节。目前储氢方法主要有三种 [12] [13] ，高压储氢(通过提高氢气压力以减小体积，氢气为气态)、低温液化储氢(氢气为液态)和液体或固体储氢(利用液体或者固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中，主要包括苯、合金储氢、纳米储氢)。气态氢储存是现阶段最成熟和主要应用的储氢技术 [14] ，以车载储氢瓶来看，高压气态储氢主要采用铝内胆纤维缠绕瓶(III型)、塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)作为容器，目前国内高压气态储氢整体国产化率达到50%左右，但碳纤维缠绕设备与高压罐体加工设备仍需进口，日本、美国等发达国家III型、IV型车载储氢瓶技术成熟，IV型是市场中的主流产品，而我国应用以III型为主，且碳纤维等关键材料依靠进口，国产IV型产品尚处于研发中。低温液态储氢是将氢气在一定条件下压缩冷却至液化后再置于绝热真空容器中的一种储氢方式，液态氢比气态氢密度更高，是气态氢的845倍，相较于国外70%左右的液氢运输，国内液氢还仅限于航天领域，国内企业如国富氢能、中科富海等正在尝试低温液氢民用领域推广，过高的使用成本及安全法规问题限制了低温液化储氢技术的规模化应用。固态储氢与其他两种储氢方式相比，储氢密度更高、运输更方便、安全性更好，但这种储氢方式的发展和应用需要依赖储氢材料的开发和利用 [15] 。
根据氢的输送距离、用氢要求及用户分布，气氢可以通过管网、或者储氢容器装载车、船等运输工具进行输送，管网输送适用于用氢规模较大的场所，而车、船运输更适合用户分散的场所 [15] 。液氢一般采用车船输送。国家发展改革委、国家能源局2022年发布的《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》指出：在满足安全和质量标准等前提下，探索输气管道掺氢输送、纯氢管道输送、液氢运输等高效输氢方式。因此，管道输送及其应用系统被认为是氢能规模化发展的关键抓手，是解决氢能供需问题的重点方向。相比国外，中国氢气输送管网建设比较缓慢，管道输氢技术发展处于初级阶段，尚未形成完善的氢气管道输送体系，尚未制定完整的指导氢能大规模利用的标准。截至目前颁布的氢能相关领域标准规范有GB/T 34542《氢气储存输送系统》、GB 4962《氢气使用安全技术规程》、GB/T 29729《氢系统安全的基本要求》、GB 50177《氢气站设计规范》等。现有氢气输送管道总里程仅约400 km [16] ，其中中国自主建设的典型输氢管道有3条：2013年建成投产的扬子–仪征氢气管道工程、2014年建成投产的巴陵–长岭氢气管道工程、2015年建成投产的济源–洛阳氢气管道工程。此外，目前正规划建设中国第一条长距离、高输量、燃料电池级氢气管道，即定州–高碑店氢气管道。
2.3. 投入强度显著提升，加氢站数量位居世界第一
氢的加注设施(加氢站)是氢燃料电池汽车可以商业化发展的重要支撑。加氢站有多种分类方法，通常分为站外制氢和站内制氢两种类型。目前，国家能源局科技司副司长刘亚芳近日在“中国国际经济交流中心—联合国开发计划署氢能产业高峰论坛”上表示，我国在氢能加注方面获得新突破，已累计建成加氢站超过250座，约占全球数量的40%，数量位居世界第一 [17] 。根据我国2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》到2050年将建成1万座加氢站，按照1500~3000万元/座，预计需投入1500~3000亿元。
3. “双碳”目标下，我国氢能产业发展
3.1. 我国氢能产业中长期发展需求
氢能作为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要绿色能源发展方向之一，对构建未来清洁低碳高效的能源体系具有重要意义。据报道，在当前以化石能源为主的能源结构下，我国每年CO2排放量达100亿吨以上，位于全球第一位，高于第二、三、四位国家碳排放量的总和，其主要排放来源包括工业、发电、建筑和交通领域等 [18] 。如何在有限的排放空间下，以较低的碳排放量实现社会环境和经济的可持续发展，是我国未来制定能源发展战略规划和统筹推进经济发展民生保障的重要问题。实现“双碳”目标，要坚持“先立后破”，认清我国短期内难以从根本改变以传统化石能源为主的能源结构的现状，积极稳妥推进能源转型，逐渐提高低碳、零碳能源占比，最终实现碳中和 [19] [20] 。
氢能作为零碳排放的清洁能源，有望承担这一历史使命，实现脱碳、固碳，乃至于负碳。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》 [21] 要求，统筹推进氢能“制储输用”全链条发展，推动加氢站建设，推进可再生能源制氢等低碳前沿技术攻关，加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》 [22] 明确，加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。“十四五”规划《纲要》 [23] 提出，在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。为促进氢能产业规范有序高质量发展，经国务院同意，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021~2035年)》 [24] ，明确了氢能源是未来国家能源体系的组成部分，充分发挥氢能清洁低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型，同时明确了氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。
《规划》 [24] 中指出氢能产业发展中长期发展基本原则：一是创新引领，自立自强，氢能具有较长的产业链条，领域相关技术涵盖了工业生产、市场供应和用能终端配套等多个环节，需要积极推动技术、产品、应用和商业模式创新，集中突破氢能产业技术瓶颈，增强产业链供应链稳定性和竞争力；二是安全为先，清洁低碳，氢能产业参与能源改革、助力“双碳”目标实现，安全问题须先行解决，推进氢经济和强化氢安全管理需综合考量，保障氢能安全所需的特定安全标准和管理体系为内容，构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢，最终实现氢能产业健康可持续发展；三是市场主导，政府引导，推动氢能产业长远、有序发展要以市场应用为牵引，综合考虑各地方资源禀赋、技术及产业基础、市场需求和地方政策等多方面因素，因地制宜推动地区开展氢能产业发展，发挥市场在资源配置中的决定性作用，探索适合中国国情的科学的氢能发展模式，另外应更好发挥政府作用，尤其在产业统筹布局、应用场景拓展创新等方面，因地制宜，引导产业规范发展，据统计目前超过30个省市地区政府相继发布了氢能相关的地方产业政策，为我国新能源利用、加快氢能经济创造了有利条件 [25] [26] ；四是稳慎应用，示范先行，统筹考虑氢能供应能力、产业基础、市场空间和技术创新水平，积极有序开展氢能技术创新与产业应用示范，避免一些地方盲目布局、一拥而上。
3.2. 我国氢能产业发展应用方向
我国应充分借鉴关于氢能产业的发展成功经验，在立足于我国发展的优势和产业特点之上，实现多元化氢能产业发展应用。
交通领域
从各地规划纲要中关于氢能产业布局来看，重点在于交通领域。发展氢燃料电池车、建设加氢站成为许多地区推动氢能产业发展的首选 [27] 。《氢能产业发展中长期规划(2021~2035)》中提出：到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站，可再生能源制氢量达到10~20万吨/年，实现CO2减排100~200万吨/年。根据车百智库预测，2030年前，客车、物流车是氢燃料电池汽车规模增长的主要力量，在氢燃料电池汽车总保有量的占比在80%及以上；2030年后，随着燃料电池系统技术成熟以及成本下降，氢燃料电池将进一步发挥在长距离、重载领域的优势，重卡和乘用车的规模将快速扩大。
目前，我国已有多家企业开展了氢能产业研究与布局。上汽集团已正式发布全球首款燃料电池MPV上汽大通MAXUS EUNIQ 7，同时发布了“氢战略”：在2025年前，推出至少十款燃料电池整车产品；现代汽车对外公布了“燃料电池电动车2030展望”，预计到2030年，现代汽车燃料电池车产能将达到50万辆；早在2015年长城汽车就已开始在氢能产业的研究和布局，提出“构建永续美好氢能社会”，构建“制–储–运–加–应用”一体化产业链，涉及商用车氢燃料电池发动机、乘用车氢燃料电池发动机以及大功率燃料电池电堆等技术和产品。潍柴集团20000台氢燃料电池发动机工厂在山东省潍坊市正式投产，自2018年以来，潍柴全面启动燃料电池产业园建设项目，经过一年多的建设，项目建成了覆盖燃料电池关键材料、单电池、电堆、发动机、动力总成及整车的全套研发试验台架，具备了完整的燃料电池系统及整车测评能力，建成了两万套级产能的燃料电池发动机及电堆生产线，是目前全球最大的氢燃料电池发动机制造基地。
工业领域
氢能在工业领域主要应用于钢铁冶金和化工领域。中国钢铁产量全球第一，为世界总产量的一半。国际钢铁协会估计，平均每生产1 t钢坯会产生1.8 t的CO2排放，2021年全球钢铁产量达到18.69亿t，钢铁行业的碳排放高达33.64亿t，占比全球碳排放约为6.1%。目前，全球75%都是在高炉中添加焦炭形式的碳以“还原”铁矿石来炼铁，在“碱性氧气转炉”系统中氧化铁和碳反应生成熔铁、CO和CO2。在直接还原铁(direct reduced iron, DRI)工艺中，若利用氢气作为还原剂，可以使炼铁工序中产生水，而不是CO2。
研究表明，还原每t铁需要的氢气消耗量约为550 N·m3，约为50 kg，若中国2050年钢铁产量减半，预计氢能炼钢大约需要氢气约为2250万t。2020年5月8日，中国钢研科技集团与京华日钢控股集团共同签署《年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议》，标志着开展具有中国自主知识产权的首套年产50万t氢冶金及高端钢材制造项目建设的启动；而2019年，河钢集团也与意大利特诺恩集团(Tenova)签署谅解备忘录(MOU)，商定在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联手中冶京诚共同研发、建设全球首例120万t规模的氢冶金示范工程。这些示范项目的快速推进，将有助于实现中国钢铁行业革命性的绿色转型。
在化工领域，对氢的主要需求来自于制造氨和甲醇等化学物质以及烯烃、乙烯、丙烯和芳烃(苯，甲苯和二甲苯)。目前大多数所需的氢是通过蒸汽甲烷重整(SRM) 过程中生产或煤炭气化生产，中国每年生产2000多万t灰氢，主要用于生产氨和甲醇，其次是炼油和其它有机化学品生产。未来随着有机化学品的产量的增长该领域用氢量也会大幅增长。为实现碳中和，这些灰氢将来都要用绿氢或蓝氢替代。
电力领域
氢储能发电可有效补偿电能存储性差的短板，是氢能产业发展的重要应用之一，可有效地提高再生能源利用比例。在世界范围内，氢储发电技术被认为是一种用作平衡可再生能源装机容量较高的电网供需的潜在解决方案。氢储能发电利用氢气作为能源储存介质，在电力生产过剩时使用冗余电力制造氢气并储存，在电网电力生产不足时将储存的氢气通过燃料电池来生产电力或转化为甲烷。
欧洲在氢储能发电技术方面的发展相对成熟，美国和日本都将其作为电网新能源应用长期的重点发展方向进行战略规划。目前，我国电解水制氢技术的基础较好，包括零部件控制、集成等方面的相关产业链也在逐步形成，国家电网等公司已开展氢能储能发电的前瞻性研究。
4. 结语
氢能作为未来清洁能源体系中的重要组成部分，统筹谋划、整体布局及其全产业链发展可为实现“双碳”目标提供有力支撑。我国作为世界最大产氢国，同时拥有最大的消费市场和完整的产业链，在未来氢能产业发展、领域布局以及市场规模化应用具备一定优势，但仍存在一些问题可进一步完善。1) 遵循顶层设计原则，支持国家层面的氢能发展路线图，协调好区域发展规划，行业有序发展，避免低水平重复建设和盲目竞争；2) 加强自主科技创新，实现核心技术攻关，完善基础设施建设，避免受制于人；3) 继续加强氢能标准体系制定和监管制度，实现氢能产业发展在管理和技术方面“有法可依”，明确领域操作和运行规则，为产业化推进提供良好基础；4) 有序引导，遏制产业发展过热乱象。
基金项目
北京市科学技术研究院高水平创新团队计划(No. HIT202001)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。