“十四五”是能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時(shí)期，也是推進(jìn)“碳達峰碳中和”戰略的重要窗口期?！?ldquo;十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng )新規劃》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規劃》)是我國在現階段推進(jìn)能源技術(shù)創(chuàng )新，引領(lǐng)能源科技高質(zhì)量發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，提出了2025年前能源科技創(chuàng )新的總體目標，圍繞先進(jìn)可再生能源、新型電力系統、綠色高效化石能源開(kāi)發(fā)利用等方面制定了技術(shù)路線(xiàn)圖，部署了示范工程，與“十四五”現代能體系規劃等文件有機銜接，相互配合?！兑巹潯肪?strong>氫能制儲輸用全鏈條關(guān)鍵技術(shù)提供了創(chuàng )新指引，為氫能的示范應用和安全發(fā)展提供了重要指導。
一、氫能的定位
氫能是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是實(shí)現交通運輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規模深度脫碳的有效選擇。氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長(cháng)，氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有望帶動(dòng)當地經(jīng)濟發(fā)展。我國已做出“2060年實(shí)現碳中和”的莊嚴承諾，隨著(zhù)我國能源轉型戰略的逐步推進(jìn)，以可再生能源為主導的能源體系將改變傳統的能源供給方式，電能將作為可再生能源的承接載體，在未來(lái)能源系統中扮演重要角色。但在全球實(shí)現碳中和的過(guò)程中，“可再生能源+電氣化”手段并不能解決所有碳排放問(wèn)題，鋼鐵、化工、重載卡車(chē)、高品位熱力需求等“難以減排領(lǐng)域”成為新的熱點(diǎn)難點(diǎn)，氫能將作為工業(yè)原料、高能燃料，發(fā)揮化石燃料的替代作用，助推“難以減排領(lǐng)域”的深度脫碳、實(shí)現碳中和目標。同時(shí)，氫能還可以與電力協(xié)同，在可再生電力季節性供需平衡中發(fā)揮更大作用，提高能源系統整體效率和可再生能源滲透能力，切實(shí)推動(dòng)新型電力系統建設和能源深度綠色轉型。
因此，氫能是未來(lái)國家能源體系的重要組成部分，是實(shí)現“碳達峰碳中和”戰略的重要抓手。能源低碳轉型的前提是風(fēng)、光、氫、儲等能源技術(shù)的突破，以及新材料、智能電網(wǎng)、分布式能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等配套科技的創(chuàng )新發(fā)展。開(kāi)發(fā)氫能先進(jìn)技術(shù)和推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)化，也正在成為深入推進(jìn)能源供給和消費革命的重要方向。
二、氫能的作用
(一)支撐新型電力系統建設
氫氣可作為靈活高效二次能源，支撐以新能源為主體的新型電力系統建設?？稍偕茉茨壳暗睦梅绞綄е缕淠茉垂邆鋾r(shí)空不穩定性，能量密度較低，難以在部分場(chǎng)景大規模利用，氫電耦合為解決這一問(wèn)題提供了方案，促進(jìn)可再生能源消納。從短周期看，制氫裝置功率運行范圍寬、功率變化率快，與可再生能源的快速波動(dòng)特性非常匹配。將氫能與可再生能源耦合，可有效降低可再生能源對電網(wǎng)的沖擊，促進(jìn)可再生能源消納。從長(cháng)周期看，氫打破了現有傳統能源與可再生能源等清潔能源單一的能量轉換模式，可成為現有能源體系的互轉點(diǎn)與耦合中心，通過(guò)電解水制氫技術(shù)及氫氣與其他能源品種之間的轉化，可以在保證經(jīng)濟性的條件下實(shí)現大規模長(cháng)周期儲能。因此，氫能可提高可再生能源的消納、提供長(cháng)時(shí)間儲能、優(yōu)化區域物質(zhì)流和能量流，可實(shí)現多異質(zhì)能源跨地域和跨季節的優(yōu)化配置，形成可持續、高彈性的創(chuàng )新型多能互補系統，對于碳中和場(chǎng)景下全時(shí)段源荷能量平衡具有重要的意義。
氫能既可以作為儲能側的“穩定器”，也可以作為用電側的“燃料源”，是未來(lái)新型能源系統的重要補充。氫能可成為部分場(chǎng)景下較電力更優(yōu)的脫碳選擇，為能源轉型提供更高的靈活轉換能力。燃料電池熱電聯(lián)供綜合效率高，是發(fā)展綜合能源的重要技術(shù)手段。針對海島、邊防等偏遠地區，可構建分布式電-氫耦合清潔供能系統，利用分布式電源制取氫氣，利用燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)供，滿(mǎn)足用戶(hù)多種用能需求。此外，固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)可以直接使用碳基燃料，與現有能源供應系統兼容，在大中小型固定及分布式發(fā)電領(lǐng)域都有著(zhù)廣闊的應用前景;以氫氣為能源、低溫運行的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，在中重型交通、建筑脫碳領(lǐng)域則有廣闊的發(fā)展空間。
(二)推動(dòng)難脫碳領(lǐng)域深度脫碳
在加速推進(jìn)能源轉型過(guò)程中，氫能在鋼鐵化工、建筑和交通領(lǐng)域中將逐步廣泛應用，以氫代油、以氫代煤推動(dòng)終端用能清潔化、多元化。在工業(yè)領(lǐng)域，我國是全球最大的工業(yè)化國家，鋼鐵、石化、化工等行業(yè)需要作為還原劑或原料的化石工業(yè)原料是典型的難以減排領(lǐng)域，無(wú)法由直接電氣化手段來(lái)替代，但可用氫替代。同時(shí)，鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的高位熱能，可利用綠色氫能燃燒熱值高的特性，作為工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳的重要抓手。在建筑領(lǐng)域，綠色氫能供熱將成為未來(lái)天然氣供熱的有利替代。在現有天然氣管道中摻雜氫氣，滿(mǎn)足建筑領(lǐng)域供熱需求，同時(shí)減少碳排放量，是氫能連接電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的重要途徑，也是氫氣大規模普及的重要渠道，可以充分利用現有的基礎設施而不額外增加成本。近中期實(shí)施中低比例摻氫，在氫氣濃度(體積最高為10%-20%)相對較低的情況下，無(wú)需對基礎設施和終端應用進(jìn)行重大改變，投資成本較低，是建筑領(lǐng)域實(shí)現碳中和目標的重要方式。在交通領(lǐng)域，主要包括道路、鐵路、航空和船運這四種方式，在完善的電力基礎設施和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，動(dòng)力電池在道路交通上得到大規模應用，但動(dòng)力電池特性不適用于大載重、長(cháng)續駛、高強度的重型道路交通和船舶、航空等場(chǎng)景，上述交通方式需要更多地依靠氫能等方式滿(mǎn)足脫碳需求。
(三)氫基合成綠色燃料和材料
氫氣可合成綠色燃料和材料，構建零碳工業(yè)產(chǎn)品體系。隨著(zhù)氫的能量屬性逐漸被重視，作為替代高碳燃料應用于高熱值場(chǎng)景的氫基能源，綠氫合成氨、甲醇、甲烷、煤油等載能燃料進(jìn)行儲運或綜合利用成為產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，帶動(dòng)傳統火電、航運、航空等多個(gè)行業(yè)的基礎設施再利用和深度脫碳。此外，綠氫與二氧化碳合成制取化工產(chǎn)品，提供大規模二氧化碳利用的機遇，有望成為重大顛覆性技術(shù)，對石油化工、煤化工體系產(chǎn)生革命性影響。
三、氫能的發(fā)展
(一)發(fā)展現狀
產(chǎn)業(yè)層面，我國氫能及燃料電池已具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎。產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)超過(guò)1000家，已初步形成京津冀、長(cháng)三角和珠三角等氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)集群，以分布式能源領(lǐng)域、移動(dòng)通信基站以及城市客運、物流等商用車(chē)型為先導開(kāi)展了規?；痉哆\行。截至2021年9月，我國累計銷(xiāo)售燃料電池汽車(chē)超過(guò)8500輛，上海、北京、河北張家口、廣東佛山、云浮等地開(kāi)展燃料電池客車(chē)商業(yè)化示范運營(yíng)累計運行超過(guò)100萬(wàn)公里;累計建成(含試運營(yíng))加氫站近200座，位居全球第一。京津冀、長(cháng)三角、珠三角地區建設運營(yíng)加氫站總數共占我國加氫站總數的50%以上。各地已簽約及在建可再生能源制氫項目超過(guò)100個(gè)。根據發(fā)布的相關(guān)產(chǎn)業(yè)規劃，2025年京津冀、長(cháng)三角和珠三角地區各規劃加氫站超過(guò)百座，燃料電池汽車(chē)過(guò)萬(wàn)臺，產(chǎn)業(yè)達到千億規模。
技術(shù)層面，經(jīng)過(guò)4個(gè)五年國家科技計劃的組織實(shí)施，我國燃料電池從電堆、系統到關(guān)鍵部件技術(shù)研發(fā)均取得一系列關(guān)鍵突破，形成了涵蓋制氫、儲氫、氫安全、燃料電池及整車(chē)應用等技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研用研發(fā)體系。但在多個(gè)環(huán)節也存在明顯的差距。在制氫環(huán)節，整體處于并跑階段，部分技術(shù)存在差距。工業(yè)氫氣純化技術(shù)水平與國外持平;堿性電解水制氫也已基本實(shí)現國產(chǎn)化，成本較國外也有顯著(zhù)優(yōu)勢，質(zhì)子交換膜電解水裝備仍處于研發(fā)向示范過(guò)渡階段。在儲運環(huán)節，技術(shù)相對落后，但基本具備了自主化能力。高壓氣氫方面，車(chē)用儲氫容器罐體和T700、T800強度碳纖維等材料已初步實(shí)現國產(chǎn)化，具備IV型瓶制造能力;液氫儲運方面，我國已基本掌握基于氦膨脹制冷循環(huán)的氫液化系統研發(fā)能力，透平膨脹機、控制系統、壓縮機、正仲氫轉化器等核心設備在內的90%以上的設備完全采用國產(chǎn);加氫站方面，我國35MPa加氫站技術(shù)已趨于成熟，45MPa大容積儲氫罐、35MPa加氫機整機和45MPa隔膜式壓縮機均已實(shí)現國產(chǎn)化，70MPa國產(chǎn)化設備已經(jīng)開(kāi)展示范試驗。在綜合應用環(huán)節，燃料電池商用車(chē)發(fā)展已處于并跑階段，其余領(lǐng)域處于跟跑階段，部分國產(chǎn)化裝備競爭力提升明顯。燃料電池方面，質(zhì)子交換膜燃料電池系統的膜電極、雙極板、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機等核心組件，質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層等關(guān)鍵材料，均已實(shí)現小規模自主生產(chǎn)，系統國產(chǎn)化程度已提高到80%左右。氫冶金方面，富氫冶金技術(shù)已經(jīng)基本掌握，與瑞典、日本、德國等鋼鐵企業(yè)合作共同開(kāi)發(fā)示范純氫冶金相關(guān)技術(shù)。合成燃料方面，已在甘肅等部分地區開(kāi)展了示范運行。
但同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨的諸多的挑戰。一方面，地方政府培育氫能產(chǎn)業(yè)鏈的積極性愈發(fā)高漲，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展同質(zhì)化苗頭有所顯現。燃料電池汽車(chē)示范應用政策發(fā)布以來(lái)，部分地方為搶占先機，紛紛啟動(dòng)氫能規劃，設立氫能園區，搶奪頭部企業(yè)批量上馬燃料電池車(chē)輛。但由于缺少氫能產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的統籌，規劃雷同性較高，甚至出現低水平重復建設，短時(shí)間內面臨產(chǎn)能過(guò)剩風(fēng)險。同時(shí)，各地區氫能產(chǎn)業(yè)普遍存在重應用、輕研發(fā)，重短期效果、輕長(cháng)期投入，急于求成等問(wèn)題。加之對攻克關(guān)鍵材料和核心技術(shù)缺乏協(xié)同，國企民企未形成統一合力，一定程度上出現了“重復造輪子”和“炒剩飯”的現象，產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在原材料和基礎制造工藝“卡脖子”風(fēng)險。
另一方面，氫能產(chǎn)業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化前夜，實(shí)現關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，是推動(dòng)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、走向全球產(chǎn)業(yè)鏈中高端的必行之舉。要加強基礎研發(fā)領(lǐng)域創(chuàng )新，以技術(shù)先行、產(chǎn)業(yè)驅動(dòng)的原則，探索建立以市場(chǎng)為導向，產(chǎn)學(xué)研用一體化的新型舉國體制。有效整合氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)資源，消除跨部門(mén)、跨領(lǐng)域和跨國界合作障礙，匯聚政產(chǎn)學(xué)研用力量，實(shí)現聯(lián)合攻關(guān)、知識產(chǎn)權共享，加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)、材料研發(fā)及裝備制造自主化。
(二)發(fā)展建議
1. “先立后破”，逐步推動(dòng)氫源結構低碳化
隨著(zhù)我國“雙碳戰略”的提出，化石能源清潔化和清潔能源規?；铀侔l(fā)展，氫能供應鏈清潔化發(fā)展大勢所趨，但氫源結構優(yōu)化仍需遵循市場(chǎng)規律。與化石燃料制氫相比，可再生能源制氫成本近期較高，考慮氫能應用經(jīng)濟性，“煤制氫+CCUS”、工業(yè)副產(chǎn)氫提純將有效發(fā)揮過(guò)渡支撐作用，與再生能源制氫技術(shù)、將共同構成未來(lái)清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系。在多元化的供應格局中，技術(shù)發(fā)展度取決于不同發(fā)展階段的適用性、經(jīng)濟性、能源效率和環(huán)境效益。對于可再生能源制氫而言,重點(diǎn)是提升現有制氫裝備技術(shù)水平以及規?；当? 對于化石能源制氫而言, 重點(diǎn)是研發(fā) CCUS 技術(shù)來(lái)控制碳排放; 工業(yè)副產(chǎn)氫則應聚焦提純技術(shù)，在近期應得到優(yōu)先、高值化的利用。從中長(cháng)期看，加速推動(dòng)可再生能源制氫規?；l(fā)展，降低可再生氫成本，逐步替代化石燃料制氫，是實(shí)現氫能可持續發(fā)展的應有之義。
2. 加速推進(jìn)核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備自主化
近年來(lái)，我國高度重視氫能技術(shù)自主創(chuàng )新與產(chǎn)業(yè)化，氫能供應鏈各類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)取得較大突破，技術(shù)成果轉化成效顯著(zhù)，全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)自主化加快。在核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備自主化過(guò)程中應堅持重點(diǎn)突破與協(xié)同推進(jìn)相結合的原則，對于產(chǎn)業(yè)需求迫切、“卡脖子”現象嚴重、降本效益顯著(zhù)的技術(shù)與裝備應予以重點(diǎn)突破，對于前瞻性技術(shù)、儲備性技術(shù)、配套技術(shù)則協(xié)同推進(jìn)。結合現有產(chǎn)業(yè)基礎與需求，制氫領(lǐng)域應以可再生能源制氫為重點(diǎn)突破，攻關(guān)與可再生能源耦合負荷波動(dòng)下電解水系統，探索多能互補可再生能源電解水最優(yōu)容量配置，同時(shí)提升堿水制氫設備電流密度，綜合提高和優(yōu)化PEM制氫電耗、設備成本與壽命性能，協(xié)同推進(jìn)副產(chǎn)氫提純技術(shù)以及SOEC、光解水制氫、熱化學(xué)循環(huán)制氫等前瞻性技術(shù)。儲運領(lǐng)域近期需聚焦氫能短途運輸密集、液氫民用開(kāi)啟與天然氣摻氫示范三大發(fā)展趨勢，攻克50MPa壓力等級長(cháng)管拖車(chē)運輸;降低氫氣液化能耗、氫氣液化成本和液氫制備與儲運裝置自主化;以及管道運氫核心技術(shù)，協(xié)同推進(jìn)輕質(zhì)化固體材料、有機液態(tài)儲氫等技術(shù)。加注領(lǐng)域以降低加注成本為核心目標，重點(diǎn)攻關(guān)氫氣壓縮機、70MPa加氫機、傳感器、流量計等核心零部件及整機的自主化，協(xié)同推進(jìn)液氫儲氫加氫站、制氫加氫一體站技術(shù)研發(fā)。燃料電池領(lǐng)域考慮多應用場(chǎng)景兼顧低溫與高溫燃料電池，長(cháng)壽命PEM系統、關(guān)鍵零部件自主化、低載鉑量催化劑開(kāi)發(fā);高耐久性SOFC電極材料、低成本量產(chǎn)技術(shù)，性能提升、集成優(yōu)化設計;MCFC堆疊技術(shù)優(yōu)化，百千瓦級功率放大是主要攻關(guān)目標。氫安全領(lǐng)域關(guān)鍵在于要著(zhù)力加強氫能安全的基礎理論研究，譬如氫能設施與設備的材料適用性與相容性研究、氫泄漏的預防與監測技術(shù)研究、應急處置裝備等。
3. 完善頂層設計體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展
氫能納入能源管理范疇，以推進(jìn)氫能服務(wù)于經(jīng)濟發(fā)展，同時(shí)加強其安全監管。安全是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)健康持續發(fā)展的命脈，從氫能使用的設計、制造、建設、生產(chǎn)、運行和維護各個(gè)環(huán)節都應有足夠高的可靠性，包括人員的可靠性。一是根據氫能特性，加強氫能安全性監管。我國能源領(lǐng)域適用安全法律與規程缺少足夠的系統性，不足以滿(mǎn)足整個(gè)氫能經(jīng)濟的發(fā)展，現有的石油天然氣安全監管體系與法規明顯不適應氫能安全監管的需要，現有的氫能安全技術(shù)標準與技術(shù)規范亦不完善，應組織完善氫氣制、儲、運、用等各環(huán)節法律法規和安全技術(shù)標準。同時(shí)強化安全法律與標準執行，細化各風(fēng)險點(diǎn)的操作規程。制定風(fēng)險防范和危機處置方案，加強人員培訓和安全知識普及推廣。產(chǎn)業(yè)推進(jìn)節奏要與安全監管體系建設、安全監管力量配備等相匹配，切勿盲目追求規模，忽視安全。二是高度重視技術(shù)預防，提高氫能基礎設施與設備的本質(zhì)安全。了解熟悉其安全特性，總結經(jīng)驗與教訓，持續加強安全管理，才得使氫能造福于民。關(guān)鍵在于要著(zhù)力加強氫安全的基礎理論研究，完善整體技術(shù)和裝備布局，打造具有第三方公證地位的氫安全實(shí)驗室，不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，加大對氫氣安全生產(chǎn)和安全使用智能控制、智能監控的投入，持續提高氫能設備的可靠性和安全性。三是推動(dòng)氫能領(lǐng)跑者行動(dòng)計劃，推動(dòng)標準治理效能與技術(shù)迭代創(chuàng )新協(xié)同，從重點(diǎn)環(huán)節技術(shù)裝備、系統到項目整體分步實(shí)施，實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)自主化水平整體提升。
強化產(chǎn)業(yè)引導手段，準確把握氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，充分吸取國內風(fēng)電、光伏以及新能源汽車(chē)發(fā)展的經(jīng)驗和教訓。一是宜氫則氫、準確定位，確立“清潔低碳”和“靈活高效”的氫能技術(shù)發(fā)展布局?；跉淠茉谀茉崔D型與雙碳目標下的發(fā)展定位以及技術(shù)發(fā)展現狀，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須緊緊圍繞上述氫能的核心優(yōu)勢領(lǐng)域，重點(diǎn)布局氫能與可再生能源協(xié)同發(fā)展、工業(yè)清潔化生產(chǎn)以及基于燃料電池技術(shù)的交通運輸動(dòng)力系統。二是把技術(shù)水平作為制定氫能發(fā)展路徑的依據。在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，堅持“示范先行”原則，在基于技術(shù)自主可控的前提下推動(dòng)燃料電池汽車(chē)示范應用基礎上，探索開(kāi)展制氫示范、裝備技術(shù)研發(fā)示范，并結合各地資源稟賦設立綜合發(fā)展示范區，逐步在制氫、儲能、氫冶金、綠色化工等其他應用領(lǐng)域開(kāi)展示范，按照成熟一個(gè)、推進(jìn)一個(gè)的原則以點(diǎn)帶面地推動(dòng)多領(lǐng)域示范推廣應用，帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)規?；?、商業(yè)化發(fā)展，以避免產(chǎn)業(yè)鏈重復建設和無(wú)序發(fā)展。
