國(guó)際氫能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)布局態(tài)勢(shì)及我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀分析

氫能是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障國(guó)家能源安全和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇，被公認(rèn)為是未來(lái)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)之一。近期，美國(guó)能源部（DOE）氫能和燃料電池技術(shù)辦公室更新多年期計(jì)劃[1]，提出更明確的近中遠(yuǎn)期重點(diǎn)研發(fā)方向和關(guān)鍵指標(biāo)，推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展。我國(guó)也將氫能確立為前瞻部署的未來(lái)產(chǎn)業(yè)[2]，國(guó)務(wù)院在5月23日印發(fā)《2024—2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》[3]，6月7日國(guó)家發(fā)展改革委等5部門(mén)聯(lián)合發(fā)布鋼鐵、煉油、合成氨、水泥4個(gè)行業(yè)的節(jié)能降碳專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，均將氫能作為推動(dòng)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要力量[4]。本文系統(tǒng)梳理當(dāng)前國(guó)際氫能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，深入分析我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的短板不足，提出研發(fā)布局建議。

一、國(guó)際氫能產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)布局

全球已掀起氫能科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的熱潮，截至2023年底，已有超過(guò)50個(gè)國(guó)家和地區(qū)出臺(tái)了氫能戰(zhàn)略。主要國(guó)家均將氫能上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，通過(guò)差異化布局搶占發(fā)展先機(jī)。美國(guó)重視對(duì)氫能全鏈條技術(shù)的研發(fā)和規(guī)模化示范，推進(jìn)基于氫能的多能融合互補(bǔ)，以變革電力、交通、化工、鋼鐵等行業(yè)。日本超前布局點(diǎn)亮氫能“科技樹(shù)”，建設(shè)“氫能社會(huì)”作為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)的能源支柱。歐盟把氫能視為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，利用綠氫推進(jìn)所有終端部門(mén)脫碳化。英國(guó)將氫能作為工業(yè)脫碳的主要抓手，德國(guó)謀求成為全球領(lǐng)先的氫能技術(shù)供應(yīng)國(guó)，俄羅斯、澳大利亞、沙特阿拉伯均重點(diǎn)發(fā)展制氫產(chǎn)業(yè)以在“后油氣時(shí)代”保持能源出口強(qiáng)國(guó)地位。

各國(guó)布局存在共性特征：一是將降低綠氫成本作為推進(jìn)氫能規(guī)?；渴鸬年P(guān)鍵，大力發(fā)展以電解制氫為代表的綠色制氫技術(shù)，美國(guó)提出了到2031年將綠氫成本大幅降至1美元/千克的目標(biāo)；二是氫能儲(chǔ)運(yùn)成為不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近中期重點(diǎn)發(fā)展高效、易運(yùn)輸?shù)男滦蛢?chǔ)氫材料和建設(shè)氫能基礎(chǔ)設(shè)施，日本正與多國(guó)合作建立基于液氫、氨的跨海運(yùn)氫供應(yīng)鏈；三是氫能應(yīng)用向多元化發(fā)展，探索靈活、高效的“氫+”多行業(yè)多場(chǎng)景融合解決方案；四是區(qū)域氫中心建設(shè)提上日程，美國(guó)投入75億美元打造區(qū)域氫中心，歐盟密集部署氫谷示范項(xiàng)目。

全球氫能技術(shù)研發(fā)和示范部署邁上發(fā)展快車(chē)道。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2030年全球低碳?xì)洚a(chǎn)量將從不足100萬(wàn)噸/年增至3800萬(wàn)噸/年。電解制氫進(jìn)入初期市場(chǎng)導(dǎo)入階段，海水直接制氫路線步入工業(yè)示范，高效太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)逐步由實(shí)驗(yàn)室走向中試。固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫等技術(shù)正向市場(chǎng)化發(fā)展，輸氫管道建設(shè)提速。燃料電池穩(wěn)定耐久性不斷提升，燃料電池汽車(chē)已具備大規(guī)模推廣條件。氫能在冶金、化工、建筑、工程機(jī)械、航空/船舶等領(lǐng)域步入原型樣機(jī)或示范階段，多個(gè)“首臺(tái)套”應(yīng)用落地。

二、我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及短板

我國(guó)已基本形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，初步掌握氫能制、儲(chǔ)、輸、運(yùn)、用（燃料電池和系統(tǒng)集成等）主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，形成了多點(diǎn)突破的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)。

制氫方面，我國(guó)是全球氫氣生產(chǎn)第一大國(guó)，也是電解制氫項(xiàng)目部署的主導(dǎo)力量，截至2023年底累計(jì)規(guī)劃綠氫項(xiàng)目產(chǎn)能合計(jì)已超過(guò)650萬(wàn)噸/年，電解槽裝機(jī)容量占到全球一半。堿性電解制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫已初步進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用，高溫固體氧化物電解制氫、陰離子交換膜電解制氫、太陽(yáng)能光催化制氫等技術(shù)尚處于前期研發(fā)和小規(guī)模示范，海水制氫實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范。

儲(chǔ)輸運(yùn)氫方面，我國(guó)以高壓氣態(tài)儲(chǔ)輸技術(shù)為主，正開(kāi)展純氫/摻氫管道的工程示范。民用液氫初步開(kāi)展小規(guī)模示范應(yīng)用，氫液化規(guī)模突破10噸/天。液體儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、地下儲(chǔ)氫等先進(jìn)技術(shù)正處于前期攻關(guān)和小規(guī)模示范應(yīng)用階段。建成加氫站超480座，新增加氫站、在運(yùn)加氫站兩項(xiàng)指標(biāo)均居世界第一。

氫能利用方面，質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池在電堆集成、設(shè)計(jì)制造等方面取得較大突破并已大規(guī)模量產(chǎn)。交通、化工、冶金等領(lǐng)域示范規(guī)模引領(lǐng)全球，已成為全球最大燃料電池商用車(chē)生產(chǎn)和應(yīng)用市場(chǎng)，氫基化工規(guī)?；圏c(diǎn)落地，氫冶金技術(shù)示范項(xiàng)目開(kāi)啟，氫能發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)完成重點(diǎn)技術(shù)試點(diǎn)示范，建成全國(guó)首個(gè)氫能進(jìn)萬(wàn)家智慧能源示范社區(qū)項(xiàng)目。

但我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體與國(guó)際相比仍處于并跑或跟跑階段，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)、材料、裝備仍然存在短板和不足：

1、先進(jìn)電解制氫技術(shù)開(kāi)發(fā)滯后，關(guān)鍵材料和技術(shù)無(wú)法完全自主

我國(guó)電解制氫裝機(jī)規(guī)模已超過(guò)全球半數(shù)，以堿性電解制氫為主，其成本低、單槽產(chǎn)氫量大，但對(duì)風(fēng)、光等波動(dòng)性能源適應(yīng)性較差，發(fā)展風(fēng)光耦合電解制氫還需開(kāi)發(fā)運(yùn)行更靈活的質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)。該技術(shù)我國(guó)尚處于商業(yè)化初期，在技術(shù)成熟度、裝置規(guī)模、性能和可靠性等方面均落后于國(guó)外，單槽產(chǎn)氫量最大在400標(biāo)方/小時(shí)，而國(guó)外廠家如康明斯已推出1000標(biāo)方/小時(shí)產(chǎn)品；核心部件如全氟磺酸質(zhì)子交換膜制備工藝復(fù)雜，長(zhǎng)期被美日企業(yè)壟斷。國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)的下一代電解技術(shù)，如高溫固體氧化物電解制氫和陰離子交換膜電解制氫，尚處于研發(fā)示范階段。前者具有高效、低成本、低電耗、可與廢熱結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，需攻克材料穩(wěn)定性差、耐熱性差、壽命短等難題，且我國(guó)缺乏市場(chǎng)化的原材料和配件供應(yīng)體系；后者兼具堿性電解和質(zhì)子交換膜電解的優(yōu)點(diǎn)，但陰離子交換膜、催化劑等核心部件性能不足限制了商業(yè)化，國(guó)內(nèi)外均有企業(yè)在積極搶占這一新賽道，美國(guó)企業(yè)已成功示范基于該技術(shù)的緊湊型加氫站。

2、氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)工藝及輸氫管網(wǎng)部署落后，已成為制約我國(guó)氫能規(guī)模化的瓶頸

我國(guó)綠氫生產(chǎn)和需求存在空間錯(cuò)配問(wèn)題，儲(chǔ)運(yùn)成本在氫氣終端價(jià)格占比高達(dá)40%~50%。氫氣儲(chǔ)運(yùn)以高壓氣態(tài)的長(zhǎng)管拖車(chē)為主，效率較低，僅適用于短途運(yùn)輸，液氫、管道輸氫等長(zhǎng)距離大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)尚處于起步階段。而且，我國(guó)上述技術(shù)水平與國(guó)外均有差距。長(zhǎng)管拖車(chē)我國(guó)主要采用20兆帕壓力，國(guó)外主流技術(shù)為更高效的40兆帕長(zhǎng)管拖車(chē)，關(guān)鍵材料、裝備如高性能碳纖維、碳纖維纏繞工藝設(shè)備、閥門(mén)等我國(guó)仍主要依賴(lài)進(jìn)口。液氫技術(shù)我國(guó)初步開(kāi)展小規(guī)模示范應(yīng)用，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模應(yīng)用。我國(guó)氫液化規(guī)模最高為10噸/天，比美國(guó)落后一個(gè)數(shù)量級(jí)，液氫設(shè)備尚未完全突破國(guó)外技術(shù)壟斷。在輸氫管網(wǎng)建設(shè)方面，全球輸氫管道總長(zhǎng)度5000多公里，90%以上位于美國(guó)和歐洲，大部分是純氫管道。我國(guó)輸氫管道總長(zhǎng)度約為400公里，主要是摻氫管道。運(yùn)行壓力方面，我國(guó)以5兆帕以下管道為主，完成6.3兆帕純氫管道充氫測(cè)試，美國(guó)在運(yùn)純氫管道最高運(yùn)行壓力已達(dá)到10.3兆帕。此外，我國(guó)固體儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、地質(zhì)儲(chǔ)氫等先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)整體落后于國(guó)外。

3、燃料電池性能及核心部件材料工藝仍有不足，氫能多場(chǎng)景多樣化應(yīng)用剛剛起步

目前，我國(guó)氫能應(yīng)用主要以燃料電池商用車(chē)為先導(dǎo)，憑借能夠解決復(fù)雜路況重載低碳運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，獲得一定的市場(chǎng)化需求。而在化工、鋼鐵、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域，除了在合成氨等傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模推廣，其他行業(yè)應(yīng)用尚處于示范探索階段，在理論基礎(chǔ)、技術(shù)積累及產(chǎn)業(yè)示范方面均滯后于國(guó)外，部分行業(yè)典型示范工程核心技術(shù)引進(jìn)自國(guó)外。①在燃料電池及其應(yīng)用方面，質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池汽車(chē)的主流技術(shù)，我國(guó)已具備其核心零部件膜電極的批量化生產(chǎn)能力，但與國(guó)外大規(guī)模流水線生產(chǎn)相比還存在差距，且膜電極三大材料（質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙）主要依靠進(jìn)口，金屬雙極板在精細(xì)加工方面差距較大。固體氧化物燃料電池技術(shù)具備效率高、燃料靈活、不使用貴金屬催化劑等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外已進(jìn)入商業(yè)化推廣期，除用于大中型供電、小型家用熱電聯(lián)供以外，還開(kāi)辟了商用車(chē)/船舶增程或輔助電源、可逆運(yùn)行用于制氫等新賽道。我國(guó)尚處于工業(yè)示范階段，系統(tǒng)功率、效率、壽命等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)落后，尚未掌握長(zhǎng)壽命、高可靠性電堆設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，以及大功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制的核心技術(shù)，運(yùn)行壽命僅到1萬(wàn)小時(shí)，國(guó)外已達(dá)到10年的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。②氫燃?xì)廨啓C(jī)方面，我國(guó)摻氫/純氫燃機(jī)仍處于研發(fā)階段，重型燃機(jī)與國(guó)外技術(shù)差距較大。③氫冶金領(lǐng)域，我國(guó)尚處于起步階段，德、美、日等國(guó)家已率先進(jìn)行了大量示范應(yīng)用，技術(shù)實(shí)力領(lǐng)先。河鋼集團(tuán)投運(yùn)全球首例120萬(wàn)噸氫冶金示范工程，綠色高純直接還原鐵金屬化率達(dá)到94%以上，是我國(guó)鋼鐵行業(yè)由“碳冶金”邁向“氫冶金”的重要里程碑，但其焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原工藝是基于意大利特諾恩公司技術(shù)開(kāi)發(fā)。④氫動(dòng)力航空領(lǐng)域，我國(guó)正追趕國(guó)際先進(jìn)水平，是繼美國(guó)和德國(guó)之后全球第三個(gè)掌握燃料電池載人飛行技術(shù)的國(guó)家。商飛公司在2023年9月公布了加載液氫燃料的新一代氫能概念機(jī)“靈雀M”，相比之下，德國(guó)技術(shù)已走在前列，H2FLY公司在當(dāng)月完成了全球首例載人液氫燃料動(dòng)力飛機(jī)的試飛。⑤氫能產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)方面，我國(guó)發(fā)展相對(duì)成熟的示范城市群主要圍繞燃料電池汽車(chē)行業(yè)，其他行業(yè)的集群化示范還處于前期階段。美、歐近年來(lái)大力布局區(qū)域氫中心、氫谷打造融合制、儲(chǔ)、運(yùn)、用的區(qū)域氫能生態(tài)系統(tǒng)，歐盟首個(gè)大型氫谷示范項(xiàng)目已在荷蘭投運(yùn)，應(yīng)用范圍涵蓋道路和船舶交通、化工、分布式發(fā)電及儲(chǔ)能、建筑等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office. Multi-Year Program Plan. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office-multi-year-program-plan

[2] 工業(yè)和信息化部等七部門(mén)關(guān)于推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn). https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202401/content_6929021.htm

[3] 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2024—2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》的通知. https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202405/content_6954323.htm

[4] 5部門(mén)聯(lián)合發(fā)文推動(dòng)4個(gè)重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能降碳——加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型. https://www.gov.cn/zhengce/202406/content_6956508.htm