徐 碩，余碧瑩

（北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院 能源與環(huán)境政策研究中心，北京 100081）

碳中和目標(biāo)是中國特色社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)的重要內(nèi)容，對實(shí)現(xiàn)中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對全球氣候變化、構(gòu)建人類命運(yùn)共同體都具有深遠(yuǎn)意義。由于中國資源稟賦特征，中國能源結(jié)構(gòu)碳排放強(qiáng)度居高難下，這對碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)形成極大挑戰(zhàn)。因此，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的首要任務(wù)便是推進(jìn)中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，構(gòu)建多元化清潔能源體系。

氫能，來源豐富，質(zhì)量能量密度高，使用過程環(huán)境友好，無碳排放，被標(biāo)榜為21世紀(jì)的理想能源，被多個國家提升至國家戰(zhàn)略高度。一方面，由于風(fēng)、光等可再生能源的波動性導(dǎo)致其難以直接并網(wǎng)大規(guī)模利用，國家發(fā)改委明確將氫能納入新型儲能方式[1]，由可再生能源制取氫氣，氫氣再轉(zhuǎn)化為終端能源，有利于促進(jìn)可再生能源消納[2]，加快能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型。另一方面，中國工業(yè)和交通業(yè)高度依賴傳統(tǒng)化石能源，脫碳難度高。推行綠氫替代可促進(jìn)綠色化工、綠色交通的發(fā)展，助力工業(yè)、交通業(yè)等碳密集行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。

目前，中國將發(fā)展氫能與燃料電池寫入政府工作報告，30個省級行政區(qū)將發(fā)展氫能納入“十四五”規(guī)劃。然而，由于氫能產(chǎn)業(yè)鏈長而復(fù)雜，且多項技術(shù)處于發(fā)展初期，成本居高難下，其未來發(fā)展存在爭議。在“氫能熱”的背后，資源零散、利用率低、重復(fù)建設(shè)等問題初露苗頭。全國興建氫能示范園區(qū)超過30個，對于氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的實(shí)際推動作用卻與藍(lán)圖不符；個別地區(qū)光照年有效利用小時數(shù)不足1 000小時，卻在規(guī)劃中大力發(fā)展光伏制氫；部分地區(qū)對氫燃料在交通領(lǐng)域的滲透率樂觀估計，氫燃料汽車和加氫站的規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)超過實(shí)際需求。氫能技術(shù)存在多元化特征，如何把握氫能技術(shù)發(fā)展規(guī)律，在不同階段、不同資源稟賦、不同供需條件下選擇合適的技術(shù)布局，規(guī)劃氫能發(fā)展路徑，對保證氫能產(chǎn)業(yè)高水平可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

為促進(jìn)氫能行業(yè)有序發(fā)展，本文將梳理中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析各項技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性，對中國氫能技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行定量化研究，為中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)參考。

一、氫能技術(shù)適用性及經(jīng)濟(jì)性評估

氫能作為二次能源，必須從一次能源轉(zhuǎn)換得到，再運(yùn)輸至用能終端，轉(zhuǎn)化為電力、熱能或機(jī)械動力。因此，氫能主產(chǎn)業(yè)鏈可概括為“氫氣制取、氫氣儲運(yùn)、氫氣使用”三個環(huán)節(jié)。

（一）氫氣制取

1.技術(shù)特征

按照制取過程中的碳排放強(qiáng)度，氫氣被分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛渲赣苫剂现卣频玫臍錃?，碳排放強(qiáng)度高，技術(shù)成熟，適合大規(guī)模制氫，成本優(yōu)勢顯著，約占目前全球市場氫源供應(yīng)的96%[4]。藍(lán)氫包括加裝碳捕集與封存（CCS）技術(shù)的化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫，在灰氫的基礎(chǔ)上碳排放量大幅降低。綠氫即可再生能源制氫及核能制氫，制氫過程中幾乎不產(chǎn)生碳排放，是未來氫氣制取的主流方向。但綠氫制取技術(shù)目前成熟度較低，技術(shù)成本高，推廣應(yīng)用仍需要時間。典型制氫技術(shù)的現(xiàn)狀如表1所示。

表1 典型制氫技術(shù)的成熟度、生產(chǎn)規(guī)模和碳排放強(qiáng)度對比[5-8]

由可再生能源電解水制氫，能有效解決可再生能源消納問題，是一條頗具前景的清潔能源技術(shù)路徑。如何提升電解水制氫的效率，降低技術(shù)成本，是突破該項技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫、固態(tài)氧化物電解水制氫和陰離子交換膜（AEM）電解水制氫四種技術(shù)路線，其情況對比如表2所示。其中堿性電解水制氫技術(shù)成熟度最高，成本最低，但存在腐蝕問題，且啟停響應(yīng)時間較長，不適合波動性電源。質(zhì)子交換膜電解水制氫目前已實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)化，其響應(yīng)速度快，能適應(yīng)波動性電源，但成本較高，且中國在質(zhì)子交換膜等核心技術(shù)上有待進(jìn)一步突破。固態(tài)氧化物電解水制氫效率高，工作溫度高，目前仍處于實(shí)驗室階段。陰離子交換膜電解水制氫結(jié)合了堿性電解水制氫和質(zhì)子交換膜電解水制氫的優(yōu)點(diǎn)，成本較低，且能很好地適應(yīng)波動性電源。該技術(shù)目前尚處于研發(fā)階段，生產(chǎn)規(guī)模受到限制。

表2 四種電解水制氫技術(shù)對比[9-11]

目前，中國氫氣供給結(jié)構(gòu)中約77.3%來自于化石能源制氫，21.2%來自于工業(yè)副產(chǎn)氫，僅1.5%由電解水制氫提供[12]。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟對未來中國氫氣供給結(jié)構(gòu)的預(yù)測，中短期來看，中國氫氣來源仍以化石能源制氫為主，以工業(yè)副產(chǎn)氫作為補(bǔ)充，可再生能源制氫的占比將逐年升高。到2050年，約70%左右的氫由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氫等其他技術(shù)供給[13-15]。

2.成本分析

幾種典型制氫技術(shù)的成本，如圖1所示?；剂现茪浼夹g(shù)成熟度高，且已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是目前成本最低的制氫方式。中國煤資源豐富，制氫成本低至6.8～12元/千克。由于中國天然氣對外依存度高，因此天然氣制氫成本相對較高。隨著碳排放管控進(jìn)一步嚴(yán)格，化石燃料重整制氫必須結(jié)合CCS技術(shù)使用，煤制氫成本將升至12～24元/千克。工業(yè)副產(chǎn)氫也是重要的氫氣來源，需要純化處理，成本略高于煤制氫。核能制氫尚處于研究階段，成本區(qū)間較大。生物質(zhì)制氫原料成本低，但氫氣提純難度較大，技術(shù)有待進(jìn)一步成熟。電解水制氫由于電費(fèi)成本和設(shè)備成本偏高，制氫成本高達(dá)22.5～33.6元/千克，遠(yuǎn)高于化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫成本。然而，電解水制氫在消納風(fēng)、光等可再生能源方面具有巨大的潛力，被看作是未來主流制氫方式。

圖1 不同制氫技術(shù)的成本對比[6-8]

目前已有市場應(yīng)用的電解制氫技術(shù)主要為堿性電解水和PEM電解水。其電解裝置成本變化如圖2a所示。堿性電解水技術(shù)相對成熟，國內(nèi)技術(shù)成本低于國外水平，成本下降驅(qū)動力主要在于規(guī)模化生產(chǎn)以及可再生電力成本降低。PEM電解水裝置需要使用稀貴金屬和質(zhì)子交換膜，國內(nèi)技術(shù)水平與國外相比仍有差距，成本遠(yuǎn)高于堿性電解水裝置。但隨著技術(shù)進(jìn)步，其成本下降空間較大。多家機(jī)構(gòu)預(yù)測了可再生能源制氫成本變化趨勢，如圖2b所示。目前，可再生能源制氫成本遠(yuǎn)高于化石能源制氫；到2030年，綠氫相比灰氫可具有競爭力，尤其是在可再生資源稟賦好的地區(qū)；到2050年，綠氫方能具有成本優(yōu)勢。若考慮碳價或碳捕集技術(shù)成本，到2030年綠氫對比灰氫的成本優(yōu)勢即可凸顯。

圖2 電解水制氫相關(guān)成本變化預(yù)測（以2019年為不變價）

在氫氣制取環(huán)節(jié)，氫氣來源多樣，需從資源稟賦、制氫成本、環(huán)境效應(yīng)多方面綜合考慮選擇合適的制氫方式。得益于中國煤礦資源豐富和煤化工技術(shù)成熟，化石燃料制氫憑借成本優(yōu)勢成為目前的主要?dú)錃鈦碓础ｉL遠(yuǎn)來看，化石燃料制氫必須加裝碳捕集裝置使用，方能滿足碳排放要求，這將導(dǎo)致其成本升高，在供氫結(jié)構(gòu)中比例逐步下降?？稍偕茉措娊馑茪淇蓪?shí)現(xiàn)凈零排放，且隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)，其成本有望進(jìn)一步降低。到2030年可在資源稟賦好的地區(qū)與化石能源制氫形成競爭力，到2050年具備成本競爭優(yōu)勢，屆時將成為主流制氫技術(shù)。此外，具備本地資源優(yōu)勢的地區(qū)，可以適當(dāng)利用工業(yè)副產(chǎn)氫和核能制氫作為氫氣來源。

（二）氫氣儲運(yùn)

1.技術(shù)特征

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氫氣的密度約為空氣的1/14，因此其體積能量密度并不占優(yōu)勢[16]。按照美國能源部提出的商業(yè)化儲氫密度要求，質(zhì)量儲氫密度需達(dá)到6.5 wt%（存儲氫氣質(zhì)量占整個儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量百分比），體積儲氫密度達(dá)到62 千克/立方米[17]。此外，氫氣分子尺寸小，易泄露，還可能引起氫脆和氫腐蝕問題[18-19]，對儲存容器要求極高。此外，氫氣是易燃易爆氣體，其燃點(diǎn)為574°C，爆炸極限廣至4%～75%，安全問題極為重要。因此氫氣的儲運(yùn)具有一定難度，但也是保證氫氣安全且經(jīng)濟(jì)化應(yīng)用的關(guān)鍵[20]。

儲氫技術(shù)分為兩個方向：物理儲氫和化學(xué)儲氫[21-22]。物理儲氫主要包括常溫高壓儲氫、低溫液化儲氫、低溫高壓儲氫和多孔材料吸附儲氫；化學(xué)儲氫主要包括金屬氫化物儲氫和有機(jī)液體儲氫。幾種典型儲氫技術(shù)性能對比如表3所示。高壓氣態(tài)儲氫設(shè)備便捷，已成熟商業(yè)化，然而儲氫密度低，且存在泄露安全隱患，長期來看不是儲氫技術(shù)優(yōu)選方案[23]。低溫液態(tài)儲氫需將氫氣液化儲存，可以大幅提高儲氫密度，然而液氫儲存能耗和成本較高[24]。歐美和日本的液氫儲運(yùn)技術(shù)已成熟商業(yè)化，而國內(nèi)受核心技術(shù)和高成本限制，液氫僅應(yīng)用于航天領(lǐng)域[25]。低溫高壓儲氫技術(shù)相較于高壓氣態(tài)儲氫提高了儲氫密度，相較于液態(tài)儲氫降低了能耗[26]，不過目前尚處于研發(fā)階段。多孔材料，如碳納米材料[27-28]、金屬有機(jī)框架物[29-30]等，比表面積大，可以通過范德華力吸附氫氣，但是在常溫常壓下的吸附性能和儲氫容量有待提高。一些特定金屬、金屬化合物在一定的溫度和壓力下能與氫氣反應(yīng)，生成金屬氫化物，經(jīng)加熱重新釋放氫氣，如鎂基合金、鈦基合金、稀土系金屬等[31-32]。固態(tài)金屬儲氫安全性高，能保持氫氣高純度，但吸放氫性能和循環(huán)使用性能有待改善。近年來，不飽和烴類有機(jī)溶液被看作是頗具前景的氫載體，通過加氫反應(yīng)儲存氫氣，通過脫氫反應(yīng)釋放氫氣，儲氫密度高，且可以借助現(xiàn)有的液體燃料輸運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)氫運(yùn)輸[33-34]。目前尚處于研發(fā)階段，反應(yīng)催化劑有待進(jìn)一步優(yōu)化，且脫氫后的氫氣需要進(jìn)一步純化。

表3 典型儲氫技術(shù)對比[35-37]

2.成本分析

要實(shí)現(xiàn)氫氣跨空間使用，必須進(jìn)一步優(yōu)化氫氣運(yùn)輸途徑。當(dāng)前三種主流的氫氣運(yùn)輸方式為氣管拖車、液氫槽車/船、氫氣管網(wǎng)，其成本與運(yùn)輸距離的變化如圖3所示。氫氣長管拖車運(yùn)輸高壓氣體，靈活性高，但載氫量小，儲氫密度低，存在高壓危險。當(dāng)運(yùn)輸距離較小時，氣氫長管拖車較液氫運(yùn)輸具有成本優(yōu)勢。但隨著運(yùn)輸距離增加，其運(yùn)輸成本快速上升，因此僅適用于短距離、小體量輸氫。液氫槽車運(yùn)輸?shù)蜏匾后w，其單次載氫量超過氣管拖車的11倍，儲氫密度能達(dá)到美國能源部提出的商業(yè)化要求，運(yùn)輸成本隨運(yùn)輸距離變化基本維持穩(wěn)定，適合遠(yuǎn)距離、中大體量運(yùn)輸。但是如何降低氫氣液化功耗、減少運(yùn)輸過程中氫氣損耗，有待進(jìn)一步優(yōu)化。氫氣管網(wǎng)初始投資成本高，其輸氫成本隨運(yùn)能的提升而降低，當(dāng)運(yùn)輸體量達(dá)到一定規(guī)模方能凸顯其經(jīng)濟(jì)性，且隨著運(yùn)輸距離的增加輸氫成本顯著升高。因此，管網(wǎng)輸氫適用于固定性的批量供氫線路。此外，借助成熟的天然氣管網(wǎng)摻氫運(yùn)輸也是可選的輸氫方案，可節(jié)省管網(wǎng)初期造價成本，在國內(nèi)外均已有示范項目。鑒于氫腐蝕帶來的安全問題，按目前技術(shù)水平，建議摻氫比例不高于20%[38]。固態(tài)儲氫和有機(jī)溶液儲氫運(yùn)輸方便，且儲氫密度高，待技術(shù)突破，將大大降低氫氣輸運(yùn)成本。

圖3 不同輸氫方式的成本與運(yùn)輸距離的關(guān)系① 在輸氫成本核算中，用電價格按0.6元/千瓦時計，車用油價按6.76元/升計。

在氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)，需要因地制宜，根據(jù)輸氫體量和輸氫距離選擇輸氫方式。短距離小體量運(yùn)輸宜選用氫氣拖車，長距離運(yùn)輸宜選用液氫槽車或船舶，固定線路上大體量輸氫宜選用管網(wǎng)運(yùn)輸。固態(tài)儲氫和有機(jī)溶液儲氫若能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，將大大提高儲氫密度，實(shí)現(xiàn)更安全、更便利和更低成本的氫氣運(yùn)輸。

（三）氫氣使用

氫氣可以通過氫燃料電池或燃?xì)廨啓C(jī)可轉(zhuǎn)化為電能和熱能，是高能量密度的能源載體；同時氫氣也是重要的化工原料和還原氣體，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

1.交通行業(yè)

在交通行業(yè)，以氫燃料為動力，可以實(shí)現(xiàn)車輛使用端的零碳排放[39-41]。相比電動力，氫動力可以實(shí)現(xiàn)更長續(xù)航，在低溫環(huán)境下有很好的適應(yīng)力，同時氫氣加注速度遠(yuǎn)高于充電速度。因此，氫動力在貨用卡車、長途汽車應(yīng)用中有著無可比擬的優(yōu)勢，氫動力叉車憑借其靈活性和快充性能已實(shí)現(xiàn)推廣使用。氫動力飛機(jī)、氫動力船舶以氫代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油，在保證續(xù)航和載重能力的同時更加清潔環(huán)保，相關(guān)研究正在如火如荼進(jìn)行中，目前全球已有少量示范案例。此外，氫動力在使用過程中僅產(chǎn)生水，且避免了噪音和高溫的產(chǎn)生，是軍事交通的優(yōu)選動力來源。作為低溫推進(jìn)劑，液氫在航天領(lǐng)域已有多年應(yīng)用歷史。

關(guān)于氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃，目前主要聚焦于陸上車輛。本文將比較氫動力與燃油動力和電動力車輛的使用成本。車輛的全生命周期成本主要由車輛購置成本、動力燃料成本和車輛維護(hù)成本構(gòu)成。

在氫燃料電池車輛購置成本中，氫燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)的占比超過50%，其余部分成本與動力燃料車輛和電動車輛相近。從2017—2020年，中國燃料電池汽車保有量增長了約2.9倍，氫燃料電池系統(tǒng)成本由13 000元/千瓦降低至5 000元/千瓦以下。目前，中國應(yīng)用的儲氫瓶中以35 兆帕 III型瓶為主，車用儲氫系統(tǒng)價格約為5 000元/千克。目前中國氫能在交通領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用化的主要場景為客車。以10.5米客車為例，燃油客車購置成本為40萬元，電動客車購置成本為74萬元（價格信息來自中國政府采購網(wǎng)），而氫燃料電池客車購置成本為195萬元[42]，遠(yuǎn)高于燃油客車與電動客車，現(xiàn)階段仍需依靠政府補(bǔ)貼。但隨著技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)經(jīng)驗累積與規(guī)模擴(kuò)大，燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)成本將逐步下降，氫燃料電池車輛購置成本也將進(jìn)一步下降。

氫燃料電池車輛的燃料成本即加氫價格，除氫氣制取和儲運(yùn)環(huán)節(jié)外，氫氣加注環(huán)節(jié)將增加用氫成本約14元/千克[8]。表4以30噸級重卡、客車、乘用車為例，對比了燃油車、電動車、氫燃料電池車在當(dāng)前技術(shù)水平下的百公里耗能情況。按照當(dāng)前加氫價格，氫動力的使用成本遠(yuǎn)高于燃油動力和電動力。圖4展示了在不同交通工具應(yīng)用中，燃油動力和電動力車輛的動力成本區(qū)間，以及在不同氫氣價格下氫動力車輛的動力成本。當(dāng)加氫價格小于45元/千克，氫動力技術(shù)在重卡領(lǐng)域與電動技術(shù)形成競爭力，在乘用車領(lǐng)域與燃油技術(shù)相比具有競爭優(yōu)勢；當(dāng)加氫價格小于40元/千克，氫動力技術(shù)在重卡領(lǐng)域與燃油技術(shù)形成競爭力，在客車領(lǐng)域與燃油和電動技術(shù)形成競爭力；當(dāng)加氫價格低于35元/千克，氫動力技術(shù)方能在乘用車領(lǐng)域與電動技術(shù)形成競爭力；當(dāng)加氫價格低于20元，氫動力技術(shù)在三種車型領(lǐng)域應(yīng)用相比起燃油技術(shù)和電動技術(shù)均具有競爭優(yōu)勢。

圖4 不同動力交通工具百公里動力成本

表4 不同動力燃料交通工具百公里耗能量

美國阿貢實(shí)驗室[43]以輕型車為研究對象，對比了三種動力車輛的維護(hù)成本。其中燃油車輛的維護(hù)成本最高，電動車輛與氫燃料車輛維護(hù)成本相當(dāng)，減少了機(jī)械運(yùn)動部件和機(jī)油的使用，維護(hù)成本比燃油車輛低近40%。

綜上所述，氫燃料電池車輛購置成本遠(yuǎn)高于燃油車和電動車，中短期內(nèi)需依賴國家補(bǔ)貼。從燃料使用成本方面來看，氫燃料在重卡和客車領(lǐng)域更易具有競爭力，在乘用車領(lǐng)域需以低于35元/千克的氫氣價格方能與電動車競爭。車輛維護(hù)成本在車輛生命周期成本中占比較低，尚不能凸顯氫燃料車輛的優(yōu)勢。

2.工業(yè)

在工業(yè)領(lǐng)域，氫氣是重要的化工原料，合成氨、合成甲醇、原油提煉等，均離不開氫氣[44-45]。在電子工業(yè)中[46]，芯片生產(chǎn)需要用高純氫氣作為保護(hù)氣，多晶硅的生產(chǎn)需要?dú)錃庾鳛樯L氣。目前國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)工藝中，氫氣消耗量約為500～1 500 標(biāo)準(zhǔn)立方米/噸 Si[47]。隨著信息技術(shù)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子工業(yè)對氫氣的需求量持續(xù)增長。在鋼鐵行業(yè)，用氫氣直接還原法代替碳還原法，是降低煉鋼行業(yè)碳排放量的有效手段[48-49]，在國內(nèi)外已有少量示范項目。然而，氫能煉鋼需要大量氫氣供給，這需要成熟且低成本的氫能供應(yīng)鏈作為支撐，也需要相關(guān)技術(shù)和材料的突破。

電子工業(yè)使用高純氫氣，一般采用現(xiàn)場電解水制氫。化工行業(yè)用氫一般以煤或天然氣為原料制取，部分使用工業(yè)副產(chǎn)氫，總體使用成本較低。據(jù)國際能源署統(tǒng)計[7]，中國以煤制氫為主要?dú)錃鈦碓矗铣砂钡钠綔?zhǔn)化成本為274～575美元/噸，碳排放強(qiáng)度為3.85噸CO2/噸；合成甲醇的平準(zhǔn)化成本為153～346美元/噸，碳排放強(qiáng)度為3.29 噸CO2/噸。為推動工業(yè)領(lǐng)域脫碳，用綠氫和藍(lán)氫代替灰氫是大勢所趨。若使用電解水制氫，則合成氨的平準(zhǔn)化成本為232～1 834美元/噸，合成甲醇的平準(zhǔn)化成本為225～1 289美元/噸。傳統(tǒng)煉鋼工藝采用焦炭為還原劑，煉鋼成本為350～390美元/噸，碳排放強(qiáng)度高達(dá)1.6 噸CO2/噸[8]，使用純氫氣或氫氣混合天然氣替代焦炭有利于推進(jìn)煉鋼行業(yè)的節(jié)能減排。目前的試點(diǎn)和示范項目中，使用100%氫氣直接還原煉鋼，煉鋼成本超過1 000美元/噸（資源最佳地區(qū)煉鋼成本可低至462美元/噸）；使用50%氫氣還原煉鋼，則煉鋼成本降低至490～860美元/噸[7]。因此，降低氫氣的使用成本是推動綠氫在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要因素。

3.其他行業(yè)

除了交通行業(yè)和工業(yè)，氫氣在其他行業(yè)也有巨大的應(yīng)用潛力。在電力行業(yè)，氫能發(fā)電，可以用作備用電源、分布式電源、為電網(wǎng)調(diào)峰。在建筑行業(yè)，一方面，天然氣摻氫用作家用燃料，可以降低燃?xì)馐褂锰寂欧艔?qiáng)度；另一方面，氫驅(qū)動的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，為建筑物供電供熱，綜合能源利用效率超過80%。在醫(yī)療領(lǐng)域，氫氣也被證實(shí)有去除氧化基、治療氧化損傷等療效[50-51]。在食品工業(yè)，也常常用氫氣實(shí)現(xiàn)油脂氫化，以提高油脂的使用價值[52-53]。

在建筑領(lǐng)域，氫氣可代替或摻入天然氣燃燒供熱，也可通過氫燃料電池實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。以北京為例，目前終端居民天然氣價格約為2.63元/標(biāo)準(zhǔn)立方米[54]，提供1 標(biāo)準(zhǔn)立方米天然氣等值熱量需要2.82 標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣。因此當(dāng)氫氣價格低于10元/千克時，燃?xì)涔岱侥芘c天然氣形成競爭力。小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)目前已在歐美、日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，而中國小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)仍處于試點(diǎn)階段，千瓦級系統(tǒng)的度電成本超過2元/千瓦時，在經(jīng)濟(jì)性方面具有很大的進(jìn)步空間。

由此可見，氫氣在多個行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。在交通行業(yè)，燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)的成本下降是氫燃料車輛推廣的必要條件，氫氣加注的價格和便利程度是影響氫動力技術(shù)擴(kuò)散路徑的重要因素。若加氫價格低于40元/千克，則氫動力技術(shù)有望在重卡和客車領(lǐng)域形成競爭力；當(dāng)加氫價格低于35元/千克，氫動力技術(shù)方能在乘用車領(lǐng)域形成競爭力。在工業(yè)領(lǐng)域，氫氣作為化工原料，在煉油、合成氨、合成甲醇等領(lǐng)域已有成熟廣泛的應(yīng)用，用綠氫逐步替代灰氫是下一步工業(yè)領(lǐng)域脫碳的關(guān)鍵途徑。為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)脫碳，氫能煉鋼替代焦炭煉鋼正成為行業(yè)探索的熱點(diǎn)。氫能煉鋼技術(shù)可在資源好的地區(qū)先行示范利用，待技術(shù)成熟及綠氫成本降低之后再逐步推廣。在不考慮碳排放成本的前提下，氫氣在建筑行業(yè)難以替代天然氣等常規(guī)的家庭燃料，但仍是良好的備用電源選擇。

二、氫能技術(shù)預(yù)見

（一）氫能本征技術(shù)發(fā)展預(yù)測

氫能技術(shù)仍處于發(fā)展初期，長產(chǎn)業(yè)鏈及多元化技術(shù)增加了其發(fā)展不確定性，預(yù)估其技術(shù)成熟時間和發(fā)展路徑對氫能產(chǎn)業(yè)布局意義重大。本文采用文獻(xiàn)計量方法探究氫能技術(shù)研究現(xiàn)狀，并通過技術(shù)生長曲線學(xué)習(xí)歷史經(jīng)驗來預(yù)測未來發(fā)展趨勢。在Web of Science Core Collection的SCI-E數(shù)據(jù)庫內(nèi)，分別以氫氣制取、氫氣儲運(yùn)和氫燃料電池為關(guān)鍵詞，對氫能技術(shù)研究相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，具體檢索條件如表5所示。

表5 文獻(xiàn)檢索條件

根據(jù)文獻(xiàn)累積發(fā)表數(shù)目，本文采用技術(shù)生長曲線法預(yù)測氫能技術(shù)發(fā)展階段。如圖5所示，技術(shù)生命曲線分為四個階段：新興期、成長期、成熟期和飽和期。新興期，發(fā)文量較少，技術(shù)概念剛剛興起；成長期，研究產(chǎn)出逐步增長，技術(shù)受到更多關(guān)注；成熟期，發(fā)文量快速增長，經(jīng)過前期積累，技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，進(jìn)入應(yīng)用階段；飽和期，學(xué)術(shù)研究熱度降低，技術(shù)已經(jīng)市場化應(yīng)用。

圖5 技術(shù)S曲線框架

選取全球、中國及美國2021年以前的文章發(fā)表數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic函數(shù)擬合，擬合方法選擇如下“S形”生長曲線模型[55]

其中，NS為發(fā)文量的漸近極限值；Δt為發(fā)文量由NS的10%增長至90%所用時間；tm為發(fā)文量達(dá)到0.5NS時的時間點(diǎn)。

由“S形”成長曲線模型得到氫氣制取、氫氣儲運(yùn)和氫燃料電池相關(guān)主題累計發(fā)文量隨時間變化關(guān)系如圖6所示，并根據(jù)擬合結(jié)果得到各項技術(shù)的生命周期階段節(jié)點(diǎn)，如表6所示。整體來看，中國各項技術(shù)興起晚于全球水平，但后來居上，較全球更早達(dá)到飽和期。就氫氣制取技術(shù)而言，中國于2023年進(jìn)入成熟期，比全球早5年；于2031年進(jìn)入飽和期，比全球早8年。美國在氫能制取技術(shù)領(lǐng)域市場化成熟較晚。在氫氣儲運(yùn)技術(shù)領(lǐng)域，中國雖然起步較晚，但成熟期和飽和期的到來遠(yuǎn)早于美國和全球平均水平，預(yù)計2027年進(jìn)入飽和期，屆時市場應(yīng)用成熟，比全球平均水平早25年。在氫燃料電池領(lǐng)域，美國技術(shù)領(lǐng)先，2019年就進(jìn)入了飽和期，而中國2027年進(jìn)入飽和期，比全球平均水平晚一年。為避免發(fā)達(dá)國家技術(shù)壁壘，中國需在氫燃料電池領(lǐng)域投入更多研究，趕超國際先進(jìn)水平。此外，中國氫氣制取技術(shù)領(lǐng)域的飽和期略晚于氫氣儲運(yùn)和氫燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，可投入更多力量以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈均衡協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖6 全球和中國氫能技術(shù)相關(guān)主題發(fā)文數(shù)量隨時間變化關(guān)系及趨勢預(yù)測

表6 氫能各環(huán)節(jié)技術(shù)生命階段時間點(diǎn)

（二）氫能與替代技術(shù)競爭分析

除了氫能技術(shù)本身發(fā)展以外，氫能技術(shù)與其他低碳技術(shù)的互補(bǔ)和競爭作用也是影響其發(fā)展規(guī)劃的重要因素?？紤]到在不同應(yīng)用領(lǐng)域氫能技術(shù)面臨的低碳競爭技術(shù)不同，根據(jù)其成本變化和技術(shù)成熟度，在不同應(yīng)用場合中的擴(kuò)散途徑將有所不同。國際氫能委員會分析了不同領(lǐng)域氫氣與競爭技術(shù)相比具備競爭力的時間點(diǎn)，并按照氫氣資源獲取條件分為最佳和一般地區(qū)兩種情況，如圖7所示。

圖7 氫能在不同應(yīng)用領(lǐng)域具有競爭力的時間[56]

在交通領(lǐng)域，氫能的主要競爭技術(shù)為電動技術(shù)和生物燃料技術(shù)。電動技術(shù)可與電網(wǎng)聯(lián)動發(fā)揮儲能調(diào)峰功能，且充電站等基礎(chǔ)設(shè)施更為便利，但電動技術(shù)存在續(xù)航短、充電時間長、低溫適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，電池存在安全隱患。生物燃料可直接替代傳統(tǒng)燃油，減少技術(shù)改造成本，適用性強(qiáng)，但運(yùn)輸倉儲成本高，無法避免終端污染。對于運(yùn)輸量大、運(yùn)輸距離長的交通需求，如卡車、長途客車等，氫能技術(shù)更容易形成競爭優(yōu)勢。對于小型城市汽車（即乘用車），電動汽車技術(shù)成本更低，基礎(chǔ)設(shè)施更為完善，因此優(yōu)勢更為顯著。對于出租車車隊和叉車，若使用電動技術(shù)，充電時間將大大壓縮其營運(yùn)時間，因此氫能技術(shù)相對更具競爭力。大渡船和航空工具行程時間長，燃料消耗體量大，燃料加注不便。生物燃料具有更高的體積能量密度，因此更適合用作大渡船和航空工具的動力燃料。

在電力和熱力部門，氫能典型競爭技術(shù)為煤炭、天然氣、沼氣、熱泵以及多種儲能技術(shù)等。目前儲能技術(shù)主要分為物理儲能、電化學(xué)儲能、熱學(xué)儲能、電磁儲能。在物理儲能方法中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能受地理環(huán)境限制，飛輪儲能只適合短時儲能；電化學(xué)儲能成本偏高，資源規(guī)模和儲能體量受限；熱學(xué)儲能需要使用高溫?zé)峁べ|(zhì)，應(yīng)用場合和儲能效率受限；電磁儲能成本高，儲能密度也有待提高。氫氣可發(fā)揮規(guī)?；L期儲能作用，突破儲能技術(shù)瓶頸，且氫燃料電池可實(shí)現(xiàn)快速啟停，用氫能發(fā)電作為備用發(fā)電機(jī)可以在近期內(nèi)具備競爭力。在資源條件好的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用氫能發(fā)電也獨(dú)具優(yōu)勢。與技術(shù)成熟的煤發(fā)電和煤供熱相比，直接用氫氣進(jìn)行規(guī)模化供熱供電成本頗高，預(yù)計到2045年以后方能在一般條件地區(qū)具備經(jīng)濟(jì)型。在建筑物供電供熱技術(shù)中，天然氣摻氫技術(shù)可以大大節(jié)省氫氣輸運(yùn)成本和設(shè)備使用成本，有望于2025年左右在一般條件地區(qū)具備競爭力。若新建輸氣網(wǎng)絡(luò)，將大大增加氫氣在建筑行業(yè)的使用成本，使之到2030年以后方能在一般條件地區(qū)具備競爭力。在建筑物供熱領(lǐng)域中，熱泵技術(shù)能源利用率高、成本低且環(huán)保安全，中短期內(nèi)比氫能更具競爭力。

在工業(yè)領(lǐng)域，氫氣是重要的化工原料和保護(hù)氣，使用綠色氫能是工業(yè)領(lǐng)域重要的脫碳技術(shù)。對于合成氨和甲醇、煉油、生產(chǎn)玻璃和多晶硅，氫氣使用都已成為成熟的且具有競爭力的技術(shù)方案。在煉鋼行業(yè)中，用氫氣直接還原代替焦炭還原將大大增加生產(chǎn)成本，預(yù)計于2033年左右在一般條件地區(qū)具備競爭力。

就氫能技術(shù)本身而言，在發(fā)展規(guī)劃中應(yīng)注重產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均衡發(fā)展。在氫氣制取和氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)，中國技術(shù)發(fā)展均屬于后來居上；在氫燃料電池領(lǐng)域，中國技術(shù)發(fā)展滯后于國際水平。氫氣儲運(yùn)技術(shù)和氫燃料電池技術(shù)研究于2027年左右進(jìn)入飽和期，而氫氣制取技術(shù)于2031年左右方進(jìn)入飽和期。需要說明的是，灰氫制取技術(shù)早已成熟應(yīng)用，為獲得價格可與灰氫相競爭的綠氫，需投入更多研究資源。就氫能綜合應(yīng)用而言，應(yīng)考慮在行業(yè)中相對替代技術(shù)形成競爭優(yōu)勢，且依據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢因地制宜謀發(fā)展，可在資源稟賦好的地區(qū)先示范應(yīng)用，再逐步推廣。

三、結(jié)論與政策建議

綜上所述，氫能是一個綜合性產(chǎn)業(yè)鏈體系。在氫氣制取環(huán)節(jié)，目前仍以具有成本優(yōu)勢的煤制氫為主要方法，以此為基礎(chǔ)促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈其他環(huán)節(jié)的發(fā)展。同時需要通過產(chǎn)研結(jié)合，降低電解水制氫的技術(shù)成本，未來可再生能源制氫將成為主流制氫方式。在氫氣輸運(yùn)環(huán)節(jié)，需根據(jù)輸氫距離、輸氫體量等實(shí)際情況選擇合適的輸氫方式。同時加強(qiáng)固態(tài)儲氫和有機(jī)溶液儲氫技術(shù)的研發(fā)，以獲得更便利、成本更低的輸氫方式。氫氣在多行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景，但氫能在各行業(yè)滲透率基本都依賴氫氣使用成本。在交通行業(yè)，可優(yōu)先在重卡和客車應(yīng)用中推廣使用氫動力，待用氫成本降低至35元/千克以下，再在乘用車應(yīng)用中推廣使用氫動力。在工業(yè)領(lǐng)域，氫能作為化工原料應(yīng)用成熟，下一步需實(shí)行綠氫替代灰氫，并在有條件的地區(qū)優(yōu)先進(jìn)行氫能煉鋼示范應(yīng)用。在建筑行業(yè)，氫能不具備經(jīng)濟(jì)性，但仍是備用電源的良好選擇。本文通過文獻(xiàn)計量分析法進(jìn)行了氫能技術(shù)預(yù)見研究，可以看出中國氫能研發(fā)起步較晚，但增長迅速。氫能儲運(yùn)技術(shù)和氫燃料電池技術(shù)相關(guān)研究在2027年左右進(jìn)入飽和期，氫能制取技術(shù)相關(guān)研究在2031年左右進(jìn)入飽和期。為保障產(chǎn)業(yè)鏈均衡發(fā)展，需加快突破氫能制取技術(shù)，以期早日實(shí)現(xiàn)平價綠氫制取。同時，中國氫燃料電池技術(shù)發(fā)展滯后于全球平均水平，需加快技術(shù)攻關(guān)，以避免被發(fā)達(dá)國家制造技術(shù)壁壘。此外，本文分析了氫能在不同領(lǐng)域與替代技術(shù)的競爭關(guān)系，及其可能形成競爭力的時間。

總體來看，中國氫能發(fā)展趨勢向好，地方政府和企業(yè)積極性較高，且技術(shù)國產(chǎn)化水平逐步提高，具有較大的資源和市場潛力，是構(gòu)建現(xiàn)代化能源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。但在發(fā)展過程中，資源分散，重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象初露苗頭，為促進(jìn)中國氫能產(chǎn)業(yè)高水平有序發(fā)展，提出以下兩點(diǎn)建議：

第一，建立與健全相關(guān)頂層設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)體系。建立國家層面的氫能發(fā)展路線圖，吸引良性資本市場支持，合理分配資源，加強(qiáng)技術(shù)短板環(huán)節(jié)投入，鼓勵因地制宜和“先示范后推廣”的發(fā)展理念，引導(dǎo)氫能行業(yè)有序發(fā)展，避免重復(fù)建設(shè)和盲目競爭。建立并健全氫氣作為能源品的生產(chǎn)、儲運(yùn)、管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，完善涉氫系統(tǒng)的本征安全、主動安全和被動安全措施，確保氫能安全體系成熟完整。

第二，加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。推動產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，增加良性國際合作，強(qiáng)化人才培養(yǎng)，以問題為導(dǎo)向，加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)國產(chǎn)化。基礎(chǔ)設(shè)施的普及程度與用氫終端的推廣是相互依存的關(guān)系，但基礎(chǔ)設(shè)施的不健全與用氫終端的發(fā)展相互掣肘。在具有用氫潛力的地區(qū)，需提前部署輸氫管網(wǎng)、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施。實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)國產(chǎn)化和平價化、健全氫能基礎(chǔ)設(shè)施，對于降低氫氣使用成本、推廣氫能應(yīng)用具有重要作用。