中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 氫能是一種清潔高效的二次能源；發(fā)展氫能技術對于構建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系，保障國家能源安全，改善大氣環(huán)境質量，以及推進能源產(chǎn)業(yè)升級等具有重要意義。作為能源，氫具有2個明顯的優(yōu)勢：高能量密度——氫的單位質量的熱值約是煤炭的4倍、汽油的3.1倍、天然氣的2.6倍；能被儲存且可實現(xiàn)靈活的時間轉移或地域轉移，來源多樣，終端零排，應用領域廣泛等。

隨著全球氣候壓力增大及能源轉型加速，氫能在實現(xiàn)各國碳中和目標上將發(fā)揮重大積極作用。中國與美國、日本、韓國、歐盟等全球主要發(fā)達國家和地區(qū)都高度重視氫能的發(fā)展，許多國家與地區(qū)都將氫能上升到能源戰(zhàn)略高度。美國能源部為了響應拜登總統(tǒng)提出的應對氣候變化目標，啟動實施能源攻關計劃，把氫能作為推動全球能源轉型和應對氣候變化的一種可行性技術來大力發(fā)展。據(jù)國際氫能委員會預計，到2050年全球范圍內氫能占全部能源消費的比重將提高到18%，氫經(jīng)濟的市場規(guī)模將達到2.5萬億美元。

美國是全球較早提出氫能發(fā)展規(guī)劃的國家。美國政府自1990年制定推動氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各項政策至今逾30年，始終保持著從政策評估、商業(yè)化前景預測，到方案制定、技術研發(fā)，再到示范推廣的發(fā)展思路。隨著全球氣候變化的壓力增大，美國的氫能戰(zhàn)略在碳中和目標下發(fā)生了新的轉變。本文將對美國氫能發(fā)展戰(zhàn)略的目標、內涵、特點及新時期美國氫能戰(zhàn)略變化情況做詳細分析，以期為我國氫能政策的制定提供參考支撐。

美國氫能發(fā)展戰(zhàn)略的歷程剖析

美國是全球較早提出氫能研究和應用的國家，美國政府自1990年至今頒布了多項推動氫能發(fā)展的政策和行動計劃。概括起來，美國政府氫能政策的發(fā)展分為4個階段（表1）。

通過表1可見，美國政府確定氫能為能源供應的方向之一和開展氫能技術研發(fā)示范的時間長達31年，已經(jīng)形成“制氫—運氫—儲氫—用氫”的全技術鏈能力，為規(guī)模化發(fā)展氫能奠定了可靠的科學基礎；同時也表明，經(jīng)過多年探索，美國對氫能未來的應用方向具有較為成熟的認識。2019年11月，美國燃料電池和氫能源協(xié)會（FCHEA）在其發(fā)布的《美國氫能經(jīng)濟路線圖執(zhí)行概要報告》中指出：在過去10年中，美國能源部對氫能和燃料電池每年資助約1億—2.8億美元的研發(fā)經(jīng)費，尤其是2017年以來每年約投入1.5億美元研發(fā)經(jīng)費；美國能源部計劃2020—2022年，實現(xiàn)氫能在小型乘用車、叉車、分布式電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)、碳捕捉等領域的應用；到2030年，預計美國氫能經(jīng)濟每年可產(chǎn)生約1400億美元的收入，并在整個氫價值鏈中提供70萬個工作崗位；到2050年，預計美國每年將創(chuàng)造約7500億美元的收入和累計340萬個就業(yè)機會來推動經(jīng)濟增長；同時，到2050年，氫能將占據(jù)美國能源需求14%的比例。這反映出推動氫能技術全鏈條產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、建立新的經(jīng)濟增長點及反哺社會將是美國政府未來推動氫能發(fā)展的重點工作。

新時期美國氫能戰(zhàn)略發(fā)展的主要特征

隨著全球氣候變化極端事件頻發(fā)，在美國氫能技術研發(fā)體系日趨完善和成效日益彰顯的前提下，美國政府將重點考慮氫能在實現(xiàn)本土碳中和目標中應發(fā)揮的作用。2021年2月，美國政府宣布重返《巴黎協(xié)定》談判，這促使美國在氣候目標下重新定位氫能在能源結構和全球市場中的位置并做出新的部署。2020年11月12日，美國能源部在2002年規(guī)劃基礎上，發(fā)布最新版《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，提出未來10年及更長時期氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架，并設定了到2030年美國氫能發(fā)展的技術和經(jīng)濟指標，其主要內容包括以下3方面。

（1）設定氫能全鏈條中重點發(fā)展技術的技術和經(jīng)濟指標，期望通過技術創(chuàng)新，提高技術穩(wěn)定性和效率，降低成本，加快一批氫能技術或產(chǎn)品的商業(yè)化應用（表2）。從表2給出的明確技術指標和經(jīng)濟指標來看，美國有望在氫能全鏈條環(huán)節(jié)的一些技術領域率先實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展。

（2）美國加大對氫能其他技術的設計和攻關，期望進一步為美國氫能經(jīng)濟提供更多的多元化選擇（表3）。通過研究可再生能源、化石能源和核能制氫技術，開發(fā)多種氫源；通過開發(fā)氫能分配先進技術、儲氫介質及儲氫設施，滿足各種規(guī)模的氫儲運的需求；通過進一步開發(fā)高性能燃料電池和合成燃料產(chǎn)品等，拓展氫能應用領域。

（3）開展氫能標準的研究和制定。為了配合氫能技術、設備、材料、制造工藝的產(chǎn)業(yè)化，美國計劃開展標準化制造流程、質量控制和優(yōu)化制造設計等研究，期望制定適用、統(tǒng)一的標準，保障氫能生產(chǎn)、輸配、儲存和應用等安全性、規(guī)模化、統(tǒng)一化和質量流程，以提供最佳實踐經(jīng)驗和做法。

為了落實上述《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，美國能源部于2021年6月7日啟動首個名為“氫能攻關”（Hydrogen Shot）的計劃并征集相關項目，目標是在未來10年（2020—2030年）使可再生能源、核能和熱能轉化制造清潔氫能的價格降低80%至1美元/千克（目前可再生能源制氫價格為5美元/千克），增加5倍清潔氫能生產(chǎn)的產(chǎn)量，進一步加大減少碳的排放^[16]。該計劃的項目征集信息主要為：① 從氫的生產(chǎn)、氫的來源和氫的應用基礎設施方面，征求能夠開展氫能示范項目的理想地區(qū)。此類地區(qū)應具備可用于清潔氫生產(chǎn)和基礎設施建設的必要資源，包括但不限于水、可再生能源、核能、天然氣，或從其他廢物（如垃圾填埋場、火炬氣、廢水處理）中獲得的能源資源。② 分析氫能示范項目理想地區(qū)的現(xiàn)有和潛在用戶及案例，如在工業(yè)、交通、化學品制造、保障電網(wǎng)安全和其他領域的需求案例。③ 研究氫能價值鏈下的溫室氣體和其他污染物減排潛力。④ 分析實施氫能示范項目可能需要的基礎科學、基礎或應用研究，以及創(chuàng)新的需求、需要的系統(tǒng)集成或原型設計設施。“氫能攻關”計劃使美國開始了從化石能源制氫（灰氫、藍氫）為主，向以可再生能源制氫（綠氫）為主的轉變。

碳中和目標下美國氫能新政的啟示

根據(jù)美國總統(tǒng)拜登提出的應對氣候變化目標，美國加快推動氫能技術的研究和商業(yè)化步伐，從中具體可得出5個方面啟示。

（1）使氫能成為比肩電力的重要能源形式。依照美國最新氫能戰(zhàn)略目標，到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造營收將為1400億美元和70萬就業(yè)崗位；到2050年可貢獻全美工業(yè)行業(yè)16%的二氧化碳減排量，氫能在全美能源需求中的占比將達到14%，從而成為比肩電力的重要終端能源形式。

（2）美國開展氫能技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化具有多目標性，同時更加重視清潔制氫技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。美國經(jīng)過30年的氫能技術全技術鏈研發(fā)，已經(jīng)從最初（20世紀90年代）將氫能作為能源儲備技術、調整和優(yōu)化美國能源結構、重點發(fā)展氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)等目標，轉型到建立和發(fā)展氫經(jīng)濟、應對碳中和目標、提振經(jīng)濟、加快“制氫—運氫—儲氫—用氫”全鏈條技術商業(yè)化、爭取全球氫技術主導地位（2020年迄今）等多目標。同時，美國更加注重電解水制氫、可再生能制氫、核能制氫等綠色清潔制氫技術的研發(fā)。上述舉措不僅促使美國全面轉型建立清潔能源結構體系，還可使其在全球氫能全鏈條技術和經(jīng)濟發(fā)展體系中占據(jù)主導地位。

（3）重視“制氫—運氫—儲氫—用氫”全鏈條技術的研發(fā)和規(guī)模化示范，研究氫能關鍵核心技術，打通美國氫能產(chǎn)業(yè)技術鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈等關鍵環(huán)節(jié)，為美國氫能技術和產(chǎn)業(yè)自立自強奠定堅實的科技基礎。① 在制氫方面，設計并開發(fā)了電解槽制氫技術、化石能源重整、氣化和熱解制氫技術、核能制氫技術、生物質和廢棄物制氫技術、混合制氫技術、可再生能源制氫技術等。例如，2020年美國能源部已經(jīng)啟動兆瓦級和吉瓦級電解槽設備的研制。② 在運氫方面，開發(fā)了氫氣分配和輸送系統(tǒng)，包括液化和化學儲氫技術等，建設運氫基礎設施。③ 在儲氫方面，開發(fā)儲氫系統(tǒng)、儲氫設施、儲氫介質等，包括研究和提供應急供應和地質儲氫方案。④ 在用氫方面，在氫作為原料進行轉化的技術中，開發(fā)氫燃料電池技術、高濃度氫渦輪機系統(tǒng)等。

（4）把經(jīng)濟指標和技術指標結合起來作為技術創(chuàng)新的評估指標，其本質上是提速本土氫能商業(yè)化應用，獲取美國在全球氫能技術和市場的先發(fā)優(yōu)勢。從美國1990年氫能政策制定伊始，美國政府通過充分調研和論證，確定了當時氫能技術全鏈條研發(fā)方向，研究氫能在工業(yè)、住宅、運輸?shù)确矫娴募夹g可行性，并把應用重心放在氫能燃料電池在交通運輸領域應用上。但是，隨著全球氣候的壓力增大，尤其是2021年初新一屆美國政府成立，美國應對氣候目標、推動氫能應用和建立氫能經(jīng)濟系統(tǒng)的步伐明顯加大加快，這反映出美國對推動氫能發(fā)展的急迫性。

（5）重視氫能相關新材料技術的研發(fā)，期望以此推動關鍵氫能裝備技術的變革性升級。美國在制定氫能發(fā)展規(guī)劃和部署研究項目時充分秉承了“材料是促進一切科技變革的基石”這一理念，自2014年開始，美國能源部就開始在制氫技術環(huán)節(jié)部署了多個新材料研制項目，主要包括燃料電池離子交換膜的研制、電解槽新型涂層材料研制、各類催化劑材料的開發(fā)等，期望提升制氫技術的穩(wěn)定性和耐久性。2020年美國能源部還在碳纖維等高強度儲運氫新材料的研究上投入高達3200萬美元的開發(fā)經(jīng)費。

我國氫能發(fā)展現(xiàn)狀

（1）技術層面。我國在氫能的基礎研究方面有持續(xù)投入，但起步較晚，積累較少。近20年來，在科學技術部和中國科學院等部門相關項目的資助下，我國在氫能領域取得了一些領先世界的重要成果。特別突出的是，由中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊研發(fā)的人工光合成太陽燃料技術，提出了利用太陽能等可再生能源生產(chǎn)“綠色”氫能，并將二氧化碳加氫轉化為甲醇等液體燃料的“液態(tài)陽光”合成技術路線。2020年1月，該技術的示范項目投料試車成功，標志著這一領先世界的研發(fā)技術在我國碳中和過程中可能起到重要的作用。在太陽能微藻制氫領域，由中國科學院植物研究所黃芳研究員團隊研發(fā)了面向“綠色藻氫”生產(chǎn)的太陽能光生物轉化制氫創(chuàng)新技術。該技術利用自主研發(fā)的、產(chǎn)氫量居微藻光合產(chǎn)氫領域之首的微藻材料，建立了實驗室規(guī)模的、以微藻光合作用為基礎的“綠色藻氫”種質創(chuàng)制—氫氣生產(chǎn)—氫氣收集儲存—氫燃料電池應用的完整技術體系，為進一步面向國家碳中和目標的相關研發(fā)奠定了重要基礎。

（2）政策層面。2019年國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結構調整指導目錄》，鼓勵發(fā)展高效制氫/運氫及高密度儲氫技術開發(fā)應用及設備制造、加氫站、新能源汽車關鍵零部件。2021年，科學技術部發(fā)布“氫能技術重點專項”，以支持氫能綠色制取與規(guī)模轉存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便捷改質與高效動力系統(tǒng)技術研發(fā)。2019年，廣東、山西等10個省份將發(fā)展氫能寫入政府工作報告，北京、上海、蘇州、佛山、嘉興等超過17個省份的22個城市出臺了本地氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或行動計劃，從產(chǎn)值規(guī)劃、加氫站建設、推廣示范車輛數(shù)量、企業(yè)扶持等方面進行了相對詳細的規(guī)劃，通過人才、資金、示范運營等多舉措加速氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)布局。

（3）戰(zhàn)略層面。我國氫能技術研發(fā)和應用上存在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、關鍵核心技術尚未突破、總成本過高、技術專利壁壘嚴重等問題，亟待通過打破相關技術壁壘來改善產(chǎn)品質量和技術先進性問題，以提升我國氫能及相關應用鏈在國際上的戰(zhàn)略優(yōu)勢。與美國藍氫、綠氫等氫能技術路線相比，我國亟待研判藍氫與綠氫^③技術路線之間的關系，以及氫與電共同作為終端消費能源的互補性問題。

（4）技術難題。與美國藍氫、綠氫等氫能技術路線相比，我國藍氫與綠氫的成本及未來下降潛力差異很大。例如，我國規(guī)模意義下的“光伏＋電解”技術制氫的全鏈能量轉化效率僅為15%左右，對應成本為12—18美元/千克，是天然氣重整制氫成本近10倍。除氫氣生產(chǎn)需要提高效率、降低成本以外，氫氣的儲運也存在一些技術難題，氫氣儲存方式可以分為物理儲氫（包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液氫技術、吸附儲氫等）和化學儲氫（利用儲氫介質與氫氣反應生成穩(wěn)定化合物，再通過改變條件實現(xiàn)放氫的技術，主要包括有機液體儲氫、液氨儲氫、配位氫化物儲氫、無機物儲氫和甲醇儲氫等）。國內的物理儲氫技術發(fā)展相對落后，以高壓氣態(tài)儲氫為例，儲罐關鍵材料仍依賴進口，儲氫量低。相對于物理儲氫，化學儲氫具有能量密度高和相對安全的特點，未來有望替代物理儲氫成為主流技術。但目前大部分化學儲氫技術還處于研發(fā)階段，成本相對較高。

關于我國氫能發(fā)展的思考與建議

綜上所述，與美國氫能戰(zhàn)略相比，我國氫能發(fā)展存在研發(fā)創(chuàng)新不足、成果分享和資源整合不夠、缺乏人才及交流合作、標準和知識產(chǎn)權保護缺乏等問題，建議從國際、國內需求和供給方面系統(tǒng)研究我國氫能發(fā)展規(guī)劃，多角度、全方位提升我國氫能技術和產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，避免氫能成為下一個“卡脖子”技術。具體提出3個方面建議。

（1）加強頂層設計，集中國家優(yōu)勢力量，開展氫能關鍵技術、新技術路線及其應用的創(chuàng)新攻關，從核心技術上突破市場封鎖。氫能已被視為未來主要能源，氫氣的制取是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的基礎。如何高效、清潔制氫對氫能的發(fā)展具有重要意義。因此，研究并獲取高效、低成本、大規(guī)模的制氫方法是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提與基礎。從國際經(jīng)驗來看，建議加大對綠氫尤其是可再生能源制氫技術及相關制氫、儲氫、運氫材料的研發(fā)研制。加強對氫能儲備與氫能應用技術、氫能應用成套設備的研究，從技術鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈等角度開展氫能應用技術的研究，尤其是關鍵技術、核心技術上的攻關，開發(fā)具有自主產(chǎn)權的核心技術和關鍵技術。

（2）開展氫能技術鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈專利壁壘與競爭系統(tǒng)研究，提出知識產(chǎn)權保護策略，提升國際競爭力。解決氫能市場發(fā)展的技術專利壁壘和知識產(chǎn)權問題，需要密切跟蹤國內外氫能技術專利的發(fā)展動態(tài)，詳細開展國內外氫能技術專利的調研分析；建立有效促進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的氫能技術專利發(fā)展路徑，為氫能技術專利壁壘研究和相關政策規(guī)劃的出臺提供參考建議，真正提升我國和相關地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)國際競爭力。由于氫能產(chǎn)業(yè)技術復雜多樣，產(chǎn)業(yè)交織融合，以及專利保護工作缺少目標指引，需要從全球視角，全面調研氫能產(chǎn)業(yè)技術鏈及發(fā)展情況，挖掘氫能領域的關鍵技術分布、重點技術研發(fā)趨勢、最新技術發(fā)展動向，識別潛在應用技術和專利空白技術。

（3）重視國際合作，建立和國際組織、其他國家全鏈條多邊合作關系，積極參與國際規(guī)則、國際標準的制定工作，為我國氫能技術進入國際市場做好前期準備。以“一帶一路”倡議為抓手，與周邊友好國家、“一帶一路”友好國家開展氫能全技術鏈的產(chǎn)、學、研、用等合作，不僅可以建立氫能同盟關系，還可以摸清并開發(fā)氫能國際市場。同時，在國際標準化組織、國際電工組織等相關國際機構內申請建立氫能標準工作下屬部門或工作組，開展國際相關規(guī)則、標準的制定，爭取國際話語權，為氫能相關技術和產(chǎn)品進入國際市場掃清障礙。

（作者：魏鳳，中國科學院武漢文獻情報中心 科技大數(shù)據(jù)湖北省重點實驗室 中國科學院大學；任小波，中國科學院重大科技任務局；高林，中國科學院工程熱物理研究所；高國慶，中國科學院武漢文獻情報中心 科技大數(shù)據(jù)湖北省重點實驗室 中國科學院大學圖書情報與檔案管理系；周超峰，中國科學院武漢文獻情報中心 科技大數(shù)據(jù)湖北省重點實驗室 中國科學院大學圖書情報與檔案管理系。《中國科學院院刊》供稿）

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