>>专家观点<<2019年12月·第4卷·第6期石油石化绿色低碳GreenPetroleum&Petrochemicals中美氢能产业发展现状与思考曹勇（中国石油化工集团公司经济技术研究院，北京100029）氢是宇宙中最常见的元素。氢气作为二次能源的载体，来源广泛，可用化石能源制取，还可来自炼化冶金等工业副产气。氢气无毒，燃烧性能好，单位质量热值是汽油的3倍，燃烧产物仅有水，无CO2和污染物排放，利用形式多样，因此，氢能被誉为21世纪的终极能源。巴黎协定生效以来，国际社会为实现可持续发展目标，建立清洁低碳、安全高效的能源体系，积极探寻低碳绿色发展转型路径。全球范围看，以美国为代表的发达国家从国防航天、能源安全、低碳环保等战略角度出发，将氢能视为实现低碳社会发展目标的关键能源之一。1全球氢能产业概况1.1氢气利用以炼油和化工原料为主，能源用途占少氢能产业链较长，涵盖氢气制取、储存、运输和应用等环节。2017年全球制氢市场规模1152.5亿美元，消耗能源约占全球能源总消费量的3%，预计2022年有望增至1547.4亿美元[1]。从氢气来源看，氢气可直接利用化石能源制氢得到灰氢，或利用与碳捕捉利用封存（CCUS）配套的化石能源制氢得到蓝氢，还可利用可再生能源制氢得到绿氢。2017年全球96%的氢气来自化石能源直接制氢（即灰氢），天然气、石油和煤制氢分别占49%、摘要：中国和美国都是氢气生产和消费大国，为推动氢能和燃料电池产业化发展，两国都出台了科技研发和商业示范的扶持政策。总体看，美国在氢能的政策评估、技术研发、示范应用和商业推广方面更具前瞻性和系统性，美国企业在关键设备和材料方面具有创新优势；中国企业在基础研究方面存在一定短板，但在产业化方面获得政府扶持的力度更大。文章主要介绍全球氢能产业现状，分析了中美两国氢能产业的特点，并提出了中国氢能产业的发展路径和相关建议。关键词：氢能中国美国政策氢燃料电池汽车加氢站29%和18%，仅4%来自电解氢或化工冶金等工业副产氢[2]。化石能源制氢成本低，但碳排放水平高，煤制氢每生产1kg氢气排放CO216kg以上；可再生能源制氢成本高，约为化石能源制氢的2~3倍，但碳排放水平低。2017年全球氢气消费量6905万吨，绝大部分（99%）作为工业原料或还原剂等，用于化工（66%）、炼油（26%）以及冶金和玻璃加工（7%）等领域，仅1%用于燃料等其他领域。2017年氢气作为能源（即燃料）的消费量仅1万吨左右，用于交通、建筑等部门的终端能源消费。全球氢气消费主要集中在中国（约占1/3）、欧洲、中东和美国，合计约占总量的3/4，与炼油和化工行业地区分布特点相一致。与油气消费不同，绝大部分氢气为就地消费，多数化工厂和炼油厂氢气为自产自用，或由紧邻制氢装置供氢。由于运输成本较高，商品化氢气的跨洲甚至跨地区贸易量均很小。收稿日期：2019-7-6作者简介：曹勇，工学硕士，高级工程师。1997年毕业于北京化工大学高分子材料专业，目前主要从事产业发展研究工作。-2-石油石化绿色低碳2019年.第4卷欧美正在探索利用天然气管网，在避免“氢腐蚀”或“氢脆”前提下，将一定比例5%~20%氢气与天然气混合后，通过管输促进氢气的跨地区规模化利用。1.2氢燃料电池是氢能终端应用的重要发展方向氢燃料电池具有能量转化效率高、噪音低和零排放等优点，是氢能在交通和建筑领域最具潜力的应用方向，但技术门槛和应用成本高，核心技术多掌握在日本、美国、加拿大等发达国家手中。2018年全球燃料电池出货装机量803兆瓦，固定式占30%，交通运输70%，小型备用电源等便携式应用很少[3]。固定式应用主要是分布式能源站或备用能源；交通运输应用主要是氢燃料电池汽车等。2018年全球交通运输用燃料电池组件年产量1.1万件，与约2亿台内燃机年产量相比，远未达到经济规模。氢燃料电池汽车具有零排放、续航里程长、燃料加注时间短、低温性能好等优势，但2013年才由韩国、日本率先实现乘用车量产。截至2018年底，全球氢燃料电池汽车保有量1.29万辆，主要分布在北美洲（占46%）、亚洲（43%）和欧洲（11%）。加氢站是氢燃料电池汽车推广应用的关键基础设施。截至2018年底，全球共有369座加氢站，其中，欧洲152座、亚洲136座、北美洲78座[4]。在加氢站供氢方面，除站内制氢外，外购氢气中短途运输（经济运输半径约为200km以下）多以集装格或长管拖车为主，单车载氢量约300~500kg；长途运输（200km以上）可采用液氢运输，单车载氢量可达4000kg；更大运输半径（500km或以上）可采用氢气专用管线运输。国际氢能委员会预计，在全球温升2℃情景下，到2050年全球氢能需求潜力可达5.5亿吨，有望创造3000万个工作岗位，减少60亿吨CO2排放，创造2.5万亿美元市场价值，占终端能源消费比重可达18%[5]。2美国氢能产业发展特点自上世纪90年代以来，美国政府针对氢能产业发展提出了从政策评估、前景预测，再到方案制定、技术研发，最后到示范应用和商业推广的发展路径，并在随后近30年实践中，形成了较完整的法律、政策和科研计划框架体系，推进氢能产业发展。通过长期计划和政策指引，美国涌现了一批拥有先进技术装备能力，具有市场竞争力的氢能和燃料电池企业。2.1氢能和燃料电池已列入能源发展战略美国是最早将氢能和燃料电池列入能源发展战略的国家，对氢能利用的探索最早可追溯至上世纪中叶。1958年通用电气工程师率先发明了质子交换膜燃料电池，1965年碱性燃料电池成功用于阿波罗登月飞船。1970年美国提出“氢经济”概念。第一次石油危机爆发后，美国于1974年召开了首次氢能国际会议，并于同年底在迈阿密成立了国际氢能协会（IAHE），创办了世界氢能大会。1990年美国颁布了《SparkM.Matsunaga1990年氢能研究、开发及示范法》[6]，制订了氢能研发五年计划，提出氢经济发展蓝图。为提高全民对氢能和燃料电池的了解，彰显本国对氢能产业的重视与信心，自2015年开始，美国政府把每年的10月8日定为全国氢能与燃料电池日。2.2能源部推动氢能研发计划实施和产业发展美国能源部在氢能计划实施和产业发展中起到了关键作用，集中财政资金和多个国家实验室的科研力量，与大学、企业等合作解决产业发展面临的技术难题。美国能源部于2002年发布《国家氢能路线图》[7]，2004年发布《氢立场计划》[8]，明确提出氢能产业发展将经历技术开发、最初市场渗透、市场和基础设施扩张、成熟的市场和基础设施等四个发展阶段。2005年美国出台《能源政策法》[9]，明确发展氢能和燃料电池技术相关项目，并提供财政经费保障。2012年美国国会在能源法案修订会议上重新修订了氢燃料电池扶持政策，包括多项税收抵免、氢燃料电池汽车、储氢、制氢以及加氢站等基础设施的奖励政策。2013年美国能源部出台《燃料电池技术办公室未来数年技术研究、开发与示范行动计划》[10]，推动氢能从政策评估阶段进入以技术研发、示范为起点的系统实施阶段。整体看，美国国会通过颁布扶持氢能和燃料电池发展相关法规，以美国能源部为代表的政府机构则提供科研资金，引导和推动研发机构和企业加强科技研发，汽车制造商侧重于开发集成技术。此外，政府还通过向消费者提供经济补贴和税收减2019年.第6期-3-曹勇．中美氢能产业发展现状与思考免，间接促进企业加大开发力度，推动了燃料电池的产业化进程。2.3地方政府扶持氢能和燃料电池应用示范推广除联邦政府外，不少州政府也出台了激励政策和税收优惠措施，支持燃料电池产品投入市场，包括氢燃料电池汽车的税收减免，在工厂和居民区部署燃料电池发电系统等。例如，2016年佛罗里达州能源法规定一定期限内，氢动力车及其所用材料、加氢站建设的年度营业税上限为200万美元。2016年加州新能源汽车补偿方案规定，根据消费者收入水平，对购买燃料电池汽车给予5000~6500美元的补贴；对可再生氢气比例达33%的加氢站给予财政补贴。加州代表了美国氢燃料电池汽车商业化程度的最高水平，被誉为全球实践的最佳地区样本。1999年加州政府牵头成立了政府与行业的合作组织——加州燃料电池合作联盟（theCaliforniaFuelCellPartnership，简称CaFCP），其成员包括加州空气资源委员会、美国能源部国家可再生能源实验室等政府机构，以及氢能行业国内外知名企业，推动该州氢能和燃料电池的“政产学研用”协同创新。截至2018年底，美国拥有在营加氢站42座，主要位于加州；燃料电池乘用车保有量5905辆[11]，固定式燃料电池累计装机超过500兆瓦。美国市场氢燃料电池汽车新车售价约6万美元，大约是同级别汽油车的3倍。目前，美国在氢能产业链上中下游都拥有掌握关键技术的代表性企业，比如提供氢能基础设施解决方案的AirProduct，以燃料电池叉车为主的PlugPower（全球最大燃料电池叉车企业，拥有2万多辆燃料电池叉车，累计进行了超过600万次加氢操作），以固定式燃料电池为主的FuelCellEnergy、BloomEnergy等大型燃料电池生产企业等。3中国氢能产业发展概况氢能是中国推动能源结构向绿色低碳转型，构建现代能源体系的重要方向之一。发展氢能有利于促进风光等可再生能源的规模化利用，提高国内能源供给保障能力，优化能源消费结构，推动碳排放尽早达峰，履行应对气候变化国际承诺。3.1当前氢气消费主要集中在炼油化工领域我国氢气资源丰富，在炼油和化学工业快速发展带动下，氢气年产量已从2000年的679万吨猛增至2017年的2100多万吨，预计到2022年平均增速为5%。目前69%的氢气来自煤炭，与我国“富煤、贫油、少气”的资源特点一致，16%来自天然气，其他15%来自工业副产氢和电解氢，大部分氢气为灰氢。氢气消费主要集中在炼油和化工领域，以工业原料为主，作为能源的消费规模较小。我国绿氢发展尚处于起步阶段，缺乏经济性。当前，太阳能、风能发电已进入规模应用阶段，但受限于其间歇性、波动性与随机性，在电网接入和大规模消纳方面存在一定瓶颈。部分可再生资源丰富地区存在弃风弃光弃水现象，利用富余风光水电制氢虽有一定基础，但与化石能源制氢相比成本仍较高。近年来，我国对氢能和燃料电池的重视程度不断提高，规模以上企业数量已由数年前的寥寥数十家猛增至2018年底的309家，氢气制储、加氢基础设施和燃料电池应用三个环节的企业数量分别占48.5%、9.7%和41.8%[12]，主要分布在珠三角、长三角、京津冀和东北等地区。但是，具备一定规模、拥有持续研发投入和创新能力、重大核心专利等自主知识产权、真正掌握行业领先技术装备能力的企业数量较少。3.2国家积极扶持氢能和燃料电池产业发展中国政府高度重视氢能和燃料电池产业发展，《国家创新驱动发展战略纲要》《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》等国家级规划明确了氢能与燃料电池产业的战略地位。2001年《863电动汽车重大科技专项计划》确定了电动汽车矩阵式研发体系，含燃料电池汽车和燃料电池系统研发。2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》涵盖了氢能及燃料电池技术相关内容。2009年《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》，首次在试点城市对燃料电池乘用车和客车分别给予25万/辆和60万/辆的财政补贴。2011年《中华人民共和国车船税法》，对燃料电池汽车免征车船税。2014年《能源发展战略行动（2014—2020年）》正式将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略-4-石油石化绿色低碳2019年.第4卷方向；同年，《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》对符合国标且日加氢能力不少于200kg的新建加氢站，每个站奖励400万元。2015年《关于2016—2020新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，对燃料电池乘用车、轻型客货车以及大中型客车和重中型货车分别给予每辆20万、30万和50万元补助。2016年《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》提出了我国氢能产业基础设施在近中远期三个阶段的发展目标和主要任务，绘制了氢能发展路线图。2018年《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》对氢燃料电池汽车给出了具体补贴说明：乘用车最高20万元，轻型客车、货车最高30万元，大中型客车、中重型物流车最高50万元。2019年《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》指出，过渡期后不再对新能源汽车车辆给予购置补贴，转为支持充电（加氢）基础设施“短板”建设和配套运营服务等。3.3氢燃料电池汽车和相关基础设施发展尚处起步阶段与美国、日本等领先国家相比，我国氢燃料电池汽车产业尚处于起步阶段。2018年我国氢燃料电池汽车销量1527辆，同比增长20%；截至目前，氢燃料电池汽车保有量3896辆，其中，客车1374辆，专用车2390辆，乘用车132辆。我国氢燃料电池汽车产业化进程晚于纯电动汽车。纯电动汽车更适于城市、短途、乘用车等领域，而氢燃料电池汽车更适于长途、大型、商用车等领域。我国燃料电池车企先期推出的主要是氢能商用车，燃料电池叉车等专用车也有布局，乘用车尚处于示范运行阶段。中国电动汽车百人会预计，2025年中国氢燃料电池汽车保有量将达5万~10万辆，2030年达100万辆。国内已涌现一批燃料电池关键零部件、电堆、系统、制储氢、检测及整车开发企业，以产业集群形式在经济发达、科技实力较强的北京、上海、广东、江苏、湖北等地快速发展，多个地方政府加快了氢能产业规划布局，特别是汽车工业重镇。不过，国内企业虽已具备质子交换膜燃料电池系统开发能力，但关键零部件主要依赖进口，辅助系统的关键零部件发展也较为落后。燃料电池堆系统在全工况下的可靠性与耐久性等与国际先进水平仍存较大差距。我国已形成了一批加氢站设计运营企业，主要集中在北上广地区。全国拥有在营加氢站20多座，在建加氢站数量约40座。由于关键设备依赖进口，目前加氢站建设成本中，设备成本约占70%；不计土地费用，建设一座日加氢能力500kg、加注压力35MPa的加氢站需投资1200万元，约为传统加油站的3倍，制约了氢燃料电池汽车商业示范运行和规模化应用。总之，在氢能和燃料电池汽车领域，国内虽有相关企业已深度介入，但与国际先进产品相比，在车辆动力性能、综合效率、电堆功率及耐久性等指标上仍与国际先进水平有一定差距，相当比例的关键零部件及材料仍依赖进口。4中国氢能产业发展路径综合考虑我国能源转型和氢能产业发展基础，未来中国氢能产业将可能按以下路径分三阶段演进：第一阶段（从当前到2035年）：以煤制氢和工业副产氢等低成本灰氢为基础，推动氢能产业起步。2030年前后，通过碳税或碳交易制度，推动化石能源制氢与CCS配套的普及应用。这期间，持续加大氢能和燃料电池领域的自主研发投入力度，大幅提高关键核心技术装备的国产化能力；利用现有天然气管网，测试氢气与天然气混输技术的安全性和可行性。到2035年，我国氢能产业产值将超过1万亿元，全国商品化氢气专用管线长度接近1500公里，主要服务国内先期建设的长三角氢走廊、氢能小镇等；全国氢燃料电池汽车保有量超100万辆，加氢站数量超1000座，全国加氢站平均绿氢供应比重10%，北上广等一线城市加氢站绿氢比例20%以上。第二阶段（2035—2050年）：氢能成为国家低碳能源战略的重要组成部分，以风光发电为代表的非化石能源发电规模、发电成本和制氢效率取得重大突破，绿氢生产成本大幅降低，制氢从以灰氢为主逐步向蓝氢和绿氢过渡。到2040年以后，氢能产业将逐步实现不依赖补贴的自主发展。氢能利用从本地化向区域化发展，全国将出现2019年.第6期-5-曹勇．中美氢能产业发展现状与思考更多氢能走廊和经济带。到2050年氢能产业产值将突破4万亿元，全国商品化氢气专用管线长度超过5000公里，氢能服务的工业领域和规模进一步扩大；加氢站平均绿氢供应比重达30%，北上广等一线城市加氢站绿氢比例达50%以上。氢燃料电池、储氢等技术取得重大突破，氢能应用成本不断降低。全国氢燃料电池汽车年销量超百万辆，在新车市场渗透率超过1%。利用富余风光水电大规模制氢基本实现，借助氢能桥接作用，波动性可再生电力消纳能力大幅提高，通过规模化储氢，实现可再生能源参与跨季调峰；利用全国天然气管网，通过氢/天然气按一定比例混输，实现氢能跨地区长距离传输。第三阶段（2050年—）：氢能成为我国能源消费结构的重要组成部分，氢能产业从重点区域发展逐步拓展到全国主要市场，依托全国天然气管网实现氢气与天然气的大规模混输，包括氢气专用输送管线和加氢站在内的全国氢能基础设施网络基本成形。2050年后，在碳排放约束下，氢能应用领域的化石能源制氢比重将逐步降至零，可再生绿氢等新兴制氢技术占据主导地位；全国加氢站基本实现以蓝氢和绿氢为主供氢，北上广等一线城市加氢站的绿氢比例将率先达到100%。氢燃料电池汽车的市场渗透率将突破5%大关，并在公路、船用和航空等领域加速替代传统以化石能源为基础的交通工具。5中国氢能产业发展建议中国氢能产业的健康发展需要政府、企业、大学和研究机构加强协作，通过自主创新和技术进步，逐步克服氢气制储运用等环节的高技术壁垒和高成本障碍。到本世纪中叶，氢能将作为连接化石与非化石能源的桥梁，减少能源生产端和消费端的碳排放，推动我国能源体系从“化石能源”时代过渡到“绿色低碳能源”时代。5.1加强顶层设计，全面规划氢能燃料电池发展途径借鉴美国经验，尽快将氢能纳入能源中长期战略规划体系，研究制定氢能和燃料电池总体规划，明确发展路线图，统筹产业布局和区域协调发展。围绕氢能产业链关键环节，完善扶持政策，支持氢能和燃料电池技术研发、示范和商业化应用，并与可再生能源利用、分布式能源、储能等协同发展。推进上游煤制氢企业开展碳捕捉利用与封存应用示范项目，中远期提供稳定、规模化的蓝氢供应。我国年弃风弃光弃水电量约1000亿千瓦时，可供电解水制氢约200万吨，积极推进与可再生能源弃电相结合的、低成本电解水制氢工艺及示范项目，并给予优惠财税政策，鼓励生产更多绿氢，实现全生命周期零排放。5.2重视科技创新，加快形成自主可控的核心技术装备能力借鉴美国政府经验，明确以财政支持的氢能和燃料电池研发计划，设立专业化的国家能源研究院和氢能重点试验室，针对关键技术装备与大学和企业开展协作攻关。这期间，政府应慎重实施氢能产业的大规模补贴政策，坚持将补贴重心从整车等产业末端，前移到基础研发和关键核心装备领域的国产化上，引导研究机构和企业投入资金，通过自主研发掌握关键核心技术，加快形成具有自主知识产权的先进批量制造技术。通过设立专项计划，提升从基础研究、关键技术攻关、应用示范到产业化转化的创新能力，保障氢能产业链核心技术全面、自主可持续发展。地方政府可结合氢能发展基础条件，建设特色产业园区，推进商业化示范，加快形成产业集群。5.3建立加氢站审批程序和运营监管标准，完善基础设施建设建议加大国家和地方补贴力度，鼓励国有和社会资本共同参与建设，支持合建加油（气）站与加氢站。明确加氢站主管部门，规范项目审批程序和运营监管标准。目前相关法规标准仍将氢气按照危险化学品管理，加氢站的审批、建设、运营受到制约，建议进一步明确车用氢气的能源性质。加强加氢站关键装备材料、核心部件及技术国产化，降低建设成本。发展液氢储运、氢管道运输及新型储氢材料，降低氢储运成本。选择有廉价氢源的地区先行开展氢燃料电池汽车商业化运营，降低用氢成本。对暂无加氢站或边远地区不宜建加氢站的情况，甲醇燃料电池车具有一定优势，也可以进行示范。5.4进一步完善氢能产业相关技术标准、检测体系建议完善氢能燃料电池全产业链的技术和检测标准，推动产业健康发展。建设氢能燃料电池国家-6-石油石化绿色低碳2019年.第4卷技术标准创新基地，满足产业快速发展需要。细化氢气制备、储运和加注标准，建立健全实际工况下氢燃料电池从部件到系统的评价检测体系；完善燃料电池技术标准体系，建立完整的材料、部件、系统的有效检测体系，为氢能燃料电池的技术发展、产品应用提供基础保障。5.5全产业链安全是确保氢能产业健康发展和商业化的关键氢能发展要注重全产业链安全体系建设。坚持安全发展理念，强化政府监管，建立健全氢能安全利用基础研究体系，加强对氢泄漏与扩散燃烧、材料与氢的相容性等涉及氢能应用安全等关键领域的课题研究，推动氢能产业自动化、数字化、智能化技术装备的研发应用，提高氢能全产业链的安全保障能力。参考文献[1]IEAHydrogen.GlobalTrendsandOutlookforHydrogen[EB/OL].(2017-12)[2019-06-29].http://ieahydrogen.org/pdfs/Global-Outlook-and-Trends-for-Hydrogen_Dec2017_WEB.aspx.[2]IHSMarkit.Hydrogen,ChemicalEconomicsHandbook[EB/OL].(2018-05)[2019-06-29].https://ihsmarkit.com/products/hydrogen-chemical-economics-handbook.html.[3]E4Tech.TheFuelCellIndustryReview2018[EB/OL].(2019-01-17)[2019-06-11].http://www.fuelcellindustryreview.com.[4]TÜVSÜD.HighestincreaseofhydrogenrefuellingstationsinGermanyworldwidein2018again[EB/OL].(2019-02-14)[2019-06-11].https://www.tuev-sued.de/company/press/press-archive/highest-increase-of-hydrogen-refuelling-stations-in-germany-worldwide-in-2018-again.[5]HydrogenCouncil.HydrogenScalingUp[EB/OL].(2017-11-13)[2019-06-15].http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/11/Hydrogen-Scaling-up_Hydrogen-Council_2017.compressed.pdf.[6]SparkM.MatsunagaHydrogenResearch,Development,andDemonstrationProgramActof1990[EB/OL].(1990-10)[2019-06-01].https://www.hydrogen.energy.gov/docs/matsunaga_act_1990.doc.[7]美国能源部.NationalHydrogenEnergyRoadmap[EB/OL].(2002-11)[2019-06-01].https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/national_h2_roadmap.pdf.[8]美国能源部.HydrogenPosturePlan-AnIntegratedResearch,DevelopmentandDemonstrationPlan[EB/OL].(2016-12)[2019-06-01].https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/hydrogen_posture_plan_dec06.pdf.[9]TheEnergyPolicyActof2005[EB/OL].(2005-08-08)[2019-06-13].https://www.congress.gov/109/plaws/publ58/PLAW-109publ58.pdf.[10]美国能源部.FuelCellTechnologiesOfficeMulti-YearResearch,Developme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