碳中和愿景下氫儲能的發展機遇與挑戰

文|鄒志剛

能源迭代大勢泱泱。值此百年未有之大變局，新一代科技革命和產業變革深入發展，“雙碳”戰略推動新發展格局和高質量發展，新能源和數字經濟深度融合，生產生活方式加速轉向綠色化、智能化，能源體系和發展模式正在進入非化石能源主導的嶄新階段。

氫能作為零碳綠色的二次能源，具有能量密度大、轉化效率高、來源豐富和應用廣泛等特點，是現代能源體系的重要組成部分，是最具發展前景的高效替代能源，正逐步成為全球能源轉型發展的最重要載體之一，也將深刻影響中國能源應用前景。燃料電池是氫能高效利用的主要方式，氫能利用橫跨電力、供熱和燃料動力三個領域，因此氫能與燃料電池的技術發展在目前全球能源結構變革中占有重要的地位。

為實現“雙碳”目標，我國能源、電力、鋼鐵等行業壓力巨大，但也孕育新的機遇。在“十四五”乃至更長的時間內，氫能源將在減碳進程中發揮重要作用。隨著我國可再生能源發電量逐年增多、裝機容量占比不斷增大，氫儲能系統可參與并網消納，有效減少棄風棄光棄水率，提高可再生能源綜合收益。

在我國，隨著風電和光伏裝機不斷擴大，通過儲能來解決棄風棄光棄水的問題越來越受到重視。但是，通過傳統儲能方式解決風光電資源浪費問題，當前風電的度電成本在0.25元左右，光伏在0.35元左右，而主流應用的電池儲能系統的成本普遍高于0.6元/千瓦時，不但投資成本高，而且更換周期短，大幅提高了儲電、用電成本。因此用風、光、水、電制氫，實現電力增值和循環，將成為一個重要的消納途徑。

國內外氫能發展現狀

國際氫能源發展現狀

日本政府將氫能作為新一代能源戰略的主體，持續多年推廣氫燃料電池。在政策上，日本將氫能上升為國家戰略，規劃路線清晰，補貼扶持力度大，2017年日本發布的《氫能源基本戰略》明確，到2050年建成氫能社會的目標；在推動路徑上，日本從汽車和熱電聯產等領域推動氫能發展；在技術上，日本氫能與燃料電池領域技術全面，專利數量位居全球第一。豐田Mirai和本田Clarity是全世界最先進的燃料電池乘用車，ENE-Farm熱電聯產效率高達97%。此外，日本重視加氫站基礎設施建設，目前加氫站達110座。

美國曾是領導世界燃料電池發展的主要國家，自20世紀70年代開始研發氫能，并在小布什政府時期掀起了一輪燃料電池的投資高峰期。在2020年12月22日，美國能源部（DOE）發布了美國儲能大挑戰路線圖，這是美國發布的首個關于儲能的綜合性戰略。該路線圖提出，到2030年，在美國國內開發、制造能夠滿足美國所有市場需求的儲能技術，并實現全球部署。路線圖列舉了儲能的“三個技術方向”，其中氫儲能受到高度重視，已成為一個重要的儲能技術方向。

■ 美國儲能大挑戰路線圖氫電雙向儲能示意圖

下圖中，氫儲能主要技術是電氫雙向儲能，即僅通過電解水方法制造并儲存氫氣，再通過燃料電池將氫重新轉化成電和水，形成一個完整的能源利用閉環。路線圖不僅強調電解水是短期制氫的重要方法，更重視太陽光直接制氫技術，將光催化制氫技術列為未來制氫技術主要探索方向之一。

歐洲于20世紀末開始關注燃料電池領域，2008年成立氫能源和燃料電池聯盟（FCH-JU），通過聯盟運作形式推動產業。FCH-JU現階段啟動一系列項目推動燃料電池公交車和燃料電池CHP發展，遠期規劃宏大，預計到2050年氫能市場規模達到8200億歐元，氫燃料電池汽車占家用車的比重達35%。2014年，歐盟啟動Horizon計劃，在氫能和燃料電池領域的總預算達到220億歐元。目前，歐洲正在運行的加氫站數量位居全球第一，氫能技術和產業發展政策效果顯著。

國內氫能源政策與發展

近年來，我國高度重視氫能源產業發展，在科技專項、創新工程等方面進行了重點布局，取得了一定成效。

當前國內制氫主要還是依靠化石能源，電解水制氫占比非常有限。隨著氫儲能相關技術的發展和建造成本的下降，未來風、光、水等可再生能源制氫的規模會越來越大，我國氫能源結構會越來越清潔。

隨著“雙碳”目標的提出，今年，《“十四五”新型儲能發展實施方案》《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》《“十四五”現代能源體系規劃》等政策相繼出臺，均將氫儲能列為可再生能源發電消納的主要方式之一。尤其是國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規劃》），明確到2035年，形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態?？稍偕茉粗茪湓诮K端能源消費中的比重明顯提升。

《規劃》強調發展的重點任務包含系統構建支撐氫能產業高質量發展創新體系，統籌推進氫能基礎設施建設， 加快完善氫能發展政策和制度保障體系。尤其是首次提出“積極開展儲能領域示范應用”“合理布局發電領域多元應用”“推動氫燃料電池在備用電源領域的市場應用。探索以燃料電池為基礎的發電調峰技術研發與示范”。這些標志著國家對氫能戰略地位和應用的認識深化，政府對氫儲能的關注和支持在持續升溫，氫儲能的春天正在到來。

3月23日，國家發展改革委專題發布會上，國家發展改革委高技術司副司長王翔明確表示：“氫能是大規模、長周期儲能的理想選擇，通過‘風—光—氫—儲’一體化融合發展，為可再生能源規?；{提供解決方案。隨著燃料電池等氫能利用技術開發成熟，氫能—熱能—電能將實現靈活轉化、耦合發展?！眹夷茉淳挚萍妓靖彼鹃L劉亞芳明確表示，將“積極開展儲能領域示范應用。發揮氫能長周期、大容量儲能優勢，探索培育‘風光水電+氫儲能’一體化應用新模式”。進一步對《規劃》進行了深入解讀。

氫儲能系統的應用前景

隨著風電、光伏、水電等可再生能源已成為我國新增電力的主力，新增裝機容量及累計裝機容量均排名世界第一，清潔能源替代作用日益顯現。氫儲能系統在電力系統中與能源供給側配合、與分布式能源發電和電網發展相結合，可減少新能源出力不穩定等問題，其應用價值愈加突出。

可再生能源電力系統

氫儲能技術是極具發展潛力的規?；瘍δ芗夹g，該技術可用于可再生能源消納、電網削峰填谷、用戶冷熱電氣聯供、微電網等諸多場景。利用大規模不可控的可再生能源制氫是完全清潔無污染的，是真正意義上的“綠氫”，且成本可控，可再生能源制氫的效率約為45度電/千克氫氣，采用可再生能源成本為12～16元/千克氫氣，由于可再生能源電解水制氫純度高，基本可以不經過純化直接利用。而目前99%以上的氫氣售價為40～70元/千克，增值潛力巨大。同時可再生能源制氫可為煤化工和石油化工提供潔凈的原料氫，減少二氧化碳的排放。

區域多能互補一體化

在氫能生態社區，或位置相對偏遠的小鎮可利用“三棄”發電制氫，通過燃料電池為汽車、船舶提供動力。將氫電作為電能存儲方案進行推廣利用，進而解決區域電源和負荷的匹配問題，可在一定程度上延緩較偏遠地區微電網的電力設備投資。

熱電聯供

利用氫燃料電池為建筑、社區等供熱，并作為備用電源，與電力、熱力等能源品種實現互聯互補，可以解決熱力管網、電網等基礎設施建設的高額投資問題。在滿足供熱需求的同時，也可承擔部分負荷進行供電。

能源互聯網

能源互聯網是充分將互聯網思想和能源產、輸、儲、用各環節以及能源市場深度融合的發展新形態。氫能源低碳、環保，促進可再生能源利用，無額外環境負擔，可作為能源互聯媒介實現跨能源網絡的協同優化。

氫燃料電池汽車

到2025年，我國燃料電池汽車保有量預計將達到5萬輛。盡管國內外企業每年都不斷推出性能提高的新型燃料電池車，但多數燃料電池汽車的儲氫系統仍是采用高壓儲氫罐實現的?？傮w來說并未有革命性進步，僅滿足一般行駛需求。隨著對金屬、有機等儲氫材料研究的深入發展，工作性能安全的儲氫系統將是未來的研究發展方向。同時，通過氫能源交通的布局發展，推動燃料電池關鍵材料、核心零部件國產化，促進氫能源產業鏈快速發展。

氫儲能建議及展望

發展中存在的問題

作為戰略性新興產業，氫能與燃料電池的發展不僅需要在一點或多點實現技術突破，更要依托產業鏈條的整體技術突破和聯動發展。中國氫能產業發展程度總體來講還落后于世界先進水平，主要體現在以下幾個方面：

氫氣來源豐富，但高效清潔制氫技術有待發展

燃料電池目前已基本實現國產化，而制氫和儲運氫氣仍是氫能和燃料電池實現產業化的“卡脖子”技術。目前氫氣售價是50～70元/千克，仍高于汽油車的百公里油價。另外，加氫站價格過高，儲氫和制氫仍在沿用百年前的技術。因此，要切實實現可再生能源制氫和凈化副產氫，將氫氣價格降下來。目前，低成本的氫氣主要來自化工副產氫，但是副產氫資源存在地域上的極大差異，東部沿海地區多，內地較少；有化工企業的地區多，無化工企業的地區少。雖然化石能源制氫商業化技術已相對成熟，但提純過程比較復雜，更重要的是會排放溫室氣體。電解水制氫還需要解決效率低、規模小的問題。利用光伏或風電等可再生能源制氫是目前最理想的選擇，但是系統方面的研究和示范較少。新型制氫技術如生物質制氫、光催化制氫等還亟須技術上的突破?？偟膩砜?，缺乏低成本、大規模商業化制氫方式是制約氫能發展的最大“瓶頸”。

氫燃料電池關鍵材料及部件有待國產化

國內氫燃料電池產業發展迅速，帶動了區域產業集群的形成，形成了京津冀、華東（上海、江蘇）、華南（佛山—云?。?、華中（武漢）四個氫燃料電池產業集群。例如，清華大學在2019年4月與豐田汽車公司成立“清華—豐田燃料電池聯合研究院”，通過技術轉讓引進豐田的燃料電池技術。但是國內燃料電池仍缺少具有自主知識產權的核心材料和關鍵零部件的制備技術，缺乏與豐田等國際大型燃料電池相關技術企業相抗衡的國內上游和中游的企業，尤其是關鍵材料催化劑、擴散層以及核心部件膜電極、電堆等核心產品的生產企業，產業鏈配套體系不完善，燃料電池關鍵指標存在明顯差距，燃料電池技術的整體研發實力還落后于發達國家，關鍵零部件及技術依賴進口，成本難以控制。中國需要自己的燃料電池公司和自己的技術路線，不能完全依靠國外。此外，燃料電池仍存在成本、壽命、可靠性和耐久性、安全等問題?，F在燃料電池的售價是4000～10000元人民幣/kW，燃料電池的推廣仍需把成本降下來，其核心在于把鉑載量降下來。

氫能應用技術測評體系亟待構建

標準發揮著產業引領與支撐作用，自1985年GB 4962 《氫氣使用安全技術規程》發布以來，氫能與氫燃料電池相關標準也在不斷制定和完善中，但仍未形成完整體系。燃料電池相關檢測機構數目少，檢測能力覆蓋范圍較小，技術力量布局分散，缺乏具有全面檢測能力的權威檢驗檢測機構。在燃料電池檢測方面亟須全面開展電催化劑、質子交換膜、炭紙、雙極板等燃料電池原輔材料，以及膜電極組件、電堆及模塊、燃料電池系統等產品的質量檢測檢驗工作。

加氫站基礎設施建設薄弱以及氫氣的儲運技術有待研發

在加氫站建設方面，我國的35 MPa加氫站技術已趨于成熟，加氫站的設計、建設以及三大關鍵設備如45 MPa大容積儲氫罐、35 MPa加氫機和45 MPa隔膜式壓縮機均已實現國產化。相較于國外，我國加氫站建設較為滯后，未形成區域性的分布，無法為新能源汽車的普及提供完善的加氫服務。在70 MPa車載供氫系統方面，正處于研發階段，已開發出車載70 MPa儲氫瓶樣機，而在70 MPa關鍵閥組件的開發方面尚未組織立項，總體上與國外技術差距明顯。

氫能產業裝備制造等方面較為滯后

在燃料電池膜電極材料、重要元器件和相關系統集成的研發和生產過程中，主要涉及漿料連續化生產設備、膜電極涂覆生產設備、膜電極自動化集成設備、雙極板點膠密封系統、電堆裝配系統、燃料電池專用測試儀；系統集成配套零部件有氫氣循環泵、氫氣專用調壓閥、氣體加濕器和氫氣傳感器等重要配件。與國外相比，目前國內在氫能相關核心裝備和配件上的研究相對過于薄弱，基本上處于仿制階段，而且在功能、模塊化和集成度、精度、整體性能上和進口設備存在相當大的差距。所以在本領域內，國內當前應亟須解決關鍵的技術問題，同時，加強相關裝備高端技術的研究、加大企業生產能力。

氫儲能及應用的示范運營項目少，缺乏相關技術和經驗

雖然目前氫能和燃料電池產業已經進入商業導入階段，但是由于現階段相對高昂的成本和加氫基礎設施的限制，短期內大規模推廣氫能以及燃料電池產品存在諸多障礙。在現有的情況下，氫能以及燃料電池示范運營項目是推廣燃料電池相關產品和檢驗燃料電池以及加氫設施可靠性的有效途徑。加強氫能與燃料電池的整體應用方案設計及推廣，包括制氫/加氫站、氫能大巴、物流車、乘用車、重卡、叉車、分布式電源等。

■ 本文作者鄒志剛

隨著氫能技術與燃料電池的發展，在真正實現商業化之前，未來會有更多的氫能與燃料電池的示范運營項目啟動與推進，以確定氫能與燃料電池技術的社會效益和經濟效益。示范運營工程的成功會幫助完善產業鏈和金融鏈，推廣燃料電池技術，實現氫能與燃料電池技術的早期商業化，并最終實現完全市場化。

導引、規范、扶持、資助、標準等相關產業政策和法規有待系統化

氫能與燃料電池產業作為一個新興產業，我國開始設立國家層面上的重點專項研究要追溯到20世紀90年代，并且2000年后還有過一段時間的斷檔期，直到最近兩年隨著國際上對氫能的日益重視，我國的氫能及燃料電池行業才開始回暖。因此，在氫能產業發展初期，我們還存在政府引導不足、產業資本力度不夠、行業規范和標準不健全甚至缺失、法律法規不健全等情況。

政策建議

大力支持氫能與燃料電池技術研發創新

一、組織編制氫燃料電池汽車技術創新路線圖，瞄準世界先進水平，制定近、中、遠期技術創新目標。在新能源汽車重大科技研發專題中設立氫燃料電池子項，重點解決核心技術自主化問題，提高性能、降低成本。對氫燃料電池電堆、膜電極等關鍵部件、催化劑和碳紙（氣體擴散層）等基礎材料，以及燃料電池動力系統集成與控制和關鍵零部件的重大研發項目予以支持，開展高性能電堆和氫燃料電池核心技術專項攻關。

二、推進可再生能源制氫的創新研發，發展新型的制儲用一體化的電氫雙向轉化儲能新技術。探索未來太陽光直接制氫方式，重點培育和推進光催化、光/電解海水制氫技術研發以及規?；?。

三、加快推進創建國家級、省級創新平臺，從現有的產業創新平臺資金中優先給予建設補助。大力支持氫燃料電池相關企業引進和培育國內外院士及創新團隊等高層次人才。

加快推進可再生能源制氫/加氫站規劃建設

一、組織氫燃料電池示范運營城市編制可再生能源制氫站、現場制氫/加氫一體化站點、加氫站試點建設方案，以滿足氫燃料電池汽車運營需求為目標，適度超前規劃布局建設制氫/加氫站。

二、統籌新能源汽車推廣應用和充電基礎設施建設補貼資金，國家、省級財政對日加氫能力200千克及以上的現場制氫/加氫站建設給予合理補貼，對2025年年底前建成的加氫站財政補貼標準按加氫能力確定，對日加氫能力200～500千克的、 500～1000千克的、1000千克及以上的給予一定的差額補貼政策。鼓勵各省、各地市對加氫站建設給予合理補貼。

■ 新能源汽車儲能系統

三、開展現有LPG和LNG加氣站改（擴）建加氫站試點，為滿足氫燃料電池乘用車示范運營需求，選擇部分加氣站進行改造試點，加快建設和完善港口、園區制氫/加氫站建設，對列入改造試點范圍的項目另給改造補貼。

四、加快完善加氫站設計、建設及運營的管理體制和建設標準。獨立選址的加氫站，由各地住建部門辦理報建、驗收等審批手續。鼓勵加油（氣）站與加氫站合建，新規劃建設的加油（氣）站均應配套建設加氫站或預留建設場地，與加油（氣）站合建的加氫站，由加油（氣）站主管部門會同住建部門辦理報建、驗收等審批手續。在滿足規劃要求情況下，支持以租賃等方式利用公交站場和物流園區、工業園區、廠區閑置用地建設加氫設施，降低加氫站用地成本。對納入規劃、獨立占地的加氫站，按公用設施優先安排項目用地?；A設施投資基金可將加氫站建設納入重點支持范圍。

多渠道增加氫源供應

一、在滿足安全前提下，在加氫站或周邊開展電解水制氫試點，氫燃料電池汽車專用制氫站谷期用電價格執行蓄冷谷期電價。探索利用發電廠低谷時段富余發電能力在發電廠建設可中斷電力電解水制氫項目，開展海上風電制氫試點，加快電解水制氫設備本地化生產。

二、支持開發氫氣運輸魚雷車，滿足氫氣運輸需求。

推動氫能特色小鎮與氫能工業園區項目

一、圍繞氫能產業鏈上游可再生能源制氫、中游儲運以及下游應用中氫燃料電池、加氫站配套服務等環節進行產業布局。建設集制氫、運氫、儲氫、加注、公交物流車輛示范運用、小區熱電聯產示范、氫能體驗旅游于一體的氫能特色小鎮。

二、吸引燃料電池上下游企業投資入駐，同時配套金融、環境、服務、政策等產業要素，形成氫能產業聚集的發展平臺，打造具有核心競爭力的氫能與燃料電池產品生產及檢測服務集聚區。

加快培育氫燃料電池汽車產業集群

一、加快氫燃料電池高性能電堆國產化，支持高性能、低成本膜電極項目投產，推動開發高性能氫燃料電池電堆，支持開發氫燃料電池動力系統。

二、大力支持由大型汽車企業牽頭，聯合燃料電池電堆及膜電極等核心組件和燃料電池動力系統生產企業，制定氫燃料電池乘用車開發方案與標準，力爭在2024年前開發出全面國產化的氫燃料電池乘用車，技術水平達到國際先進水平。

三、瞄準碳紙、質子交換膜、雙極板、催化劑、高壓儲氫瓶、制氫設備等氫燃料電池汽車產業鏈缺失環節和關鍵設備，培育與引智相結合，逐步完善氫燃料電池汽車產業鏈。支持引進國外先進企業，積極推動校企合作，建立質子交換膜、碳紙（氣體擴散層）研發中心和生產線；開展氫燃料電池汽車相關材料研究，建設75MPa高壓儲氫瓶生產線；加快形成催化劑、電解水制氫設備生產能力；加強國家電力投資集團、中國石化等央企與燃料電池相關企業合作。

四、推動氫燃料電池整車生產企業，加快氫燃料電池客車和物流車等商用車產品開發和生產，支持整車生產企業加快布局生產氫燃料電池汽車，并給予相應用地、資金政策支持。

五、推進建設氫能產業園區，推動電堆和動力系統、空壓機和氫氣循環泵等動力系統、膜電極規?；a線、可再生能源制氫、光催化海水制氫設備等項目建設，優先通過相關專項資金扶持，支持項目擴大生產能力，提高市場競爭力。發揮氫燃料電池汽車整車企業的帶動作用，培育形成錯位競爭、相對完善的氫燃料電池產業集群。

六、加快集聚國內乃至全球的氫能與燃料電池產業創新要素，規劃建設氫能和燃料電池產業創新中心。推動組建國家級和省級氫燃料電池汽車產業創新聯盟，形成合力，共同推動氫燃料電池汽車產業發展。

加大氫燃料電池汽車推廣應用力度

一、以公共交通、通勤班車和樓巴、物流車、環衛車等為重點，加快推進氫燃料電池乘用車和專用車示范運營，建設氫燃料電池汽車運營示范區，運營示范區所在地方政府加大氫燃料電池汽車推廣力度，做好氫燃料電池汽車地方補貼資金配套，創造條件為氫燃料電池汽車的使用提供便利。鼓勵物流園區推廣應用氫燃料電池汽車，優先納入低碳資金和現代物流園區建設專項資金支持范圍。

二、在加快開發氫燃料電池乘用車基礎上，以出租車、共享汽車和政府公務用車為切入點，開展氫燃料電池乘用車示范運行，力爭在2025年前實現氫燃料電池乘用車商業化生產和運營。推進長三角、珠三角、京津冀等地區氫燃料電池物流車運輸網絡建設，探索建設氫燃料物流運輸通道。

著力完善產業配套

一、依托大型車企、氫能企業建設氫燃料電池汽車乘用車整車檢測認證平臺，建設氫燃料電池和動力系統檢測認證中心，積極建設氫燃料電池國家級質檢認證中心。

二、積極開展氫燃料電池汽車標準體系研究，制訂標準體系規劃和路線圖，加強與國內外產業和行業組織之間的聯系，推動優勢產品、技術成為國家和行業標準。

三、加強氫燃料電池技術科普宣傳，重點消除對氫燃料的安全疑慮，營造氫燃料電池汽車產業發展良好氛圍。

“雙碳”目標的確定，彰顯了我國走綠色低碳、可持續發展道路的雄心和決心。氫能是21世紀最具發展潛力的清潔能源之一，雖然發力較晚，但備受矚目。綜合國內外新能源產業的發展趨勢，以及應對氣候變化脫碳減排的進程，我國的“十四五”正值氫能發展的關鍵窗口期。在氫儲能產業發展上，現在我們和發達國家都處于同一起跑線，但若是誰搶先占有核心技術，誰就將占有這一產業發展的制高點和話語權。