全球氢能产业：现状及未来

“21世纪初叶人类正面临的两大危机：一是人为因素导致的气候变化是真实存在的，至21世纪末，气温的升高将会呈现一个相当大的幅度，并将会给人类、动物、植物以及人类文化遗产带来灾难性的后果。二是传统化石能源或核能源燃料被少数几个国家寡头垄断的情况正不断加剧，这不利于大多数国家利用能源。解决上述问题的方案不少，但是氢能为最优方案，它将为人类提供足够的清洁能源。”

这段话摘自国际氢能科学家于2006年11月13日联名向八国集团领导人以及联合国相关部门负责人提交的《百年备忘录》

氢能因其来源广、燃烧热值高、能量密度大、零碳排等众多优点，是21世纪控制地球温升、优化能源结构的重要手段。但经过几十年的发展，氢能及燃料电池由于技术和成本问题在产业化推广上仍然困难重重，美国对氢能的支持力度有所下降，欧洲整体表现中规中矩。而2017年以来，我国对氢能及燃料电池的关注度持续升温，日韩也积极推动氢能的商业化。世界各国对氢能热度的不同让其发展前景更加扑朔迷离。

主要国家对氢能发展热度不一

在全球应对气候变化和清洁能源转型的大背景下，许多国家都将氢能作为战略性能源来发展。早在20世纪70年代，美国就成功地将燃料电池应用于双子星五号太空船和阿波罗号宇宙飞船上，成为第一个实现氢能源技术应用的国家。然而20世纪末期至21世纪初期，因成本问题，氢能源技术的发展近乎停滞。直到2014年日本燃料电池技术的突破，再加上石油、煤炭等一次能源的储量逐渐减少导致能源紧缺，各国构建“氢能社会”的愿景才又被重拾，氢能源也重新受到重视。

目前来看，日本是氢能源发展最为积极的推动者；美国在氢能的研发和应用上尽管处于世界前列，但支持力度有所下降；欧洲尽管近两年关注度有所上升，但整体表现仍然中规中矩；韩国是氢能领域的后起之秀，近几年在战略、研发投入等多方面支持氢能产业链的建设。我国相对而言在氢能的发展上较为落后。

日本是氢能发展的领头羊。日本作为一次能源极度匮乏的国家，既不具备大规模修建光伏风电水电的条件，在福岛核电站事故后，核能的推进也是阻力重重。而其人口密度大、地域面积小的特点，对氢能的运输以及加氢站的建设都较为有利，因此基于能源安全的考虑，日本很早就开始投入氢能的技术研发。1973年，日本成立“氢能源协会”，以大学研究人员为中心开展氢能源技术研发。1981年，日本启动了燃料电池的开发。1990年代，丰田、日产和本田汽车制造商启动燃料电池车的开发，同时三洋电机、松下电器和东芝公司也启动了家庭燃料电池的开发。

在国家战略上，日本对氢能和燃料电池非常重视。2013年，安倍政府推出的《日本再复兴战略》，把发展氢能源提升为国策，并启动加氢站建设的前期工作。

2014年，日本政府再次修订《日本再复兴战略》，发出建设“氢能源社会”的呼吁，并在第4次《能源基本计划》中，将氢能源定位为与电力和热能并列的核心二次能源。此外，在日本经济贸易产业省对外公布的《氢能/燃料电池战略发展路线图》中，日本提出了三步走实现“氢能社会”的发展路线图。2015年，安倍在施政方针演说中表达了实现“氢能社会”的决心，并由NEDO出台氢能源白皮书，将氢能源定位为国内发电的第三支柱。2017年，日本政府进一步发布了“氢能基本战略”，确定了2030年的具体行动计划以及2050年氢能社会的建设目标。

除了国家战略外，日本企业对燃料电池的产业化建设也十分积极。2015年10月15日丰田汽车对外公布《丰田环境挑战2050》。丰田计划，于2020年以后，丰田燃料电池车(FCV)在全球的年销量达到3 万辆以上；在燃料电池大巴(FCB)方面，于2016年内以东京为中心引进 FCB，为2020年东京奥运会及残奥会预备 100多辆FCB；此外，2050年全球新车平均行驶过程中CO2排放量与2010年相比，削减90%。

在资金支持上，日本政府向NEDO投入大量的专项科研经费，以支持氢能和燃料电池的技术研发。据悉，日本在过去的40年间先后投入了数千亿日元用于氢能和燃料电池的科学研究，主要研究方向包括磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体高分子燃料电池（PEFC）。除燃料电池之外，NEDO还进行氢能源利用相关的技术开发，并以东京、名古屋、大阪和福冈为中心，在2015年建成约100座加氢站。此外，NEDO也对氢发电技术以及制氢、储氢、运氢等与氢全产业链相关的新技术进行研究和开发。目前，日本氢能的发展走在世界的最前列。

美国对氢能的支持力度有所下降。美国是第一个实现氢能技术应用的国家。1965年，固体高分子燃料电池（PEFC）正式应用于美国双子星五号太空船；同年，通用公司（GM）启动了燃料电池车的研发。1968年，强碱性燃料电池应用于美国阿波罗号宇宙飞船。2003年，美国能源部制定氢能发展计划，并拨款12亿元预算用于氢能技术的研究开发，以解决氢能和燃料电池产业化过程中所遇到的技术难题。2008年美国在氢能上的投入资金达到最高峰，为2.06亿美元。这样的技术积累也使得美国到目前为止仍然在氢能的技术和研发上处于世界前列，无论是氢气生产和储运、加氢站建设还是燃料电池车的应用方面，美国都占据绝对的优势。2009年之后，奥巴马政府认为氢能和燃料电池技术离大规模的商业化应用太远，降低了对氢能的支持力度并削减了资金预算；而特朗普政府将国家能源发展的重心放在化石能源上，一直以来忽略了氢能发展。

欧洲氢能发展整体中规中矩。欧盟对氢能的态度主要是将氢能作为战略性清洁高效能源系统的重要组成部分，以更好的推动能源转型、应对气候变化。将氢能与可再生能源结合，作为一种解决未来高比例可再生能源渗透后带来的电网弃风弃光问题的手段，是近两年来欧洲关注的重点。

在欧盟国家里，德国、法国、意大利在氢能及燃料电池产业化上走在前列。其中，德国是较早实现氢能应用的国家之一。1994年，德国戴姆勒公司推出了第一代燃料电池汽车necar 1。2006年，德国政府和产业资本为了积极推动氢能基础设施发展和建设，牵头成立了国家全资公司（NOWGmbH），以支持氢能经济的初期发展。2015年，德国成立H2 Mobility企业，主要是为燃料电池车在全国打造氢基础设施，为燃料电池车在德国的发展提供良好环境。在资金上，德国启动“氢能和燃料电池技术国家创新计划”，并通过第一期（2006~2016）计划，募集14亿欧元资金用于氢能项目开发。第一期计划实施之后，德国燃料电池产业链实力大幅增强，在燃料电池的供应和制造方面排名全球第三，仅位于日本和美国之后。该计划的第二期（2016~2026）也已经获得联邦政府的批准，重在解决燃料电池产业化的相关问题。法国和意大利在氢能产业化应用上也各有亮点，2016年法国阿尔斯通公司推出世界首款氢燃料电池客运列车，并于2018年9月在德国正式投入运营。2018年，意大利宾尼法利纳公司设计的氢燃料电池超级跑车H2 SPEED量产车型于日内瓦车展亮相。

韩国是氢能领域的后起之秀。近几年来，韩国政府在税收抵免、补贴支持以及研发投入等多方面支持氢能产业链的建设。2018年6月，韩国政府发布《氢燃料电池汽车产业生态战略路线图》，旨在尽快建立氢能源产业生态系统，以推动氢能燃料电池汽车普及。该路线图计划到2022年实现推广1.6万台燃料电池汽车，建设310座加氢站的目标。2019年3月，韩国科学和信息通信技术部宣布将与经济和财政部、贸易工业能源部、环境部、土地部、基础设施和运输部以及海洋和渔业部合作制定氢能经济技术路线图。该路线图计划在2019年下半年完成。各部门将细分每个类别以提出技术分类，并且将在每个细分中进行技术诊断和专利分析。此外，六部委还将准备短期、中期和长期的研发战略和计划，并分析相关技术的早期应用场景。
中国对氢能关注度持续升温。2017年以来，国内政府和企业持续加大对氢能及燃料电池的研发投入，加速其产业化进程，部分地区甚至掀起了发展氢能的热潮。据悉，2016年、2017年、2018年国内燃料电池车总产量分别为629辆、1272辆和1619辆，增速明显。2018年底，国内已初步形成以交通应用为主的氢能和燃料电池产业链。

同国外相比，国内氢能的产业基础仍然很薄弱，主要表现在技术、成本、基础设施和标准体系四个方面。其中，技术上，我国燃料电池核心组件的性能与国外仍有明显的差距，氢能和燃料电池核心技术仍然需要进一步的研发和突破；成本上，燃料电池以及核心辅件的成本仍然过高；基础设施上，截至2018年年底，我国国内已建成或正在运营的加氢站数量为26座，氢能相关的基础设施建设和管理非常滞后。标准体系上，国内氢能与燃料电池相关技术标准、检测体系严重落后于发达国家。

图1 《丰田环境挑战2050》图示

氢能产业链总体规模有限

氢能产业链相较于锂离子电池而言较长，主要包括上游的氢气制备、中游的氢气储存和运输以及下游的氢气利用。其中，制氢是基础，储存和运输是氢气利用的核心保障。制氢方法非常多，主要有化石能源制氢、副产制氢、可再生能源制氢、电解水制氢以及光解水制氢等；化石能源制氢是我国主导的制氢方式，技术成熟、成本低并且已“有利可图”。此外，我国氢气来源广泛，不同地区可因地制宜采取副产制氢、利用可再生能源未上网的电能制氢等多种方式。目前来看，我国是最大的氢气生产国，在2015年生产了2200万吨氢气，占世界产量的34%。

在氢气的储运环节中，基础设施网络建设是实现氢能规模化应用的关键，其中最直接的体现是加氢站的数量。根据H2stations.org发布的全球加氢站统计报告，截至2018年年底，全球共有369座加氢站，其中欧洲拥有152座，亚洲拥有136座，北美拥有78座。日本加氢站数量已超100座，是全球第一个加氢站数量达到100座以上的国家，其后是美国和德国。

在商业化应用上，日本的燃料电池技术世界领先，主要有家庭用燃料电池热电联供固定电站、产业用燃料电池以及燃料电池车。日本家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）制造商主要有爱信精机、松下、东芝三家。三家公司产品发电效率均可达40%，总效率高达90%以上，耐用时间超过8万小时，启动时间只需1-2分钟，可按需求并网使用。在销量方面，2014年日本家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）全球销量11万套，售价149万日元（大约8.7万人民币）。截至2017年，日本已经累计支持部署了超过20万套。对此，日本政府提出在2030年之前实现约相当于日本一成家庭的530万套的销售目标。

燃料电池车是氢能发展最快也最具潜力的应用领域。2014年以来，丰田、本田、现代先后推出Mirai、Clarity、NEXO氢燃料电池汽车，其最大输出功率均已超过100千瓦，一次加注氢气只需3~4分钟，续航500~800公里，主要指标已与汽油车大体相当。Mirai补贴后的售价为每辆车520万日元（约合4.8万美元）。2017年，全球售出3 382辆氢燃料电池乘用车，丰田Mirai超过3 000辆，其中超过50%的氢燃料电池车在美国加州售出，其次是日本。除了乘用车外，燃料电池叉车的应用也很成功。到2017年底，包括亚马逊、沃尔玛等大型企业在北美已部署了共超过2万辆燃料电池叉车，进行了超过600万次加氢操作。

因成本问题氢能产业化规模有限。尽管通过各国政府和企业长期且持续的研发和资金投入，氢能和燃料电池产业链的各个环节均已实现初步的产业化，但与电动汽车相比总体规模仍然有限，其主要原因在于成本太高。据美国能源部的测算，对于氢燃料电池汽车而言，燃料电池系统占据主要成本。其中燃料电池电堆是其发展初期最大的阻碍，成本占比极高，超过总成本的一半，但随着规模化生产铺开，成本会逐步下降。根据天风证券的计算数据，当氢燃料电池车年产量达到50万台时，电堆成本占比将大幅下降至总成本的15%。另外，气体循环系统成本也需要考虑，尽管其在发展初期成本占比不到总成本的五分之一，但随着规模化的发展，其成本占比下降不大，当年产量达50万台时，气体循环系统成本的占比仍然高达15%，具备一定的刚性。

加氢站建设成本过高也是氢能产业化规模有限的主要原因之一。对消费者来说，氢气价格在很大程度上取决于加氢站数量、使用频率以及每天氢气的输送量。目前来看，一个中等规模的加氢站平均建站费用约1000~2000万元，其中最为关键的设备压缩机因依赖进口，成本占比高达27%，其次是储氢和加氢设备，占总成本的比例分别为20%和16%。根据国际能源署2019年发布的《氢能和燃料电池技术路线图》，假设从现在到2050年之间销售1.5亿辆燃料电池车，每销售一辆需要花费900-1900美元用于氢气基础设施开发。

图2 氢能产业链

发展方向：与电动车形成互补

从氢能生命周期的角度分析，氢能具有以下特点：（1）来源广，不受地域限制；（2）是非常优秀的储能介质；（3）对大气污染小，甚至可做到零污染；（4）用途广泛，即可用于发电发热，还可用于大中规模储能以及交通燃料。

从能源性质角度分析，电力和燃油是氢能未来发展的主要竞争对象。三者都是由自然界中的一次能源转化而来的二次能源，都是使能源能够在社会生活中以商品的形式输送以及应用的载体。电力的应用领域涉及到人类社会生活的方方面面，无论是发电、输电还是用电，其技术、成本、产品都已经非常成熟且规模巨大，氢能将其取代是基本不可能实现的。燃油的主要应用领域是交通运输，其来自于化石能源，对环境污染大并且储量有限。因此交通领域是氢能未来发展的主要方向。

目前来看，短距离运输市场已经被电动汽车占领，并且加氢站等基础设施成本高、建设严重滞后也使得氢燃料电池车在市内交通上没有优势。但相比于电动汽车，氢燃料电池车具有动力足、续航时间长、充氢时间快等优势，更适合长距离运输和重型车辆。因此基于燃料电池车和纯电动汽车各自的优势、加氢站等基础设施的建设情况和难度以及当前国内燃料电池的技术水平，坚持燃料电池汽车开发以长途车和重型车为主的路线，与电动汽车在交通领域形成互补，是我国氢能未来的发展方向。