前言

氫能熱值高、清潔、來源多樣，與電力一同被視為支撐能源轉(zhuǎn)型的兩大二次能源之一，它具有如下特點(diǎn)。

1．氫能是來源多樣、清潔、環(huán)保、高效的二次能源

氫是二次能源，能通過多種方式制取，沒有資源制約。利用低溫燃料電池，氫能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能和水；相比汽柴油、天然氣等化石燃料，其轉(zhuǎn)化效率不受卡諾循環(huán)限制，最高可達(dá)90%。氫能的電化學(xué)反應(yīng)過程不排放二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）等溫室氣體和空氣污染物，是零污染的二次能源。氫能被公認(rèn)是一種環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的清潔綠色能源。

2．氫能是理想的能源互聯(lián)媒介

當(dāng)前能源體系主要由電網(wǎng)、熱網(wǎng)、油氣管網(wǎng)共同構(gòu)成。不同能源網(wǎng)絡(luò)依賴不同種類的一次能源，且彼此之間轉(zhuǎn)化效率低下，能源優(yōu)化也往往在各自的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立進(jìn)行。憑借燃料電池技術(shù)，氫能可以在不同能源網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以同時(shí)將可再生能源與化石燃料轉(zhuǎn)化成電力和熱力，也可以通過逆反應(yīng)產(chǎn)生氫燃料替代化石燃料或進(jìn)行能源存儲，從而實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同優(yōu)化。此外，氫能更可通過合成氣的方式將能源及化工產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)更大尺度的優(yōu)化運(yùn)行。因此，氫能是實(shí)現(xiàn)電力、熱力、液體燃料等各種能源品種之間轉(zhuǎn)化的媒介，是在可預(yù)見的未來實(shí)現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的唯一途徑。

3．氫能是可大規(guī)模應(yīng)用的儲能介質(zhì)

隨著風(fēng)能、太陽能、水能等可再生能源占比持續(xù)提升，儲能在未來能源系統(tǒng)中的作用不斷顯現(xiàn)。我國傳統(tǒng)抽水蓄能資源有限、效率低下，且隨著資源開發(fā)的深入，其建設(shè)成本逐步升高。雖然鉛蓄電池、鋰電池、液流電池等新型電化學(xué)儲能以及儲熱技術(shù)發(fā)展迅速，但只適用于較短時(shí)間尺度及較小容量的調(diào)節(jié)。隨著可再生能源滲透率不斷提高，季節(jié)性乃至年度調(diào)峰需求與日俱增，電化學(xué)儲能及儲熱越來越難以滿足上述長周期、大容量儲能需求。與電能和熱能不同，氫能可以更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)電能或熱能的大規(guī)模存儲，從而有效解決棄風(fēng)、棄光、棄水問題，同時(shí)保障未來高比例可再生能源體系的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在傳統(tǒng)能源體系中，氫能作為大規(guī)模儲能介質(zhì)，也可以有效減少峰谷電帶來的電力系統(tǒng)波動問題。

4．氫能具有豐富的應(yīng)用場景

電能作為最普遍的二次能源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、住宅等固定用能場景，但由于不易存儲，電能難以替代汽柴油在汽車、輪船、飛機(jī)等機(jī)動性強(qiáng)的現(xiàn)代交通工具中扮演的角色。雖然近年來鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步推動了電動汽車、混合動力汽車等輕型電氣化交通工具的應(yīng)用，但距離貨運(yùn)、航運(yùn)、航空等大容量、高能量密度應(yīng)用仍有差距。氫氣的能量密度是汽油的3倍以上，完全滿足重型運(yùn)輸需要，且由于實(shí)現(xiàn)了功率和能量單元的分離，氫能在大功率、高強(qiáng)度、長距離移動應(yīng)用場景的經(jīng)濟(jì)性尤為顯著，可充分彌補(bǔ)當(dāng)前電能應(yīng)用場景有限的短板。

5．氫是安全可控的燃料

氫氣在空氣中燃燒點(diǎn)能量為0.019MJ，氧氣中燃燒點(diǎn)能量僅為0.007MJ，氫氣與空氣混合后的燃燒濃度范圍為4%~74%，爆炸濃度范圍為18.3%~59.0%，濃度極限范圍寬于汽油與天然氣。但這并不意味著氫氣比其他氣體燃料更危險(xiǎn)。由于空氣中可燃?xì)怏w的累積從低濃度開始，因此爆炸下限濃度是影響安全性的更重要的因素。相比之下，氫氣爆炸下限濃度明顯高于汽油（1.1%）和天然氣（5.7%）。此外，雖然氫氣燃燒點(diǎn)能量低，但是氫比重低、易揮發(fā)、極易擴(kuò)散，發(fā)生事故時(shí)影響范圍也往往較小。當(dāng)前氫氣已廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，日本和德國的應(yīng)用與推廣實(shí)踐也表明，氫能的安全性并不遜色于天然氣和汽油。通過強(qiáng)化生產(chǎn)、儲運(yùn)和使用等環(huán)節(jié)的安全管理，嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，完全可以實(shí)現(xiàn)氫能的安全利用。

結(jié)合上述特點(diǎn)，氫能在電力領(lǐng)域可有效彌補(bǔ)電能存儲性差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展；在交通領(lǐng)域可降低長距離、高負(fù)荷交通對燃油的依賴，徹底實(shí)現(xiàn)交通終端用能清潔化；在能源領(lǐng)域可與電力、熱力、油氣、煤炭等能源品種大范圍互聯(lián)互補(bǔ)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國越來越受到重視。氫能制、儲、運(yùn)、用相關(guān)技術(shù)與裝備逐步成熟，氫能開發(fā)與利用開始具備商業(yè)化推廣條件。部分發(fā)達(dá)國家政府已出臺氫能發(fā)展戰(zhàn)略路線，推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年來，我國相繼發(fā)布《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）》等政策文件，將氫能納入重點(diǎn)發(fā)展方向，引導(dǎo)并鼓勵發(fā)展氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)。2019年，國務(wù)院首次將氫能寫入《政府工作報(bào)告》，明確提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會提出了中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，開發(fā)和利用好氫能將是實(shí)現(xiàn)我國碳中和目標(biāo)的重要手段。在地方層面，山東、江蘇、廣東等近10個(gè)省區(qū)，以及張家口、武漢、如皋、佛山等幾十個(gè)城市相繼發(fā)布和氫能相關(guān)的政策或規(guī)劃。在企業(yè)層面，能源國企爭相布局上游氫能供應(yīng)體系；社會資本搶灘下游應(yīng)用市場，上市公司紛紛投資燃料電池和整車產(chǎn)業(yè)鏈。

在產(chǎn)業(yè)如火如荼發(fā)展的同時(shí)，也要認(rèn)識到我國氫能及燃料電池技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家還存在差距，燃料電池制造及氫能運(yùn)營成本仍居高位。當(dāng)前，氫能產(chǎn)業(yè)在局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)投資過熱跡象，需要及時(shí)控制。我國在國家層面上對氫能尚沒有明確的戰(zhàn)略定位，對氫能近中遠(yuǎn)期支持和發(fā)展、氫能發(fā)展路線的選擇等也沒有清晰的意見和規(guī)劃。本書旨在通過研究分析，對氫能在我國能源體系中的定位進(jìn)行判斷，并結(jié)合國情給出國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，最后提出推動我國氫能應(yīng)用及氫能產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展的政策建議。

本書是中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院基礎(chǔ)課題“推動中國氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的路徑及相關(guān)政策研究”的主要產(chǎn)出。研究過程中得到了所在單位國家發(fā)展和改革委員會能源研究所王仲穎、劉堅(jiān)、任東明、時(shí)璟麗、趙勇強(qiáng)、韓雪、郁聰和符冠云等領(lǐng)導(dǎo)和同事的指導(dǎo)和大力支持，其中劉堅(jiān)參與撰寫了部分內(nèi)容（第四章第二節(jié)“工業(yè)”，第四節(jié)“儲能”；第五章第一節(jié)第（二）部分“工業(yè)部門”、第（三）部分“建筑部門”，以及第二節(jié)第（二）部分“中國氫能供應(yīng)總體布局”等），在此表示衷心感謝。同時(shí)感謝中國氫能聯(lián)盟、中國電動汽車百人會等單位對本書內(nèi)容給予的支持。由于氫能產(chǎn)業(yè)尚處起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈長且涉及面廣，受本人時(shí)間和研究水平所限，本書疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。

鐘財(cái)富

2021年7月