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氫能是一種清潔高效的二次能源；發展氫能技術對于構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，保障國家能源安全，改善大氣環境質量，促進能源產業升級具有重要意義。作為能源，氫具有2個明顯的優勢：
1、高能量密度——氫單位質量的熱值約為煤的4倍、汽油的3.1倍、天然氣的2.6倍；
2、可存儲，可實現靈活的時間轉移或地域轉移，來源多樣，零終端排，應用領域廣泛。
隨著全球氣候壓力的增加和能源轉型的加速，氫能將對各國實現碳中和目標發揮重大的積極作用。中國、美國、日本、韓國、歐盟等世界主要發達國家和地區高度重視氫能發展，許多國家和地區將氫能提升到能源戰略的高度。為響應拜登提出的氣候變化目標，美國能源部啟動實施能源研究計劃，大力發展氫能作為推動全球能源轉型和應對氣候變化的可行技術。根據國際氫能委員會的測算，到2050年，氫能在全球所有能源消費中的比重將提高到18%，氫經濟的市場規模將達到2.5萬億美元。
美國是世界上第一個提出氫能發展計劃的國家。自1990年以來，美國政府制定了各種政策推動氫能產業發展30多年。從政策評估、商業化前景到方案制定、技術研發、示范推廣，始終保持著自己的發展思路。隨著全球氣候變化壓力的加大，美國氫能戰略在碳中和目標下發生了新的轉變。本文將對美國氫能發展戰略的目標、內涵和特點以及新時代美國氫能戰略的變化進行詳細分析，以期為我國氫能政策的制定提供參考支持。
一、美國氫能發展戰略歷史分析
美國是世界上最早提出氫能研究和應用的國家。自1990年以來，美國政府頒布了多項促進氫能發展的政策和行動計劃。綜上所述，美國政府氫能政策的發展分為4個階段（表1）。
表1美國氫能戰略的4個階段（1990-2030）
從表1可以看出，美國政府已將氫能確定為能源供應方向之一，并進行了31年的氫能技術研發示范，形成了“制氫-氫運輸-儲氫-用氫”的全技術鏈能力。為氫能的規模化發展奠定了可靠的科學基礎；這也表明，經過多年的探索，美國對氫能未來的應用方向有了比較成熟的認識。
2019年11月，美國燃料電池和氫能源協會（FCHEA）在其《美國氫能經濟路線圖執行概要報告》中指出，在過去10年，美國能源部每年為氫能提供資金和燃料電池研發支出約1億-2.8億美元，尤其是2017年以來，每年投入研發支出約1.5億美元；美國能源部計劃在2020-2022年實現氫能在小型乘用車、叉車、分布式電源、家庭等領域的熱電聯產、碳捕捉等領域應用；到2030年，預計美國氫經濟每年將產生約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，美國預計每年將創造約7500億美元的收入和340萬個就業崗位，以促進經濟增長；同時，到2050，氫能源將占美國能源需求的14%。這反映出推動氫能技術全鏈條產業化發展，建立新的經濟增長點，回饋社會將是美國政府未來推動氫能發展的重點任務。
二、新時代美國氫能戰略發展的主要特點
隨著全球氣候變化極端事件頻發，美國政府將在美國氫能技術研發體系日趨完善的前提下，重點關注氫能在實現當地碳中和目標方面應發揮的作用。越來越完美，結果也越來越明顯。 2021年 2月，美國政府宣布重返《巴黎協定》談判，促使美國重新定位氫能在能源結構和全球市場的地位，并在氣候目標下進行新的部署。2020年11月12當天，美國能源部在 2002年計劃的基礎上，發布了最新版《氫能計劃發展計劃》，提出了氫能研究、開發和示范的總體戰略框架。未來10年及更長的時間，并制定了美國到2030年發展氫能的技術經濟指標，主要內容包括以下3個方面。
1、制定氫能全鏈條關鍵開發技術的技術經濟指標，希望通過技術創新，提高技術穩定性和效率，降低成本，實現一批氫能技術的商業化應用否則產品將被加速（表2）。從表2給出的明確技術經濟指標來看，美國有望率先在氫能源鏈的部分技術領域實現商業化發展。
表2 美國《氫能計劃發展規劃》提出未來10年（2020-2030年）要實現的關鍵技術經濟指標
2、美國加大了對氫能其他技術的設計和研究，希望進一步為美國氫能經濟提供更加多元化的選擇（表3）。通過可再生能源、化石能源和核能制氫技術的研究，開發多種氫源；通過發展先進的氫能分配技術、儲氫介質和儲氫設施，滿足各種規模的儲氫需求；通過進一步開發高性能燃料電池和合成燃料產品等，拓展氫能應用領域。
表3 美國提出的其他氫能技術
3、開展氫能標準研究與制定。為配合氫能技術、裝備、材料和制造工藝的產業化，美國計劃在標準化制造工藝、質量控制和優化制造設計等方面開展研究。應用安全性、規模化、統一性和質量流程來提供最佳實踐經驗和實踐。
為落實上述《氫能計劃發展規劃》，美國能源部于2021年6月7日啟動了第一個“氫能公關”(Hydrogen Shot)項目，降低可再生能源、核能的價格能源和熱能轉化生產清潔氫能80% 至1美元/公斤（目前可再生能源制氫價格為5美元/公斤），清潔制氫成本增加5倍產量，進一步提高并減少碳排放。
該計劃的項目征集信息主要包括：
1、在制氫、氫源和氫應用基礎設施方面，征集可以開展氫能示范項目的理想區域。此類區域應具備可用于清潔制氫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、天然氣或其他廢物（如垃圾填埋場、火炬氣、廢水處理）中獲得能源資源。
2、分析氫能示范項目理想領域的現有和潛在用戶和案例，如工業、交通、化工制造、電網安全等領域的需求案例。
3、氫能價值鏈下溫室氣體等污染物減排潛力研究。
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，以及創新的需要，以及所需的系統集成或原型設施。“氫能攻關”計劃使美國從生產氫的化石能源（灰氫、藍氫）轉向可再生能源（綠氫）。
三、碳中和目標下美國氫能新政的啟示
根據美國總統拜登提出的氣候變化目標，美國加快了氫能技術的研究和商業化步伐，從中可以得出5具體啟示。
1、使氫能成為與電力相媲美的重要能源形式。
根據美國最新的氫能戰略目標，到2030年，氫能產業將創造1400億美元的收入和70萬個就業崗位；到2050年可以貢獻16%的美國整個工業二氧化碳減排量，氫能將在美國能源需求占比將達到14%，將成為與電力相媲美的重要終端能源形態。
2、美國在發展氫能技術研發和產業化方面有多重目標，同時更加重視清潔制氫技術的研發和產業化。
經過30年氫能技術全技術鏈的研發，美國從最初（20世紀90年代）氫能作為儲能技術，調整優化美國能源結構，著眼于發展氫燃料電池產業。并發展氫經濟，響應碳中和目標，提振經濟，加快“制氫-運氫-儲氫-用氫”全鏈條技術商業化，爭取全球氫技術領先地位（2020年迄今）等多目標。同時，美國更加重視電解水制氫、可再生能源制氫、核能制氫等綠色清潔制氫技術的研發。上述舉措不僅推動了美國全面轉型建立清潔能源結構體系，而且使其在全球氫能源鏈技術和經濟發展體系中占據主導地位。
3、重視“制氫-氫運輸-儲氫-氫利用”全鏈條技術研發和規模化示范，研究氫能關鍵核心技術，打通美國氫能關鍵環節能源產業技術鏈、產業鏈、供應鏈，為美國氫能技術和產業的獨立自主奠定堅實的科技基礎。
(1) 在制氫方面，設計開發了電解槽制氫技術、化石能源重整、氣化和熱解制氫技術、核能制氫技術、生物質和廢氫制氫技術、混合制氫技術、可再生能源能源制氫技術等。例如，2020年美國能源部已經啟動了兆瓦和吉瓦級電解槽設備的開發。
（2）在氫運輸方面，發展了氫配送和運輸系統，包括液化和化學儲氫技術，并建設了氫運輸基礎設施。
（3）在儲氫方面，發展儲氫系統、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）在氫的利用方面，以氫為原料進行轉化的技術、氫燃料電池技術的發展、高濃度氫渦輪系統等。
4、將經濟指標和技術指標結合作為技術創新的評價指標，實質上是加快本地氫能的商業化應用，獲得美國在全球氫能技術和市場上的先發優勢。
從1990年美國制定氫能政策開始，美國政府通過深入調研和論證，確定了氫能技術研發的全鏈條方向，研究氫能在工業、住宅、運輸等方面的技術可行性，并把應用重心放在氫能燃料電池在交通運輸領域應用上。然而，隨著全球氣候壓力加大，特別是2021年初美國新政府的成立，美國加緊并加快了應對氣候目標、推動氫能應用、建立氫能經濟體系氫能發展的緊迫性。
5、重視氫能相關新材料、新技術的研發，希望推動氫能關鍵裝備技術轉型升級。
美國在制定氫能發展規劃和部署研究項目時，充分秉持“材料是促進一切科技變革的基石”的理念。2014年以來，美國能源部開始在制氫技術環節部署多項新材料。研發項目主要包括燃料電池離子交換膜的開發、電解槽新型涂層材料的開發、各種催化劑材料的開發等。有望提高制氫技術的穩定性和耐久性。2020美國能源部還將投入高達3200萬美元的開發資金，用于碳纖維等新型高強度儲氫材料的研究。
四、我國氫能發展現狀
1、技術層面
我國在氫能基礎研究方面持續投入，但起步較晚，積累較少。過去20年，在科技部、中科院等相關項目的資助下，我國在氫能領域取得了一些引領世界的重要成果。
尤為突出的是中科院大連化學物理研究所李燦院士團隊開發的人工光合太陽能燃料技術，提出利用太陽能等可再生能源生產“綠色”氫能，二氧化碳加氫成甲醇和其他液體。燃料“液體陽光”合成的技術路線。2020年1月，該技術示范項目成功試運行，預示著這一世界領先的研發技術或將在我國碳中和進程中發揮重要作用。
在太陽能微藻制氫領域，中國科學院植物研究所黃芳研究員團隊開發了太陽能光生物轉化制氫創新技術，用于生產“綠藻制氫”。該技術采用自主研發的微藻光合制氫領域產氫量最高的微藻材料，建立了基于微藻光合作用-制氫的實驗室規模“綠藻氫”種質創造——氫氣收集與儲存——完整的技術氫燃料電池應用系統，為進一步研發實現國家碳中和目標奠定了重要基礎。
2、政策層面
2019年，國家發改委發布《產業結構調整指導目錄》，鼓勵發展高效制氫/氫氣運輸和高密度儲氫技術開發應用，以及裝備制造、加氫站、和新能源汽車的關鍵零部件。2021年科技部下達“氫能技術重點專項”，支持氫能綠色生產與規模轉移系統、氫能安全儲存與快速輸配電系統的研發，以及氫能便捷升級和高效電力系統技術研發。
2019年廣東、山西等10個省將發展氫能列入政府工作報告。北京、上海、蘇州、佛山、嘉興等超過17個省份的22個城市發布了地方氫能產業發展規劃或行動計劃。在產值規劃、加氫站建設、示范車輛推廣、企業扶持等方面進行了較為細致的規劃，通過人才、資金和示范運營多措并舉，加快布局氫能源和燃料電池產業。
3、戰略層面
我國氫能技術研發與應用存在缺乏統一規劃、關鍵核心技術未突破、總成本過高、技術專利壁壘嚴重等問題。迫切需要打破相關技術壁壘，提高產品質量和技術進步問題，以增強我國氫能及相關應用鏈的國際戰略優勢。與美國藍氫、綠氫等氫能技術路線相比，我國急需研究判斷藍氫與綠氫技術路線的關系，以及氫電作為終端能源的互補性。
4、技術難點
與美國的藍氫、綠氫等氫能技術路線相比，我國藍氫和綠氫的成本和未來下降潛力有很大不同。
例如，我國規模意義上的“光伏+電解”制氫全鏈條能量轉換效率僅為15%左右，相應的成本為12-18美元/公斤，接近天然氣重整制氫成本的10倍。除了需要提高制氫效率和降低成本外，氫氣的儲運也存在一些技術問題，儲氫方法可分為物理儲氫（包括高壓氣態儲氫、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定化合物，再通過改變條件實現放氫的技術，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）。
國內物理儲氫技術發展相對落后。以高壓氣態儲氫為例，儲罐關鍵材料仍依賴進口，儲氫能力較低。與物理儲氫相比，化學儲氫具有能量密度高、相對安全的特點。未來有望取代物理儲氫成為主流技術。但大部分化學儲氫技術仍處于研發階段，成本較高。
5、對我國氫能發展的思考和建議
綜上所述，與美國的氫能戰略相比，我國氫能發展存在研發創新不足、成果共享和資源整合不足、人才和交流合作不足、標準和知識產權保護不足等問題。建議國際國內需求從供給方面系統研究我國氫能發展規劃，多角度提升我國氫能技術和產業的國際競爭力，防止氫能成為下一個“卡脖子”技術。在3個方面提出具體建議。
1、加強頂層設計，集中國家優勢力量，開展氫能關鍵技術、新技術路線和應用的創新研究，從核心技術突破市場封鎖。
氫能已被視為未來的主要能源，而制氫是氫能產業發展的基礎。如何高效、清潔的制氫對氫能的發展具有重要意義。因此，研究和獲得高效、低成本、規模化的制氫方法是氫能產業發展的前提和基礎。從國際經驗來看，建議加大綠色氫的研發力度，尤其是可再生能源制氫技術及相關制氫、儲氫和輸氫材料的研發。加強氫能儲存與氫能應用技術、氫能應用成套設備研究，從技術鏈、產業鏈、供應鏈等多維度開展氫能應用技術研究，特別是關鍵技術、核心技術上的攻關，開發具有自主產權的核心技術和關鍵技術。
2、開展氫能源技術鏈、產業鏈、供應鏈專利壁壘和競爭體系研究，提出知識產權保護戰略，提升國際競爭力。
解決氫能市場發展中的技術專利壁壘和知識產權問題，需要密切關注國內外氫能技術專利的發展，對國內外氫能技術專利進行深入研究和分析；建立有效促進氫能產業發展的氫能技術專利發展路徑，為氫能技術專利壁壘研究和相關政策方案出臺提供參考建議，真正提升氫能產業在中國的國際競爭力。由于氫能產業技術復雜多樣，產業交織融合，專利保護缺乏針對性指導，需要從全球視野全面考察氫能產業的技術鏈和發展，探索氫能領域關鍵技術分布、關鍵技術研發動態、最新技術發展趨勢，識別潛在應用技術和專利空白技術。
3、重視國際合作，與國際組織等國家建立全鏈條多邊合作關系，積極參與國際規則和國際標準的制定，為我國氫能技術進入國際市場做準備。
以“一帶一路”倡議為起點，與周邊友好國家和“一帶一路”友好國家在氫能全技術鏈的產學研利用方面開展合作，不僅可以建立氫能聯盟，還可以摸清并開發氫能國際市場。同時，在國際標準化組織、國際電工組織等相關國際組織，申請成立氫能標準下屬部門或工作組，開展相關國際規則和標準的制定工作，努力爭取國際話語權，為氫能相關技術和產品進入國際市場掃清障礙。
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