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近日，國際能源署(IEA)發布《全球氫能評估報告2021》指出，氫能將在全球能源轉型中發揮關鍵作用。
報告強調，氫能尤其在難減排的行業(如化工、鋼鐵、長途卡車運輸、海運和航運等行業)具有重要應用潛力;全球到2030年需投資1.2萬億美元，以構建全球氫能市場，實現全球凈零排放。
針對氫能未來發展，報告提出了五大戰略性建議——各國需要制定氫能戰略/路線圖;發展低碳制氫技術;推進氫能項目投資;加速技術創新和商業化;構建配套的認證、標準和監管體系。
報告要點
一、當前全球多國政府積極采取行動，推動氫能快速發展
迄今公布的氫能戰略顯示，幾乎所有國家對氫能在其能源系統中所扮演角色的認識大致相同，都強調了其對交通運輸和工業部門脫碳的重要性。具體國家氫能戰略布局如下表所示：
二、當前全球制氫技術正在清潔轉型，但進度較為緩慢
2020年，全球氫氣需求量達到9000萬噸，幾乎全部用于工業煉油和其他應用，且幾乎完全通過化石燃料生產，給全球帶來了近9億噸CO2排放量。
有跡象表明，過去5年，全球電解槽產能翻了一番，到2021年中旬達到300多兆瓦。目前全球正在開發的350個電解水制氫項目，到2030年將實現氫供應量超過800萬噸。
盡管發展顯著，但這一數字仍遠低于IEA《全球能源部門凈零排放路線圖》中設定到2050年實現凈零排放發展的需求，即氫氣供應量需要達到8000萬噸。
歐洲在電解槽產能部署方面處于全球領先地位，占全球裝機容量的40%，在歐盟和英國政府氫能戰略的支持下，短期內歐洲仍將是全球最大的氫能市場。
●澳大利亞宣布將在幾年之內趕上歐洲;
●拉丁美洲和中東地區也將部署大量電解槽;
●中國雖然起步較晚，但氫能項目建設數量正在迅速增加;
●美國近日也宣布了“氫能攻關計劃”。
目前，全球16個利用碳捕集、利用和封存(CCUS)技術制氫項目已投運，每年可生產70萬噸氫氣。
另外50個制氫項目正在開發中，預計到2030年，每年氫能產量將增加到900萬噸以上。加拿大和美國利用CCUS技術在化石燃料制氫領域處于全球領先地位，占全球產能的80%以上。
三、氫能應用領域正逐漸擴大
近年來，氫能在交通運輸部門應用取得較為顯著的進展。自2008年以來，由于技術進步和燃料電池汽車(FCEVs)銷量的增加，燃料電池汽車制造成本下降了70%。
在韓國、美國、中國和日本的努力下，投運的燃料電池汽車數量從2017年的7000輛增加到2021年中旬的超過4.3萬輛，增長幅度達到6倍以上。
2017年，幾乎所有的燃料電池汽車均為乘用車;而目前，五分之一為公共汽車和卡車，這表明氫燃料電池汽車可以更好地與電動汽車相競爭。
然而，燃料電池汽車部署數量仍遠低于電動汽車，后者的部署規模為1100萬輛。
鐵路、航運和海運方面使用氫基燃料的幾個示范項目正在開發，預計將為創造氫需求開辟新的機會。此外，在工業部門，氫是工業脫碳的一個重要支柱，盡管大多數突破性技術仍處在萌芽階段。
今年，世界上第一個利用低碳氫生產無碳鋼的示范項目在瑞典啟動;一個使用波動性可再生氫生產氨的試點項目將于2021年底在西班牙啟動;數個數萬噸氫氣產能規模的項目預計將在未來2-3年內投入使用。
水泥、陶瓷和玻璃制造等工業應用中使用氫能的示范項目也在開發中。
四、具有潛在應用前景的新興制氫技術現狀
1、固體氧化物電解槽(SOEC)制氫技術
固體氧化物電解槽(SOEC)利用蒸汽替代水來制氫，這是與堿性水電解和質子交換膜電解槽一個關鍵區別。由于SOEC采用陶瓷作為電解質，因此材料成本較低。
在高溫環境下，其工作效率高達79%-84%，核能、太陽能熱、地熱以及工業余熱都可作為SOEC的熱源。
此外，SOEC可以作為燃料電池在逆反應模式下將氫能轉換成電能，這是區別于堿性質子交換膜電解槽的另一個特點。將SOEC與儲氫設施相結合，可以為電網提供支撐服務，提高設備整體利用率。SOEC還可以促使水
目前，SOEC仍處于大規模應用示范階段(技術成熟度為6-7級)，通常應用于合成碳氫燃料。荷蘭Rotterdam正在開發2.6兆瓦的SOEC制氫系統;丹麥計劃在2023年前啟動500兆瓦的SOEC制氫工廠。
2、甲烷熱解制氫技術
甲烷熱解(也稱為甲烷裂解)制氫技術是將甲烷轉化為氣態氫和固態碳(如炭黑、石墨)的過程，此過程不會直接排放CO2。
反應需要相對較高的溫度(>800℃)，可通過傳統方式(如電加熱裝置)或使用等離子體來實現。
甲烷熱解每單位氫氣耗電量比電解制氫減少3-5倍，但該方法與甲烷蒸汽重整制氫技術相比，需要消耗更多的天然氣。
甲烷熱解制氫的轉換效率為40%-45%，但其副產物炭黑可用于制造橡膠、輪胎、打印油墨和塑料制品，2020年全球炭黑需求量為1600萬噸。此外，熱解生成的碳還可用于建筑材料，或替代煉鋼過程中所需的焦炭。
目前，正在開發的甲烷熱解制氫技術TRL為3-6級。
2020年美國Monolith材料公司啟動了利用等離子體高溫加熱甲烷熱解制氫工廠，并計劃建立一個商業化規模的氨生產工廠;
澳大利亞Hazer集團正在建造催化輔助流化床反應器示范工廠，用于將沼氣轉化為氫氣和石墨;
俄羅斯天然氣公司正開發一種基于等離子體的甲烷熱解制氫工藝;美國C-Zero公司正開發一種用于甲烷熱解的電加熱金屬熔融反應器。
3、陰離子交換膜(AEM)電解制氫技術
陰離子交換膜(AEM)電解槽結合了堿性水電解和質子交換膜電解槽的優點，僅使用過渡金屬催化劑(CeO2-La2O)，并不需要鉑金屬。
AEM電解槽一個關鍵的優點是AEM為固態電解質，避免了在堿性水電解中使用的腐蝕性電解質。
目前，AEM技術仍處于早期研發階段(TRL為4-5級)，德國Enapter公司正在開發千瓦級AEM電解槽系統。
4、電氣化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氫技術
電氣化甲烷蒸汽重整(ESMR)制氫是一種利用電加熱反應器代替燃氣蒸汽重整反應器的工藝。
目前，ESMR技術僅在實驗室規模進行了測試(TRL為4級)，一個正在部署的示范項目計劃將沼氣作為ESMR原料生產氫氣和一氧化碳，然后轉化為甲醇用于工業生產。
五、制氫、儲氫、運氫及氫能應用全價值鏈技術成熟度情況
氫是一種用途廣泛的燃料，可以使用各種能源(如煤炭、石油、天然氣、生物質、可再生能源和核能)通過多種技術(重整、氣化、電解、熱解、水分解等)來生產。
制氫、儲氫、運氫及氫能應用全價值鏈技術成熟度情況如圖1和圖2所示。
圖1：制氫、儲氫、運氫過程技術成熟度
圖2：氫能終端應用各項技術成熟度
六、各國政府需加大投資，促進低碳氫生產以及氫能創新需求
目前，采取氫能戰略的國家已承諾資助370億美元，并聯合私營部門投資3000億美元用于氫能工業生產(如圖3所示)。
但要使氫能行業在2050年前實現凈零排放，到2030年前需投資1.2萬億美元用于低碳氫的生產和應用。
當前，大多數政府關注重點是生產低碳氫，對氫能創新需求關注較少。要提高低碳氫在清潔能源轉型中的作用，需要在創新需求方面做出努力，多國政府已宣布包括制定碳價、配額、公共采購等各種政策激勵手段，但這些措施尚未生效。
未來需加速推廣氫能創新需求激勵手段，大規模推進氫能項目示范部署，擴大氫能需求。
圖3：承諾目標情景和凈零排放情景中各領域氫能相關技術投資額需求(單位：十億美元)
七、未來十年低碳氫的市場競爭力將日益增強
目前，發展低碳氫的一個主要障礙是其成本遠高于化石燃料制氫成本?；剂现茪涫鞘澜缟隙鄶档貐^最具經濟效益的方式之一。
根據各地區天然氣價格的不同，通過天然氣生產氫氣的平均成本為0.5-1.7美元/千克。使用CCUS技術來減少氫生產過程中的碳排放，將使氫生產成本提高到1-2美元/千克。
而當前使用可再生能源制氫成本最高，為3-8美元/千克。通過技術創新和增加規模，將有效降低氫氣生產成本。
長遠來看，根據IEA的2050凈零排放情景，可再生能源電力制氫成本可降至1美元/千克(范圍為1.0-3.0美元/千克)，在一些地區，即使沒有采用CCUS技術，太陽能光伏制氫的成本也將可以媲美天然氣制氫成本。
八、實現氣候承諾需采取更果斷的行動，并加強國際合作
雖然氫燃料需求量和使用范圍正不斷增加，但以目前的發展進程仍無法達到2050年實現凈零排放的要求。
如果目前所有宣布的氫能計劃都能實施，到2030年將實現如下進展——
與2050凈零排放情景中超過2億噸的氫能需求相比，目前總氫能需求將增加到1.05億噸;
低碳氫產量將達到1700萬噸，但這只是2050凈零排放情景中所要求的八分之一;
電解槽裝機容量將達到90吉瓦，但遠低于2050凈零排放情景中所要求的近850吉瓦;
最多可部署600萬輛燃料電池汽車，但僅為2050凈零排放情景中所要求部署規模的40%(1500萬輛燃料電池汽車)。
國際合作對加速氫能市場構建至關重要，自2018年以來，日本一直通過氫能部長級會議引領該領域全球發展。
此后，多個國家和組織宣布了若干雙邊和多邊合作協議和倡議，包括清潔能源部長級氫能倡議、氫能創新使命和聯合國工業發展組織的全球氫能伙伴關系。加強倡議間的協調對避免重復工作和確保有效進展具有重要意義。
九、國際能源署對構建全球氫能市場五大戰略性建議
(1)各國需要制定氫能戰略/路線圖。特別是氫能需求較大的國家需要制定國家氫能戰略/路線圖，重點設定低碳氫產量的具體指標;
通過刺激措施撬動更多的投資以擴大氫能市場價值，加速氫能項目部署速度，這將對利益相關方構建低碳氫潛在市場的信心至關重要。
(2)建立激勵機制，發展低碳制氫技術以取代化石燃料。充分挖掘氫能作為清潔能源載體的潛力，一些國家/地區已經在利用碳價來縮小可再生能源制氫與化石燃料制氫之間的成本差距，但這還遠遠不夠。
為幫助行業降低風險和提高項目生產效益，政府應設計透明和可預測的政策框架和金融支持計劃，如實施碳價、授權/配額、公共采購等措施。國際社會的積極參與將有助于推動氫能技術快速發展。
(3)推進氫能生產裝置、基礎設施和示范工廠的投資建設。在制氫領域，提升電解槽和碳捕集裝置在制氫過程中的使用率，發展氫專用基礎設施、提高氫能技術(如燃料電池和電解槽)的創新能力。
政府需要縮短支撐技術的審批流程，允許私人企業和投資者進行投資，加快大規模低碳氫管道建設。此外，政府通過撥款、貸款和稅收減免等措施為選定的旗艦項目提供量身定制的支撐，并建立今后的支持計劃將有助于低碳氫的推廣。
(4)加速技術創新，確保關鍵技術迅速實現商業化。持續的技術創新對降低用氫成本和提高氫能競爭力至關重要。
本世紀初須實現的商業化技術包括——在鋼鐵冶煉過程中使用氫能、利用波動性可再生能源電解水制氫用于生產氨氣和甲醇;在重型交通運輸中使用氫能以及在航運中使用氫能。
在這一領域，國際合作至關重要，下一步計劃在“創新使命”計劃中將氫能研發經費翻倍，并利用國際能源署和先進燃料電池技術合作計劃，召集并促進國際研發和信息交流。
(5)構建配套的標準、認證和監管體系。氫氣作為清潔能源有望刺激新市場和價值鏈的發展，因此需要加快構建配套的監管框架、認證計劃和標準規范，以減少利益相關方推進氫能部署面臨的障礙，在短期內需注重國際貿易、用氫安全、技術采用這三個領域標準的制定。
標準制定之后需進行技術認證，以確保制造商遵守國際標準，激發低碳氫使用活力。此外，一個清晰、透明和支持性的監管框架將促進全球氫能市場快速發展。
隨著氫能需求和供應商數量的增加，以及全新的價值鏈和合作伙伴關系的出現，監管體系需變得動態靈活，以適應市場演變，并保障生產裝置和基礎設施投資的可靠性。
最后，金融市場監管以及國際上對環境、社會和企業的碳排放監控將推動投資者將目光轉向包括低碳氫在內的清潔能源領域。
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