碳中和|国际车用氢能产业发展分析
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文/孙悦 莫佳雯 吴胜男 许广健，中国汽车工程研究院股份有限公司，汽车与配件
氢能具有高热值、低碳、可再生等特点，在全球碳减排的趋势背景下，氢能是目前最具潜力替代传统化石能源的新兴能源之一，同时，发展氢能产业不仅有益于保障国家能源安全、促进能源供应多元化，还有助于拉动经济增长。因此，日本、美国、欧盟等发达国家与经济体纷纷制定氢能发展计划。中国也将发展氢能作为实现“碳达峰、碳中和”目标的重要路径，将氢能产业孵化与加速计划写入《“十四五”规划及2035年远景目标纲要》，氢能已然成为我国未来能源变革的重要发展方向。
氢能汽车作为氢能的首要应用场景，其发展对于各国氢能产业至关重要，而我国车用氢能研究仍处于起步期，且车用氢能产业涉及制取、储运、加注、整车等多个环节，其发展仍面临多方面挑战，目前学界暂无针对国内外车用氢能产业发展比较分析，因此，本研究将通过对比国际主要经济体与中国在车用氢能领域的发展差异，以期为我国氢能与车用氢能产业发展提供政策支持。
全球主要国家与经济体均在积极布局氢能产业并大力发展氢能汽车技术，在此背景下，本研究从政策目的、产业模式、技术路径着手对国内外车用氢能产业进行比较分析。
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减少能源依赖，提升技术储备。上世纪70年代的中东战争引发了全球性的石油危机，美国为了摆脱对进口石油的依赖，保障国家能源安全，减少碳排放，首次提出“氢经济”的概念，认为未来氢气能够取代石油成为支撑全球交通的主要能源。2013年美国能源部（DOE）便宣布启动H2USA项目，美国政府牵头以超预期的效率和决心支持氢能汽车研发，十余家企业与DOE达成协议，准备推出首轮氢能汽车。2020年11月，DOE公布了《氢能计划发展规划》，明确了未来十年乃至更长时期国家氢能发展战略框架，重视对战略性新兴技术的占领，各届政府都将氢能与燃料电池作为先进技术进行战略投资，确保其技术经济领先地位。在DOE公布的氢能研究资助项目中，美国能源部氢能和燃料电池技术办公室提出推进中型和重型燃料电池汽车加氢技术为重点优先领域之一。随后，DOE持续以资金投入的形式支持氢能重点领域发展。美国已经形成从氢气制取到应用全链条生产能力，车用氢能技术储备丰富，具备较强全球竞争力，下一步则是为清洁能源做准备。
实现“双碳”目标，提升能源效率，培育新兴产业。在“碳达峰，碳中和”重要战略目标背景下，氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为中国能源转型发展的重要载体之一。2022年3月，国家发改委、国家能源局等联合印发了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，并明确了氢能发展的基本原则与各阶段目标，旨在推进氢能产业高质量发展。交通作为重要的用能领域，《规划》强调“重点推进氢燃料电池中重型车辆应用”，此前通过设立燃料电池汽车示范城市群已在核心零部件研制与整车应用等领域培育了一批优秀企业，燃料电池汽车产业集群在中国初现雏形。
保障能源安全，提升产业竞争力。能源安全始终是日本政府关注的问题，日本一次能源94%来自于海外，汽车领域集中了98%的原油消耗量，且这些原油87%都来自于中东地区，为了减轻对外部能源的依赖，丰富能源种类，减少碳排放，日本政府一直致力于从政策与技术层面推动氢能事业的发展。日本政府于2017年12月公布了《基本氢能战略》，提出实现“氢社会”的愿景，明确了2030与2050年发展目标与行动路线。日本在2022年2月颁布的《第六次能源基本计划》中强调绿氢在能源系统中发挥重要作用。同时，日本在氢能燃料电池领域也拥有先进的技术与专利，希望通过发展氢能，促进产业转型升级，提升汽车等领域的产业竞争力。2023年5月，日本川崎、铃木、本田、雅马哈四家主机厂设立了发动机技术研究组“HySE”，共同推动氢能发动机的普及。
促进能源多样化发展，培育经济增长引擎。韩国能源资源极度匮乏，是一个进口能源依赖程度高，且碳排放量大的国家，面临能源转型与碳减排的双重压力，因此韩国政府于2019年1月公布了《氢经济路线图》，提出要在2040年建成全球最大的氢能经济体，并投入大量资金用于加氢站建设和氢能汽车的普及。氢能作为一种清洁高效的二次能源，在提升韩国能源自给率的同时，减少了碳排放造成的环境压力，推广氢能可以在交通运输、能源等领域创造新的产业和市场，围绕氢气生产、存储、运输、加氢站等基础设施建设能够带动其他相关产业发展，培育一批中小企业和骨干企业，成为国家未来增长引擎。韩国政府预计氢能产业的发展到2040年将提供42万个就业补贴，创造43万亿韩元经济附加值。
综上所述，在气候变化背景下，美国、中国、日本、韩国均将氢能应用视为一种减少碳排放的有效手段，重视氢能技术的研究与使用，且均制定了各自的氢能产业发展规划，但各国发展氢能产业的初衷、目标与方式存在差异，具体如表1所示。
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美国氢能产业主要由美国能源部（DOE）牵头，与其他政府部门、行业组织、科研院所展开合作，制定氢能产业政策与发展路线。此外DOE还下设水电技术办公室（WPTO）、可再生能源与能效办公室（EERE）、核能办公室（NE）、燃料电池技术办公室（FCTO）、国家实验室联盟（FLC）等多个机关，针对氢能制取和应用开展技术研发和成果转化等工作，美国氢能产业模式如图1所示。
中国氢能产业由国家各级政府主管部门分工协作进行管理，科研机构与各类企业广泛参与。在管理上，国家发改委负责统筹协调氢能产业发展重大问题，研究制定相关配套政策，建立氢能产业发展部际协调机制；国家能源局负责组织实施氢能产业发展规划，指导和监督氢能生产、储存、应用等全链条安全管理，完善氢能产业标准体系；交通运输部、工信部等其他部门根据各自职责，参与推进氢能在交通运输、工业、建筑等领域的应用，支持氢能技术研发和示范，与国家发展改革委和国家能源局协调推进氢能产业发展。
地方政府部门则与中央政府部门保持沟通和协作，支持本地区企业，根据本地区实际情况，制定符合国家规划的地方性规划和政策，引导本地区的氢能项目建设和运营，营造良好的市场环境。各类企业与政府部门、上下游企业保持沟通和合作，参与氢能全产业链的技术研发、产品生产、项目建设、市场运营等活动。科研机构则在氢能产业中发挥着重要的技术创新和人才培养的作用，中国氢能产业模式如图2所示。
日本建立了一套以政府为主导、以企业为主体、研究机构为支撑、社会部门广泛参与的氢能产业模式。其中，以经济产业省、环境省为代表的政府部门负责氢能产业相关规划与政策的发布，制定氢能领域相关的规范与标准，支持氢能领域的研究项目；企业则发挥市场主体优势，在氢能领域积极开展技术创新等工作，降本增效，拓展氢能领域市场；研究机构则为企业培养氢能领域的人才，通过与企业合作开展研究项目，为企业与政府提供氢能领域的技术支持；社会团体以消费者组织、环保组织、媒体组织为代表，对氢能产业发展进行社会监管，表达社会对氢能产业发展的诉求，提高公众对氢能的认知，提升社会的接受度。日本氢能产业管模式如图3所示。
韩国氢能产业发展以经济为核心，韩国政府成立了“氢能经济促进委员会”作为韩国氢经济的指挥机构，由国务总理担任委员长，产业部、企划财政部、行政安全部等8个有关部门长官和产业界、学界、市民团体等各领域专家组成。氢能经济促进委员会主要负责制定、执行、检测及评估“氢经济基本计划”，确立并推进各项主要政策，在给予氢能产业立法与政策支持的同时，与企业开展密切合作，建立氢经济产业生态。韩国氢能产业管理模式如图4所示。
综上所述，美中日韩四国均依据本国体制与氢能产业发展现状，建立了一套符合自身国情的氢能产业模式，包含从氢能政策与路线制定规划到氢能产品应用的全过程，各国氢能产业总体上都包括主管部门与各分管机构、涉氢企业、高校与研究部门等主体，故从氢能管理部门、部门关系、政产学研关系角度出发对比四国氢能产业模式，如表2所示。
由表2可知，上表四国的氢能管理模式均由国家行政机构或部门牵头，各下级单位负责执行，政产学研融合。其中，中国氢能产业管理中政府地位更为突出，在管理部门上以国家层面为主导，地方层面为配合发展氢能产业，在具体生产环节又以央企为主力，民企为补充，在保证较强的技术实力与市场影响力的同时，拥有较高的创新活力与灵活性。日本对氢能产业的管理则社会部门参与程度更高，通过消费者组织、环保组织、媒体组织的参与，提升社会对于氢能技术的接受程度，为氢能应用的普及奠定社会基础。
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出于氢能技术水平、经济性、安全性等因素，各国在氢气制取、储运、加注、利用各环节可采用不同的技术方案，如表3所示，所以各国氢能产业发展也产生差异化技术路径。
制氢技术方面，天然气重整制氢是目前美国最常用的制氢方式，占制氢总量的80%以上，其余氢气需求则主要由石油炼化工业副产氢满足，以新兴制氢方法做补充；储氢技术路径方面，压缩气态氢与低温液化氢占主导地位；氢气运输方面，广泛应用管道运输，罐车运输气态氢与液态氢；氢气加注方面，外供氢加氢站仍是主要加氢站形式，同时站内制氢加氢技术也取得突破，在加州建设了一座利用太阳能电解水制氢的加氢站；氢能利用方面，作为最大的物流市场之一，氢能叉车应用处于全球领先位置，预计2030年氢能叉车保有量将达30万辆。
制氢技术方面，作为“富煤少气”的国家，我国煤制氢产量占氢气总产量的60%以上，然后依次为工业副产氢、天然气制氢；储氢技术方面，以高压气态储氢为主，低温液态储氢为辅，固态储氢与有机液态储氢处于示范阶段；氢气运输方面，常采用以长管拖车为载体的高压气态运输方式；氢气加注方面，国内加氢站则几乎都采用外供加氢模式；氢能利用方面，中国氢能商用车领域发展成熟，涵盖了重卡、客车、物流车等多个领域。
制氢技术方面，来源于天然气的氢气占50%以上，另有45%是炼油和石化行业的副产氢，剩下的来源于小型煤炭生产过程；储氢技术方面，常采用70Mpa储氢瓶进行高压气态储氢，低温液态储氢、有机液体储氢、固体材料储氢也是日本未来储氢技术发展方向；氢气运输方面，常采用高压气态运输与低温液态运输，同时也在积极探索有机液体运输，并于2021年1月完成从文莱至日本的首次远洋有机液体氢运输；氢气加注方面，主要采用外供加氢模式或者移动式加氢模式，氢能利用方面，日本氢燃料电池汽车以乘用车为主，相应技术水平已达世界前列，丰田MIRAI、本田Clarity作为明星车型，已销往全球多个国家，成为行业发展的重要风向标。
制氢技术方面，大约60%的氢气是来自各种来源的副产品，其余40%来自天然气；储氢技术方面，气态储氢与液态储氢是主要储氢方式，固态储氢于有机液态储氢仍在发展中；氢气运输方面，车载高压气态运输、液态运输、管道运输是主要运输方式，船舶运输作为未来国际贸易于海洋能源利用的重要方式，还处在实验研究阶段；氢气加注方面，韩国主要采用外供加氢模式，加氢站通常建于靠近CNG的地方车站，或液化石油气车站附近；氢能利用方面，韩国氢能乘用车拥有先进技术与市场优势，拥有现代汽车等知名汽车品牌，旗下氢能乘用车Nexo在安全性、续驶等方面获得良好评价，2020年销量占全球市场份额的53.3%。
综上所述，美中日韩四国在氢能产业各环节采用了相似或不同的技术方案，因而产生了各异的氢能发展技术路径，由表4比较分析可知：氢气制取方面，化石能源重整制氢均是各国重要的氢气来源，“灰氢、蓝氢”比重大，制备“绿氢”技术仍在发展中；氢气储存方面，各国仍以气态储氢、液态储氢方式为主，固态储氢技术有待发展；氢气运输方面，气态氢运输是各国氢气运输的主流方式，国外液态氢运输、管道运输使用较为广泛，国内液态氢运输、管道运输能力有待增强；氢气加注方面，各国加氢站均主要采用外供氢加氢模式，美、日在探索站内制氢加氢等模式方面具有成熟经验；氢气利用方面，中美两国车用氢能技术主要体现于商用车领域，而日韩两国在氢能乘用车领域技术领先。
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我国氢能发展刚刚起步，自2020年“双碳”目标提出后才逐步进入公众视野，目前还面临认知偏差、基础设施缺乏、体制机制不健全等问题，市场观望情绪仍然比较浓重，虽然已初步具备氢能产业化条件，初步形成了珠三角、长三角、京津冀三大先发区域，但目前仍存在专项规划和政策体系缺失等制约，且我国氢能管理涉及从中央到地方的多个部门，除国家能源局外，科技部、财政部、工业和信息化部均根据自身与氢能相关的领域参与氢能管理过程中，面临管理效率不够高、部门间协调机制不够完善的挑战。
美日韩在氢能产业发展过程中，都将科研部门、企业部门与社会部门纳入氢能产业发展过程中，我国虽然也采用“企业和研究机构参与技术攻关和产业化推进，学校参与基础研究和人才培养”的发展模式，但企业与研究机构在此过程中参与度不够高，在当下氢能集中发展制氢、加氢站、燃料电池的环境中，产学研仍以政策推动为主，缺乏主动性。我国社会公众对于氢能的认识程度较低，氢能应用于公众生活场景相对较少，故尚未形成如日本的消费者组织、环保组织、媒体组织等社会部门共同参与氢能产业发展，以需求带动供给升级的良性循环。
目前我国制氢仍以“灰氢”为主，含硫污染物与碳排放治理压力大，而“绿氢”作为未来制氢技术的发展方向，其所需的风光资源大量分布于我国西北地区，而具有大规模用氢需求的则主要是经济发达及人口密集的东南地区，制氢端与用氢端发展存在空间错位，间接增加了我国车用氢能产业的碳排放压力。
国外的高压气氢压力已达70MPa，液氢储运也较为成熟，而我国储氢瓶压力多为30MPa，且目前在液氢存储方面相对薄弱，在液氢技术、液氢工厂、相关产业化上几乎都是空白。管道运氢技术尚未成熟，加氢站技术与国外还有差距，国内也缺少储运加的应用示范，在实际应用中可能会出现盲目扩张、产能过剩、技术空心化等问题。
我国车用氢能产业链已初具雏形，但由于产业链结构复杂，目前产业链仍需完善，尤其是在质子交换膜、催化剂、碳纸/碳布、空压机等关键零部件和材料方面尚不具备量产能力，需要依赖进口，严重阻碍了我国车用氢能产业的可持续发展。
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首先，明确氢能在我国能源体系中的定位，提升公众对氢能及其应用技术的认知，同时提高氢能应用相关的基础设施水平，为氢能技术广泛应用与快速发展做铺垫。其次，完善氢能部门协调机制，使管理部门更好地引导和服务能源相关企业，推动氢能市场的有序发展。最后，应进一步明晰各相关部门职能职责，提升管理效率，保障全链条行政管理不缺位。
氢能发展较早的国家均成立了专门机构推进氢能产业发展，如美国的效率与可再生能源处、日本的新能源产业技术综合开发机构。以专设机构负责组织全国的产、学、研团队进行联合开发，参与各地区氢能细分领域行业协会的组建当中，通过产学研协同发展拓展氢能应用领域，促进社会部门广泛参与，提升公众对氢能的认知与接受度，加速“产学研用”的良性循环。
有序推进加氢网络建设，统筹推进减碳降碳。探索利用氢能实现季节性储能，提高弃风、弃光利用率，增强电网系统调峰力度，将可再生能源与电网、气网、热网和交通网连为一体，促进西部地区“绿氢”制取产业发展，同时在全国范围内形成完善的氢气存储和输运网络渠道，以西部地区低碳“绿氢”储运至东南密集用氢地区，减少制氢环节碳排放，解决氢能生产与消纳错位的问题；此外，通过发展碳排放权交易市场，发挥碳定价的效率改善作用与经济增长协同效应，通过碳排放限制促进技术进步与创新，促进制氢环节绿色转型。
确定重大关键技术，依托高校、科研机构，深化产学研合作，吸引国内外高端专家团队，提升技术创新和科技成果产业化水平。加快推动在积极性高、经济基础好、具备氢能和燃料电池电动汽车产业基础、有市场需求的地区开展试点示范，以应用示范探索氢能产业发展模式，发挥示范引领作用，为其余地区氢能产业发展提供参考，减少试错成本，提升发展效率。
通过建设氢能标准体系，制定符合国情和国际接轨的标准规范，为氢能产业的规范发展提供保障。发挥技术创新的引领作用，促进氢能产业链改造升级，提高氢能产业核心竞争力，提升氢能产业在全球价值链的位置，实现氢能产业链强链、补链。
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