IIGF观点 | 金子曦：氢能的角色与定位——全球能源转型的关键拼图（氢能系列研究篇1）

氢能作为一种多功能的能源载体，可在全球能源转型进程中承担多重角色。氢能既能替代传统化石燃料，应用在电力、工业、交通等多元场景之中；又能通过电解水制氢技术，作为长周期储能的介质，解决可再生能源的波动性问题，展现出强大的潜在价值。

氢能在能源转型进程中最为重要角色是作为清洁替代燃料，特别是作为电力调度工具或在难以电气化替代的领域直接替代化石燃料。在电力领域，氢能燃料电池作为一种高效的电力生成技术，可以直接将氢气和氧气通过化学反应转化为电力，可以作为分布式发电系统的核心单元，特别适合用于微电网、备用电源等场景。在工业领域，传统化石能源如煤、天然气和石油具有较高的能量密度，可以在较小的体积和重量下提供大量的热能，这对于高温工业过程（如钢铁冶炼、石化炼制）至关重要。此些高温工业过程所需温度通常高于可再生电力目前能够提供热能的范围，而氢气的燃烧热值较高，因此可以直接替代煤、天然气等化石燃料，提供工业过程所需的高温热能。在交通领域，氢能高能量密度、高功率输出的特性也使之有独特的应用潜力，尤其是在重型运输、航空和航运等对续航能力、能量密度、输出功率有较高需求而电气化难以满足的领域。

氢能的另一关键作用是作为一种灵活的储能解决方案，在平衡可再生能源发电波动性和间歇性方面可发挥重要作用。风能和太阳能等可再生能源的产量波动较大，因此需要一种能够在电力过剩时储存能量，并在需求高峰期释放能量的有效储能技术。氢能通过电解水制氢的方式，将电能转化为氢气，储存于高压气体或液态形式中，便于在电力需求不足时再转化为电能。氢储能一方面区别于抽水蓄能、压缩空气储能等储能方式，受地理因素限制较小，可通过增加氢气储罐尺寸，以较低的边际成本，独立于发电和制氢的规模而扩大其储能能力；另一方面相较于化学电池等通常用于短时储能场景，氢储能可以实现长期存储能源并经济地维持数小时、数天乃至数月。通过氢能储能系统，尤其是与大规模可再生能源基地结合，可大大增强可再生能源的消纳能力，推动可再生能源向主力能源转型。

依据生产来源划分，氢能通常包括绿氢、蓝氢和灰氢等不同类型，不同类型氢能在技术、经济性、环境影响等方面都有不同的特点和潜力。

灰氢是通过化石燃料直接制取获得的氢气，通常采用蒸汽重整或煤气化等技术。由于此些技术设备和工艺非常成熟，具备规模化生产能力，因而灰氢是当前最常见的、成本最低的氢气生产方式。然而灰氢在生产过程中伴随着大量的碳排放，这使得灰氢面临越来越严格的环境法规和市场压力。可以预见，灰氢在短期氢能产业的发展导入阶段中，将因其经济性而发挥重要作用，但中长期来看需要逐步向低碳制氢转型。

蓝氢是利用化石燃料制氢，同时配合碳捕集、利用与封存（CCUS）技术所获得的氢气。蓝氢能够利用现有的化石能源基础设施和技术，同时通过碳捕集减少碳排放，为完全脱碳的氢能产业打下基础，因而其在许多国家的氢能政策中占有一席之地，特别是对那些能源基础设施依赖化石燃料的国家。然而，蓝氢的经济性受CCUS技术的成熟度影响，当前CCUS技术仍面临高成本、技术复杂性和储存容量的瓶颈，导致蓝氢在某种程度上普遍被视作从高排放氢转型低排放氢过程中的“过渡技术”，而非最终理想化的技术路径。

绿氢是指利用可再生能源通过电解水的方式制得的氢气，是最为理想的“绿色”氢能。当前制氢的主流技术是碱性水电解（AE）和质子交换膜水电解（PEM）。其中，PEM在效率和反应速度上具有优势，但设备成本较高。AE技术已较为成熟，广泛应用于大规模制氢，但效率相对较低。绿氢的经济性受到多重因素的影响，其中最重要的是可再生电力的成本。近年来，全球太阳能和风能发电成本的快速下降使得绿氢的生产成本逐步降低。根据国际能源署（IEA）的数据，绿氢的成本预计在未来10年内将降至每千克2-3美元，接近或低于传统化石能源制氢的成本。

氢能作为全球能源转型的关键要素，目前面临着技术、成本、政策、市场机制等多方面的挑战。

一是产业本身来看，在技术与成本方面，氢能制氢、储存和运输等环节均面临着技术与成本上的双重挑战。制氢环节中，绿氢成本仍然较高，特别是在缺乏廉价可再生能源的地区，且质子交换膜（PEM）电解和固体氧化物电解（SOEC）等新型电解技术正在研发，面临着设备成本高和生产效率低的问题。储运环节，氢气需要压缩、液化或化学储存才能安全运输和存储，且其低密度的化学特征需要大规模的储存设施，导致各类氢气储运方式（如管道、卡车、船运等）面临差异化的成本、基础设施建设和安全性等多方面难题。

二是市场需求方面，政策激励与商业模式尚未推动形成氢能替代的广泛需求。一方面，政策支持力度与产业需求之间仍然存在落差，虽然全球许多国家已经出台了与氢能产业技术创新与商业示范相关的财政补贴、税收优惠以及风险分担机制等政策，但这些政策的力度和覆盖面仍然不足，难以有效推动产业规模化发展。尤其是在氢气产业的早期阶段，企业需要更大规模的政策引导甚至政府资金孵化，以应对技术研发、生产设施建设等方面的高成本。另一方面，目前氢能的市场机制还不健全，为了让氢能成为可持续的商业模式，必须建立完善的市场机制并扩大稳定的市场需求，从而促进氢能项目的商业化进程。更进一步而言，完善的市场机制也将促使氢能企业和项目更易获得绿色金融等融资工具的支持。

三是外部规则来看，缺乏统一标准和国际合作机制。氢能作为全球性议题，当前尚未形成统一的国际技术标准和行业规范，不同国家和地区的技术应用、设备要求、认证标准等方面存在差异。这不仅使得全球氢能市场的整合变得困难，还加大了跨国投资和技术合作的复杂性。

尽管面临多重挑战，但在氢能的多维定位决定了其将成为全球能源转型进程中关键拼图。在这一普遍共识之下，值得期待的是，随着技术创新的推进、政策激励的加强，以及国际合作的加深，氢能产业或将如同光伏、电动汽车等产业，在经历探索性的导入阶段后，迎来蓬勃发展。

图 1 氢能系列研究思维导图

值此氢能产业发展的重要节点，为进一步探索这一富含多方期待、但也充满发展挑战的产业，后续还将通过数篇文章，继续从以下几个方面进行介绍：一是厘清供给，《氢能的制储运是如何实现的？》重点分析氢能的制、储、运体系如何实现，将深度梳理不同技术路径的成熟度和经济性挑战，探讨国内外氢能制储运环节实现技术与经济性突破的创新实践案例。二是分析需求，《氢能可以用在哪些领域？》将评估氢能在发电、工业、交通等关键领域的应用场景与需求潜力，并围绕微电网、氢冶金、氢燃料电池货车三大示范应用开展技术和经济可行性分析，研讨扩大氢能需求的关键突破口。三是在充分理解氢能供需双方下一步突破难点的基础上，研究推动氢能产业发展的政策框架与市场机制，《国内外推动氢能发展的激励政策与市场机制有哪些？》《资本如何赋能氢经济？》探索如何通过建立政策支持、搭建市场机制、探索融资创新促进氢能的商业化。四是关注国际氢能合作与标准化问题，《全球如何开展氢能合作？》既包括探究不同国家之间如何精准依据资源禀赋、技术与资本基础等差异而在推动全球氢能产业发展过程中扮演不同角色，也包括探讨如何在产业发展之初便设立国际间的氢能技术标准、认证体系及市场准入规则，以推动全球氢能产业的跨国发展和技术协同。