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氫能是一種清潔高效的二次能源；發(fā)展氫能技術(shù)對于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，保障國家能源安全，改善大氣環(huán)境質(zhì)量，促進能源產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。作為能源，氫具有2個明顯的優(yōu)勢：
1、高能量密度——氫單位質(zhì)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(xiàn)靈活的時間轉(zhuǎn)移或地域轉(zhuǎn)移，來源多樣，零終端排，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
隨著全球氣候壓力的增加和能源轉(zhuǎn)型的加速，氫能將對各國實現(xiàn)碳中和目標發(fā)揮重大的積極作用。中國、美國、日本、韓國、歐盟等世界主要發(fā)達國家和地區(qū)高度重視氫能發(fā)展，許多國家和地區(qū)將氫能提升到能源戰(zhàn)略的高度。為響應(yīng)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(fā)展氫能作為推動全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化的可行技術(shù)。根據(jù)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(jīng)濟的市場規(guī)模將達到2.5萬億美元。
美國是世界上第一個提出氫能發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展30多年。從政策評估、商業(yè)化前景到方案制定、技術(shù)研發(fā)、示范推廣，始終保持著自己的發(fā)展思路。隨著全球氣候變化壓力的加大，美國氫能戰(zhàn)略在碳中和目標下發(fā)生了新的轉(zhuǎn)變。本文將對美國氫能發(fā)展戰(zhàn)略的目標、內(nèi)涵和特點以及新時代美國氫能戰(zhàn)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(fā)展戰(zhàn)略歷史分析
美國是世界上最早提出氫能研究和應(yīng)用的國家。自1990年以來，美國政府頒布了多項促進氫能發(fā)展的政策和行動計劃。綜上所述，美國政府氫能政策的發(fā)展分為4個階段（表1）。
表1美國氫能戰(zhàn)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(yīng)方向之一，并進行了31年的氫能技術(shù)研發(fā)示范，形成了“制氫-氫運輸-儲氫-用氫”的全技術(shù)鏈能力。為氫能的規(guī)?；l(fā)展奠定了可靠的科學(xué)基礎(chǔ)；這也表明，經(jīng)過多年的探索，美國對氫能未來的應(yīng)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(xié)會（FCHEA）在其《美國氫能經(jīng)濟路線圖執(zhí)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(fā)支出約1億-2.8億美元，尤其是2017年以來，每年投入研發(fā)支出約1.5億美元；美國能源部計劃在2020-2022年實現(xiàn)氫能在小型乘用車、叉車、分布式電源、家庭等領(lǐng)域的熱電聯(lián)產(chǎn)、碳捕捉等領(lǐng)域應(yīng)用；到2030年，預(yù)計美國氫經(jīng)濟每年將產(chǎn)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(yù)計每年將創(chuàng)造約7500億美元的收入和340萬個就業(yè)崗位，以促進經(jīng)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(shù)全鏈條產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，建立新的經(jīng)濟增長點，回饋社會將是美國政府未來推動氫能發(fā)展的重點任務(wù)。
二、新時代美國氫能戰(zhàn)略發(fā)展的主要特點
隨著全球氣候變化極端事件頻發(fā)，美國政府將在美國氫能技術(shù)研發(fā)體系日趨完善的前提下，重點關(guān)注氫能在實現(xiàn)當?shù)靥贾泻湍繕朔矫鎽?yīng)發(fā)揮的作用。越來越完美，結(jié)果也越來越明顯。 2021年 2月，美國政府宣布重返《巴黎協(xié)定》談判，促使美國重新定位氫能在能源結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，發(fā)布了最新版《氫能計劃發(fā)展計劃》，提出了氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架。未來10年及更長的時間，并制定了美國到2030年發(fā)展氫能的技術(shù)經(jīng)濟指標，主要內(nèi)容包括以下3個方面。
1、制定氫能全鏈條關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟指標，希望通過技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)穩(wěn)定性和效率，降低成本，實現(xiàn)一批氫能技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用否則產(chǎn)品將被加速（表2）。從表2給出的明確技術(shù)經(jīng)濟指標來看，美國有望率先在氫能源鏈的部分技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化發(fā)展。
表2 美國《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》提出未來10年（2020-2030年）要實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標
2、美國加大了對氫能其他技術(shù)的設(shè)計和研究，希望進一步為美國氫能經(jīng)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(shù)的研究，開發(fā)多種氫源；通過發(fā)展先進的氫能分配技術(shù)、儲氫介質(zhì)和儲氫設(shè)施，滿足各種規(guī)模的儲氫需求；通過進一步開發(fā)高性能燃料電池和合成燃料產(chǎn)品等，拓展氫能應(yīng)用領(lǐng)域。
表3 美國提出的其他氫能技術(shù)
3、開展氫能標準研究與制定。為配合氫能技術(shù)、裝備、材料和制造工藝的產(chǎn)業(yè)化，美國計劃在標準化制造工藝、質(zhì)量控制和優(yōu)化制造設(shè)計等方面開展研究。應(yīng)用安全性、規(guī)模化、統(tǒng)一性和質(zhì)量流程來提供最佳實踐經(jīng)驗和實踐。
為落實上述《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，美國能源部于2021年6月7日啟動了第一個“氫能公關(guān)”(Hydrogen Shot)項目，降低可再生能源、核能的價格能源和熱能轉(zhuǎn)化生產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施方面，征集可以開展氫能示范項目的理想?yún)^(qū)域。此類區(qū)域應(yīng)具備可用于清潔制氫和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(lǐng)域的現(xiàn)有和潛在用戶和案例，如工業(yè)、交通、化工制造、電網(wǎng)安全等領(lǐng)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(chǔ)科學(xué)、基礎(chǔ)或應(yīng)用研究，以及創(chuàng)新的需要，以及所需的系統(tǒng)集成或原型設(shè)施?！皻淠芄リP(guān)”計劃使美國從生產(chǎn)氫的化石能源（灰氫、藍氫）轉(zhuǎn)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(jù)美國總統(tǒng)拜登提出的氣候變化目標，美國加快了氫能技術(shù)的研究和商業(yè)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(jù)美國最新的氫能戰(zhàn)略目標，到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造1400億美元的收入和70萬個就業(yè)崗位；到2050年可以貢獻16%的美國整個工業(yè)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(tài)。
2、美國在發(fā)展氫能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面有多重目標，同時更加重視清潔制氫技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
經(jīng)過30年氫能技術(shù)全技術(shù)鏈的研發(fā)，美國從最初（20世紀90年代）氫能作為儲能技術(shù)，調(diào)整優(yōu)化美國能源結(jié)構(gòu)，著眼于發(fā)展氫燃料電池產(chǎn)業(yè)。并發(fā)展氫經(jīng)濟，響應(yīng)碳中和目標，提振經(jīng)濟，加快“制氫-運氫-儲氫-用氫”全鏈條技術(shù)商業(yè)化，爭取全球氫技術(shù)領(lǐng)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(shù)的研發(fā)。上述舉措不僅推動了美國全面轉(zhuǎn)型建立清潔能源結(jié)構(gòu)體系，而且使其在全球氫能源鏈技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展體系中占據(jù)主導(dǎo)地位。
3、重視“制氫-氫運輸-儲氫-氫利用”全鏈條技術(shù)研發(fā)和規(guī)?；痉?，研究氫能關(guān)鍵核心技術(shù)，打通美國氫能關(guān)鍵環(huán)節(jié)能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，為美國氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的獨立自主奠定堅實的科技基礎(chǔ)。
(1) 在制氫方面，設(shè)計開發(fā)了電解槽制氫技術(shù)、化石能源重整、氣化和熱解制氫技術(shù)、核能制氫技術(shù)、生物質(zhì)和廢氫制氫技術(shù)、混合制氫技術(shù)、可再生能源能源制氫技術(shù)等。例如，2020年美國能源部已經(jīng)啟動了兆瓦和吉瓦級電解槽設(shè)備的開發(fā)。
（2）在氫運輸方面，發(fā)展了氫配送和運輸系統(tǒng)，包括液化和化學(xué)儲氫技術(shù)，并建設(shè)了氫運輸基礎(chǔ)設(shè)施。
（3）在儲氫方面，發(fā)展儲氫系統(tǒng)、儲氫設(shè)施、儲氫介質(zhì)等，包括研究和提供應(yīng)急供應(yīng)和地質(zhì)儲氫方案。
（4）在氫的利用方面，以氫為原料進行轉(zhuǎn)化的技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展、高濃度氫渦輪系統(tǒng)等。
4、將經(jīng)濟指標和技術(shù)指標結(jié)合作為技術(shù)創(chuàng)新的評價指標，實質(zhì)上是加快本地氫能的商業(yè)化應(yīng)用，獲得美國在全球氫能技術(shù)和市場上的先發(fā)優(yōu)勢。
從1990年美國制定氫能政策開始，美國政府通過深入調(diào)研和論證，確定了氫能技術(shù)研發(fā)的全鏈條方向，研究氫能在工業(yè)、住宅、運輸?shù)确矫娴募夹g(shù)可行性，并把應(yīng)用重心放在氫能燃料電池在交通運輸領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)對氣候目標、推動氫能應(yīng)用、建立氫能經(jīng)濟體系氫能發(fā)展的緊迫性。
5、重視氫能相關(guān)新材料、新技術(shù)的研發(fā)，希望推動氫能關(guān)鍵裝備技術(shù)轉(zhuǎn)型升級。
美國在制定氫能發(fā)展規(guī)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(shù)環(huán)節(jié)部署多項新材料。研發(fā)項目主要包括燃料電池離子交換膜的開發(fā)、電解槽新型涂層材料的開發(fā)、各種催化劑材料的開發(fā)等。有望提高制氫技術(shù)的穩(wěn)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(fā)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(fā)展現(xiàn)狀
1、技術(shù)層面
我國在氫能基礎(chǔ)研究方面持續(xù)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(guān)項目的資助下，我國在氫能領(lǐng)域取得了一些引領(lǐng)世界的重要成果。
尤為突出的是中科院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團隊開發(fā)的人工光合太陽能燃料技術(shù)，提出利用太陽能等可再生能源生產(chǎn)“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(shù)路線。2020年1月，該技術(shù)示范項目成功試運行，預(yù)示著這一世界領(lǐng)先的研發(fā)技術(shù)或?qū)⒃谖覈贾泻瓦M程中發(fā)揮重要作用。
在太陽能微藻制氫領(lǐng)域，中國科學(xué)院植物研究所黃芳研究員團隊開發(fā)了太陽能光生物轉(zhuǎn)化制氫創(chuàng)新技術(shù)，用于生產(chǎn)“綠藻制氫”。該技術(shù)采用自主研發(fā)的微藻光合制氫領(lǐng)域產(chǎn)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(guī)?！熬G藻氫”種質(zhì)創(chuàng)造——氫氣收集與儲存——完整的技術(shù)氫燃料電池應(yīng)用系統(tǒng)，為進一步研發(fā)實現(xiàn)國家碳中和目標奠定了重要基礎(chǔ)。
2、政策層面
2019年，國家發(fā)改委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，鼓勵發(fā)展高效制氫/氫氣運輸和高密度儲氫技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，以及裝備制造、加氫站、和新能源汽車的關(guān)鍵零部件。2021年科技部下達“氫能技術(shù)重點專項”，支持氫能綠色生產(chǎn)與規(guī)模轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、氫能安全儲存與快速輸配電系統(tǒng)的研發(fā)，以及氫能便捷升級和高效電力系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)。
2019年廣東、山西等10個省將發(fā)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(fā)布了地方氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或行動計劃。在產(chǎn)值規(guī)劃、加氫站建設(shè)、示范車輛推廣、企業(yè)扶持等方面進行了較為細致的規(guī)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(chǎn)業(yè)。
3、戰(zhàn)略層面
我國氫能技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用存在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、關(guān)鍵核心技術(shù)未突破、總成本過高、技術(shù)專利壁壘嚴重等問題。迫切需要打破相關(guān)技術(shù)壁壘，提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)進步問題，以增強我國氫能及相關(guān)應(yīng)用鏈的國際戰(zhàn)略優(yōu)勢。與美國藍氫、綠氫等氫能技術(shù)路線相比，我國急需研究判斷藍氫與綠氫技術(shù)路線的關(guān)系，以及氫電作為終端能源的互補性。
4、技術(shù)難點
與美國的藍氫、綠氫等氫能技術(shù)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(guī)模意義上的“光伏+電解”制氫全鏈條能量轉(zhuǎn)換效率僅為15%左右，相應(yīng)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(shù)問題，儲氫方法可分為物理儲氫（包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液氫技術(shù)、吸附儲氫等）和化學(xué)儲氫（利用儲氫介質(zhì)與氫氣反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物，再通過改變條件實現(xiàn)放氫的技術(shù)，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(nèi)物理儲氫技術(shù)發(fā)展相對落后。以高壓氣態(tài)儲氫為例，儲罐關(guān)鍵材料仍依賴進口，儲氫能力較低。與物理儲氫相比，化學(xué)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(shù)。但大部分化學(xué)儲氫技術(shù)仍處于研發(fā)階段，成本較高。
5、對我國氫能發(fā)展的思考和建議
綜上所述，與美國的氫能戰(zhàn)略相比，我國氫能發(fā)展存在研發(fā)創(chuàng)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(chǎn)權(quán)保護不足等問題。建議國際國內(nèi)需求從供給方面系統(tǒng)研究我國氫能發(fā)展規(guī)劃，多角度提升我國氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，防止氫能成為下一個“卡脖子”技術(shù)。在3個方面提出具體建議。
1、加強頂層設(shè)計，集中國家優(yōu)勢力量，開展氫能關(guān)鍵技術(shù)、新技術(shù)路線和應(yīng)用的創(chuàng)新研究，從核心技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。如何高效、清潔的制氫對氫能的發(fā)展具有重要意義。因此，研究和獲得高效、低成本、規(guī)模化的制氫方法是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。從國際經(jīng)驗來看，建議加大綠色氫的研發(fā)力度，尤其是可再生能源制氫技術(shù)及相關(guān)制氫、儲氫和輸氫材料的研發(fā)。加強氫能儲存與氫能應(yīng)用技術(shù)、氫能應(yīng)用成套設(shè)備研究，從技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈等多維度開展氫能應(yīng)用技術(shù)研究，特別是關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)上的攻關(guān)，開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。
2、開展氫能源技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈專利壁壘和競爭體系研究，提出知識產(chǎn)權(quán)保護戰(zhàn)略，提升國際競爭力。
解決氫能市場發(fā)展中的技術(shù)專利壁壘和知識產(chǎn)權(quán)問題，需要密切關(guān)注國內(nèi)外氫能技術(shù)專利的發(fā)展，對國內(nèi)外氫能技術(shù)專利進行深入研究和分析；建立有效促進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的氫能技術(shù)專利發(fā)展路徑，為氫能技術(shù)專利壁壘研究和相關(guān)政策方案出臺提供參考建議，真正提升氫能產(chǎn)業(yè)在中國的國際競爭力。由于氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)復(fù)雜多樣，產(chǎn)業(yè)交織融合，專利保護缺乏針對性指導(dǎo)，需要從全球視野全面考察氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)鏈和發(fā)展，探索氫能領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)分布、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)動態(tài)、最新技術(shù)發(fā)展趨勢，識別潛在應(yīng)用技術(shù)和專利空白技術(shù)。
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(guān)系，積極參與國際規(guī)則和國際標準的制定，為我國氫能技術(shù)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(shù)鏈的產(chǎn)學(xué)研利用方面開展合作，不僅可以建立氫能聯(lián)盟，還可以摸清并開發(fā)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(guān)國際組織，申請成立氫能標準下屬部門或工作組，開展相關(guān)國際規(guī)則和標準的制定工作，努力爭取國際話語權(quán)，為氫能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品進入國際市場掃清障礙。
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