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2020年，中國正式向世界宣布了“3060”雙碳目標，即二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。
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對于這一目標的實現，作為一種清潔、高效、靈活且應用場景廣泛的能源載體，氫能被寄予厚望。在政策和市場的雙重驅動下，越來越多的企業開始布局氫能產業鏈，這其中包括跨國公司、投資公司、國有與民營大型企業和眾多的創業型中小型企業。氫能行業有望成為新能源行業的新“風口”，迎來大發展。
但是，就像一枚硬幣有正反兩面一樣，中國氫能產業也面臨著核心技術短缺、成本高昂、基礎設施薄弱等諸多亟需解決的難題。相信在氫能產業鏈的共同努力下，隨著這些難題的各個擊破、逐步解決，氫能必將在中國的工業生產、發電、儲能、供熱、交通等領域逐步得到廣泛應用，在雙碳目標的實現過程中發揮其更大的作用。
未來十年內，科爾尼建議氫能產業鏈重點關注綠氫制合成氨、綠氫制甲醇、商用燃料電池車、直接還原鐵煉鋼和高等級供熱等5大細分領域。當然了，其它領域也有望在中長期迎來爆發式增長。
01、被寄予厚望的氫能
當前，中國的能源體系主要以化石能源為主，碳減排壓力非常大。中國是世界上最大的碳排放國，二氧化碳排放量約占全球總量的三分之一。中國的碳減排步伐是世界努力將全球升溫幅度控制在1.5℃的一個重要因素。
于是，2020年9月22日，作為有擔當的、負責任的大國，中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”
可以說，此次中國政府對深度脫碳的承諾，為構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系提供了第一驅動力和根本遵循。在雙碳目標的背景下，如何選用更清潔的能源成為中國面臨的現實問題。這其中，氫能具有零碳、高效、可儲能、安全可控等顯著優勢，是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。
由此，一場以氫能為支點，瞄準碳達峰、碳中和的攻堅戰已經悄然打響。不可否認的是，未來氫能將越發成為能源領域的主戰場。
1. 人類的終極能源
作為在元素周期表中排位第一的氫，是最輕的氣體，也是宇宙中最多的物質。在宇宙的普通物質中，大約75%為氫。氫的發熱值極高，是一種僅次于核能的能量來源。最關鍵的是，氫燃燒之后的惟一產物是水，沒有任何污染。因此，氫能被譽為"人類的終極能源"。
如今，氫能正逐步成為中國乃至全球能源轉型發展的重要載體之一，是實現雙碳目標的重要抓手，被寄予厚望。由此，中國對氫能的各類支持政策逐步出臺。國家層面的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》已經發布，涉及戰略定位、科技創新、基礎設施建設、政策保障等諸多方面。而很多省市都出臺了氫能相關的政策或規劃。
在政策和市場的雙重驅動下，包括跨國公司、投資公司、國有與民營大型企業和眾多的創業型中小型企業在內的越來越多的企業開始布局氫能產業鏈。全產業鏈規模以上工業企業超過300家，集中分布在長三角、粵港澳大灣區、京津冀等區域。
從目前的政策推動和企業、資本入局的速度和強度來看，氫能源產業即將迎來爆發式的發展勢頭。
2. 不同“顏色”的氫
雖說氫是宇宙中含量最多的物質，然而，氫卻很少單獨存在，一般情況下只與其它化學元素結合而存在，如與氧氣結合的水，與碳結合的有機化合物，如天然氣。所以，要獲得氫氣就需要通過物理或化學的方法。
雖說氫氣的最終成分一樣，但是根據生產來源和碳排放量的不同，氫氣可以分為灰氫、藍氫、綠氫和紫氫四種類型。
灰氫是指通過化石能源、工業副產等生產的氫氣，伴有大量的二氧化碳排放。灰氫是當前的主流氫氣，約占全球氫氣產量的95%。灰氫中約70%來自于化石燃料燃燒，約30%是工業加工的副產品。灰氫主要應用于內部需求，即直接用于氫氣生產站點。
藍氫是在灰氫的基礎上，將二氧化碳副產品捕獲、利用和封存（CCUS）而制取的氫氣，是灰氫過渡到綠氫的重要階段。雖然藍氫能夠減少約90%的碳排放，但是二氧化碳的封存需要相對罕見的地質條件，這就限制了藍氫的發展。
綠氫是利用可再生能源（如太陽能或風能等）發電后，通過電解工序制取的氫氣。綠氫的制取技術路線主要為電解水，其碳排放可以達到凈零。
紫氫，又叫紅氫，是以來源豐富的水為原料，利用核能大規模生產的氫氣。熱化學循環工藝和高溫蒸汽電解都是有望與核能耦合的先進制氫工藝。
這其中，綠氫是唯一具有全鏈路零碳排放的核心優勢的氫氣。可再生能源制氫未來將是提高可再生能源應用比例，構建清潔低碳、安全高效能源體系的最有效途徑之一，有望成為最主要的制氫方式，市場前景廣闊。
目前，中國能源行業積極投資可再生能源制氫，例如四川水電制氫、新疆光伏制氫、內蒙風電制氫等，為規模化生產清潔低碳氫能奠定了良好產業基礎。綠氫產量的增加，將幫助作為氫能的頭部消費國與生產國的中國在氫能市場乃至雙碳領域中扮演更為重要的角色。
3. 多樣的應用場景
作為一項深度脫碳技術，氫能化是電氣化的最佳替代方案。在那些無法電氣化、難以減排，或對電池有較高限制、電氣化成本收益不高的應用場景中，氫能是最佳的能源脫碳解決方案。
從具體的下游應用來看，氫能的應用場景具有很強的多樣性，主要在工業、化學品原料、建筑、鋼鐵生產、道路交通和區域軌道交通等行業。這其中，工業和交通運輸等領域的氫能應用具有良好的示范作用。從短期來看，合成氨、甲醇和煉鋼脫碳以及商用燃料電池車將具備較為理想的商業化前景。
4. 廣闊的市場空間
氫能將在減少溫室氣體排放中發揮關鍵性作用，擁有廣闊的市場空間。這一點毋庸置疑。
雖然現在很多機構都對氫能未來的市場空間作出了預測，預測的數據不一，但是，它們的預測都有一個共同的特征——從長期看來，未來中國氫能產業的發展空間巨大。
僅就氫氣的產量而言，科爾尼認為，中國氫能市場規模預計將從2020年的3300萬噸增加到2060年的1.3億噸。其中，綠氫的產量將快速攀升。科爾尼預計，中國綠氫產量將從2020年的不到100噸，上升至2060年的超一億噸，電解水制氫占比將逐步取代化石能源制氫和工業副產氫，成為中國占比最大的氫氣來源。
02、萬億氫能產業鏈
根據產業鏈劃分，氫能可以分為上游的氫氣制備、中游的氫氣儲運和下游的氫氣應用等眾多環節，產業鏈條比較長、難點多。
從目前來看，科爾尼認為，中國氫能產業鏈已趨于完善。目前，中國已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統集成等主要技術和生產工藝，在部分區域實現燃料電池汽車小規模示范應用（如圖1）。
1. 氫氣制備
從技術路線來說，目前主要的制氫工藝包括電解水制氫、熱化學循環分解水制氫、光化學制氫、礦物燃料制氫、生物質制氫和各種化工過程副產品氫氣的回收。
中國要構建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫。
電解槽是綠氫制備的關鍵設備，其技術路線、性能、成本是影響綠氫市場走勢的重要因素。目前，堿式（AE）電解槽與質子交換膜（PEM）電解槽較為成熟，已經商業化。而有很大發展潛力的陰離子交換膜（AEM）電解槽與固體氧化物（SOEC）電解槽仍處于實驗室階段，技術不夠成熟（如圖2）。
具體來看，堿式（AE）電解槽和質子交換膜（PEM）電解槽是目前全球和中國范圍內具備商業化能力的唯二路徑，且各有千秋。而對于中國來說，堿式電解水制氫最具經濟性（如圖3）。
2. 氫氣儲運
在氫能全產業鏈中，氫能的高密度儲運是氫能發展的一個重要環節，同時也是中國氫能發展的瓶頸之一。
在儲氫方面，根據氫氣狀態不同，可以分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫等形式。
目前，高壓氣態儲氫的技術相對成熟，在成本方面具備優勢，是中國現階段主要的氫氣儲運方式。科爾尼認為，高壓氣態儲運在中短期內仍將是儲氫的主流方案，而未來低溫液態氫儲運有望逐步商業化。
有機液態儲氫以及固態儲氫的技術尚在積極開發中，能否成為主流形式，還有待市場驗證（如圖4）。
在氫氣運輸方面，同樣根據氫氣狀態不同，可以分為氣態氫氣輸送、液態氫氣輸送和固態氫氣輸送三種類型，主要的運輸方式有長管拖車、液氫罐車、管道運輸。長管拖車是中國氫氣運輸的主要方式，所需的運輸成本與基礎設施投入相對較低，但運輸規模與運輸半徑較為有限；液氫罐車將在液態儲氫技術發展的基礎之上逐漸成熟；氫氣管道運輸將是中長期氫氣運輸的重要組成部分（如圖5）。
在加氫方面，國內加氫站的主要類型有固定加氫站、撬裝式加氫站和臨時加氫站。
因地制宜地選取合適的加氫站類型為初期建設中的重中之重。從目前來看，固定加氫站的加氫速度快，在氫能大幅鋪開后將是主流的加氫站建設模式。鑒于加氫站占地要求較高、審批較嚴等因素，油氫混建模式正在被中石化等加油站業主所采用。這將大幅節省占地面積并充分利用現有固定資產（如圖6）。
3. 廣泛的應用場景
氫能的應用領域和場景具有很強的多樣性，除了用作燃料，還可作為原料應用于多個領域進行深度脫碳，主要包括工業原料、工業供熱、交通運輸、住宅取暖、發電等。其中，氫能是實現交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇（如圖7）。
工業原料
氫是重要的工業原料。氫在傳統的化工行業中主要用于煉油，生產氨以及乙醇。合成氨與甲醇是目前中國氫氣消納的重要方式（如圖8）。
這些氫可以通過采用碳捕獲、利用及封存技術（CCUS），或是以綠氫代替灰氫，進而幫助工業實現深度脫碳。科爾尼預計，利用綠氫開展合成氨行業深度脫碳將在2030年左右實現。
具體的脫碳路徑主要根據使用場景進行進一步選擇。例如，在鋼鐵生產環節，氫能化是唯一可以實現脫碳的方法。氫氣主要用作還原氣，以便將金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若干種金屬氧化物以制取純金屬外，在高溫鍛壓一些金屬器材時，經常用氫氣作為保護氣，以使金屬不被氧化。而利用氫氣煉鋼，則省去了煉焦等高污染煉鐵環節，能助推鋼鐵行業有效脫碳，其效用高于煤炭CCUS，是未來5年行業的機遇所在。目前，已有部分企業發布了明確的碳減排拆解指標，直接還原鐵工藝升級是其關注重點。
工業供熱
生產高品質熱能是氫氣的另一個潛在用途，且具有一定的競爭力。但其主要的應用場景仍停留在生物質能以及碳捕獲、利用及封存技術不可用時，且依賴成熟的碳交易市場的撬動。
住宅供暖
作為燃氣供暖、烹飪的低碳替代品，小于 20% 的氫能摻入率，可以為部分沒有燃氣設備的家庭提供低碳替代品。待氫能源網絡完全鋪開后，其將作為住宅供暖的主要燃料。燃料電池的熱電聯產可以作為其相關替代方案。
交通運輸
在交通運輸中使用氫能可以進一步降低碳排放，推動各地的脫碳戰略。其中，長途公路運輸、鐵路、航空及航運將氫能源視為脫碳的重要燃料之一。科爾尼認為，燃料電池車能量密度高，加注燃料便捷、續航里程較高，更加適用于長途、大型、商用車領域，未來市場前景廣闊，有望與純電動汽車形成互補并存的格局。
發電
作為電力儲運中的重要一環，氫能在發電端發揮作用。考慮到許多可再生能源的不穩定性，氫能源在電力脫碳轉型中將起到重要的作用。當然，發電廠首先需要將現有的燃氣發電機更換成氫渦輪機。但是，短期內利用氫氣發電的經濟性較差，技術需要持續探索。
綜上，科爾尼建議，未來十年內重點關注綠氫制合成氨、綠氫制甲醇、商用燃料電池車、直接還原鐵煉鋼和高等級供熱等 5 大細分領域，其它領域也有望在中長期迎來爆發式增長。
03、氫能發展的四只“攔路虎”
無論是可再生能源發電企業的跨界入局，還是新能源車企的布局，抑或是其它關聯企業的參與，對于氫能產業的進一步發展壯大都大有脾益。但是，就目前而言，中國氫能產業仍處于發展初期，相較于國際先進水平，仍存在產業創新能力不強、技術裝備水平不高、支撐產業發展的基礎性制度滯后，產業發展形態和發展路徑尚需進一步探索等問題和挑戰。
面對新形勢、新機遇、新挑戰，需要包括氫能供應鏈、技術、商業模式在內的整個生態系統聯動發展，加強頂層設計和統籌謀劃，進一步提升氫能產業創新能力，不斷拓展市場應用新空間，引導氫能產業健康有序發展。
1. 成本高昂
高成本是目前中國氫能產業推廣的主要攔路虎。從目前來看，氫能產業鏈的制氫成本、建站成本等都很高昂，限制了氫能產業的大規模發展。
目前，制約包括氫能汽車大規模推廣應用的因素除了高購置成本之外，高使用成本也是不容忽視的問題，尤其是高昂的氫氣價格。中國氫氣成本在氫氣售價中的占比達70%。目前，電解水的制氫成本約為 3-5 元 /Nm3，仍顯著高于化石燃料制氫和工業副產氫。
好在近年來光伏等可再生能源的成本在不斷降低。
不僅如此，電解水制氫設備的成本也在不斷降低。對堿式電解槽來說，除降低可再生能源電費外，其它正在探索的降本舉措包括革新槽體組件材料、擴大電解槽尺寸、采用零極距設計、擴大綠氫下游應用等。而對 PEM 來說，貴金屬催化劑、膜電極、氣體擴散層、雙極板等組成部分擁有降本空間，但是革新難度普遍較大。
在理想情況下，科爾尼預測，堿式和 PEM 的成本都將在2035 年左右低于灰氫，屆時堿式和 PEM 將在各自適用的領域和場景實現大規模的綠氫生產。在電解槽成本與可再生能源電價下降的共同助推下，電解水制氫成本有望在2035 年左右實現與灰氫平價。
此外，加氫站的建站成本高昂是氫能行業大規模鋪開的核心掣肘。近年來，中國加氫站數量逐年攀升。但是，加氫站核心部件主要依賴進口，使得加氫站的建設成本昂貴，建一個加氫站需要1500萬~2000萬人民幣。科爾尼預計，在國家及地方政策的強力推動下，中國加氫站數量有望在2050年突破萬座，加氫站累計投資額逾600億元，實現約16%的年復合增長率。
隨著氫能產業鏈各環節的逐步突破，無論是生產端、儲存端與運輸端，還是應用端的成本都有望大幅下降。
2. 核心技術及材料短缺
從技術上來說，氫能全產業鏈的技術復雜度不容小覷。雖然此輪氫能發展的一個突出特點就是技術突破，但與國際先進水平相比，目前中國關鍵技術仍有差距，現有技術經濟性還不能完全滿足實用需求，技術路線仍不夠成熟，許多技術難題有待解決，距離大規模市場化，還有很長一段路要走。這就需要采取多種措施賦能技術，從氫能制備、儲運、加注、燃料電池、氫儲能系統等主要環節創新突破，重點突破“卡脖子”技術，全面提升基礎研究、前沿技術和原始創新能力。經過數十年的技術研發，堿式電解槽本身的迭代更新進展偏慢且難度較大，未來生產工藝的優化及規模化生產將會是行業的核心關注點。
中國氫能產業某些核心材料嚴重依賴于進口。例如，固定氧化物與陰離子交換膜有很大的發展潛力，但是技術不夠成熟，只有少數公司和設備制造商參與其中。核心材料缺失制約著中國氫燃料電池行業的發展。
為了形成有效的氫能源體系，提高氫能的技術經濟性，針對技術、設備和材料的大規模投資必不可少（如圖9）。這其中，科爾尼認為，綠氫的生產、儲存以及供給，和燃料電池是未來十年的發展重點。
3. 激勵措施不足
激勵措施與發展框架的細節將決定氫能的成功道路。當前的氫能技術仍需要繼續進行研發投入與補貼。但是，目前中國促進氫能產業發展的政策方向過于狹窄，基本圍繞氫燃料電池汽車展開，對氫能技術創新的驅動作用有限。
在頂層戰略方面，中國目前尚未出臺大規模針對氫能的明確扶持補貼政策，但預計即將出臺，屆時將為氫能產業帶來進一步的推動影響。供給側的激勵政策基本上都是在省市層面，對氫能產業相關企業有補貼、優惠電價、稅收優惠等政策。需求側的政策目前主要集中在儲氫和氫能汽車領域，沒有實際的指標。
在碳交易市場下，持續的高碳價將加速氫能推廣。鑒于中國碳市場剛剛起步，近期影響有限，而中遠期則有望推動氫能的高效發展。
伴隨氫能的補貼與鼓勵政策逐漸被提上日程，從制氫到儲運氫再到應用氫，有望迎來大范圍的更新與成長。
4. 基礎設施局限
基礎設施和運輸方面的挑戰也是氫能全面商業化的主要障礙之一。其中，基礎設施建設將是氫能產業高效增長的核心基石。
氫能未來最大的應用領域應該是氫燃料電池，但加氫站數量較少也是導致氫能產業發展緩慢的一個不可忽視的問題。截至2021年底，中國累計建成超過190座加氫站，在營加氫站超過157座，超過日本，位居世界首位。但是，對于氫能產業的發展來說，這些加氫站的數量還是較少。這主要是因為，比起充電樁低廉的成本，加氫站則是動輒過千萬元的巨大投入，這也是氫能源汽車乃至氫能產業發展受到制約的一個重要原因。不過，2021年隨著示范城市政策的落地，國內加氫站建設將提速，到2030年預計建成數量將超過1000座。
面對目前中國氫能發展所面臨的問題，只要堅持正確的戰略方向，扎實做好基礎研究，借鑒國外的優秀經驗，解決好產業存在的問題，建立起資源共享、優勢互補、利益共享、協同配合的合作機制，氫能在未來必將大有作為。
