近年来，全球各地极端天气频发，为了实现到21世纪末控制全球升温在2 ℃以内的目标，世界各国正全方位努力推动能源体系向化石能源低碳化、无碳化发展。尤其是在当前全球地缘政治复杂和局部地区爆发冲突的背景下，将重塑全球传统化石能源与新能源的生产与消费版图，传统煤炭与油气能源消费占比可能有所回升，新能源时代将提速加快到来。各国将重新认识能源安全的极端重要性，能源生产与消费的被重视程度将提升到前所未有的高度并重新布局，新能源技术革命与产业化将备受重视并进一步提速发展。氢气能源（以下简称氢能）作为一种可再生的、清洁高效的二次能源，具有资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可作为储能介质及安全性好等诸多优点，是实现能源转型与碳中和的重要能源。氢能技术不断成熟，逐渐走向产业化，同时伴随着世界面对气候变化和自然灾害加剧的压力持续增大，氢能得到了世界各国的重点关注，已成为许多国家能源转型的战略选择。据国际能源署（IEA）《Global Hydrogen Review 2021》报告和中国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》的数据，全球年产氢气9 000×104 t左右，其中我国氢气的年产量为3 300×104 t（达到工业氢气质量标准的约1 200×104 t）。据H2Stations对全球加氢站的统计报告，2021年全球新增加氢站142座，累计达到685座，其中亚洲保有量居第一，共有363座且集中在中日韩三国；欧洲共有228座且集中在德国、法国、英国、瑞士和荷兰。全球已经有超过20个国家或联盟发布或制定了《国家氢能战略》，美国很早就看好氢能在未来能源系统中所具有的得天独厚的地位和优势，积极抢占氢能产业链的市场空间和各技术环节的制高点。欧盟早期通过清洁能源立法，支持氢能发展与燃料电池。日本政府早在2017年就提出了“要领先全球，实现氢能社会”的战略，并出台了《氢能源基本战略》。中国在2020年将氢能纳入“十四五”规划及2035愿景，助力我国“碳达峰、碳中和”战略目标（以下简称“双碳”目标）的实现。尤其是，我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源，已建成的可再生能源装机容量位居全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有很大的潜力。在今年北京成功举办的第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称北京冬奥会）上，我国秉承绿色办奥理念，将绿色氢气作为火炬燃料，让世界看到了中国兑现减排承诺的诚意与努力[1]。当前，我国已开启氢能产业顶层设计，地方政府与企业积极参与氢能布局，氢能技术链逐步齐全完善，氢能产业链也正在逐渐形成，“氢能中国”战略已悄然浮现。为了给氢能相关产业加快发展和能源公司加速转型提供理论支持，并为构建“氢能中国”提供依据和参考，阐述了氢产业链中制备、储运、应用等重点环节主要关键技术进展，分析了氢能工业化现状与发展趋势，探讨了氢工业发展所面临的挑战，展望了氢能产业的发展与未来，以期加速未来全球碳中和目标的实现。
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3 氢能应用
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4 挑战与展望在“双碳”目标的背景下，需要探讨氢气能源战略意义，分析氢能制备、储运和应用中的技术进展以及存在的挑战与机遇，积极推动“氢能中国”战略的实现。4.1 主要挑战目前全球氢能行业总体处于发展初期，在终端能源消费量中占比仍然很低。尽管目前开展氢能行业布局国家的合计经济总量已占据全球的75%，但受限于多方面的制约因素，氢能行业尚未形成全产业链与合力，未能全面推动生产生活进步，其原因主要如下：1）氢能关键材料及设备零部件要求苛刻、工艺复杂、成本高昂，并且不同国家、不同部门之间的技术差距明显。尤其对于我国来说，一些关键技术仍然被国外所垄断。如PEM制氢技术中的核心部件质子交换膜，目前美国杜邦公司的Nafion全氟磺酸膜在全球市场具有超过90%占有率，技术突破难度大。2）电解水制氢技术是实现绿氢大规模生产的最有希望的途径，但其成本过高，主要由电价导致，短期仍无法完全替代碳排放量较高的化石燃料制氢。目前电解水制氢在我国氢能源结构中占比不到2%，短期内仍需依靠煤制氢来保障氢能行业的供给。3）受限于我国可再生能源资源的分布状况，制氢端与用氢端往往存在着较大的时间和空间错位性，尚未形成完善的氢气存储和输运网络渠道。我国西北地区拥有丰富的风、光资源，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。4）较之于石化能源产业，氢能属于新兴能源，目前缺乏相应基础设施整体布局。例如城市加氢站、输氢管道、工业副产氢纯化系统等支撑设施严重不足。因此，目前氢能全产业链体系上下游难以形成有效联动，尚未健全。5）当前用氢端需求关注方向过于单一，主要集中在氢燃料电池及其交通载具方面，目前成熟度偏 低、规模不大。而氢能作为能源载体，在传统能源密集型产业及新型氢能应用场景中，需求尚未得到全面开发。6）氢能技术标准不完善，涉及氢品质、储运、加氢站和安全等内容的技术标准较少。例如在可再生能源制氢、液态储氢、工业用绿氢等新型氢能领域的技术工艺、装置设备及生产运营环节，急需一套健全的国际、国家或行业标准，以此来规范氢能行业市场健康发展。4.2 未来展望4.2.1 氢能产业链发展展望与当前构建天然气工业一样，我国正在构建制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等氢气能源工业体系（图3）[92]。针对氢能行业在技术、经济性及布局规划上的挑战，结合产业链各个环节，对氢能未来发展进行如下展望。
1）在制取氢方面，氢能作为二次能源，要实现真正意义上的零碳排放，它的发展不可避免地将依赖于太阳能、风能等可再生能源技术的突破。通过电力成本与设备成本的协同降低，方可体现绿氢的经济优势。较之于日本、韩国等国家，我国幅员辽阔，具有广阔的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域资源，可以提供丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源，在发展绿氢方面具有先天优势，可以加快实现“氢能中国”战略。2）在储运氢方面，氢的长距离储运将以天然气管道掺氢或新建纯氢管道输氢为主，中短距离要以如氨等多种储运技术结合，并因地制宜地发展。随着制氢端的技术突破，通过输氢网络交联，在氢能的下游如工业、交通和建筑等领域大规模普及，绿色“氢经济”的概念将转变为现实。3）在应用氢方面，随着行业聚焦与技术发展，期待很高的是氢燃料电池，带动交通领域应用的变革。在各类需要用氢的化工领域，如炼油、合成氨、甲醇生产以及炼钢行业，绿氢将逐步取代灰氢。在其他诸多传统能源密集型产业，氢能也将代替化石能源作为能量载体进行供能。在建筑领域，采用绿色氢能的分布式冷热电联供系统，也是节能减排的重要方式。同时，更多的氢能应用场景将得以逐渐开发。4.2.2 “氢能中国”战略的实施路径根据能源转型委员会（Energy Transitions Commission, ETC）预测，全球在2050年，仅工业及氢燃料电池领域将有3.6×108 t的氢能需求量[93]。目前氢能已成为欧盟、美国、日本、韩国等发达经济体能源转型的战略方向。全球氢能产业链正逐渐形成，对氢能的高效利用已然成为全球的共识。我国正在积极跟进氢能行业发展大势，加大氢能制备与应用领域技术与相关设备自主研发，加快实施“氢能中国”战略。1）加大可再生能源制氢领域技术攻关，积极推动试点示范，在玉门、新疆、青海、大庆、吉林等风、光资源丰富地区，推进清洁、低碳、低成本氢能制备产业体系建设，形成绿氢制备大规模发展，并持续开展电解海水制氢、光催化制氢、微生物制氢等技术研究，逐步提升“绿氢”在终端能源消费中的比重。具体做法包括：①加大可再生能源电解水制氢、光解水制氢等科学机理及氢脆失效、低温吸附、泄漏/扩散/燃爆等氢能安全基础规律研究，储备自主研发核心技术；②重点开展低成本、高效率、长寿命的质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢成套工艺、大功率碱水电解制氢等关键技术开发；③在我国西北地区风、光资源丰富地区打造“零碳”产业园，开展清洁、低碳、低成本氢能制备产业体系建设与试点示范；④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，解决可再生能源生产与消纳错位的问题。2）依托能源行业丰富的基础建设与储运经验，探索固态、深冷高压、有机液体等氢储运方式应用，统筹推进氢能基础设施建设，布局中长距离输氢管网建设，在重型卡车多的码头与运输高速路线上构建加氢站网络，加快构建安全、稳定、高效的全国氢能供应体系，逐步构建便捷和低成本的氢气运输网络。具体做法包括：①加大固态、深冷高压、有机液体等关键技术攻关，开展天然气管道掺氢、纯氢管道输送液氨等试点示范，利用管道或车载实现氢气安全高效输运；②统筹布局建设加氢站，有序推进加氢网络体系建设，利用现有加油加气站场地设施改扩建加氢站，探索站内制氢、储氢和加氢一体化加氢站新模式；③发挥氢燃料电池汽车加氢时间短、续航里程长、低碳无污染等优势，推动氢燃料电池汽车在重载及长途交通运输等领域先行示范。3）配合我国的东北、华北北部和西北地区（简称“三北”地区）绿氢规模发展与东部沿海“海氢上岸”布局，积极引导氢能在化工、炼钢、交通、储能、发电等高能耗高排放行业替代，加大氢能应用领域技术与相关设备自主研发，结合工业领域替代化石燃料应用，构建以绿氢为核心的“氢工业”全产业链体系。具体做法包括：①开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发与应用，探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用；②扩大氢能替代化石能源应用规模，积极引导合成氨、合成甲醇、炼化、煤制油气等行业，由高碳工艺向低碳工艺转变；③推动氢作为二次能源介质，在大规模储能及分布式发电、备用电源、移动式电源、家用热电联供系统等领域取得规模应用突破。
4.2.3 油气公司在“氢能中国”战略实施过程中的作用
谋划“氢能中国”战略对于实现“双碳”目标具有重大意义。油气公司将在“氢能中国”战略的实施过程中将发挥举足轻重的作用。1）各油气公司可利用油气田地区丰富的风、光等资源，大力发展可再生能源制氢，保供绿氢市场。结合电解水制氢技术的突破开发离网光伏制氢、压差发电制氢等应用场景，油气公司可大规模开展可再生能源制氢试点示范，支撑示范油气田清洁用能替代和绿色转型发展。东部海上油田丰富的潮汐能、波浪能、海上太阳能和风能等可再生能源，也将助力“海氢上岸”，拓展氢能全产业链布局。2）油气公司炼厂副产氢则可在绿氢市场成熟之前参与氢能供应。中国石油天然气股份有限公司（以下简称中国石油）华北石化分公司已建成500 Nm3/h副产氢提纯装置，每天满负荷生产可产出纯度接近100%的氢气4 750～5 500 kg，可以为近千辆氢燃料电池车提供服务[94]。3）油气公司在氢能基础设施建设，具备先天后发优势。通过研究我国天然气管道掺加氢气先例与基础，油气公司将继续建设天然气管道掺氢、纯氢管道等试点示范，利用管道实现氢气的安全高效输运。4）油气公司具备建设健全氢能供应体系的坚实基础。油气公司将利用加油气站网络优势，统筹布局已有加油气站的改造与新加氢站的建设，有序推进加氢网络体系建设。通过探索站内制氢、储氢和加氢一体化的加氢站等新模式，可进行“油、气、氢、电”四站合建。在此基础上，将加速形成多元互补融合的现代能源供应体系。我国主要油气公司正在积极全链条布局氢能主业。中国石油按照“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走总体部署，协同发展氢能产业链、风能、太阳能、地热能等可再生新能源。未来，中国石油还将在全国范围大力发展氢能工业，布局绿氢生产、储运、加注与利用等，走出一条“绿色低碳”高质量跨越式发展的“石油路径”。通过油气公司在氢能全产业链示范与区域规划及布局，实现“油、气、氢、热、电、储”的融合发展，助力“氢能中国”战略实现。