1 引言
随着现代化工业进程的加快,化石燃料消耗增加,全球变暖、极端气候多发等自然灾害屡见不鲜,发展可再生清洁能源成为必然趋势。巴黎协定（The Paris Agreement）于2016年获得批准后,全球195个签署国共同建立具有中期（2030年）和长期（2050年）目标的国家自定贡献（INDC）来应对气候变化并限制全球升温[1]。世界能源理事会于2019年发布《氢能全球宪章》,旨在通过提升绿色氢能源的开发、消费和投资实现全球多样化燃料组合的脱碳经济[2]。氢能源作为一种能够快速可再生和零排放的替代燃料,常被称作21世纪的“终极能源”,可广泛应用于工业、交通运输、建筑、电力等行业,氢能的开发与利用已经成为世界新一轮能源变革的主要方向之一,是未来世界各国能源技术变革的战略制高点。
基于促进我国经济社会全面绿色转型的角度,国务院于2021年对于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系提出了指导性意见,主要目标是到2025年实现运输、产业、能源结构的明显优化,基础设施绿色水平不断提高,引导形成绿色生活生产方式,实现碳达峰后稳中有降[3]。2019年,氢能首次出现在政府工作报告中,报告要求“推动充电、加氢等基础设施建设”[4]。2020年5月22日,国家发改委受国务院委托,提请第十三届全国人大三次会议审查的《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》中明确指定国家氢能产业发展战略规划,氢能首次被记入年度国民经济和社会发展计划[5],国内氢能产业发展迎来良机。2021年,中国氢能联盟发布了《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》。该报告指出,2030年,在碳达峰情境下,我国氢气的年需求量将达到3 715万吨,占终端能源体系5%,可再生氢产量将达到约500万吨。预计到2060年碳中和情境下,氢能在我国终端能源体系占比将达到20%,需求量接近1.3亿吨[6]。
迄今为止,经济总量占全球70%的18个政府已然部署了氢能源解决方案的战略决策[7]。世界氢能委员会在2021年发布的《氢能观察2021》中指出,自2020年以来,世界氢能委员会的成员从60增加到现如今的100多位。2021年初,已有30多个国家发布氢能路线图,业内公布200多个氢能项目与投资计划,世界各国政府承诺提供700多亿美元的公共资金[8]。预计到2050年,氢能产业技术将每年为全球减少60亿吨的二氧化碳排放量,创造约3 000万个工作岗位,全世界约有20%~25%的氢能汽车,承担全球18%的能源需求[9]。在氢能产业蓬勃发展的今天,以日本、美国、欧盟、中国为主导的政府积极将氢能发展提升到国家战略层面,根据各国不同的社会、经济、科技等优势制定不同的政策。本文主要梳理全球氢能产业发展战略的异同,分析世界氢能强国产业技术发展路线,针对我国氢能产业提出相应意见。
2 世界主要国家氢能产业发展战略
如今,全球主要国家高度重视氢能源的发展,日本、美国、欧洲等发达国家已将氢能源的发展上升到了国家能源战略高度。基于不同国家的基础设施完善程度、资源差异以及技术发展程度,全球各地区的氢能战略布局、技术路线也有所不同（表1）。
表1 世界主要发达国家和中国氢能源战略布局与技术路线
| 国家/地区 | 技术路线 | 研发主体 | 资金投入 | 2030目标 | 2050目标 |
|---|---|---|---|---|---|
| 日本 | 制氢：氨催化分解制氢、 光催化制氢 储运氢：建成70 Mpa的400 km运氢管道,并已实现远洋运氢[25] 氢能应用：重点应用于氢燃料的热电联产系统 | 政府： 日本经济产业省（METI） 企业： 松下电器 三洋电器 丰田汽车 | 2.33万亿美元[26] | 进口氢气300万吨[12,26]; 成本下降至 20日元/m3[16,25] | 每年为日本创造近2万亿美元的经济ww增长; 氢气供应量达到2000万吨[26] |
| 美国 | 制氢：微生物电解池制氢、膜反应器制氢 储运氢：车载储氢技术[6]、液化和化学氢载体[19]、建成70 Mpa的2600 km氢能运输管道[28] 氢能应用：重点关注氢能在交通运输领域的应用,以及氢能用于储能和电网服务[19] | 政府：能源部 企业： 美国ECD公司 美国空气化工有限公司 | 2018年以来投入3400万美元用于氢能相关中小企业创新研究与技术转让[17]; 投入超过6800万美元支持氢能源和燃料电池的研发工作[17]; 近十年超过16亿美元[14] | 每年氢能产业有望创造70万个就业机会[14]; 氢能产业创收1400亿美元[14] | 满足美国15%的能源需求[14] |
| 欧盟 | 制氢：太阳能制氢、光催化制氢、电解池制氢 储运氢：以液体有机氢载体储氢技术（LOHC）为主并广泛应用于市场,实现氢气在传统燃料基础设施中的运输,建成70 Mpa的1500 km运输管道[28] 氢能应用：重视研究氢能在交通运输行业的应用 | 政府：欧盟 企业： 壳牌公司 道达尔公司 | 6.65亿欧元[6] | 加氢站1500 座[6]; 氢能产业创造1300亿欧元的价值[20]; 燃料电池汽车1080辆[6] | 氢能产业创造8200亿欧元[20] |
| 中国 | 制氢：光催化制氢、水裂解制氢、水蒸气重整制氢 储运氢：合金材料储氢、35 Mpa的100 km运氢管道[28]、20 Mpa长管拖车运输[6] 氢能应用：重点在氢能燃料电池在交通运输行业的运用,固定式氢能应用较少 | 政府：能源局 企业：中国石化研究 机构： 浙江大学 中国科学院 | 1600亿元[6] | 氢气需求量达到3500万吨,占比终端能源体系5%[6] | 终端能源体系占比达到10%,需求量接近6000万吨,产业链年产值12万亿元[6] |
2017年底,日本政府正式发布《氢能基本战略》,该战略提出了日本未来低碳能源社会的愿景,并阐述了氢气在该愿景实现过程中的作用。在此战略中,日本政府计划到2030年,降低制氢成本至3美元/kg、发电成本至17日元/kW·h,形成商业化供氢能力30万吨/年,建设加氢站900座。计划到2050年,提高500万吨/年的氢能产量,达到1 000万吨/年,并以氢能发电代替天然气发电,将加气站替换为加氢站,将制氢成本下降至2美元/kg,发电成本降至12日元/ kW·h[10]。2019年,日本政府公布旨在活用氢能源的进度表,提出将2020年建设100个加氢站的目标增加至160个,计划在2025年前后削减加氢站费用至2亿日元,并宣布该财年的氢能融资约为5.6亿美元[11]。2020年12月,《2050年碳中和绿色增长战略》由日本经济产业省正式发布,该战略再次强调了氢能产业对于日本能源供应端清洁低碳化的重要性,支持规模约2.33万亿美元,并指出预计到2030年进口氢气300万吨、成本下降至20日元/m3,2050年氢气供应量达到2 000万吨[12]。截至2021年,日本共有150座加氢站,位于全球第一[13]。
表2 全球加氢站数量及区域分布情况（截至2021年9月30日）
| 国家/地区 | 加氢站数量/座 | |
|---|---|---|
| 欧盟 | 德国 | 100 |
| 法国 | 34 | |
| 欧盟其他国家 | 56 | |
| 日本 | 150 | |
| 中国 | 69 | |
| 美国 | 49 | |
美国是最早将氢能源作为能源战略的国家,近10年的支持规模超16亿美元[14]。H2USA计划于2013年启动,该计划旨在为美国加氢站融资方案、网络规划以及市场拓展制定战略计划方案,帮助美国在氢能源基础设施方面奠定世界领先地位[15]。此后,美国政府于2014年颁布《全面能源战略》 [16]。美国能源部自2018年以来投入3 400万美元用于氢能相关的中小企业创新研究与技术转让项目,主要涉及新型储氢罐技术研发、提升安全保障等,并投入超过6 800万美元支持氢能源和燃料电池的研发工作[17]。2019年11月美国燃料电池与氢能协会发布了《美国氢能经济路线图》,该路线图预计到2030年,美国每年氢能产业有望创造70万个就业机会及1 400亿美元收入,到2050年,氢能源能满足美国15%的能源需求[17]。美国能源部于2020年11月发布《氢能计划发展规划》[14],该计划确定了以“研究、开发和验证氢能转化技术（包括燃料电池和燃气轮机）,解决机构与市场壁垒,最终实现跨应用领域的广泛部署”为主要使命。
欧盟的氢能产业发展源于其根深蒂固的环保意识,欧盟先后于2013、2015、2016年分别启动Horizon2020以及Hydrogen Mobility Europe的H2ME1计划和H2ME2计划,其中H2ME1&2计划预计投资1.7亿欧元制造1 400辆氢燃料电池汽车,建设49座加氢站[16]。欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目（FCH JU）对欧盟氢能源产业提供了大量的资金支持,2014–2020年间支持金额为6.65亿欧元[6]。2019年2月,欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》,该路径图详细规划了欧盟2030、2050年的氢能发展路线图,计划到2030年氢能产业创造约1 300亿欧元的产值,到2050年达到8 200亿欧元[20]。2020年,欧盟委员会为保持欧洲工业的世界领先地位,并加快欧洲工业脱碳速度,最新发布了《欧洲工业战略》,布局策划成立清洁氢联盟,该联盟将优先于低碳工业联盟、原材料联盟以及工业云平台[21]。
2016年12月,《能源技术革命创新行动计划（2016–2030年）》由国家发改委与能源局联合发布,该行动计划将氢能与燃料电池技术创新、可再生能源制氢作为重点任务[22]。2017年5月交通运输部与科技部出台的《“十三五”交通领域科技创新专项规划》明确指出,到2050年,氢能将成为我国产业结构的重要组成部分,并提出加强加氢站建设和燃料电池汽车规模示范,推进氢气储运技术研发,从而形成较为完整的加氢基础设施配套技术及标准体系[23]。自2018年以来,国内氢能源技术高速发展、相关政策大力扶持、世界主要发达国家和中国对氢能产业高度重视等诸多因素掀起了中国氢能热现象。2019年,政府首次将氢能纳入政府工作报告,国内氢能产业迎来发展良机[4]。2020年,氢能被国家统计局首次纳入能源统计[24],氢能产业名义投资总额超过1 600亿人民币[6]。同年5月22日,在《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会计划草案的报告》中,氢能被首次写入国民经济和社会发展计划[5]。中国氢能联盟在2021年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》中预计,到2030年,中国氢气需求量将达到3 500万吨,占终端能源体系5%。到2050年氢能将在终端能源体系中占比至少10%,需求量接近6 000万吨[4]。
3 世界主要发达国家和中国氢能技术布局
氢气制备一直是氢能产业链的关键技术。目前,化石能源（灰氢）是绝大多数氢能源的主要来源,低碳电力驱动电解水制氢、天然气重整或煤气化结合碳捕集与封存技术制氢是两种主流的制氢技术方案,储运氢的技术则包括固体储氢材料储运、有机液态氢储运以及高压气态氢储运等技术[7]。但由于不同国家资源的差异性,制、储运氢的成本在各地区差异很大,因此世界主要发达国家和中国的制氢技术路线也不尽相同。本文以incopat数据库为专利数据来源、WOS核心数据库为论文数据来源,利用关键词和IPC专利分类号组合构建检索式(制氢：incopat：TI=(((hydrogen OR h2) AND product*) OR ((hydrogen OR h2) AND generat*) OR (prepar* AND (hydrogen OR h2))) AND IPC=C01B3、WOS：TS=((hydrogen OR h2) AND product*) OR ((hydrogen OR h2) AND generat*) OR (prepar* AND (hydrogen OR h2));储运氢：TI=(((hydrogen OR h2) AND transport*) OR ((hydrogen OR h2) AND storage)、WOS: TS=(((hydrogen OR h2) AND transport*) OR ((hydrogen OR h2) AND storage),从氢能的产、储、运全链路探究不同国家地区近10年技术研究变化趋势。本文检索时间为2021年9月18日,检索年限为2012–2021年,共计检索制氢技术相关专利12 822条、SCI论文121 145篇,储运氢技术相关专利11 330条、SCI论文49 038篇,具体分析结果如下。
3.1 世界主要发达国家和中国制氢产业链技术发展态势
图1
图2
从制氢产业的专利权人（图3）来看,申请人以公司企业为主,日本掌控氢能产业链上游的主要技术,该领域Top10专利权人中,日本公司占据60%,其中“松下电器产业株式会社”更是以747的专利数量遥遥领先。
图3
专利技术价值度是指从技术的维度评价专利的价值,主要对专利的技术领先程度等方面进行评估与分析,评估计分1~10,分数越高代表专利技术价值度越高。纵观世界主要发达国家和中国制氢技术专利价值度（图4）,美国位居榜首,价值度为10的专利最多,达到1 358件,日本和欧洲紧随其后,中国最低。中国制氢技术专利价值度主要分布在5~9之间,可以说明,我国的制氢技术相关专利论文产出数量虽然具有相对优势,但技术质量相对世界领先水平还有一定的距离。
图4
氢气可以从可再生能源与不可再生能源中产生,化石燃料可通过蒸气重整、部分氧化、自热氧化等方式生产氢气[33]。然而,这种利用化石燃料的制氢技术是不可持续的,因此探索一种环保、低碳的制氢方法是现今各国共同努力的目标。从全球技术分布（图5）来看,日本、美国与欧盟致力于探索“低成本、零排放”的绿色制氢技术,在C01B3/38（使用催化剂从含氢混合气中分离氢）、H01M8/06（燃料电池与制造反应剂或处理残物装置的结合）这两项技术方向上布局较多。而中国由于制氢工业基础良好、体系完善,选择以化石燃料制氢、煤气化以及烃类蒸气（包括液化石油气、天然气等）转化制氢为主要技术路线。与此同时,为了实现全球低碳排放的目标,也在努力提升绿色制氢技术。通过技术布局可发现,我国在C01B3/04（用固体碳质物料、无机化合物生产氢）和C01B3/32（用气态或液态有机化合物与气化剂,如水、二氧化碳、空气反应制氢）技术方向布局比例较重。
图5
3.2 世界主要发达国家和中国氢能储运技术发展态势
图6
图7
近年来我国专利申请数量虽然名列前茅,但专利申请数量世界领先的专利权人（图8）主要分布在日本。在储运氢TOP10的专利权人中,日本占据70%,三洋电气公司以761的专利数量位列第一。
图8
在储运氢专利技术价值度排行（图9）方面,美国专利价值度为10的专利数量最多,总计838件,日本排名第二,中国的专利价值度主要分布在5~9之间,价值评分为10的专利数量最少,仅220件。可以看出,尽管我国专利数量在全球名列前茅,但专利质量与世界发达国家还有一定的距离。目前,全球氢能储存运输方案主要有液氢（LH2）、氨（NH3）、液态有机氢载体（LOHC）等几种运输技术[7]。全球各地因为技术发展水平与基础设施建设水平不同,对于储运氢的技术路线规划也不尽相同。从全球储运氢技术构成（图10）可以看出,利用H01M4/38（合金材料）进行储运氢是全球的主要技术方向。相对于美国、中国和欧洲,日本则更多地探索储运氢技术的突破,如在C01B3/00、H01M4/24、C22C19/00这三个技术方向布局也较多。
图9
图10
3.3 世界主要发达国家和中国氢能多场景应用场景模式对比
氢能源的终端应用主要有交通运输与固定式利用（工业供热与供电、建筑物供热与供电、工业原料等）两种模式[7]。当今世界主要发达国家和中国都在积极寻求开发氢能源的多场景利用,但不同国家的行业发展侧重点有所不同。
氢能的交通运输应用主要体现在以氢能源为燃料驱动燃料电池汽车/火车、城市轻轨、船舶、飞机等交通运输工具。目前氢能源燃料电池汽车已经替代了传统汽油车成为主要交通工具。加氢站为燃料电池汽车提供氢气,是氢能源交通运输终端应用的重要基础设施。截至2021年9月23日,日本共有150座加氢站,稳居世界第一,中国拥有69座,位列世界第二。2020年,德国、中国、日本加氢站建设增速最快,分别新增14、18、28座[36]。除此之外,世界主要发达国家和中国正在加快燃料电池汽车的生产,2020年底,全球氢能燃料电池汽车达到33 398辆,韩国氢燃料汽车保有量为13 025辆、美国氢燃料汽车保有量为8 931辆、中国为7 355辆,分别排名世界第一、二、三。虽然我国燃料电池汽车数量位居世界第三,但相关技术仍处于初步发展阶段,关键零部件依赖进口问题依旧较为严重。日本由于近年来氢能源应用重心不在交通运输,因此该地区燃料电池汽车的产量及销量大幅萎缩,自2018年至2020年呈现逐年平稳下滑的趋势。2015年,世界第一列燃料电池火车由中车集团生产。次年,法国阿尔斯通公司生产的时速可达140千米每时的燃料电池火车问世[32,36]。2021年,由荷兰代尔夫特理工学院研制的全球首架液氢燃料电池飞机问世,极大地推动了氢能源在交通运输航空领域的应用。
对于氢能源的固定式利用,日美欧等发达国家则有更多的探索。日本是自然灾害多发国家,因此重点将氢能源技术应用布局在家用燃料电池、氢能发电等方向。自2009年便开始推广目前全球规模最大的商业化家用燃料电池连供系统[33]。除此之外,日本重视资源的可持续发展与再利用,特别强调氢能帮助废弃资源进行循环利用[35]。欧洲2012年推广并主导了Ene-field项目,该项目计划在11家欧洲Fc-CHP制造商中对所有可用的燃料电池CHP技术进行试验,该试验在欧洲供暖市场、住宅、气候检测等范围内进行应用,投资预算9 000万欧元,目标是到2021年部署2 800个单位,从而将燃料电池热电联产技术向大众推广[31]。
4 中国氢能产业未来发展战略思考
4.1 重视氢能源全产业链知识产权保护与创新
纵观全球氢能源产业链技术布局,我国虽在近10年内有一定的数量优势,但专利价值度评分一直略低于发达国家。国外专利权人往往是大型跨国企业,实力雄厚,具有绝对的行业领先地位和资金优势。其中,以松下、本田等为首的跨国企业具有很强的国际专利战略全局观和专利保护意识,在许多国家申请了相当数量的PCT专利。反观我国的专利权人,基本集中在大学和科研院所,技术应用能力弱,产品转化能力低,且缺乏专利保护与明确的国际专利战略布局意识。加强氢能源全产业链的知识产权保护及创新意识,需要激发全社会的创新能力,营造灵活的制度环境。与此同时,保障研发人员利益,完善奖励机制,并成立技术风险投资基金,以技术突破实现我国低碳目标带动市场需求。
4.2 构建氢能源多元化商业应用模式
我国氢能源的应用在交通、建筑等行业已有一定的发展,但受限于技术水平、资源环境以及供应能力等多方面因素,我国氢能的多元化商业利用与发达国家还存在一定的距离。为了缩短这一距离,我国应从根本上解决地区间明显的氢能源发展差异、产业基础不牢、技术储备落后等一系列问题。因此,明确氢能产业与传统行业（如：陆运、空运、建筑供暖、能源电池等）的协同互补关系,加快对先进技术的吸收与引进,加强国际交流合作,通过国家相关部门实施规划、颁布政策、建立标准等手段,引导全国及各地区的氢能源应用差异化布局。可参考日本的“Japan2Mobility”联盟,该联盟联合政府、研究机构、金融、实体产业等领域,共同应对日本氢能源的政策颁布、技术研发、多场景利用、实施推广等一系列问题,树立了氢能源协同推进的样板。
4.3 完善专项规划与政策体系
我国自2018年正式开启氢能热潮,氢能源产业逐步在国家范围内步入正轨。2019年首次将氢能源纳入政府工作报告,2020年被国家统计局首次纳入能源统计。与发达国家相比,我国关于氢能源的战略布局与政策体系搭建尚处于起步阶段,尚未出台详细的氢能产业发展路线图。因此,我国应结合国情,借鉴发达国家能源发展战略,出台氢能产业专项规划与产业发展意见,强化顶层战略设计。与此同时,为了完善基础设施建设、验收标准,应加快健全我国能源标准体系,建立氢能产业“安全、绿色、高效”的审批通道,构建良好的产业发展氛围。
科学新闻
研究实现肿瘤在体原位快速诊断与治疗一体化技术
如何战胜恶性肿瘤,是现代科技面临的重大挑战性课题之一。近日,暨南大学光子技术研究院教授关柏鸥团队和药学院教授张冬梅团队合作在肿瘤诊疗方面取得重要进展,实现了肿瘤在体原位快速诊断与治疗一体化技术。相关研究发表于《先进科学》。
据了解,关柏鸥团队和张冬梅团队进行跨学科合作,以光纤为载体构建肿瘤诊断与治疗技术。光纤只有头发丝般粗细,能够近乎无创地被引导到达体内病变部位。到达肿瘤病灶后,光纤不仅能够进行肿瘤原位检测,还能对肿瘤加热杀死癌细胞。
肿瘤检测是通过光纤荧光传感器实现的。研究人员研制了一种肿瘤微环境响应荧光探针,将荧光探针修饰在光纤前端,光纤到达病变位置后荧光探针能够对肿瘤做出快速响应,响应时间小于20秒。如果肿瘤是恶性的,荧光探针会发出荧光,荧光信号经由光纤传递出来。
肿瘤治疗利用了光热效应,光纤前端一小段光纤中掺有稀土离子,稀土离子吸收光纤中光能转化为热量。肿瘤细胞比正常细胞对热更敏感,在42.5~43℃下正常细胞不会受到损伤,而肿瘤细胞则会损伤坏死。光纤前端还内置了布拉格光栅温度传感器,能够实时监测靶区温度,从而控制热疗剂量。
据介绍,小鼠实验表明,该技术对人胰腺癌移植瘤、人肝癌原位移植瘤、人乳腺癌原位移植瘤都能够有效治疗,肿瘤抑制率达到100%。
该研究工作得到了国家自然科学基金、广东特支计划本土团队项目、暨南大学学科交叉专项等项目的资助。（来源：中国科学报 朱汉斌）
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