历史上氢能利用的热潮都与能源和环境问题有关。
氢,宇宙中丰度最大的元素,在地球上氢的单质通常以气态形式存在,拥有 工业原料和能源载体的双重身份。过去,氢更多地作为一种基本工业原料或产物 出现在化工行业中,或作为化石原料的重要成份被固化在煤炭、石油或天然气中。 在全球化石能源短缺和气候变化的双重压力下,氢因其可再生、零排放、高能量 密度的绿色属性,受到了越来越多的关注。 16 世纪瑞士化学家发现将铁溶解在硫酸中的过程会释放出一种神秘的气体, 这是人类有记录的首次人工获得氢单质;1766 年,亨利·卡文迪什通过相似的实 验收集到了氢气并将其点燃获得了水。1783 年,法国化学家拉瓦锡首先命名了 氢气,意为“成水元素”;1800 年,两位英国科学家尼克尔森和卡莱尔首次用电流 将水分解成了气体,据此发明了电解槽,揭示了氢与电这对绿色未来愿景隐秘但 密切的关系。
·事实上,氢气作为能源应用的历史远比我们所认为的长,早在 19 世纪末, 丹麦发明家拉·库尔为了解决如何储存风车产生电能的问题,将一个水磨坊风车 产生的电力通过电解水生产氢,并将氢直接作为储备燃料使用。这也可以视为人 类首次将氢作为可再生能源进行制备、存储和使用,尽管当时并没有相似的概念。 历史中,拉·库尔采用风车发出的电能制氢并通过 12 立方米的储罐进行存储,由 氢能供给的小镇用电,数年间没有出现过供电中断的情况,这也可以认为是氢首 次应用于电网储能。
历史上氢能利用的热潮都与能源和环境问题有关,19 世纪 70 年代的石油危 机,空气污染和酸雨等环境问题,使得利用煤炭和核能制氢在 20 世纪 70 年代倍 受关注,到 80 年代油价回落和大规模的抵制核能运动的爆发,对氢能的研究热 情就冷却了下来,到了 21 世纪初直至今天,随着气候变化的问题再次被提及, 社会对氢能的研究再次升温。
(一)美国是第一个将氢能作为国家战略的国家 1970 年,通用汽车公司技术中心首先提出“氢经济”概念。1990 年美国政府 就颁布了《氢能研究、发展及示范法案》,制定了氢能研发 5 年计划。2002 年 11 月,美国能源部发布《国家氢能发展路线图》,就美国氢能发展的目的、影响氢 能发展的各种因素,以及氢能各环节技术现状、面临的挑战及未来发展路径进行 了详细的设计和阐述。此后美国政府颁布了一系列法令、政策,使美国“氢经济” 概念逐步转化为现实。2022 年 9 月美国能源部发布《国家清洁氢能战略和路线 图(草案)》,指出到 2050 年清洁氢能将贡献约 10%的碳减排量,到 2030 年、 2040 年和 2050 年美国清洁氢需求将分别达到 1000 万吨/年、2000 万吨/年和 5000 万吨/年。
(二)欧盟作为最早探索氢能应用的地区之一在发展氢能上具备一定的优势 其氢能发展政策较为完善、科研体系成熟、投资力度大。2018 年欧盟提出 《2050 年长期战略》,在涉及氢能的“地平线欧洲”计划中,将拿出 35%资金投资 气候相关目标,开发具有成本效益的创新型解决方案,其中主要涉及氢和燃料电 池。2019 年《欧洲绿色协议》提出,到 2030 年工业部门的氢能应用中绿氢占比 超过 50%,对航运用燃料电池和加氢站建设提出了更具雄心的发展目标。2020 年 欧盟发布关于氢能发展的指导性文件《欧洲氢能战略》,旨在为欧洲建立一个整 合的氢能市场提供一个清晰的愿景和路线图。2022 年《REPowerEU 计划》提出 多个促进氢能发展政策,力争到 2030 年实现 2000 万吨绿氢的供应,成立“欧洲 氢能银行”,投资 30 亿欧元助力发展氢能市场。
(三)德国、法国、西班牙、意大利、芬兰等多国相继通过了国家氢能战略 欧洲的氢能发展以德国为代表,德国传统工业企业脱碳需求大,氢在钢铁、 化工、发电供热等领域均有部署。2020 年 6 月,德国内阁通过了《国家氢能战 略》,旨在推进氢能产业发展,抢占氢能技术领域的高峰。《国家氢能战略》中宣布至少投入 90 亿欧元用于发展氢能;法国公布了《国家氢能战略》后,正式 成立国家氢能委员会,有别于欧盟部分国家力推的化石燃料配合碳捕捉和封存技 术的“蓝氢”发展路线,法国始终坚持采用可再生能源的“绿氢”路线;西班牙可再 生能源资源丰富,可再生能源装机量占比高,西班牙将可再生能源制氢作为能源 和经济转型的重要战略选项;意大利将推广氢燃料汽车作为氢能产业发展的突破 口,将大幅提升本土氢燃料汽车的应用规模,逐步取代柴油车;氢是芬兰国家能 源和气候战略的一部分,芬兰发布的《芬兰氢能路线图》中,重点展望了合成燃 料的生产、低碳氢的生产以及氢替代煤炭降低工业中产生的碳排放等内容。
(四)现阶段,日本已具备了扎实的氢能产业基础,形成了适应产业发展政 策制定和修订机制 先后出台 10 余项氢能战略性政策。日本政府早在 2014 年 4 月就决定实施 “能源基本计划”,确定建设“氢社会”目标。2017 年 12 月,日本政府制定了世界 上第一个国家层面的氢能战略《氢能基本战略》,对氢能产业链的各个细分领域 设定了明确目标。2019 年 3 月,为确保实现基本战略所设置的各项目标,日本 政府制定《氢能燃料电池战略路线图》,进一步细化了氢能发展目标提出相关战 略举措并设置了评价工作组,定期对各领域的进展实施跟踪与评价。在《氢能燃 料电池战略路线图》指导下,2019 年 9 月,日本政府制定了《氢能燃料电池技术 开发战略》,确定以三大领域的十项技术为重点开发对象随后,在 2020 年 10 月 出台《绿色增长战略》,明确了氢能的定位,并在 2021 年 6 月 18 日将其修订为 《2050 碳中和绿色增长战略》,以促进机构和监管改革,加大资金支持力度,推 动创新研发,实现产业结构和经济社会转型。
(五)以沙特和阿联酋为代表的中东地区正在积极布局氢能产业 并与德国、美国、日本和韩国在贸易、科技、示范等领域建立广泛合作。中 东地区国家尚未出台明确的氢能发展战略,但中东是以能源输出为主的地区,蓝 氢和绿氢并行发展将成为沙特和阿联酋等国氢能发展的重要路径。2016 年沙特 《2030 愿景》提出了实现经济的多元化、减少对石油依赖的目标,并于 2017 年开始打造完全由可再生能源供电的“新未来”智能城市-NEOM,在 NEOM 中布局 绿氢产业,加快实践《2030 愿景》。阿联酋也致力于全产业链减少碳排放,计划 到 2030 年碳排放量较 2016 年减少 24%,并将依托资源优势开展氢能产业布局, 既通过 CCUS 技术扩大蓝氢生产规模,也把风、光等的可再生能源制取绿氢纳入发展规划。
当前全球范围正兴起“氢能经济”和“氢能社会”的发展热潮,氢能已进入产业化快 速发展新阶段,截至 2022 年 12 月,全球已有 42 个国家及地区发布了明确的氢 能发展战略和规划,欧美日韩等 20 多个主要经济体已将发展氢能提升到国家战 略层面,相继制定发展规划、路线图以及相关扶持政策,加快产业化发展进程。