一直以來，氫能和儲能是實現碳達峰碳中和的重要手段，并且其產業化正步入快速發展時期。新能源通過氫能和儲能的形式滲透至電力、交通、建筑、工業等領域進行深度脫碳，氫能與儲能的共性關鍵技術可以進行協同研發攻關，但其產業化仍需要醞釀。

碳中和已成為了人類社會應對全球氣候變化達成的共識，世界各國都在積極采取措施努力實現碳中和目標。氫能既是清潔零碳的新能源，又是重要的儲能載體，具有燃料與原料的雙重屬性，是碳替代的重要手段。

隨著新能源的大發展，在新型電力系統構建過程中，風電、光伏等可再生能源的比例將大幅度攀升，但其間歇性和波動性容易使得發/用電匹配失衡，電力系統可調容量、慣量下降。儲能是高比例的可再生能源接入電網后，維持電力系統平穩運行的必然選擇。在全球碳中和的時代背景下，氫能與儲能的交叉、融合發展，將迎來巨大發展前景。

氫能在新型電力系統中的作用

氫能作為一種清潔靈活的二次能源，在新型電力系統中可作為電力介質的載體，實現氫-電靈活轉化。氫能也是廣義上的能量存儲形式之一，如圖所示，在眾多的儲能技術中，氫儲能可與新型電力系統高度耦合，克服新能源電力儲存的難題，實現大規模、長周期、跨季節儲能，支撐新能源成為新型電力系統的低碳能源。

↑ 各類儲能技術的自放電時間與單元規模

氫氣作為能源載體，本身并不含有碳元素，其是否能發揮脫碳作用取決于其生產方式。根據國際可再生能源機構（International Renewable Energy Agency, IRENA）報道，按照氫氣的來源，可以將其劃分為綠氫、藍氫和灰氫。其中，通過可再生能源電力電解水制取的氫氣為綠氫，這一過程中沒有二氧化碳（CO2）的產生，實現100%綠色氫氣生產；通過化石燃料制取氫氣（如天然氣裂解制氫、含氫工業尾氣提取氫氣等），產生的CO2會被捕集、存儲并被利用，整個過程實現CO2零排放，生產的氫氣被認為是藍氫；而通過化石燃料生產氫氣，產生的CO2直接排放到大氣中，生產的氫氣稱為灰氫。從碳中和目標的角度而言，要實現脫碳，綠氫是最終的選擇。

根據IRENA的預測，如按照《巴黎協定》約定的將本世紀全球氣溫升幅控制在1.5攝氏度以內，到2050年全球需要5太瓦可再生能源電力用于生產綠氫，折合約4億噸綠氫。而根據中國氫能聯盟的報道，2030年我國的氫氣需求量在3715萬噸，2050年則達到6000噸，在我國的終端能源體系中的比重將超過10%。

現階段，由于電解水制氫的成本相對于化石燃料制氫仍然較高，直接推廣使用綠氫仍缺乏經濟性，因此氫能的推廣是從減少灰氫過渡到以藍氫為主，最終將廣泛采用綠氫。除了政策與市場，綠氫的生產成本是其規模化的重大阻力。綠氫成本的兩大組成部分包括可再生能源電價與電解水裝置。新能源規模的擴大與發電技術進步會使可再生能源電價逐步降低。2021年，全球光伏發電最低中標電價1.04美分每千瓦（折合人民幣約0.066元每千瓦，沙特），而我國光伏發電最低中標電價約0.147元每千瓦（四川甘孜）。但僅依靠降電價并不能使綠氫相比于藍氫更具備經濟優勢，還需要提高電解水技術成熟度及降低其電解槽的生產成本。

目前，全球有四種主流的電解水技術，包括堿性（Alkaline）電解水技術、質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）電解水技術、陰離子交換膜（Anion Exchange Membrane，AEM）電解水技術和固體氧化物（Solid Oxide）電解水技術，如圖所示，其中堿性和PEM的商業化成熟度較高，盡管AEM和固體氧化物擁有巨大的發展前景，但是其仍處于實驗室階段，僅有少量企業和原型機制造商在推動其生產制造及商業化。

↑各種商業化電解水技術的類型

根據對全球電解水技術研究機構的發展情況進行總結，四大類電解水技術現階段的研究成果（以2020年為例）和未來的發展目標（以2050年為例）具有比較明確的指標和攻關方向，如下表所示。

↑ 各類電解水技術現階段性能及未來研發目標

可再生能源大規模發展可以為綠氫的生產提供大量的廉價能源，并且隨著電解水技術的不斷成熟，綠氫的生產成本將快速下降。盡管部分領域可以采用綠電（可再生能源電力）進行替代實現碳減排，但是冶金、化工、水泥的生產過程中需要大量的高品位熱能（溫度高于400攝氏度），這部分熱能難以采用電氣化的方式來解決，這些難減排領域則適用氫能替代。因此，綠氫也為可再生能源的進一步發展提供廣闊的應用場景。宜電則電、宜氫則氫、電氫耦合將是能源應用體系發展的新形勢。

綠氫的應用場景及技術路線

綠氫的應用場景主要包括交通、建筑、電力、工業等領域，如圖所示。其中交通領域是目前氫能應用的主要領域。綠氫是各經濟領域深度脫碳的重要實現路徑，同時各經濟領域的大規模用氫也將進一步促進氫能產業的發展。

↑ 綠氫的應用場景

●交通

氫燃料電池技術的發展使氫能可以廣泛應用于公路交通、軌道交通、船舶、航空等各種交通領域。氫能源汽車是人們最熟悉的氫能應用場景，其在國際上應用已非常廣泛。截至2021年，全球各類氫燃料電池汽車保有量已經達到近四萬輛，乘用車、公交車、物流車、叉車等多種氫燃料電池汽車已經實現商業化運營。隨著氫能源交通技術的進一步完善和普及，氫能交通的市場發展前景在不斷壯大。

●電力

氫能在電力領域的應用主要依托燃料電池技術。其中，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是發電領域最具應用前景的燃料電池，也是未來大規模清潔發電站的優選對象。集中式可再生能源發電方案可以將周邊的氫氣運輸到發電站進行發電，并利用現有的電力網絡進行電力輸配。分布式發電一般是指靠近終端用戶的小型發電裝置，其具有發電技術種類多、發電規模高度可控、設備安裝便捷等優點，可為工商業和住宅的電力需求提供靈活解決方案。目前，以SOFC為主的分布式發電已在歐美日韓等發達國家和地區開始初步商業化。我國分布式電源技術正在加緊應用示范推廣，隨著技術進步和成本下降，不斷推進商業化進程。

特殊電源主要依托質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）技術，包括通信基站、數據中心的備用電源和應急電源車等。

摻氫/純氫燃氣輪機也是基于氫能發電清潔能源系統的一部分，如今國際上關于富氫燃料燃氣輪機的研究與應用已有較多的業績，全球掌握比較領先技術的企業包括日本三菱重工、美國通用電氣和德國西門子。

氫能發電可用來解決電網削峰填谷、可再生能源電力并網穩定性問題，有利于提高電網安全性和靈活性，大幅度降低碳排放。傳統的抽水蓄能在儲能領域中占據絕對主導，氫儲能等新型儲能技術也在不斷發展。眾多燃料中，單位質量氫氣的能量密度高，具備規模大、響應快、可實現跨季節儲能的特點，是少有的能夠儲存百吉瓦時規模能量以上的儲能方式，極具發展潛力。

隨著氫能在終端能源消費體系中的占比逐漸升高，氫能作為電力儲能介質，將發揮連接可再生能源與電力的紐帶作用，成為新型電力系統的有機組成部分。與此同時，電力網絡和氫能供應鏈基礎設施的協同優化，不僅有利于降低基礎設施建設成本，還可以實現電網碳減排、增強氫電耦合體系的時間和空間靈活性。

↑ 氫電耦合能源輸送系統

●建筑

建筑領域主要針對滿足電和熱的需求，基于SOFC的熱電聯供系統是主流場景。日本的家用燃料電池發展領先于世界，目前其家用燃料電池熱電聯供系統的安裝量已達數十萬套。其次，摻氫供熱和純氫供熱技術也在不斷研發。現階段天然氣管道內摻入3%以內的氫氣對新建的天然氣管道無影響，終端用戶設備燃燒方式不變。

氫能社區是實現氫能“制-儲-輸-用”綜合應用的重要方式，是開拓氫能燃料電池分布式能源和智慧能源產業的新途徑，也是國家基礎設施建設的重要組成部分。

2019年日本率先建立了全球第一個氫能社區。我國2021年國家重點研發計劃也重點支持氫能社區綜合示范，推動氫能產業發展。2021年，廣東佛山在南海區規劃投資80億元打造全國首個“氫能進萬家”智慧能源示范社區，推廣可再生能源互聯互通的智慧能源型城市建設。

●工業

工業領域包括化工、冶金等，氫氣在其中主要扮演原料和燃料的角色。工業用氫的消費量巨大，僅是存量灰氫的綠氫替代就是巨大的市場。

目前，95%以上的氫氣仍作為原料用于煉化行業加氫精煉以及化工行業合成氨、合成甲醇等。未來，氫氣作為化工原料仍將是其主要用途，但是氫的來源將從目前以化石能源制氫為主即“灰氫”向可再生能源電解水生產的“綠氫”轉變。綠氫化工（綠氫替代灰氫）是實現這些行業深度脫碳的重要途徑。

無機化工中，綠氫應用主要是合成氨；有機化工中，綠氫應用除了石油煉化、合成甲醇，還應用于與CO2合成高端化學品，如下表所示。

↑ 中國的二氧化碳加氫合成化學品研究進展情況

冶金工業也是碳排放大戶，焦炭作為還原劑使用是冶金行業高碳排放的重要原因。當前全球75%的鋼鐵來自高爐還原工藝，采用焦炭作為還原劑，高爐還原過程的碳排放量占整個煉鋼流程的90%。氫能冶金的原理是利用氫氣的高還原性，將氫氣替代煤炭作為高爐的還原劑，以減少乃至完全避免鋼鐵生產帶來的碳排放。

隨著鋼鐵行業CO2減排壓力日益增大，日本、瑞典、德國等國紛紛探索應用氫冶金技術并取得一定進展。我國相關鋼鐵企業也在積極布局氫冶金項目。氫能冶金是鋼鐵行業碳減排的必然路徑，也是鋼鐵產業進入一個新時代的標志。

全球的工業供熱需求巨大，并且90%以上依靠化石燃料，而工業供熱需求近一半是高品位熱能。盡管可再生能源電力可以滿足低、中品位熱能的需求，但是冶金、化工、水泥等行業生產過程中高品位熱能則需要氫燃料來替代。因此，工業供熱也是綠氫的一個重要應用場景。

氫能和儲能的共性關鍵技術

抽水蓄能、壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）以及氫儲能是具備大規模儲能能力的儲能技術。抽水蓄能電站受到地理條件的限制較為苛刻，并且我國可再生能源資源集中的地區往往其水資源也比較有限，無法滿足抽水蓄能電站的建設需求，因此，我國抽水蓄能的發展潛力將不斷減小。壓縮空氣儲能與氫儲能的儲能容量大、壽命長，隨著其技術的進步和完善，具有強大的發展潛力。現階段，壓縮空氣儲能的技術較為成熟，我國壓縮空氣儲能的示范項目也正在不斷布局。氫儲能，尤其氫液化工藝與壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）工藝具有較好的耦合性，耦合工藝可以進行能量的梯次利用以提高聯合工藝的整體能效，如圖所示。此外，這兩類儲能技術具有相同的關鍵設備，如壓縮機、膨脹機、換熱器等，如表所示。因此可以進行協同研發攻關，形成互相促進的產業格局。

↑ 液氫耦合液化空氣工藝流程圖

↑ 壓縮空氣儲能、液化空氣儲能與氫液化工藝的關鍵設備對比

壓縮空氣儲能與氫儲能（地下儲氫）的建設條件也具有高度相似之處。壓縮空氣儲能是利用電能將空氣壓縮至高壓并存儲在地下洞穴（高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等）或壓力容器中。國外也已開展利用地下洞穴進行氫氣儲存的研究，壓縮空氣儲能技術相對成熟，其在地質勘探、洞穴密封性、環境保護等方面可作為發展地下儲氫的重要借鑒。

氫能在新型工業系統中的作用

氫氣在工業上的應用早已非常廣泛，如下圖所示。化石燃料制氫是氫氣資源的主要來源，包括煤制氫、天然氣制氫等，綠氫的比例極低，不足1%。氫氣作為工業原料用于合成氨、合成甲醇、石油煉化等，其作為燃料直接燃燒用于工業供熱的比例也近15%。因此，在工業中綠氫取代灰氫或者藍氫也具有相當大的規模和潛力。常規的電力來源于化石能源，但是會帶來嚴重的碳排放及環境污染，在碳中和的發展原則下，尤其國家鼓勵新能源電力“能建盡建、能發盡發”，新能源電力的比重將不斷增大，其也將以綠氫作為載體應用于工業領域。

↑ 我國的氫氣生產及消費結構圖

↑ 綠氫在工業上的應用場景

根據相關研究機構的數據估算，我國2020年氫氣的消耗總量在3500萬噸左右，其中綠氫約50萬噸；而到2060年實現碳中和，我國氫氣的消耗總量將達到1.3億噸，其中綠氫的規模也將達到1億噸。綠氫替代無疑是工業領域降低碳排放，實現碳中和的重要抓手。

為實現碳達峰碳中和，可再生能源的建設規模也在不斷擴大，但是鑒于其波動性、間歇性的特點，并不能全部以電能的形式融合到電力系統中。儲能可以快速、大規模地在電網側、發電側、用戶側全面發展，有利于保障新型電力系統的穩定性。氫能也是廣義上的儲能，其具備燃料與原料的雙重屬性，是新能源滲透工業領域，促進其低碳轉型的重要介質。新能源通過電解水制氫的形式轉化成綠氫，對工業領域中的用氫場景進行替代（綠氫替代灰氫），并解決無法通過綠電替代減碳的場景。

氫能與儲能都是現在與未來明確的發展方向，并具備巨大的產業市場前景，現階段，兩者面臨的共同問題是技術不夠成熟、工程示范經驗不足、利用成本高昂等。除了政策和資金的支持，應該更關注關鍵技術的攻關和核心裝備的研發，基于可靠的成套技術，合理布局，有序進行工程應用示范，積累運營經驗，實現技術進步與成本降低。