岳来群：日美等氢能发展简况及影响因素分析

氢是绿色、高密度的二次能源。氢在发挥能效时无二氧化碳释放。等质量的氢燃料电池与一般锂电池相比，氢电池储能更多，续航里程更长，充电（能）时间可更短。氢能（包括固态氢储能）可以满足多样性的能源需求，在车船电池、住宅供暖、建材生产、钢铁冶炼等领域应用广泛。我国曾一度强调氢气为 “危险品” ，现在强调氢的绿色能效，氢能已被列为替代化石能源的新能源之一。狭义氢能的发展仅是优化能源结构，而利用风电、光电等电解水制氢等更重要的则是消化（发展）新能源（储能）、稳定和优化区域性电网的重要调节手段。氢能产业链中的制氢、储氢、运氢、加氢等诸环节都有大规模的市场前景，有利于扩大就业及经济可持续发展。放眼国际，俄乌战争后全球化石能源贸易量下滑；但向可再生能源等低碳转型步伐加快。在美国，氢能研究以及战略实施较早，基础扎实；在德国等，风电、光电等发展迅速，其氢能也有飞跃性发展。2023年7月新一版德国《氢能战略》明确提出“通过风能、光能等可持续性能源生产绿氢，是摆脱化石燃料计划的支柱”。在日本，氢能更是备受重视，氢能汽车是发展重点。在我国，氢能发展已正式纳入国家能源战略体系，氢能开发和应用已驶入发展快车道。2020 年 9月21日，国家财政部、发改委等联合发布《关于氢能燃料电池示范应用推广的通知》后，以奖励替代补贴的形式支持燃料电池汽车的推广和示范。2021年3月，《政府工作报告》提出“支持氢能规模化应用和装备发展”。2022年3月，我国2021-2025年中长期氢能产业规划出台；同年6月7日，国家发改委等发布关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知，鼓励新能源场站和配建储能联合参与市场，改善新能源涉网性能，保障新能源高效消纳利用。我国能源政策、资本政策等均有利于氢能产业快速发展。据美国某研究机构2023年5月数据，2023年中国氢气产量约为3800万吨，只是其大部分为源自煤炭等的黑（灰）氢。

氢能产业链之首为制氢，是氢源。进一步可分为化石原料制氢、工业副产品氢以及电解水制氢，依照碳排放量可分为灰（黑）氢、蓝氢、绿氢。“黑”氢（本文以“黑”代替“灰”）源于煤碳等化石能源加工，每吨氢产品约排放出15吨的二氧化碳。就黑氢而言，煤炭等制氢仅是碳排放的转移而不是减少，却在制氢环节又进一步增加了碳排放。其次是蓝氢，“蓝”是指将制氢过程中的二氧化碳予以捕集、封存（CCUS）。三是绿氢，用非化石能源诸如电解水制氢，或利用可再生能源风电、光电等制氢，该过程二氧化碳排放少，是发展方向。在国际，美、欧大型氢能项目尤其是绿氢项目建设起步早，技术领先。在制氢环节，美国始于1960年代，1970年代初中东战争推动美国第二波制氢研究，目前美国制氢处于第三阶段，重点是蓝氢、绿氢。目前德国的制氢主要是绿氢，德国的风电、光电占总发电量的53%。但德国、美国的电动汽车、氢能汽车进展不大，市场似乎不太接受。相较美、德等。日本强调并鼓励绿氢优先发展，但现实中其黑氢占比大。2011年福岛核泄漏事件后，时任首相安倍晋三提出建设“氢能社会”的目标。2021年10月22日，日本政府确定了涉及能源转型的一揽子政策文件，包括第六版《能源基本计划》、《2030年度能源供需展望》、《巴黎协定下的长期战略》等，其中每三年修订一次的《能源基本计划》提出“最优先”发展可再生能源。

(资料图)

日本“黑”氢开发未达预设目标不尽然是环保善意。尚有资源禀赋、黑氢制氢成本低、贸易等掣肘。由于典型岛弧大地构造位置等，日本化石能源全部依赖进口。本土的制氢也是利用进口煤炭等化石能源，属于黑氢。又因因气候、国土狭窄等原因风电、光电发展受限。目前日本总电量中风电、光电比重小。日本本土蓝氢、绿氢产量低。

日本曾一度大力发展电解水制氢。电解水制氢虽然环保，但电网中所耗费的电能中有一定比例的化石能源，电解水的设备制造、厂房建设等均又有大量的碳排放。电解水制成氢气后再利用氢气发电，生产一公斤氢需耗费40千瓦电，此一公斤氢在氢能汽车上可发电10千瓦，再用之驱动电动机、驱动汽车。在能源消耗综合尺度上谈不上“绿色”。以此非真正的绿氢再次发电，虽氢燃料转化效率高，优于成品燃油在800-1000摄氏度环境下大约40%的能源转化率，物温压条件要求平和。但有画蛇添足之虞。在车辆的氢电池（动力）环节上，氢燃料电池的核心零部件膜电极有四个主要部分，括催化剂、质子交换膜、碳纸和辅材，目前成本均较高。如一辆氢能重卡，目前氢燃料电池系统的成本占到整车成本的近47%，随着氢能车辆保有量的增加，核心零部件量产，未来成本有望快速下降。但氢电池以及核心部件的制造过程也要再大量增加碳排放。相较于氢源，日本氢能的发展链条更侧重于应用端，即氢产业链的中、下游，诸如氢能贸易、氢能汽车研发等。

国际氢能贸易是氢能产业、氢能汽车发展的另一重要环节。到2030年全球氢能在能源结构中由目前8.8%～9.2%将上升到11%，预测煤炭将从此前的26%的减少到19%，液化天然气（LNG）等也将大幅下降。2022年日本自然资源和能源署发布的《以实现氢能社会为目标，建构大规模氢能供应链》，日本经济产业省则发布了《氢/氨的现状和未来的研究方向》。政府层面，日本积极拓宽氢源进口渠道；作为企业，丰田、川崎重工等努力改进氢能技术，降低成本，拓宽氢贸易视野，推动氢能产业国际化、规模化。2022年2月25日，川崎重工研发的Suiso Frontier输送体系成功从澳大利亚运输液态氢到日本神户。此为世界上首次液化氢长距离海上运输。2022年6月8日，阿布扎比国家石油公司（ADNOC）、新日本石油公司（ENEOS）和三井（Mitsui Group）财团达成了联合研究协议，开始评估阿联酋和日本之间清洁氢供应链的开发。即利用阿布扎比气田的天然气制氢以出口日本。日本目前正加快落实自澳大利亚的氢气进口，具体是能“充分利用澳大利亚矿产资源”而大量进口澳泥煤等低热值煤炭进而在日本本土制氢，实仍属于黑氢，且澳泥煤露天开采，泥炭层及顶、底板中大量的甲烷（煤层气）逸散，有悖于综合减碳降碳。目前中、美、日、欧盟等平均制氢成本大致为：煤碳制氢的氢气成本约为1.5-2.0美元/kg；天然气制氢的成本2-3美元/kg。工业副产品焦炉气制氢成本一般低于1.5美元/kg，烧碱副产物制氢成本3.0美元/kg。而最环保的电解水成本也最高，价格为4-6美元/kg。总之，澳大利亚化石能源制氢并输送到日本再至消费终端综合碳排放更高，成本高。

在氢产业链中下游科技水平方面，日本实验室内的专利发明等领先全球。电动汽车包括了锂电池汽车、普通蓄电池汽车和氢燃料电池汽车、固态氢动力汽车。固态氢储能动力汽车运行时首先将固态氢转换为电能带动电机驱动车辆，重点是固态氢储能。近来，在氢动力车辆领域，日本氢能的利用仍主要表现在车辆动力方面。汽车巨头丰田、本田等在燃油车方面专利多、技术先进、产能大、市场份额大，“船大难掉头”，有理由继续坚守燃油车发展。但其也加快了新能源汽车的研制、开发，甚至“下手”更早。只是侧重于氢能汽车。1990年代，第三次石油危机爆发，主打省油的日系车真正在美国市场站稳脚跟。彼时，手有大量电动汽车、燃油汽车专利的丰田不想被石油问题卡脖子，就已布局当时实属新技术的新能源汽车。丰田高层曾认为，氢是自然界最充沛的资源，是解决能源问题的终极方案，当然未考虑黑氢问题。押注氢燃料技术，也可让能国土狭小、资源匮乏的日本摆脱矿产资源禀赋的短板。1992年，丰田开始研制氢燃料电池。1994年丰田推出第一款氢燃料概念车型。丰田在氢燃料电池领域的地位，类似早期特斯拉在电动汽车市场的地位，业内领先。在直接影响燃料电池寿命的质子交换膜减薄、增强、延长寿命等技术层面，丰田更是领跑者。丰田的MIRAI（漢字“未来”）车型一上市便引起轰动。其MIRAI车型的动力模组由动力电池组、储氢罐、 燃料反应堆、升压单元、动力控制单元以及驱动电机（包括变速箱）构成。氢气和氧气在燃料堆中反应，电能输送至动力电池组、驱动电机驱动汽车。简言之，MIRAI的工作原理就是电解水的逆反应。氢氧生成水的过程中释放电能。

日本几十年来鼎力发展氢能源汽车，累积了大量的相关发明、专利以及商业秘密（know-how）。目前丰田已持有6000多项氢燃料电池专利，包括括燃料电池堆专利、高压储氢罐储能专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术专利等。由于日本的相关专利技术、商业秘密等售价过高，买主购买欲低，加之特斯拉等公司免费、公开其领先全球的专利、技术及商业秘密，日本的氢能源汽车的相关专利等售出日益低迷。在电动汽车电池领域，2023年4月10日，美国环保局 （EPA）称将显著提高电动车的市场份额，以实现2032年美国汽车份额的67%为电动汽车的目标。2023年4月中旬，马斯克表示短期内要牺牲其电动汽车利润，争取更大的市场份额，完成全自动驾驶、机器人出租车（Robotaxi）等，确保利润持续增长。目前中国电动车企业以及特斯拉等赢利能力大为增加，且全球大多电动汽车的电池为宁德时代等企业制造。马斯克2023年4月下旬又宣布将更新电动汽车的电池技术。此背景下日本氢能汽车市场开拓困难多多。日本又不太甘愿调头追随中国以及特斯拉电动汽车的发展路径，使得日本的氢能源汽车成为新能源汽车发展道路上较为滞后的“小众”（或是厚积薄发？）。换言之，如果当初日本能优化好东亚等国际关系，全力冲击面向亚太市场的纯电动汽车，那么特斯拉电动车等的发展可能是另外一种局面。

氢能源发展的关键之一是成本。未来氢能汽车的制造成本、使用成本、三废处理成本以及碳排放等须大幅度降低。在车辆降本方面，氢动力汽车类制造、运行之价格不菲。氢能汽车的高成本是日本乃至世界范围氢能汽车发展的“路障”。丰田第二代氢能汽车的革新主要集中在空间利用率以及成本上，包括减小燃料电池堆总成体积大小，这仍是日系车研发市场驱动的思维模式。但在应对市场的技术层面亟待革新。丰田相关数据显示，第二代MIRAI氢气罐容积为5.6公斤，较上一代增加1公斤。其电机最大功率为134kw，整车重量超过1.8吨，如果算上4名乘客，其重量将达到2吨。动力不足，无效载荷太大。丰田代表的日系氢能汽车强调运营的稳定性，而欧美车企历来更追求技术的创新。如本田最早研制涡轮增压技术，一味追求专利赢利而未大规模利用，反而为大众等欧美车企的偏爱。丰田等依旧酷爱、沿用油车的“自然呼吸”。丰田等企业的保守制造理念又衍生到目前的氢燃料电池制造上，丰田等实验室氢能技术创新频出，但多以专利形式静置待沽，生产线、市场等应用迟钝。其汽车销售的总体市场受到电动汽车的持续挤压。

除却汽车制造成本，氢能汽车路上运营成本也较高。一辆氢能大客车可运营五到八年，需更换2-3个氢燃料电池堆，单堆成本约25万元甚或更高。虽制造商宣称燃料电池堆寿命在8000小时至10000小时，但实际使用数据远小于广告。

其次是氢能有效运输成本较高。虽然高压氢拖（槽）车运输有泄露风险，但仍是目前的主流运输方式。目前氢气输送压强一般为20MPa，如果运距为100km，运输成本为1.2,美元/kg；当距离为500km时，运输成本增至2.9美元/kg。管道运输成本只有0.17美元/kg， 每千米管道基建投在我国资额约584万元人民币。氢能汽车日常加氢费用也不容小觑。目前我国加氢站价格每公斤最高者目前约150元，日本则更高。毛估氢燃料电池百公里成本相当于1000元人民币。而燃油车百公里综合成本为528元，普通电动汽车百公里综合成本只有441元人民币。在氢能的资源（氢源）配套问题上，加氢站（类似于目前的汽车加油站、充电桩群）等基建成本（包括征地）也支出庞大。加氢站高昂的建设成本直接影响其数量。如果不计后期运维以及人员、土地等成本，在我国投建一座单日加注能力500公斤的加氢站，成本约为1200万元左右，加注能量相同的燃油加油站的3倍多。上述数据在日本、欧洲则更高。因此，日本的加氢站往往选址在园区、港区等商用大卡车高频次且固定线路。但对于普通氢能汽车车主，可能加一次氢的往返里程就达10-30公里，也加剧了里程焦虑。日本的氢能汽车销售目标是放眼海外，尤其是中国等市场。所以除成本、售价外，日本氢能汽车的环保技术尤其是“综合碳排放”问题需要得到中方客户的认可。

碳综合排放是衡量氢能可否在向低碳新能源转型中胜出的关键指标。日本目前拥有氢能汽车、电动汽车最多的专利，但在综合碳排放减少方面专利技术偏弱。专利技术的初心是激励创新及最终更有效的抑制碳排放。首先是制氢，丰田追求的绿色能源方案并不环保。除运输外，能否最大限度降低制氢及氢能汽车机械制造过程中的碳排放是氢能汽车快速、持久发展的决定性因素。综合碳排放包括了化石能源在总能源构成中大幅度降低、煤炭等化石能源以及锂矿山等地质勘探、开发过程和锂矿的选矿、冶炼、提纯、运输等过程中的碳排放降低；涵盖氢能和电动汽车等制造全产业链包括氢能管道输送、毁林占耕等碳排放减少等。此外电动汽车、氢能汽车报废后的电池处理等也有大量的二氧化碳等排放。如果氢能产业的发展反而造成了更大量的综合碳排放，则有悖于能源低碳转型。目前的制氢以及氢能汽车等实际应用发展过程中的碳排放并不低，因而氢能尤其是黑氢等发展为环保界所诟病。依照热力学定律，人类社会发展为一不可逆的熵增过程。人类刻意减碳、降碳进而减缓全球气温升高是氢能发展的初心，但是人类任一单纯追求经济发展的活动包括电能、氢能的转换等大都加速了碳排放。例如利用绿氢发电、再有此电能转换为机械能等关键是储存光能、风能以及优化调解电网，因为能量转换的过程（包括机械制造、厂房建设等）就是一个碳排放增加的过程。电动汽车的快速发展常被批评为“碳排放搬家”，废旧电池的处理、掩埋等更额外增加了碳排放。化石能源的地质勘探以及矿产品的挖掘（尤其是露天开采）、开发是碳排放的增加，甚至植树造林、沙漠绿化的初期也是增加碳排放的。当然后期的森林碳汇则是意义重大的降碳、减碳。立足于大数据分析，虽局域性、阶段性地球温度有所下降，但目前大气圈、生物圈是一个增温过程。有理由悲观的认为：仅依靠人类今天的减碳、脱碳等努力很难实现2015年《巴黎协定》“把全球平均温度控制在比工业革命前高出摄氏2度之内，并努力控制在高出1.5度”的目标。2024年地球平均气温或许更高。

氢能汽车的发展取决于科技水平不断提高，最终取决于综合碳排放不断减少、成本降低、操作简便、安全有保障且舒适等几大关键指标。在科技方面，包括了新能源和可再生能源发展的科技、汽车等机械制造科技、新能源汽车报废无害化处理科技等。再之，氢能源汽车、锂电动汽车等的燃爆、泄氢、漏电、刹车失灵等安全最为重要。在配套设施建设方面，电动汽车、氢能汽车需要一定数量且分布有序的充电桩、加氢站，此类基建又增加了碳排放。日本丰田等在车辆燃油动力的新能源替代技术领域其实起步早，但进展缓慢。客观上给特斯拉、比亚迪等提供了赶超契机。在特斯拉等新能源汽车企业快速发展的冲击下，日本电动汽车的今天发展的今天离“火热”尚有距离。最近三菱重工曾有意将其燃油汽车退出中国，后又表示快速研发电动车；丰田（中国）则於2023年5月上旬也直言“将快速发展电动汽车”。表明目前日本十分重视电动汽车的发展。日本最初舍弃电动汽车抢占氢能汽车发展先机，除却专利收益等因素，也确有一些限制“黑电”等环保方面的善意。

需警觉的是，氢能汽车、锂电池等的发展在目前电网中火电占总发电量约70%的背景下确有碳排放、污染搬家之实。如果主要依赖于化石能源发电、依赖化石能源制氢，则电动汽车、氢能汽车的主要意义就只是输送。从化石能源采掘，从煤、油、气、氢等资源运输、火力发电（煤炭制氢）、汽车制造、陆运、废旧电池处理以及运营安全等链条分析，仅据上述几大指标试图在传统燃油（气）车、锂电池电动车、氢能汽车之间“优劣”排序目前是困难的。经济发展在加速，“双碳”问题已上升为我国发展的首要问题，此已为近期法学实践所体现。已有自然人因“干扰碳达峰碳中和战略目标实施”而被处分。目前人类碳排放造成的显像是全球快速升温，进而导致了俄、美等极地地区永冻层的加速融化，一个更严峻的连锁后果尚未引起学界关注：即，加速融化中的永冻层释放出巨量的甲烷、二氧化碳以及地史时期对现代人类或许致命的病毒、细菌。所以碳综合排放问题是衡量各种汽车品质的最重要指标。氢能汽车、电动汽车综合碳排放不乐观，综合成本高，安全隐患大。废旧电池的处理更是累计的麻烦，日渐棘手。相对而言，不断改进的燃油（气）汽车虽面临减碳、工业和服务业智能化发展等巨大压力，但仍是今天运输业主力车型。在新能源发展迅猛、化石能源消费快速降低的德国、荷兰、欧盟等于2020年就制定了第一版氢能战略，但在实施中仅是加强了氢能等在军工以及某些民用汽车、无人机等方面的科技开发，并未“撒胡椒面”式的发展氢能。俄乌战争、某些国家的经济疲软等背景也使得某些环保人士更加清晰，上述的悲观情绪浓厚，即氢源开发直至氢能消费等整链条中碳排放实难大幅度减少，电动汽车亦是如此，全球气温升高的遏制是困难的。但经济要发展，减碳、降碳只能在发展中落实。即使氢能全链条确能较大幅度减碳、降碳，原油、天然气等某些化石能源（工业原材料）目前乃至未来一段时间还是社会经济中的刚需。我国国情有别于美、俄、日、欧等，面临的国际问题波诡云谲。油气资源开发仍处于经济发展的重要地位。油田开发理应继续加快。但切记并积极践行双碳目标的实现。

（文：岳来群 自然资源部油气资源战略研究中心）

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