法國(guó)、德國(guó)及歐盟對(duì)未來(lái)氫能研究和創(chuàng)新的愿景

Fermin Cuevas, 張俊先, Michel Latroche

University of Paris Est Creteil, CNRS, ICMPE, UMR 7182, Thiais 94320, France

氫（H2）作為重要載體，幫助我們的社會(huì)從化石燃料中解放出來(lái)，并向高效的新型能源進(jìn)行轉(zhuǎn)型。氫具有高的能量密度，可用于各種規(guī)模的移動(dòng)、固定或工業(yè)應(yīng)用。全世界越來(lái)越多的國(guó)家（如中國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞、美國(guó)）意識(shí)到了氫的重要作用。在強(qiáng)大的財(cái)政支持下，這些國(guó)家正在為推動(dòng)氫及燃料電池技術(shù)的發(fā)展制定強(qiáng)有力的路線。

法國(guó)氫能的發(fā)展現(xiàn)狀

在這一進(jìn)程中，法國(guó)是重要的參與者。自2015年 8月頒布《綠色增長(zhǎng)能源轉(zhuǎn)型法》以及2015年12月巴黎主辦第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP21）以來(lái)，法國(guó)已表現(xiàn)出對(duì)減少溫室氣體排放的強(qiáng)烈愿望。其中引人關(guān)注的是，這些舉措促成了2018年6月國(guó)家氫能計(jì)劃（NHP）的出臺(tái)，該計(jì)劃設(shè)定了三個(gè)主要目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)脫碳制氫、氫能交通運(yùn)輸和提高電力系統(tǒng)的靈活性，以及天然氣網(wǎng)絡(luò)脫碳。截至2019年，NHP已投入 1億歐元，用于開(kāi)發(fā)至少26座加氫站和380輛燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）。上述目標(biāo)已被納入法國(guó)多年能源計(jì)劃和《能源與氣候法》，目標(biāo)是到2028年達(dá)到400座加氫站、20 000輛FCEV、800輛重型車輛及脫碳?xì)湔脊I(yè)氫的比例為20%。

與歐盟（EU）的宏偉目標(biāo)一致，法國(guó)擁有推進(jìn)低碳排放氫系統(tǒng)的主要資產(chǎn)。其得益于大規(guī)模脫碳發(fā)電以及大型制氫工業(yè)。到2050年，法國(guó)的低碳足跡氫可滿足其最終能源需求的20%，并使每年二氧化碳（CO2）排放量減少約5500萬(wàn)噸，相當(dāng)于法國(guó)氣候計(jì)劃（2017年）目標(biāo)與目前歐盟參考方案[歐盟監(jiān)管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（RTS）方案]之間差距的三分之一[1]。

在國(guó)家層面，氫能系統(tǒng)的研究資金主要集中在2005—2012年間法國(guó)國(guó)家科研署（ANR）的國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃（PAH）[2]，其次是HPAC?低技術(shù)就緒水平（TRL）項(xiàng)目，以及生態(tài)轉(zhuǎn)型機(jī)構(gòu)（ADEME）和FUI?示范項(xiàng)目。分配給這些項(xiàng)目的資金（7年間ANR共提供1.23億歐元）也用于法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）及原子能和替代能源委員會(huì)（CEA）中的研究工作，這使法國(guó)的科研成果及專利申請(qǐng)數(shù)量大幅增加。這種有針對(duì)性的資金扶持為工業(yè)部門的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，涌現(xiàn)出一批致力于制氫、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化研究的企業(yè)。如今，法國(guó)通過(guò)在相關(guān)領(lǐng)域積累的專家意見(jiàn)以及主要研究參與者的貢獻(xiàn)（主要集中在CNRS FRH2和CEA實(shí)驗(yàn)室）向著目標(biāo)邁進(jìn)。此外，法國(guó)還設(shè)立了研究項(xiàng)目合約“法國(guó)氫倡議”（IFHy），其核心是實(shí)現(xiàn)公共研究與產(chǎn)業(yè)之間的對(duì)接。IFHy的目標(biāo)是發(fā)展并協(xié)調(diào)公有和私有的合作關(guān)系，以確?？蒲信c產(chǎn)品商業(yè)開(kāi)發(fā)之間的連續(xù)性，積極參與法國(guó)氫產(chǎn)業(yè)的成型及發(fā)展，促進(jìn)法國(guó)工業(yè)的成長(zhǎng)。

2020年9月，法國(guó)政府宣布啟動(dòng)法國(guó)發(fā)展脫碳?xì)涞膰?guó)家戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略（將在2021—2030年期間實(shí)施）將獲得70億歐元的投資，實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)首要目標(biāo)：①通過(guò)大力發(fā)展法國(guó)的電解產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)脫碳；②利用脫碳?xì)溟_(kāi)發(fā)重型交通工具；③支持研究、創(chuàng)新及技能發(fā)展，以促進(jìn)未來(lái)應(yīng)用（圖1）。在以上三個(gè)首要目標(biāo)中，針對(duì)最后一項(xiàng)，研究人員設(shè)想了多個(gè)目標(biāo)，包括在能源網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展氫能，確定工業(yè)新用途以減少二氧化碳排放，發(fā)展氫動(dòng)力重型交通工具（飛機(jī)和船舶），以及提出未來(lái)以氫為基礎(chǔ)的設(shè)施概念。為加速這一首要研究計(jì)劃的實(shí)施，該戰(zhàn)略將支持氫領(lǐng)域的研發(fā)（R&D）工作，并保持其在國(guó)際上的前沿地位，因?yàn)榉▏?guó)在這一領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的研究基地。

德國(guó)氫能的發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)也是這一領(lǐng)域的重要參與者。德國(guó)提出了《2030年氣候行動(dòng)計(jì)劃》，其目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。為使德國(guó)成為溫室氣體中立國(guó)并履行COP21《巴黎協(xié)定》的國(guó)際承諾，氫已被確定為一種脫碳選擇。德國(guó)政府認(rèn)為只有通過(guò)可再生能源制氫（即清潔的綠色氫）才是可持續(xù)的。

雖然德國(guó)的研究經(jīng)費(fèi)對(duì)所有的課題均保持開(kāi)放態(tài)度，但氫技術(shù)引起了聯(lián)邦政府的額外重視。2006— 2016年，德國(guó)批準(zhǔn)了大約7億歐元的資金用于支持國(guó)家氫能及燃料電池技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上，2016—2026年間，德國(guó)將投入14億歐元。此外，聯(lián)邦政府正在利用能源研究計(jì)劃所提供的資金，打造一個(gè)卓越的研究場(chǎng)所 [3]。

自2019年新冠病毒肺炎大流行以來(lái)，德國(guó)加強(qiáng)了對(duì)能源轉(zhuǎn)型和綠色氫項(xiàng)目的扶持力度。2020年6月，德國(guó)聯(lián)邦政府實(shí)施了《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，并成立了國(guó)家氫能委員會(huì)，通過(guò)項(xiàng)目提案和實(shí)施氫戰(zhàn)略的行動(dòng)建議，向國(guó)務(wù)秘書(shū)委員會(huì)提供咨詢和支持[4]。計(jì)劃的目標(biāo)包括：確立氫能作為替代能源，使氫成為工業(yè)部門可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)原料，開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并建立國(guó)際市場(chǎng)，加強(qiáng)德國(guó)工業(yè)發(fā)展，并最終使氫能利用具有經(jīng)濟(jì)可行性[5]。

在該項(xiàng)計(jì)劃中，交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑行業(yè)得到了特別支持。針對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)，德國(guó)為刺激該市場(chǎng)，提供了36億歐元用于電動(dòng)汽車或氣候友好型汽車的購(gòu)置補(bǔ)貼。此外，為鼓勵(lì)投資，德國(guó)將提供45億歐元用于建設(shè)電動(dòng)燃料設(shè)施以及燃料加注的基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于航空和航海部門，德國(guó)已投資5000萬(wàn)歐元用于開(kāi)發(fā)混合電力和氫動(dòng)力飛機(jī)及船舶。針對(duì)工業(yè)，德國(guó)已提出了從傳統(tǒng)化石燃料向氫能轉(zhuǎn)變的各種方法。針對(duì)建筑業(yè)，德國(guó)自2016 年開(kāi)始實(shí)施能效激勵(lì)計(jì)劃，2020—2024年期間，將繼續(xù)提供7億歐元的資金。

研究是能源政策的戰(zhàn)略基礎(chǔ)。2020—2023年，能源與氣候基金將提供3.1億歐元用于綠色氫的基礎(chǔ)研究，并計(jì)劃在此期間追加提供兩億歐元用于加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究。此外，2020—2023年期間將提供6億歐元，用于建立針對(duì)能源轉(zhuǎn)型倡議的監(jiān)管沙盒，此舉將有助于加快技術(shù)和創(chuàng)新從實(shí)驗(yàn)室向市場(chǎng)的轉(zhuǎn)移。德國(guó)將提供超過(guò)10億歐元用于技術(shù)和大型工業(yè)設(shè)施的投資（作為德國(guó)脫碳計(jì)劃的一部分），將在2020—2023年期間利用氫對(duì)這些設(shè)施的制造工藝實(shí)現(xiàn)脫碳處理。此外，還有一些項(xiàng)目致力于推廣氫在制造業(yè)中的應(yīng)用，以及杜絕材料工業(yè)中的碳排放。這些計(jì)劃的目的是鼓勵(lì)業(yè)界積極投資于氫解決方案。2020年6月3日，聯(lián)盟委員會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)“未來(lái)計(jì)劃”（package for the future），將額外追加70億歐元用于加快德國(guó)氫技術(shù)的市場(chǎng)推廣，以及20億歐元用于培養(yǎng)國(guó)際伙伴關(guān)系。

2015年年初，德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部啟動(dòng)了能源轉(zhuǎn)型研究及創(chuàng)新平臺(tái)?；谠撈脚_(tái)的框架，Kopernikus項(xiàng)目是德國(guó)在能源轉(zhuǎn)型領(lǐng)域最大的研究計(jì)劃之一[6]。該項(xiàng)目由四個(gè)核心組成，每一核心都有各自的目標(biāo)：ENSURE用于開(kāi)發(fā)未來(lái)電網(wǎng)；P2X用于研究將來(lái)自可再生資源的二氧化碳、水和電轉(zhuǎn)化為氣體、燃料、化學(xué)品和塑料；SynErgie用于研究如何使能源密集型工業(yè)流程更加靈活，以適應(yīng)可再生能源的可用性；第四個(gè)核心Ariadne [7]作為科學(xué)與社會(huì)之間的聯(lián)合學(xué)習(xí)過(guò)程，用于分析從單個(gè)產(chǎn)業(yè)到全局層面，政策措施將如何發(fā)揮作用。

圖1. 對(duì)2020—2023年法國(guó)發(fā)展脫碳?xì)鋰?guó)家戰(zhàn)略預(yù)算的分配（總計(jì) 34億歐元）。

氫能在歐盟的發(fā)展現(xiàn)狀

放眼整個(gè)歐洲大陸，歐盟出臺(tái)的政策強(qiáng)力支持實(shí)施氫能系統(tǒng)，并將其作為實(shí)現(xiàn)《歐洲綠色協(xié)議》[8]和歐洲清潔能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵手段之一。氫能系統(tǒng)的實(shí)施符合COP21《巴黎協(xié)定》的要求，有助于歐盟在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[9]。不僅如此，其目標(biāo)是限制歐洲對(duì)烴類的使用，并為歐盟的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)作出貢獻(xiàn)?？紤]到歐盟在可再生能源技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，服務(wù)于眾多工業(yè)部門及其他終端用途的氫價(jià)值鏈的興起會(huì)帶來(lái)最高100萬(wàn)個(gè)相關(guān)的工作崗位。

早在21世紀(jì)初，歐盟委員會(huì)（EC）就已確定需要建立一個(gè)高效戰(zhàn)略，以發(fā)展2020—2050年間以氫為導(dǎo)向的能源經(jīng)濟(jì)[10]。根據(jù)第六框架計(jì)劃（FP6; 2002—2006），歐盟已投入3億歐元用于氫能的研究項(xiàng)目。此外，2004 年1月，歐盟啟動(dòng)了歐洲氫能及燃料電池平臺(tái)。通過(guò)該公共平臺(tái)，歐盟致力于促進(jìn)商業(yè)可行的氫能及燃料電池應(yīng)用，并啟動(dòng)相關(guān)的氫基礎(chǔ)設(shè)施。該舉措為2008年建立燃料電池暨氫能聯(lián)合企業(yè)（FCH-JU）伙伴關(guān)系奠定基礎(chǔ)[11]。

如今，F(xiàn)CH-JU是歐洲支持氫能研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)（RTD）的最重要手段。這是一種公私合作伙伴關(guān)系，由三名成員組成：歐洲共同體（EC）、歐洲氫能研究所以及歐洲氫能組織[12]，分別代表公共機(jī)構(gòu)、研究團(tuán)體和行業(yè)合作伙伴（圖2）。能夠合理協(xié)調(diào)公共和私人利益是歐盟部署氫經(jīng)濟(jì)的必要條件。2008年，首個(gè)FCH-JU RTD項(xiàng)目啟動(dòng)，2007—2013年期間的總預(yù)算額為9.47億歐元，其中包括對(duì)持續(xù)運(yùn)行至2017年的RTD項(xiàng)目的支持。歐洲共同體通過(guò)FP7研究項(xiàng)目提供了一半的預(yù)算，其余部分由行業(yè)法人通過(guò)實(shí)物捐助的形式承擔(dān)[13]。在歐盟“地平線2020”計(jì)劃（2014—2020）運(yùn)行下，第二個(gè)FCH-2-JU RTD項(xiàng)目的預(yù)算額增加到13.3億歐元，其中一半由私人成員承擔(dān)[14]。FCH-2-JU項(xiàng)目的核心目標(biāo)如圖3所示。

為在2027年之前促進(jìn)歐洲的科學(xué)倡議，一項(xiàng)名為“歐洲地平線”（Horizon Europe）的新型歐盟研究及創(chuàng)新計(jì)劃將于2021年生效，該計(jì)劃預(yù)算為1000億歐元。該計(jì)劃將提供一整套方法用于進(jìn)行運(yùn)輸活動(dòng)，包括電池、清潔氫、低碳煉鋼、循環(huán)生物基產(chǎn)業(yè)以及建筑環(huán)境。在氫能方面，作為FCH-2-JU計(jì)劃的延續(xù)，一個(gè)名為“歐洲清潔氫”的新型伙伴關(guān)系[16]正在構(gòu)建中。該伙伴關(guān)系對(duì)于實(shí)施歐盟委員會(huì)于2020年7月發(fā)布的歐洲路線圖將發(fā)揮關(guān)鍵作用。這個(gè)路線圖定名為“歐洲氣候中立氫戰(zhàn)略”（A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe）[8]，是基于2019年發(fā)布的一份報(bào)告[17]提出的。其以整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈為基礎(chǔ)，建立了從生產(chǎn)到運(yùn)輸、工業(yè)、能源和供熱應(yīng)用的路線過(guò)程，同時(shí)考慮了相關(guān)技能和交叉問(wèn)題（即法規(guī)、安全、教育和培訓(xùn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)研究等）。

歐洲氫能路線圖的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)以風(fēng)能和太陽(yáng)能為主的可再生能源制備清潔氫。在進(jìn)行這一制備之前，需要考慮清潔氫的成本，清潔氫的成本 （2.5～5.5 歐元·kg-1）目前過(guò)于昂貴，通過(guò)化石燃料制氫的成本為1.5歐元·kg-1。此外，中間解決方案，如化石氫結(jié)合相應(yīng)的碳捕集與封存，成本約為2歐元·kg-1。在這一背景下，歐洲路線圖定義了三個(gè)階段：① 2020—2024年，將部署6 GW可再生氫電解槽，用于化工行業(yè)及重型運(yùn)輸行業(yè)（公共汽車及卡車）的現(xiàn)場(chǎng)制氫； ② 2025—2030年，電解槽裝置規(guī)模將增加至40 GW，主要用于新出現(xiàn)的市場(chǎng)（即煉鋼、鐵路和海運(yùn)）、加氫站、每日或季節(jié)性儲(chǔ)能、電網(wǎng)均衡、本地制氫網(wǎng)絡(luò)，并為住宅和商業(yè)建筑供熱；③ 2030—2050年，將大規(guī)模發(fā)展電力生產(chǎn)，其中四分之一的可再生電力用于制清潔氫。

為實(shí)現(xiàn)這一路線圖的目標(biāo)，需要額外的投資。例如，2020—2030年期間，電解制氫及其運(yùn)輸、分配、儲(chǔ)存以及加氫站建設(shè)將獲得大約1000億歐元的支持。伴隨而來(lái)的是巨大的投入（大約3000億歐元）用于利用太陽(yáng)能和風(fēng)能生產(chǎn)清潔電力。這些投資將得到歐洲清潔氫聯(lián)盟（European Clean Hydrogen Alliance）的支持[18]，該聯(lián)盟匯集了產(chǎn)業(yè)、國(guó)家和地方公共當(dāng)局（LPA）、民間社團(tuán)及其他利益相關(guān)者。

圖2. 燃料電池暨氫能聯(lián)合企業(yè)（FCH-JU）公私合作伙伴關(guān)系。

歐洲路線圖還確定了在以下兩個(gè)層面開(kāi)展國(guó)際合作的必要性：第一，與鄰國(guó)（即西歐和北非國(guó)家）接洽，推動(dòng)在清潔氫方面的合作，促進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型，并鼓勵(lì)可持續(xù)增長(zhǎng)和發(fā)展；第二，與全球行動(dòng)者合作，制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，確立通用的定義和方法。后者將通過(guò)國(guó)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行，如國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)和燃料電池伙伴計(jì)劃（IPHE）[19]、國(guó)際能源署（IEA）和國(guó)際可再生能源署（IRENA），以及20國(guó)集團(tuán)（G20）的合作。

圖3. FCH-JU計(jì)劃的核心目標(biāo)[15]。

綜上所述，在歐盟的支持下，法國(guó)和德國(guó)正從國(guó)家層面做出巨大投入，推動(dòng)在氫能源轉(zhuǎn)型領(lǐng)域開(kāi)展研究和創(chuàng)新。這些路線圖和計(jì)劃的目標(biāo)是采用尖端技術(shù)，為未來(lái)數(shù)個(gè)世紀(jì)造福人類的無(wú)碳世界鋪平道路。