文|立方知造局 劉錚
編輯|小材
奧運會總與綠色、環(huán)保關聯(lián)，帶著一種預告性。
比如2008年北京奧運會，中國成為國際上第一個大規(guī)模應用鋰電車的國家，實現(xiàn)奧運核心區(qū)首次零碳排，順勢開啟“中國新能源車元年”。如今中國成為了世界上第一大新能源汽車市場。
這一次，中國以溫和淡定的姿態(tài)，在奧運會場上娓娓道出一個上承全球“雙碳”趨勢，下接中國“3060目標”的預言——中國可再生能源發(fā)電技術走向成熟，而中國的氫能技術正在從實驗到實用，快速蛻變。
氫能之所以被寄予厚望，不僅因為它是人類終極化學能源，可以解決中國貧油、少氣、相對富煤的能源隱患。更重要的是，隨著世界各國相繼宣布碳達峰和碳中和計劃，全球碳本位時代即將到來——氫能技術，將與中國新國運直接掛鉤。
本屆冬奧會上，火炬里的氫氣閃動著火花，正在告訴世界：中國氫能已經(jīng)完成了關鍵的蛻變，屬于中國氫能的時代，正在到來。
01 “飛揚”火炬用到的氫氣，秀出中國哪些肌肉？
氫能源是一場關乎未來和國運的“軍備競賽”，通過冬奧會上的一朵“微火”，中國向世界傳遞出在理念和技術上堅定向前推進的決心。
冬奧火炬“飛揚”是世界首款高壓儲氫火炬，實現(xiàn)冬奧會歷史上第一次火炬零碳排。
從實用角度看，這是個好選擇：首先，氫氣易燃，不會出現(xiàn)火炬點不著或是中途熄滅的尷尬情況；其次，氫氣耐低溫，適合冬奧會可能面臨的極寒天氣。
但把一整套氫氣燃燒裝置塞進一根火炬里并非易事，需要保證安全、穩(wěn)定、可視等關鍵環(huán)節(jié)。
2022北京冬奧會火炬“飛揚” 圖源：中國石化
北京冬奧會籌辦工作的確將“綠色辦奧”放在首位，不過在火炬上附加技術、死摳細節(jié)的做法，除了呼應主題外，還有著兩層深意。
第一層是展示技術。高壓儲氫雖然是當前最為成熟的氫氣儲運方式，但還是需要具有多重保護、大容量、穩(wěn)定性強的裝置來運作。用于火炬這種幾乎可以稱為便攜型的設備，還要兼顧穩(wěn)定持續(xù)的氫氣釋放，需要強大的技術攻關能力才能實現(xiàn)。
第二層是展示理念。中國即將在2030年碳達峰，如何讓體量龐大的化石能源、重工業(yè)及時剎車，迫在眉睫。在解決問題過程中，植入“全過程控制碳排”的意識尤為重要——在排放量幾乎可以忽略的火炬中，仍然堅持零碳排，就是這一理念的體現(xiàn)。
02 中日兩國奧運會相隔半年，在氫能應用上有哪些不同？
日本作為最早出臺氫能政策的國家，在技術上較中國更為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈也更加全面。東京奧運會上，氫能的身影一直活躍：火炬、汽車、氫能無人機、氫能社區(qū)……在很多方面也刷新記錄。
中國在北京冬奧會上的升級和反超，固然有后發(fā)者避開彎路的因素存在，但從雙方氫能應用推進的廣度和深度來看，后發(fā)優(yōu)勢絕不是決定因素。
首先是火炬。東京奧運會首次使用氫作為主火炬燃料來源，并且是唯一燃料。但在接力火炬上，沒有使用高壓儲氫技術，并且氫氣只在部分地區(qū)接力中使用，更多還是用丙烷作為燃料。
其次是燃料電池車。東京奧運會共投放600多輛燃料電池車（其中包括100多輛氫能巴士），但主力運輸工具，還是3200輛電車和燃油車。
而北京奧運會投放的燃料電池車不僅在數(shù)量上更勝一籌，多樣性上也更為豐富：示范運行氫能源車超過1000輛，其中乘用車145輛，巴士及客車749輛，還有107輛服務于殘疾人的無障礙車。值得關注的，還有中國首臺完整知識產(chǎn)權(quán)的黃河X7氫燃料電池雪蠟車，能夠為場館提供綠色電源。
黃河X7氫燃料電池雪蠟車 圖片來源：氫能聯(lián)盟CHA
以日本的氫能技術來說，集中力量攻關火炬、投放更多氫能車并非難事，坐擁世界最大的綠氫制取項目FH2R，用綠氫點燃火炬臺更加容易，而真正困難的，就是“集中力量”。
不同于中國全國一盤棋，技術與理念協(xié)同作戰(zhàn)，日本雖然能源隱患嚴重，但由于市場小、內(nèi)需弱，從根源上對新能源的渴求就沒有中國強烈。日本從上世紀70年代開始持續(xù)推進氫能開發(fā)，但幾乎每次產(chǎn)生重大轉(zhuǎn)折都受到石油危機、地震等天災人禍的推動。
日本政府在政策上的徐步緩進，也側(cè)面壓低企業(yè)研發(fā)氫能技術的積極性，日系知名車企眾多，但真正持續(xù)在投入燃料電池車的，只有豐田一家。
相隔半年的兩屆奧運會上，豐田都有投放燃料電池車，但不同的是，東京奧運會只有豐田一家；而北京冬奧會上，中國本土車企卻是百花齊放。
能源危機、氫能發(fā)展，固然和代表先進生產(chǎn)力的“技術”密不可分，但只有堅定的“國家意志”，才是推進技術持續(xù)前進的關鍵籌碼。
03 冬奧氫能應用背后的企業(yè)有哪些？
舉重若輕的北京冬奧會，將氫能的彩蛋隱藏在看似尋常的應用之中，也正因如此，各個企業(yè)以及研制團隊所付出的努力也是成倍的。
比如看似只是造型華美的飛揚火炬，集合了航天科技、中石油、中石化三大央企。
火炬外殼由中國石化下屬上海石化研發(fā)的碳纖維復合材料制作，解決氫燃燒時的高溫難題，并且實現(xiàn)量產(chǎn)；
火炬三段內(nèi)核，均為中國航天科技集團六院研制，其中控制閥和燃燒器由11所研制，氣瓶由101所研制；
位于北京主火炬的氫氣由燕山石化提供；張家口賽區(qū)的太子城火炬臺所用的綠氫，由中國石油提供，這也是冬奧歷史上首次用綠氫點燃的火炬。
燃料電池車方面，豐田汽車交付了140輛MIRAI，107輛無障礙車COASTER；而國產(chǎn)品牌表現(xiàn)則更加亮眼：福田、宇通共交付749輛客車，一汽紅旗專門打造燃料電池版H5供冬奧會使用。
一家名為億華通的中國本土氫能公司，則為國產(chǎn)品牌的燃料電池車提供727套發(fā)動機。
冬奧會背后還有數(shù)十座加氫站，背后囊括國家能源的“油氫電”一體能源站，中石油、中石化各4座加氫站，以及國電投氫能產(chǎn)業(yè)園。
立方知造局將視野放大至中國氫能產(chǎn)業(yè)版圖，并梳理出一份國內(nèi)氫能專精特新小巨人名單。
制圖：立方知造局
04 什么是綠氫？為什么它是氫能技術發(fā)展的最終方向？
氫氣按照不同制備工藝，有顏色之分，主要有綠氫、藍氫和灰氫。比如，在冬奧會太子城火炬臺上，用到的是綠氫。
籠統(tǒng)來講，綠氫是以可再生能源電解水制得的氫氣，灰氫是以化石能源制備而成，藍氫則比灰氫制備過程中多出一個步驟——CCUS（碳捕捉）。
圖注：氫能的制取方式一共有8種，但脫不出灰、藍、綠的藩籬。
而根據(jù)制氫過程中產(chǎn)生的碳排放來衡量，中國氫能聯(lián)盟給出了另一套劃分標準——低碳氫、清潔氫、可再生氫。
兩套標注中唯一重合的定義，是通過電解水、光催化分解、熱化學和生物方法制得的綠氫，它被認為是氫能實現(xiàn)全過程零碳化的終極目標。目前技術上相對成熟的制取綠氫的方式是依靠風、光、水等可再生能源發(fā)電進行電解水。
不過，目前制備綠氫面臨著成本高、產(chǎn)能低等問題，制取1kg氫氣需消耗60度電。在全球氫氣產(chǎn)量中，電解法生產(chǎn)氫氣僅占5%左右。不過，目前全球已有大型綠氫項目基本屬于試運行狀態(tài)。
05 為什么說冬奧賽區(qū)張家口是中國氫能城市群的典型案例？
張家口崇禮縣之所以被選為冬奧會賽區(qū)，除了崇禮本身具有雪地環(huán)境以及滑雪文化之外，還與張家口當?shù)氐臍淠墚a(chǎn)業(yè)有關。
從2018年開始，張家口便全面布局氫能產(chǎn)業(yè)，打造氫能源全產(chǎn)業(yè)鏈基地。當?shù)負碛?000萬KW風能和3000萬KW太陽能資源儲量，非常適合可再生能源制氫。到2019年，已有28個國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)落戶張家口，產(chǎn)業(yè)基地已有雛形。
真正讓張家口成為中國氫能產(chǎn)業(yè)基地領頭羊的，還是“城市群”政策。
2020年9月16日，中國財政部、工信部、科技部、發(fā)改委、國家能源局，五部門開展燃料電池汽車示范應用。簡單來說，國家對氫能、燃料電池的補貼政策出臺。
然而，氫能新政和早前的鋰電池補貼有很大不同，并非補貼終端產(chǎn)品，而是以“城市群”為單位，對具有產(chǎn)業(yè)化攻關和示范應用的區(qū)域以獎代補。
城市群可以跨行政區(qū)域相結(jié)合，自愿申報但由中央評審；而獎勵資金只能用于核心技術產(chǎn)業(yè)化、人才引進團隊建設、新技術應用，至于整車生產(chǎn)、加氫站基建項目則無法獲得補貼。
這意味著鋰電池時代的泡沫市場不會再次重現(xiàn)，補貼政策將氫能技術限制在：聚焦技術創(chuàng)新，找準應用場景，構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
張家口市由于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，又有冬奧會國家級任務加身，在冬奧會開幕式前夕的1月26日，被正式批復為河北省燃料電池汽車示范城市群的牽頭城市，聯(lián)合城市里不僅有河北7座城市，還有上海、山東、河南、內(nèi)蒙古、福建多省的13個城市及地區(qū)。
從城市群出發(fā)，當產(chǎn)業(yè)與政府政策、資本、技術、市場充分結(jié)合以后，氫走廊就形成了。
中國目前有6個成規(guī)模的氫走廊：成渝氫走廊、長三角氫走廊、長江氫走廊、廣東粵灣氫走廊、山東半島氫動走廊和浙江特色氫走廊。
氫走廊以城際間帶狀和網(wǎng)狀加氫站、氫能高速等基礎設施為重點，加強城市群內(nèi)各區(qū)域之間的聯(lián)系，限制并引導資本合理進場，為企業(yè)投資布局指明方向。由此也加速了中國氫能技術的發(fā)展和能源綠色轉(zhuǎn)型。
06 為什么氫能關乎中國“新國運”？
在立方知造局文章《碳與氫：中國新國運》中提到，隨著巴黎氣候協(xié)定簽署通過，包括中國在內(nèi)的世界各個主要國家雙碳目標發(fā)布，控制碳排放、發(fā)展氫能源已成為大勢所趨。
北京冬奧會頻頻出現(xiàn)的氫能，不僅是奧運會對低碳環(huán)保呼吁的回應，還包含了中國對發(fā)展氫能的信心與決心。無論是從國內(nèi)還是國外兩個角度去看，氫能均關乎中國的新國運。
國內(nèi)：中國化石能源體系一直存在“貧油、少氣、相對富煤”的特點，在三種資源上均是世界第一進口大國。而以風光水為主的可再生能源發(fā)電體系，受地域和氣象的制約嚴重，即使在特高壓的加持下將棄電率降至個位數(shù)，供電仍不穩(wěn)定，高碳排的煤電將長期占據(jù)主要地位。
因此北京冬奧會將氫能定為主旋律之一，不僅是對奧運會呼吁低碳環(huán)保概念的回應，還向世界展示當前中國氫能源的先進水平，以及發(fā)展氫能的決心。
另一方面，中國制造業(yè)的飛速發(fā)展推動產(chǎn)業(yè)升級和污染治理成為基本國策，碳排放開始和各項政策、目標掛鉤。能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型蓄起中國制造業(yè)升級的勢能，也為中國經(jīng)歷尋求新的增長點。
國際：早在2009年的哥本哈根氣候會議上，“控制碳排放”就已經(jīng)成為先發(fā)國家阻擋后發(fā)國家的壁壘。
2016年巴黎氣候協(xié)定開放簽署，至今已有178個國家簽署通過，環(huán)保意識已變成意識形態(tài)。隨著世界各大國相繼宣布“碳排放”和“碳中和”計劃，意識形態(tài)又演化為關于碳排放權(quán)的政策和實踐——以“碳”為本位的新貨幣體系即將到來。
中國發(fā)展氫能，不僅是一條在能源領域彎道超車的路徑，還能保障國家能源安全、創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點；在國際上，先進的氫能技術能主導國際話語權(quán)，在未來碳本位體系下?lián)屨枷葯C。
07 中國氫能發(fā)展主要分為幾個階段？
中國氫能發(fā)展直到目前，大致可以分為四個階段：
1、獨自摸索：中國氫能和航天幾乎同時起步，上世紀60年代衛(wèi)星發(fā)射艱難攻關時，各地化物所紛紛接到氫氧燃料電池科研任務。因此包括液氫生產(chǎn)、儲運在內(nèi)的頂尖技術，航天系統(tǒng)基本都有掌握。負責冬奧會火炬研制的101所，就具備自主開發(fā)氫液化設備、加氫站、儲運系統(tǒng)的能力，直到現(xiàn)在也是中國液氫產(chǎn)能和用量最大的單位。
2、接軌世界：上世紀70年代以后，中國氫能發(fā)展開始受到國際大環(huán)境的影響，而國際氫能環(huán)境又受到石油價格的影響，因此經(jīng)歷了“三起三落”：分別發(fā)生在1973年、90年代兩次石油危機后，以及21世紀初期《京都議定書》簽訂和金融危機時。
制圖：立方知造局
3、政策引導：中國早在2001年就有燃料電池車相關的扶持政策出臺，當時進入這一領域的多是產(chǎn)學研形式，同濟大學支持的上燃公司、大連物化所衣寶廉團隊支持的大連新源 、清華歐陽明高團隊支持的億華通相繼成立。雙碳目標、補貼政策發(fā)布后，氫能技術企業(yè)進一步增多，能源國家隊、車企相繼進入賽道。
4、規(guī)模應用：氫能技術、產(chǎn)業(yè)不斷推進，加上城市群的帶頭作用，越來越多的城市已經(jīng)部署燃料電池公交車，并且將氫氣、天然氣混輸加入城市規(guī)劃中。北京冬奧會上大規(guī)模的氫能應用，也會促進使用氫能成為深入人心的概念，更有利于氫能技術規(guī)模化、市場化發(fā)展。
60年，4個階段。中國拿著氫能后發(fā)者的劇本，從氫能世界的配角，逐漸在產(chǎn)學研、城市群中歷練，最終有了冬奧會舞臺上的驚艷亮相。這一次中國與世界在氫能上的聯(lián)動，不再疏離。
08 為什么國際氫能企業(yè)要到中國合作氫能項目？
氫能應用和減碳浪潮相伴而生，兩者都需要全世界的努力才能實現(xiàn)，過程中的競爭不可避免，但合作同樣重要。
中國氫能發(fā)展相較日本、美國、歐盟來說稍晚，但中國具備巨大的內(nèi)部市場以及更有效率的統(tǒng)籌能力，能讓發(fā)展不斷加速。這吸引著外資涌入。
以日本為例，雖然氫能技術領先世界，但由于國內(nèi)資源少，內(nèi)需弱，一方面需要將過剩的技術產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到中國，另一方面也寄望于中國巨大的氫產(chǎn)量能夠反哺。
這便有了——
日本新日礦、丸紅等企業(yè)相繼與中石化、各省市政府展開技術合作；豐田汽車更是將中國市場當作自家燃料電池車MIRAI的救命稻草，與一汽、廣汽、億華通等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)燃料電池車的產(chǎn)品和系統(tǒng)。
歐美企業(yè)同樣不落后。全球三大氣體公司——德國林德、法國液化空氣、美國空氣化工都與中國企業(yè)合作，走出差異化路線。
林德集團與中國的合作方向是高壓氣態(tài)氫儲運、加氫站。主要合作者有上海、淄博、廣州等地方政府，上海驛藍、寶武、中海油、大連冰山等企業(yè)。
美國空氣化工主要參與的是工業(yè)副產(chǎn)制氫與提純、液氫、燃料電池、檢測技術標準等方面。與浙江、安徽、山西等地方企業(yè)合作較多。
法國液化空氣主攻地方性氫能基礎設施網(wǎng)絡與產(chǎn)業(yè)鏈，合作企業(yè)有山東兗礦集團、成都華氣厚普、中石化、鴻達興業(yè)。
另一方面，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)也開始面向全世界聚集產(chǎn)學研力量：河鋼集團與北京科技大學共同發(fā)起世界鋼鐵發(fā)展研究院；寶武集團發(fā)起設立全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟，成員來自15個國家。參與成員有世界排名前列的米塔爾、蒂森、塔塔等鋼鐵集團，亞琛工業(yè)大學、烏克蘭冶金學院等科研院所。
隨著中國氫能技術不斷突破、迭代、升級，中國在部分領域的國際主導地位將逐漸顯現(xiàn)。
09 氫能技術的應用，都有哪些難點？
北京冬奧會上氫能的大規(guī)模應用，只是邁出新階段的第一步，未來的氫能源需要深入的是千家萬戶，成本、易用將成為市場考量的主要因素。
但就目前來說，氫氣在制取、儲運、應用——標志著一種能源能否被大眾接受的三個要素上，仍然存在許多問題。
制取端：可再生能源+電解法，制氫成本高、轉(zhuǎn)換效率低，目前還處于“目標”的階段；看起來很好實現(xiàn)的低碳氫，實際需要等待副產(chǎn)制氫設備、CCUS技術的普及。而灰氫由于純度低，更多利用在工業(yè)領域，與普通消費者無關。
儲運端：氫能儲運主要有四種形式，高壓氣態(tài)，固態(tài)材料，低溫液態(tài)，有機液態(tài)。最成熟的仍然是高壓氣態(tài)儲運，也就是冬奧會火炬應用的方式。但其缺點非常明顯，運輸半徑短，危險性更高。而剩下三種方式，更多不是看氫能技術的發(fā)展，而是儲運材料的突破，這也將經(jīng)歷漫長的驗證過程。
應用端：當前新能源車還是以純電和混動為主，留給氫能車的空間并不大。2021年，全球主要國家氫能車銷量雖然同比大幅增長68%，但實際數(shù)量只有16000多臺。其原因一方面在于氫能車產(chǎn)業(yè)化仍然偏弱，市場上還沒有典型爆款，能改變?nèi)藗儗τ谛履茉窜嚨扔陔妱榆嚨墓袒^念。
10 未來哪些科幻場景將在氫能產(chǎn)業(yè)中實現(xiàn)？
“雖然未來似乎很遙遠，但其實已經(jīng)開始了?！薄R提·史提潘尼科
光伏、氫能、機器人、AI……過去數(shù)個世紀在故事、小說里反復出現(xiàn)的科幻迷思，已經(jīng)在幾十年內(nèi)成為人們熟知的“新”事物。雨果曾說：沒有什么比夢想更能創(chuàng)造未來。當人類舉目向天，太陽和星星已經(jīng)成為終極能量來源的目標——沒錯，就是核聚變。
2021年7月，人類歷史上第一個太空發(fā)電站（接收端）在中國重慶投建，未來通過發(fā)射人造光伏衛(wèi)星，可以直接從太空接收太陽能并直接轉(zhuǎn)換成電能，再通過微波輸送至地球。這種形式收集到的太陽能更多，發(fā)電不再被天氣影響，也不用考慮晝夜變化。更加穩(wěn)定的光伏制氫也可以實現(xiàn)了。
雖然這個工程的確是“人類的一大步”，但實驗意義大過實用意義。短暫的興奮后，我們的目光還是得回到地面，好好思考在沒有太空電站的日子里，要怎樣進一步提升光伏板的接收效率，找到更先進的材料。
將AI引入材料開發(fā)的方法被稱為“材料信息學”——“數(shù)據(jù)科學”的一個分支。而數(shù)據(jù)科學是繼經(jīng)驗科學、理論科學、計算機科學之后的第四種范式。
2021年，日本大阪大學的佐伯昭紀將論文中記載的1200種光伏材料加入數(shù)據(jù)庫，完成學習的AI成功分析出發(fā)電效率和高分子材料間的關系，并進行材料預測。而使用預測的材料制作成光伏電池后，實際效率和預測效率幾乎一致。
對于中國來說，材料信息學和氫能技術一樣，都是實現(xiàn)彎道超車的巨大機遇。根據(jù)工信部的調(diào)研，在130多種關鍵基礎材料中，32%一片空白，52%依賴進口，許多卡脖子技術都與材料有關。傳統(tǒng)“試錯式”研發(fā)模式，在愈發(fā)激烈的能源競爭中已逐漸失去后發(fā)優(yōu)勢，新材料必須快速走出實驗室。
原先一個團隊需要5~6年從合成到確認100種高分子材料，還不包成功、不包量產(chǎn)，如今AI只要用數(shù)分鐘就能快速篩選出具有研究價值的材料。
當前，產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系越發(fā)超乎人們的想象，氫能源向上能推動材料技術，向下能解決能源問題。因此現(xiàn)在談到氫能源的“未來”，并非是在做一個美好的設想，而是一場切實可行的終極之爭。