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摘要：新时代氢能源对于国家竞争力的巨大影响越发凸显，欧洲主要国家、美国等纷纷开展制氢项目以满足能源需求，本文将介绍近两年为实现2050年净零排放目标，各国在电力脱碳化和氢能利用方面所采取的具体对策及氢能战略。

关键字：氢能、电力脱碳化、水电解制氢、核能制氢、SMR制氢、绿氢

美国、欧盟（EU）、加拿大、英国、日本等主要国家宣布了到2050年实现温室气体净零排放的目标。为实现该目标，各国在电力脱碳化和氢能利用方面倾注心力。

由化石燃料燃烧产生的二氧化碳（CO₂）占温室效应气体的绝大部分，其在全球各领域的排放量比例分别为：发电和热部门44%；以汽车为主的运输部门26%；工业部门19%（图1左图）。若能将发电领域的燃料转换为可再生能源和核能，则有望实现在CO₂排放量中占据很大比例的发电行业的脱碳。

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在运输行业中，电动化能够实现乘用车的脱碳，但要实现无法搭载大重量电池的飞机以及长距离卡车的电动化需要蓄电池的巨大创新。一个解决方法是在难以实现电动化的情况下利用氢能。使用利用氢能的燃料电池、或者利用氢和从大气中回收的CO₂制造的合成燃料（e-fuel）。而且，在利用化石燃料的工业部门，也计划在难以电动化的领域利用氢来代替化石燃料。

美国和法国均开始利用核能发电制造清洁氢

过去的2021年，以欧美为中心出台了许多氢能利用的具体对策。例如，欧洲主要国家已开始广泛使用氢燃料电池列车代替柴油机车；高炉炼铁行业作为能源密集型产业的代表，为实现脱碳化，也已经开始实际利用氢能。

欧洲主要国家、美国等国家纷纷开展制氢项目以满足能源需求。水电解制氢技术利用不排放CO₂的电力，因此备受关注。美国、法国政府等明确表示将利用核电作为制氢用电。去年8月至10月，美国能源部（DOE）决定向建设在纽约州和亚利桑那州的现有核电站附近的电解水工厂发放补助金。

去年10月，法国总统马克龙宣布，将新建小型模块化反应堆（SMR），并利用核电进行水电解来制造氢气。绿氢是指利用可再生能源进行电解水而制造的氢，而美国政府和马克龙总统均将利用核能制造的氢也称为清洁氢或绿氢。

日本企业正在推进由澳大利亚褐煤制氢并捕捉排放的CO₂的项目，并将在澳大利亚制造的氢液化或以氨的形式运输到日本。但是，与在氢的需求地建设电解水制氢设备的地产地销方式相比，该项目需要较高的运输成本，因此在成本方面可能缺乏竞争力。日本应该推进的制氢主体是，通过在需要氢的工业地带等设置SMR和电解工厂来实现氢的地产地销，促进地区经济和就业。

将引入欧洲的氢动力列车

根据欧洲环境局（EEA）公布的不同运输手段的CO₂排放量可知，搭载1人1公里（km）的CO₂排放量分别为：飞机160g、小汽车143g、公交车80g、船舶61g、铁路33g。另外，运输1吨货物的CO₂排放量分别为：飞机1036g、重卡137g、运输船33g、铁路24g、海运7g。

从以上数据可以看出，铁路的CO₂排放量最小。铁路的CO₂排放量占全球运输行业总CO₂排放量的比例仅为1%（图2），约8300万吨。

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在还未实现电气化的铁路线路上主要利用柴油机车，但是，除了排放CO₂外，柴油车还存在噪音、震动等问题。为削减CO₂排放量，在短途区间内，可利用搭载有蓄电池的列车，但从蓄电池的重量和充电时间的角度来看，难以在长途区间内利用这种列车。

铁路部门的减排政策是以发电部门的脱碳化为前提的铁路线路的电气化，但在运行频率不高的线路上，从投资回报的角度来看，这一政策很难实现。日本铁路线路的电气化率为67%，而欧盟的电气化率仅为54%，目前，欧盟正在使用的柴油列车约有5000节编组。

为实现未电气化区间的脱碳化，法国的跨国铁路列车制造商阿尔斯通公司从2013年开始开发被称为“Coradia iLint”的氢燃料电池列车。2018年9月，在德国汉堡郊外123公里的区间开始运行具有150个座位、定员300人的2节编组氢燃料电池列车，之后在奥地利、法国、瑞典、波兰等地进行了试运行。

目前，关于该氢燃料电池列车，德国订购了41节编组，意大利订购了最多14节编组，法国订购了在电气化区间也可使用的12节编组混合动力列车，并且将逐步引入欧盟。除铁路之外，欧盟还将引进燃料电池卡车，欧洲委员会（EC）表示2030年燃料电池卡车的市场占有率将达到17%。

对于难以实现电动化的飞机，计划使用由脱碳电力电解水制造的氢和从大气中回收的CO₂制造的合成燃料（e-fuel）。运输行业对于氢能的需求与日俱增，但与能源密集型行业的需求量相比相差甚远。

高炉炼铁需要大量氢

根据国际钢铁协会的数据，2020年，全球每生产1吨钢铁产品会排放1.85吨CO₂。全球钢铁产量为18亿6000万吨，CO₂排放量达到33亿吨，近全球总排放量的10%。钢铁产品的制造方法包括利用电炉熔融铁废料以制造钢铁的方法；以及利用煤焦炭在高炉中熔融并还原铁矿石以制造钢铁的方法。

在电炉炼铁工艺中，CO₂排放量取决于使用的电力，若能利用可再生能源电力或核电，则有望削减CO₂排放量。在日本，采用电炉炼铁方法每制造1吨钢铁产品会排放0.5吨CO₂。

另一方面，在利用焦炭的高炉炼铁工艺中，需要使用焦炭（C）还原铁矿石（Fe₂O₃）以提取出铁（Fe），在此过程中会排放CO₂。在日本的高炉炼铁工艺中，每生产1吨钢铁产品会排放2.2吨的CO₂。将使用的电力的制造过程中排放的CO₂量包含在内，日本钢铁行业产生的CO₂排放量占日本总排放量的14%。

实现脱碳化面临的一大课题是削减钢铁行业的CO₂排放量。将炼铁工艺由高炉转换为电炉的话会削减CO₂排放量，但有的高级钢材只能采用高炉生产，而且铁废料的数量有限，因此高炉炼铁工艺必不可少。为了实现高炉炼铁工艺的脱碳化，需要使用氢代替焦炭。在该工艺过程中利用氢代替焦炭的话，不会排放CO₂，只会生成水。

2020年全球粗钢产量达到18亿6000万吨，其中利用高炉炼铁工艺的粗钢产量达到13亿1000万吨，约占7成。如果将全球高炉炼铁工艺中使用的焦炭都转换为氢的话，氢需求量将高达7200万吨，而如果通过电解水制造氢气的话，按照目前的技术，电解所需的电力高达4万亿千瓦时（kWh）。

根据英国石油巨头BP公布的统计数据，2020年全球发电量为26万8230亿kWh，以上电解所需的电力是其15%，相当于日本总发电量的4倍，需要来源于不排放CO₂的可再生能源、核能或附设有CO₂捕获封存装置的火力发电设备的电力。美国、欧盟已经开始研究利用脱碳电力制氢的具体策略。

美国真正的氢战略

去年8月，美国大型电力公司Exelon宣布，美国能源部将拨款500万美元（约3180万元）的补助金，用以支援与纽约州核电站相邻建设的1兆瓦（MW）绿氢电解制造装置。去年10月，美国能源部宣布将拨款2000万美元（约1亿2700万元）的补助金，用以扶持产学官合作项目，即利用亚利桑那州的核电站产生的电力，通过电解水制造氢气，并探讨氢在燃料制造、发电等多领域的应用。

美国能源部正在推进削减制造成本的计划。计划将可再生能源制氢的成本由目前的5美元（约31.79元）/kg降低至2美元（约12.71元）/kg（2026年）、乃至1美元（约6.36元）/kg（2030年）。

去年11月15日，美国国会通过1.2万亿美元的跨党派《基础设施投资和就业法案》，其中氢能相关投资高达95亿美元，这足以看出美国政府对氢能的认真程度。

其中，80亿美元用于在至少4个地方设置制氢等研发中心；5亿美元用于制造1kg氢的CO₂排放量降至2kg以下的清洁制氢的研发；剩余10亿美元用于降低电解水制氢的成本等。除此之外，还为建设电动汽车用充电设备、燃料电池车加氢设备设定了25亿美元的预算。

欧洲对于在利用核能还是可再生能源上存在意见分歧

欧盟委员会也致力于氢能。去年11月，欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩对氢能源充满信心地表示：“2020年，天然气制氢的成本约为2欧元（约14.59元）/kg。目前，利用可再生能源电力电解水制氢的成本约为6欧元（约43.78元），计划到2030年降至约1.8欧元（约13.13元）以下，这是可以实现的。”同时，欧盟委员会还计划在欧盟、乌克兰、摩洛哥等地安装风力、太阳能发电设备，争取在2030年生产1000万吨氢。

针对欧盟委员会将推进的绿氢制造计划，法国总统马克龙主张，也应利用核能发电。受到欧洲能源和电力危机的影响，此前欧盟内部也强烈要求有效利用作为稳定电源的核电。去年10月12日，马克龙总统表示：“目前，可再生能源电力并没有足以制造绿氢的能力，应利用法国的核能设备来制造绿氢”，同时宣布，“在法国政府的300亿欧元投资计划中，10亿欧元将用于EDF（法国电力）正在开发的SMR，在2030年之前，法国将在2个地方设置大规模制氢设备”，法国将通过开发SMR和利用核能来实现绿氢制造。

去年末，德国关闭了3座核电站，并计划在今年末关闭最后3座核电站，由此实现零核电，这也使得德国无法像法国一样利用核电制氢。在拥有钢铁、化学等能源密集型产业的德国，预计2050年制氢所需的电力量将相当于现在的电力总需求量，但从国土面积来看，德国无法在国内安装足够的制氢所需的可再生能源发电设备。

因此，德国只能从海外进口氢，目前其已与澳大利亚签订了有关利用澳大利亚的可再生能源电力制氢的企业化调查备忘录。与法国相比，德国的氢成本高昂不可避免。

不走德国老路的日本

日本拥有钢铁、化学、水泥等能源密集型产业，今后也需要大量的氢。利用澳大利亚褐煤制造的氢气量有限，因此日本有必要考虑在国内进行电解水制氢。综合考虑运输基础设施和运输成本的话，在需要氢的工业地带等需求地安装SMR和电解装置来制造氢气的方式最具竞争力。

实行脱核电的德国只能依靠进口氢。幸运的是，日本还能够选择核能。新时代氢能源对于国家竞争力的巨大影响将越发凸显。

除了欧美主要国家之外，中俄也开始利用SMR制氢。利用SMR制氢，而非导入可再生能源，能够通过能源的地产地销来激发地区经济活力，创造就业机会。如果不能提高收入水平和创造就业机会，日本的少子化也将无法改善。留给日本做决断的时间已经不多了。

全球氢战略竞争时代已经开启！美国、欧盟······