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[1-2]。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[3]。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。

氫能作為一種清潔靈活的二次能源，在新能源為主體的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。（關注氫電邦微信公眾號，申請加入微信群）氫能也是廣義上的能量存儲形式之一，如圖 1 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[4]。

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  EnergyAgency, IRENA）報道，按照氫氣的來源，可以將其劃分為綠氫、藍氫和灰氫[5]。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 ℃ 以內，到 2050年全球需要 5 TW 可再生能源電力用于生產綠氫，折合約 4×108t 綠氫[6]。而根據中國氫能聯盟的報道，2030 年我國的氫氣需求量在 3.5×107t，2050 年則達到 6×107t，在我國的終端能源體系中的比重將超過10%[7]。

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/kW（折合人民幣約 0.066 元/kW，沙特），而我國光伏發電最低中標電價約 0.147 元/kW（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 2 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[8]。

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，如表 1 所示

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[9]。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 ℃），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

綠氫的應用場景主要包括交通、建筑、電力、工業等領域，如圖 3 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。

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[15-16]。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 5 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 3 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

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[17]。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[18-19]。

氫氣在工業上的應用早已非常廣泛，如圖 6 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%[20]。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，如圖 7 所示。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。

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 3.5×107t 左右，其中綠氫約 5×105t；而到 2060 年實現碳中和，我國氫氣的消耗總量將達到 1.3×108t，其中綠氫的規模也將達到 108t[21]。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。

“碳達峰、碳中和”目標下，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，有利于保障新能源為主體的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。