文|立方知造局 劉錚
編輯|小材
奧運會總與綠色、環保關聯，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模應用鋰電車的國家，實現奧運核心區首次零碳排，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，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、穩定、可視等關鍵環節。
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，還要兼顧穩定持續的氫氣釋放，需要強大的技術攻關能力才能實現。
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。
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，產業鏈也更加全面。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……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，后發優勢絕不是決定因素。
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權的黃河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，技術與理念協同作戰，日本雖然能源隱患嚴重，但由于市場小、內需弱，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年代開始持續推進氫能開發，但幾乎每次產生重大轉折都受到石油危機、地震等天災人禍的推動。
日本政府在政策上的徐步緩進，也側面壓低企業研發氫能技術的積極性，日系知名車企眾多，但真正持續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、氫能發展，固然和代表先進生產力的“技術”密不可分，但只有堅定的“國家意志”，才是推進技術持續前進的關鍵籌碼。
03 冬奧氫能應用背后的企業有哪些？
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，并且實現量產；
火炬三段內核，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；而國產品牌表現則更加亮眼：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，則為國產品牌的燃料電池車提供727套發動機。
冬奧會背后還有數十座加氫站，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，以及國電投氫能產業園。
立方知造局將視野放大至中國氫能產業版圖，并梳理出一份國內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。
而根據制氫過程中產生的碳排放來衡量，中國氫能聯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、水等可再生能源發電進行電解水。
不過，目前制備綠氫面臨著成本高、產能低等問題，制取1kg氫氣需消耗60度電。在全球氫氣產量中，電解法生產氫氣僅占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。
05 為什么說冬奧賽區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，除了崇禮本身具有雪地環境以及滑雪文化之外，還與張家口當地的氫能產業有關。
從2018年開始，張家口便全面布局氫能產業，打造氫能源全產業鏈基地。當地擁有4000萬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個國內外氫能產業落戶張家口，產業基地已有雛形。
真正讓張家口成為中國氫能產業基地領頭羊的，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，并非補貼終端產品，而是以“城市群”為單位，對具有產業化攻關和示范應用的區域以獎代補。
城市群可以跨行政區域相結合，自愿申報但由中央評審；而獎勵資金只能用于核心技術產業化、人才引進團隊建設、新技術應用，至于整車生產、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，補貼政策將氫能技術限制在：聚焦技術創新，找準應用場景，構建完整的產業鏈。
張家口市由于氫能產業發展早，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，聯合城市里不僅有河北7座城市，還有上海、山東、河南、內蒙古、福建多省的13個城市及地區。
從城市群出發，當產業與政府政策、資本、技術、市場充分結合以后，氫走廊就形成了。
中國目前有6個成規模的氫走廊：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狀加氫站、氫能高速等基礎設施為重點，加強城市群內各區域之間的聯系，限制并引導資本合理進場，為企業投資布局指明方向。由此也加速了中國氫能技術的發展和能源綠色轉型。
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，隨著巴黎氣候協定簽署通過，包括中國在內的世界各個主要國家雙碳目標發布，控制碳排放、發展氫能源已成為大勢所趨。
北京冬奧會頻頻出現的氫能，不僅是奧運會對低碳環保呼吁的回應，還包含了中國對發展氫能的信心與決心。無論是從國內還是國外兩個角度去看，氫能均關乎中國的新國運。
國內：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，供電仍不穩定，高碳排的煤電將長期占據主要地位。
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，以及發展氫能的決心。
另一方面，中國制造業的飛速發展推動產業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。能源產業轉型蓄起中國制造業升級的勢能，也為中國經歷尋求新的增長點。
國際：早在2009年的哥本哈根氣候會議上，“控制碳排放”就已經成為先發國家阻擋后發國家的壁壘。
2016年巴黎氣候協定開放簽署，至今已有178個國家簽署通過，環保意識已變成意識形態。隨著世界各大國相繼宣布“碳排放”和“碳中和”計劃，意識形態又演化為關于碳排放權的政策和實踐——以“碳”為本位的新貨幣體系即將到來。
中國發展氫能，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、創造新的經濟增長點；在國際上，先進的氫能技術能主導國際話語權，在未來碳本位體系下搶占先機。
07 中國氫能發展主要分為幾個階段？
中國氫能發展直到目前，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年代衛星發射艱難攻關時，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、儲運在內的頂尖技術，航天系統基本都有掌握。負責冬奧會火炬研制的101所，就具備自主開發氫液化設備、加氫站、儲運系統的能力，直到現在也是中國液氫產能和用量最大的單位。
2、接軌世界：上世紀70年代以后，中國氫能發展開始受到國際大環境的影響，而國際氫能環境又受到石油價格的影響，因此經歷了“三起三落”：分別發生在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、補貼政策發布后，氫能技術企業進一步增多，能源國家隊、車企相繼進入賽道。
4、規模應用：氫能技術、產業不斷推進，加上城市群的帶頭作用，越來越多的城市已經部署燃料電池公交車，并且將氫氣、天然氣混輸加入城市規劃中。北京冬奧會上大規模的氫能應用，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模化、市場化發展。
60年，4個階段。中國拿著氫能后發者的劇本，從氫能世界的配角，逐漸在產學研、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動，不再疏離。
08 為什么國際氫能企業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，過程中的競爭不可避免，但合作同樣重要。
中國氫能發展相較日本、美國、歐盟來說稍晚，但中國具備巨大的內部市場以及更有效率的統籌能力，能讓發展不斷加速。這吸引著外資涌入。
以日本為例，雖然氫能技術領先世界，但由于國內資源少，內需弱，一方面需要將過剩的技術產能轉移到中國，另一方面也寄望于中國巨大的氫產量能夠反哺。
這便有了——
日本新日礦、丸紅等企業相繼與中石化、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、億華通等企業聯合開發燃料電池車的產品和系統。
歐美企業同樣不落后。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。
美國空氣化工主要參與的是工業副產制氫與提純、液氫、燃料電池、檢測技術標準等方面。與浙江、安徽、山西等地方企業合作較多。
法國液化空氣主攻地方性氫能基礎設施網絡與產業鏈，合作企業有山東兗礦集團、成都華氣厚普、中石化、鴻達興業。
另一方面，國內鋼鐵企業也開始面向全世界聚集產學研力量：河鋼集團與北京科技大學共同發起世界鋼鐵發展研究院；寶武集團發起設立全球低碳冶金創新聯盟，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。
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、轉換效率低，目前還處于“目標”的階段；看起來很好實現的低碳氫，實際需要等待副產制氫設備、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，固態材料，低溫液態，有機液態。最成熟的仍然是高壓氣態儲運，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展，而是儲運材料的突破，這也將經歷漫長的驗證過程。
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%，但實際數量只有16000多臺。其原因一方面在于氫能車產業化仍然偏弱，市場上還沒有典型爆款，能改變人們對于新能源車等于電動車的固化觀念。
10 未來哪些科幻場景將在氫能產業中實現？
“雖然未來似乎很遙遠，但其實已經開始了。”——馬提·史提潘尼科
光伏、氫能、機器人、AI……過去數個世紀在故事、小說里反復出現的科幻迷思，已經在幾十年內成為人們熟知的“新”事物。雨果曾說：沒有什么比夢想更能創造未來。當人類舉目向天，太陽和星星已經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電站（接收端）在中國重慶投建，未來通過發射人造光伏衛星，可以直接從太空接收太陽能并直接轉換成電能，再通過微波輸送至地球。這種形式收集到的太陽能更多，發電不再被天氣影響，也不用考慮晝夜變化。更加穩定的光伏制氫也可以實現了。
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引入材料開發的方法被稱為“材料信息學”——“數據科學”的一個分支。而數據科學是繼經驗科學、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種光伏材料加入數據庫，完成學習的AI成功分析出發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，都是實現彎道超車的巨大機遇。根據工信部的調研，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“試錯式”研發模式，在愈發激烈的能源競爭中已逐漸失去后發優勢，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，如今AI只要用數分鐘就能快速篩選出具有研究價值的材料。
當前，產業與產業之間的聯系越發超乎人們的想象，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。