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我国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，要求逐步探索工业领域替代应用，积极推动试点示范。为落实《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》[1]，2024年12月30日，工信部、国家发展改革委、国家能源局联合发布《加快工业领域清洁低碳氢应用实施方案》[2]，从清洁低碳氢替代应用、氢冶金应用、氢碳耦合制绿色甲醇、氢氮耦合制绿色合成氨、氢燃料电池汽车应用、氢动力交通装备、氢电融合工业绿色微电网等7个方面做出了30项工作部署，方案强调了3项重点任务，即拓展多元应用场景、加强装备技术攻关并夯实产业发展基础。本文基于该方案提出的工作部署和任务目标，梳理近期全球主要国家工业领域氢应用的相关政策、研发及应用进展，并分析未来趋势以供参考。
一、近期主要国家推动氢工业应用的政策
近年来，美国、欧盟、日本、英国等纷纷发布或更新氢战略，重点强化氢在产业降碳中的任务部署，扩大氢的多元化应用场景和规模，如美国打造区域氢中心，欧盟密集部署氢谷示范项目，日本建设“氢能社会”，德国谋求成为氢能技术供应国，各国积极探索“氢+”多行业多场景融合解决方案。
美国于2024年12月20日更新《氢项目计划》[3]，明确了氢能项目战略性、高影响力重点领域以及美国能源部办公室协同实施2023年战略和路线图的工作机制。美国通过政策、技术、资金、市场等多方面的支持，重点推动氢能在工业（如化工、钢铁和炼油）、交通、电力等领域的应用，特别是在冶金、炼化和合成氨行业，氢能被视为重要的减排手段。此外，美国还批准了一系列氢能补贴，并明确了补贴规则。2024年12月4日，美国财政部（Treasury）和美国联邦税务局（IRS）公布《通胀削减法案》第48节项目投资补贴规则，该规则为清洁能源项目开发商明确清晰度和确定性，鼓励开发商进行重大投资，生产更多清洁能源，进一步加强美国清洁能源经济[4]；2025年1月3日，美国财政部和IRS发布《通胀削减法案》第45V节清洁氢生产税收抵免最终规则，明确了氢气生产商（包括使用各种来源的电力、碳捕集天然气、可再生天然气和煤矿甲烷的生产商）如何确定获得信贷的资格[5]。
日本于2023年更新《氢能基本战略》，设定到2040年氢（含氨）供应量1200万吨/年的目标，公共和私营部门也将在未来15年共同投资15万亿日元推广氢能应用。2024年5月17日，日本议会通过《氢能社会促进法案》，规定将向本地生产和进口的任何类型的“低碳氢”认证供应商提供15年补贴，为扩大绿氨生产提供有力支撑。2024年12月27日，日本在其发布的第七次能源战略计划草案[6]中提到，工业领域将继续推进氢还原制铁、氢燃烧器、锅炉等的技术开发和示范。
欧盟着眼于氢能与可再生能源融合发展以及重点产业深度脱碳，持续扩大清洁氢供给和消费规模。2022年，REPowerEU计划提出到2030年实现可再生氢能本地生产1000万吨、进口1000万吨的目标，2023年3月欧洲氢能银行计划支持《欧洲绿色协议》、《净零工业法案》的实施，2023年10月修订的《可再生能源指令》提出到2030年工业用氢中的42%必须为可再生氢。此外，瑞士于2024年12月13日发布《国家氢能战略》[7]，指出到2035年，在工业领域氢将被用作原料和替代化石燃料的潜在能源。
我国《加快工业领域清洁低碳氢应用实施方案》指出，到2027年，工业领域清洁低碳氢应用装备支撑和技术推广取得积极进展，清洁低碳氢在冶金、合成氨、合成甲醇、炼化等行业实现规模化应用,在工业绿色微电网、船舶、航空、轨道交通等领域实现示范应用，形成一批氢能交通、发电、储能商业化应用模式。培育一批产业生态主导力强的龙头企业和产业集聚区，以及专业水平高、服务能力强的系统解决方案供应商，初步构建较为完整的产业链和产业体系。方案指出，我国将“加强部门协同，统筹资金、项目、政策、标准等要素资源，加大保障支持力度”。
二、氢在工业领域的重要技术与应用进展
近年来，随着钢铁、化工、航运、航空、电力等行业低碳转型进程的加快，基于清洁低碳氢开展冶金、炼化、合成化学品、合成燃料的重要性、紧迫性日益凸显。包括氢冶金、合成氨、合成甲醇等在内的氢工业已有超过百年的研究历史。当前研究主要聚焦于工艺变革，如短流程工艺和高效催化剂的开发等，以实现能效提高和减少排放。全球范围内，氢在工业领域的应用取得了多项重要突破性进展。
1、氢冶金
氢冶金作为钢铁行业低碳转型的重要路径，利用氢气替代碳做还原剂，大幅降低二氧化碳排放。2024年9月，德国马克斯普朗克研究所提出基于氢气的氧化还原合成和压实的方法，将金属提取、合金化和热机械加工合并为单一的固态操作，对传统的合金制造进行了改革。该方法将氧化物直接转化为具有实用性能的块状绿色合金，此过程均在远低于块状熔点的温度下获得，并同时实现CO₂零排放[8]。
欧盟、美国、日本等主要经济体纷纷开展氢冶金技术研发和示范应用，推动钢铁行业的绿色转型。瑞典HYBRIT项目使用绿氢生产的海绵铁进行电弧炉炼钢，吨钢二氧化碳排放量小于0.05吨。2024年8月，HYBRIT项目组发布六年（2018-2024）研究结果，报告称该项目采用的绿电电解水制氢和储氢设施实现较长时间连续运行，氢气生产可变成本降低40%[9]。日本 COURSE50低碳炼铁项目计划在2030年左右实现工业示范，最终目标是到2050年实现技术工业化和技术转让，目前开发到工业化实验阶段。2024年12月，日本制铁在Super COURSE50项目的12 m3试验炉中通过氢还原在世界范围内首次实现43%的二氧化碳减排量，提前实现试验炉的开发目标[10]。2024年1月，中国钢研科技集团有限公司自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程正式运行，该示范线稳定运行2000小时，生产直接还原铁4000吨，常态金属化率达到97%~99.4%[11]。2024年9月，河钢120万吨氢冶金示范工程应用绿氢还原实现稳定生产[12]。
2、氢基化工
氢能作为重要的化工原料，在合成氨、合成甲醇、炼化等行业得到广泛应用。通过利用清洁低碳氢，化工行业可以实现深度脱碳，提高能源利用效率。2024年3月，丹麦科技大学首次从实验上证明了Co系合成氨催化剂的活性位点为Co的step位点，以及La在Co-step上的吸附极大地促进了反应进行。在350 ℃和1 bar条件下，La/Co体系的周转频率为0.047±0.003/s，超过了在相同条件下测试的其他模型催化剂[13]。2024年9月，福州大学报道了一种通过将巴克敏斯特富勒烯（C60）锚定到非铁类过渡金属上制备的簇基质助催化剂，该催化剂可在温和条件下高效合成氨[14]。2024年11月，中国科学院大连化学物理研究所成功设计合成了电子助剂Na和结构助剂Co共修饰的铁基催化剂，并研究发现Na和Co的协同作用促进了在低温反应条件下（180~240 ℃）铁催化剂原位碳化形成三斜相的NaCoFe合金碳化物，显著提升了二氧化碳加氢制烯烃的催化性能[15]。同期，中国科学院大连化学物理研究所与大连理工大学合作利用硫化钨限域钯原子（Pd/WS2）催化剂实现常温常压、高活性、高稳定性乙炔加氢制乙烯，为温和条件下乙烯生产提供了新的途径[16]。
绿氨是利用风电、光伏等可再生能源电解水制绿氢，并与空气中的氮气制备成合成氨[17]。受限于氢能产业的发展，全球绿氨产业仍处于商业化早期阶段，可再生资源较多的地区已有若干绿氨项目开工。海外绿氨项目主要分布在澳大利亚、南美、欧洲和中东。2024年4月，日本JERA公司宣布与印度大型可再生能源公司ReNew联合建设绿氨项目，项目计划于2030年投产，年生产能力达10万吨[18]。2024年12月，Aker和VNG签署挪威可再生氨气的框架协议，计划将在挪威北部Narvik建设的可再生氨生产厂的氨供应至德国，Aker的Narvik工厂将从2029年起生产约45万吨绿色氨[19]。沙特阿美联合美国空气产品公司等在沙特投资的NEOM绿氢/绿氨项目未来将全部由可再生能源供电，计划于2026年完成[20]。
绿色甲醇作为新型清洁能源，其制备路径包括CO₂加氢制甲醇和生物质制甲醇，受限于当前技术和成本的挑战，绿色甲醇在大规模生产能力和成本效益上与传统的煤制甲醇存在较大差距。全球范围内，绿醇的产能主要集中在欧洲、北美、东亚等地区。据国际组织甲醇协会统计，截至2024年12月，海外规划绿色甲醇项目共有115个，合计规划产能约1370万吨/年。大多数项目还在研究和规划阶段，建设和已经投产的项目较少。近年来，我国一大批示范项目开工，如2020年，中国科学院大连化学物理研究所在兰州新区完成了全球首套千吨级液态太阳能燃料合成的全流程中试项目，当前正在与中煤集团合作推进十万吨级的工业化生产[21]。2024年11月，由中国化学所属六公司参建的目前全球最大体量的绿色氢氨醇一体化项目——中能建松原氢能产业园项目四套电解制氢装置主体结构顺利封顶，项目规划年产绿氢11万吨，绿氨/醇60万吨[22]。绿色甲醇作为燃料应用主要集中在船舶领域和地面交通领域，船舶运营及制造相关企业主要包括丹麦Maersk、德国MAN Energy Solutions等，地面交通领域掌握绿色甲醇燃料电池车核心技术主要是吉利集团等，相关燃料生产企业包括传统能源和新能源企业，如中国金风科技、挪威Equinor等[23]。
3、氢燃料供热
氢气也可作为替代燃料用于玻璃、水泥和陶瓷制造等行业，以取代化石燃料的使用。
玻璃行业。2024年4月，德国高科技集团肖特公司（SCHOTT AG）成功实现了100%氢气驱动玻璃生产的产业化[24]。2024年12月，瑞典Ardagh制瓶厂宣布，绿氢可以在玻璃制造炉中燃烧，且绿氢对玻璃的生产质量或熔炉的运行性能没有任何负面影响[25]。
水泥行业。2024年12月，瑞典Cemvision公司通过结合氢气、等离子体和电阻加热，实现了回转窑中水泥的完全电气化生产，与传统波特兰水泥生产相比，该技术可以将能耗降低“一半以上”[26]。同月，中国的金隅科研总院绿色低碳环保技术研究院在小型回转窑试验平台上进行了高浓度氢能煅烧水泥熟料的工业试验，试验所用燃料氢气浓度大于70%，为我国首次相关试验[27]。
陶瓷行业。2024年7月，意大利Iris Ceramica集团与爱迪生集团旗下的Edison Next公司携手宣布了一项革命性突破—成功利用绿氢与天然气的混合气体，制造出了全球首块4D技术陶瓷大板[28]。我国力泰陶机承建的河南中祺陶瓷岩板/大板智能生产线点火，宽体窑燃料含氢60%，该高氢宽体窑已成功运行两年，能够减少约26%的二氧化碳排放量[29]。
4、氢电协同
当前最具有代表性的Power to X路线为绿氢框架，即使用可再生能源电力通过电解水制绿氢，进而转化为多种形式的绿色燃料和能源存储介质（X）。全球重要项目有以下几个。
欧盟Hyflexpower项目。由欧盟地平线2020计划资助的Hyflexpower项目是全球首个装备了先进氢气燃气轮机的工业级规模Power-to-X-to-Power的示范项目[30]，旨在验证从可再生能源电力中制氢和储存氢，并添加到目前热电联产电厂使用的天然气中，最初采用氢气和天然气混合发电，最终目标是使用含有高达100%氢燃料产生12兆瓦电力。2023年10月，项目宣布成功测试了使用100%氢气的燃气轮机。
荷兰NortH2项目。NortH2项目由壳牌等多家公司联合开发，旨在将由可再生能源制备的绿色氢气能够大量用于工业。项目预计在2027年实现首批风机并网发电制氢，到2030年能够生产不少于4吉瓦的绿色氢能。项目初期，氢气将主要输送给荷兰以及西北欧的工业用户，此后逐步扩展到运输业和建筑业。
英国HyNet项目。HyNet是英国首个大规模氢能项目，旨在将可再生能源制备的绿氢输送到难以减排的行业，包括家庭供暖、工业和发电厂等。HyNet西北氢管道将提供向工业提供100%低碳氢所需的基础设施，预计2025年开始建设氢气管道的第一段[31]。
中国石化新疆库车绿氢示范项目。该项目是国内首个万吨级光伏绿氢示范项目，于2023年8月30日全面建成投产。通过耦合光伏发电和电解水制氢，可为附近的中国石化塔河炼化有限责任公司提供绿氢原料，对氢电耦合及绿氢炼化的全流程开展了积极探索[32]。
三、展望
氢在工业深度脱碳中的作用日益显现。随着氢能技术的不断进步和成本的逐步降低，氢在工业领域的应用将逐渐从示范阶段走向规模化应用。例如，通过提高电解水制氢的效率、开发新型储氢材料等，可以进一步降低氢能的生产成本和使用成本，促使氢能工业应用的快速发展和规模化。在冶金、合成氨、合成甲醇、炼化等高能耗行业，氢作为还原剂和能源载体，将在上述行业脱碳中发挥越来越重要的作用。
工业领域氢应用逐步向多元协同化发展。技术方面，多种绿色制氢技术将协同发展，实现优势互补和成本降低；应用场景方面，区域氢电耦合系统将实现工业电力与交通用氢协同发展态势，例如燃料电池汽车将就近利用高品质工业副产氢和可再生能源制氢实现用氢协同。区域协同方面，跨区域氢能供应协同可实现区域间的氢能资源互补。
工业领域氢能应用仍存在不小的挑战。氢在工业领域的应用面临技术、经济、政策与标准以及安全与监管等多方面的挑战。目前，氢能在工业领域的应用技术尚不成熟。其次，还存在成本和产业链发展不平衡问题，绿氢的高生产成本限制了绿氢的市场竞争力，也阻碍了其在工业领域的广泛应用。另外，尽管许多国家已出台了一系列支持氢能产业发展的政策措施，但多数缺少系统性的配套政策和产业发展路线图，这不利于氢能在工业领域的快速培育和布局。另外，氢能在标准和安全监管层面也存在滞后和职责划分不够清晰的问题。
