全面解读美国《BFI基建法案》95亿美元氢能拨款及技术路线

2021年11月15日，美国总统拜登签署了《基础设施投资和就业法案》 (又称BFI法案)。整个法案预算为1.2万亿美元，包括2022-2026五年内拨款80亿美元用于区域氢能中心建设，15亿美元用于电解槽和氢能全产业链的研发和示范。本文就BFI法案从八方面进行分析，并在文末列出美国能源部近期和长期的氢能工作重点。

综合目标 2026年清洁氢单位制氢成本：2美元/公斤

今年6月，美国能源部启动了“Hydrogen Shot”计划,旨在十年内将清洁氢的生产成本降至2030年的每公斤1美元。BFI法案为该计划的实施制定了中短期 （2022-2026）目标，并将清洁氢的生产成本降至2026年的2美元做为唯一的量化指标，而对技术路线和产能无任何具体要求。

技术路线 蓝氢、绿氢和粉氢三条路线并行

本着技术中立的原则，BFI法案未明确支持任何技术路线，但其80亿美元区域氢能中心拨款中明确要求至少各建一个以传统化石、可再生能源及核能为原料的区域性清洁氢能中心，由此可推断美国能源部（DOE）目前是三条技术路线（即blue, green & pink hydrogen）齐头并进，这点不同于欧盟。另外，BFI法案明确要求在制定美国《国家氢能战略和路线图》时必需包括在美国主要页岩天然气生产地区以及核电站放松管制市场条件下发展氢能经济的内容。关于核能，今年10月美国能源部已宣布2000万美元（其中 HFTO出资1200万，Office of Nuclear Energy出资800万）支持亚利桑那州的核能制氢示范项目。

下表为美国能源部2025年电解槽研发目标（而非BFI法案中内容），这里一并列出供参考。

欧盟在今年11月底布鲁塞尔召开的 European Hydrogen Week中已明确其研发和公众资金支持方向是绿氢和电解槽，以及一定数量的生物质（biomass）制氢，并完全未提及核能、天然气重整和煤制氢。笔者分析这可能是源于欧盟对其电解水和氢能管网技术的自信，先进的环保和安全理念，欧盟自身的资源禀赋，以及规划中同中东和北非（EU-MENA）的氢能贸易。

对于碱性和PEM电解槽，欧盟已设定了上表中2024年研发目标，同时减少关键材料用量。如该目标确能实现，PEM电解槽应更具长期发展潜力。目前欧盟碱性电解槽电流密度的技术水准为0.5 A/cm2，PEM电解槽为3 A/cm2。今年11月，苏州考克利尔竞立发布了国内首套1300 Nm3/h碱性电解槽，其公布的参数包括：20-115%宽频调谐制氢能力，峰值电流密度0.6 A/cm2，直流能耗低于4.2kWh/Nm3H2 （这里以1 kg H2 = 11.126 Nm3H2计，换算后为能耗46.73 kWh/kgH2，以便和下文的PEM电解槽比较）。

在北美，法液空（Air Liquide）今年1月在加拿大魁北克的Bécancour 投入运营了20MW PEM电解槽系统。该系统由四套可单独运作的5MW Cummins HyLYZER PEM 1000-30 电解槽组成，日产氢总量为8.6吨，年产3000吨。

在欧洲，康明斯今年5月在西班牙开建了年产能为500MW的PEM电解槽工厂，其投资预算为5000万欧元，计划于2023年投产，并逐步将产能扩大到1GW。在中国，康明斯本月初同中石化旗下的恩泽基金成立50:50合资公司，拟投资4700万美元在广东佛山建立年产能为500MW的PEM电解槽工厂，计划于2023年建成，并在随后五年内扩大到1GW。固体氧化物电解槽（SOEC）方面，康明斯今年9月从美国能源部HFTO获得500万美元拨款，用于为期三年的SOEC及其电堆自动化组装的研发。

下表为康明斯HyLYZER-1000和HyLYZER-4000技术参数，其中最后一项系统能耗为51 kWh/kg（这里氢气能量密度若以39 kWh/kg计，换算后其效率约为76%）。

欧洲目前最大的PEM电解水制氢工厂是壳牌在德国科隆附近的REFYHNE10MW项目，日产氢气4吨（20bar），用于Shell Energy and Chemicals Park Rhineland内的石油精炼。做为欧盟氢能的旗舰示范，该项目得到FCH JU的1000万欧元资助，总预算为1600万欧元，实际投资约2000万欧元，电解槽由英国ITM公司提供。今年10月，该项目二期（REFYHNE II）获得European Climate, Infrastructure and Environment Executive Agency (CINEA) 的3240万欧元资助，计划将产能扩大到110MW。

可能由于今年下半年欧洲能源价格飙升，欧盟尚未对清洁氢的近期生产成本给出具体目标。下图是S&P Global Platts Hydrogen Assessments区域碱性电解水制氢成本（含CAPEX），其中荷兰的单位生产成本已由今年上半年的约5美元/公斤一度上涨到10月份的20美元/公斤，近期虽有回落但仍在12-15美元/公斤的高位，与之相比西澳大利亚则稳定在不到3美元/公斤。荷兰是西欧能源的门户，如欧盟的电解水生产成本不能迅速回落，大概率会造成欧盟技术在内，市场在外的格局，不利于欧盟绿氢的长期发展。

目前欧盟正在研发新型电解槽，如低温碱性阴离子交换膜（AEM）电解槽和SOEC电解槽；同时正在探索将操作压力从目前的20 Bar提升到80-100 Bar，从而可将电解产生的氢气直接输入天然气管网中，省去中间压缩环节。另外值得一提的是欧盟和美国均将可逆燃料电池（reversible fuel cells, 即结合电解槽和燃料电池的功能）做为一项长期的研发目标。

清洁氢定义：2tCO2/tH2

BIF法案采取技术中立的方式定义了 "清洁氢 "，即每生产一公斤氢气，在生产现场产生的碳强度等于或低于2公斤二氧化碳（CO2）当量。其原文为 Clean hydrogen means “hydrogen produced with a carbon intensity equal to or less than 2 kilograms of carbon dioxide-equivalent produced at the site of production per kilogram of hydrogen produced.”

相比于欧盟对清洁氢的要求为全生命周期碳排放不高于3tCO2/tH2，BIF法案给出了较为灵活的定义（尤其是“at the site of production”有很大的解释空间），并要求美国能源部与美国环保局共同协商，听取利益相关者的意见，于2022年５月15日前制定一份初步清洁氢的碳强度标准，从而使凡符合清洁氢生产定义的项目能够享受BIF法案中的各项激励措施。该法案要求清洁氢标准的制定必须考虑到技术和经济上的可行性，并包括使用CCS来减排的化石燃料、氢载体、可再生能源、核能和其他美国能源部认为合适的氢能生产方法。

美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory) 近期发布了下图中各类制氢路线的全生命周期碳强度评估，其中天然气重整为9.4tCO2/tH2, 氯碱尾气为9.0tCO2/tH2，天然气重整加CCS（以90%的碳捕捉率计）为3.0tCO2/tH2。

清洁电解水制氢计划：10亿美元拨款

该计划的目的是降低电解水制氢成本，并拨款10亿美元用于电解水制氢（包括多元电解槽技术、压缩、储存、干燥及综合系统等）的示范、商业化和推广。BFI法案未明确支持任何电解槽技术路线，但美国能源部的近期氢能工作重点（见本文末）同时包括低温和高温电解槽，这点和欧盟研发方向是一致的。据美国能源部，至2021年6月全美共有172MW正在运营或在建的PEM电解水制氢产能，主要分布在新英格兰和五大湖地区，以及加州和华盛顿州， 具体分布见下图。

清洁氢能制造和供应链：5亿美元拨款

该计划将提供五亿美元支持下图中从基础材料到终产品的生产制造技术以建立美国完整的产业链，并要求美国能源部在2022年5月15日之前同私营部门建立一个联合研发计划，通过研发和示范项目来推进新型氢能燃料电池产品的生产制造和回收利用。

区域性清洁氢能中心 80亿美元拨款及多样性要求

BIF法案将提供80亿美元支持在美国各地建设至少四个区域性的氢能中心，以促进清洁氢能的生产、储运和终端使用。该区域氢能中心计划必须满足对氢能原料、用途和区域多样性的要求。

原料多样性要求：

- 至少一个从传统化石原料生产氢能的中心

- 至少一个从可再生能源生产氢能的中心

- 至少一个从核能生产氢能的中心

用途多样性要求：

- 至少一个中心验证氢能发电

- 至少一个中心验证氢能在工业领域的应用

- 至少一个中心验证氢能在住宅和商业领域中的应用

- 至少一个中心验证氢能在交通、运输中的应用

区域多样性要求：

- 至少两个中心位于美国天然气资源最丰富的地区

行动计划：严格的时间节点

BIF法案给出了具体的近期时间表，这点与欧盟明显不同；后者更侧重于2030年及更远的愿景及规划。鉴于区域性清洁氢能中心计划的重要性，美国国会已要求美国能源部迅速采取行动，在2022年5月15日前在全美范围内征集氢能中心的申请，并于2023年5月15日前选定至少四个区域性氢能中心。

美国能源部已组建了一个10多人的团队，按下图将全美分为九个区域群 (Regional clusters)，并对各区域群发出 Request for Information (RFI)。

目前该团队已收到200多份RFI回复并完成了初步分析，包括各区域发展氢能的优势和潜力，比如墨西哥湾沿岸 (The Gulf Coast Regional Cluster) 的五个州（主要是德州和路易斯安那州）拥有良好的基础设施，其有全美47%的石油精炼产能和51%的天然气加工能力，以及20多家氢气生产工厂，日产氢总量超过2400吨。

据美国国会报告，至2020年12月美国共有2588公里氢气管道，其中主要集中在墨西哥湾沿岸。另据美国能源部本月数据，目前墨西哥湾沿岸有超过2250公里的氢气管道，占全美的90%以上。这些管道主要由氢气生产商来运营，比如空气产品公司（Air Products）在2012年就新建了下图二中的290公里氢气管道，将休斯顿和新奥尔良两大氢气生产中心连为一体。氢气储存方面，德州已有三个专门用于储氢的岩洞，并且该地区有多处地质结构可潜在地用于CCS和氢气的储存。目前美国能源部正在组建Matchmaker数据库和平台。本着自愿、公开的原则，该平台正将利益相关方（包括各类氢能生产者，终端用户和基础设施提供者）聚在一起组建合作伙伴关系，并于2022年２月发布“Interactive Maps”及参与公司名单。

清洁氢能战略和路线图：技术和经济上可行

BIF法案明确要求美国能源部于2022年５月15日前完成美国首份《国家氢能战略和路线图》的制定，以促进清洁氢的大规模生产、储运和使用。目前全球已有30多个国家和地区发布了氢能路线图，美国也即将加入其行列。下图是美国能源部近期和长期的氢能工作重点，借此可以大致推断美国氢能路线图的方向。

结束语：承载着构建人类命运共同体的使命，氢能经过数十年的起起落落，正由许多人眼中的一项储备型技术走向全球能源转型的中心，而这一进程中高质量国际交流和多元合作势必变得尤为重要。

今年11月在欧盟主席 Ursula von der Leyen 的见证下，欧盟的Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) 重组为The European Clean Hydrogen Partnership，并获10亿欧元拨款。而美国能源部的 Fuel Cell Technologies Office (FCTO) 也于去年正式更名为 Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (HFTO)，其2021年度运营经费为1.5亿美元。做为美国和欧盟氢能技术的风向标，HFTO和European Clean Hydrogen Partnership正吸引越来越多国内业界人士的关注。