國(guó)際氫能與燃料電池展獲悉，雙碳大背景下，氫能作為一種儲(chǔ)量大、污染小、熱值高、可再生的清潔能源，為各行業(yè)脫碳提供了重要途徑，目前氫能的應(yīng)用已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)能源的各個(gè)方面，主要應(yīng)用在交通和工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)，氫能在建筑、發(fā)電、軍事等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。氫能在交通領(lǐng)域可作為燃料電池的燃料用于氫燃料電池乘用車、公交車等，在工業(yè)領(lǐng)域可替代傳統(tǒng)參與化工行業(yè)的多個(gè)環(huán)節(jié)，在建筑領(lǐng)域可代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料進(jìn)行供暖，在發(fā)電領(lǐng)域可通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化成電能。

交通領(lǐng)域

交通領(lǐng)域是目前氫能應(yīng)用相對(duì)比較成熟的領(lǐng)域，氫能源在交通領(lǐng)域的應(yīng)用包括公路、鐵路、航空和海運(yùn)等，其中，氫燃料電池汽車是氫能源在交通領(lǐng)域的主要應(yīng)用手段。

1、公路

近年來，中國(guó)氫燃料電池汽車發(fā)展迅速，目前以氫氣作為汽車能源的方式有兩種，一種是氫氣作為燃料供內(nèi)燃機(jī)燃燒，就是氫內(nèi)燃機(jī)，另一種是現(xiàn)在主流的氫燃料電池技術(shù)，主要是利用質(zhì)子交換膜和催化劑，讓氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流并生成水，電流經(jīng)過逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

與純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)燃油車相比，燃料電池汽車具有溫室氣體排放低、燃料加注時(shí)間短、續(xù)航里程高等優(yōu)點(diǎn)，較適用于中長(zhǎng)距離或重載運(yùn)輸，當(dāng)前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策也優(yōu)先支持商用車發(fā)展，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)燃料車以客車和重卡等商用車為主，乘用車主要用來租賃。但是，從當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r看，氫動(dòng)力車距離大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)距離，車用氫燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)，以及制氫、儲(chǔ)氫、加氫等核心技術(shù)面臨的問題很大程度上限制了氫能源汽車在市場(chǎng)上的大規(guī)模推廣。

不過，日后，隨著工藝技術(shù)不斷成熟，燃料電池汽車成本有很大下降空間，曾有媒體推斷，燃料電池系統(tǒng)的成本將從2015年的30,200美元/輛降低到2030年的4,300美元/輛，單位成本則有望從2015年的380美元/千瓦時(shí)降低到2030 年的54美元/千瓦時(shí)，降幅為86%，是推動(dòng)氫燃料汽車成本下降的主要?jiǎng)恿Α?/p>

燃料電池車適合重型和長(zhǎng)途運(yùn)輸，在行駛里程要求高、載重量大的市場(chǎng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力，未來發(fā)展方向?yàn)橹匦涂ㄜ嚒㈤L(zhǎng)途運(yùn)輸乘用車等，中國(guó)氫能聯(lián)盟研究院預(yù)測(cè)，到2030年我國(guó)燃料電池車產(chǎn)量有望達(dá)到62萬輛/年。

2、鐵路

氫能在鐵路交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是與燃料電池結(jié)合構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。

與傳統(tǒng)柴油火車相比，氫動(dòng)力火車主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 零排放：氫能源列車在運(yùn)行過程中只排放水蒸氣，并不產(chǎn)生任何溫室效應(yīng)或者空氣污染物;

2. 可持續(xù)：如果氫氣是通過可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能)電解水制取的話，那么整個(gè)過程就是完全清潔和可持續(xù)的;

3. 運(yùn)行效率高：氫能源列車?yán)萌剂想姵貙⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，并通過外部回路驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)等設(shè)備工作，避免了傳統(tǒng)發(fā)電方式中由于燃料燃燒、蒸汽渦輪、發(fā)電機(jī)等多個(gè)環(huán)節(jié)所造成的大量能量損耗，而且燃料電池還可以利用制動(dòng)回饋技術(shù)將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來;

4. 運(yùn)營(yíng)成本降低：氫能源列車不需要依賴于線路牽引供電系統(tǒng)，這樣就省去了鋪設(shè)和維護(hù)接觸網(wǎng)或者第三軌等設(shè)施所需的巨額投資，而且由于氫氣具有較高的儲(chǔ)能密度，一次加注就可以支持長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離地行駛，這樣就減少了充換電站或者換乘站點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用;

5. 安全性高：現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以保證氫氣在儲(chǔ)存、輸送和使用過程中達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，由于沒有火花塞或者火焰等高溫元件，在碰撞事故中也不會(huì)引起火災(zāi)或者爆炸。

但是現(xiàn)階段發(fā)展氫動(dòng)力火車也存在一些挑戰(zhàn)，一方面，氫燃料電池電堆成本高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，組成氫動(dòng)力系統(tǒng)后(含儲(chǔ)氫和散熱系統(tǒng)等)成本將進(jìn)一步增加，搭載氫能源系統(tǒng)的車輛成本較高。另一方面，由于技術(shù)不成熟、需求少等因素，目前加氫站等氫能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)尚不完善。

3、航空

航空業(yè)碳排量主要來自于化石能源燃燒，氫能可以減少航空業(yè)對(duì)原油的依賴，減少溫室及有害氣體排放。

目前，航空領(lǐng)域利用氫能提供動(dòng)力的技術(shù)路線主要有3種：

1. 使用氫燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為電動(dòng)機(jī)提供電力;

2. 通過氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，推動(dòng)渦輪并帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力;

3. 通過點(diǎn)燃更大流量的氫氣以驅(qū)動(dòng)渦輪、產(chǎn)生動(dòng)力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率密度。

前兩種技術(shù)路線功率密度較小更適用于小型飛機(jī)，對(duì)于更大重量的民航客機(jī)一般選擇第三種技術(shù)路線，但三種路線都需要解決液氫或氣氫儲(chǔ)存、輸送、安全等問題。

今年3月，國(guó)內(nèi)首款氫燃料內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)在沈陽(yáng)某機(jī)場(chǎng)完成首飛。此飛機(jī)搭載了一汽集團(tuán)研發(fā)的2.0L零排放增壓直噴氫內(nèi)燃機(jī)，使用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫重量4.5kg，巡航速度180km/h，氫內(nèi)燃機(jī)最大熱效率大于43%，綜合熱效率大于40%，留空時(shí)間大于1小時(shí)。

這款飛機(jī)是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)制造的第一架以氫內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)，其成功起飛意味著中國(guó)在航空領(lǐng)域氫能應(yīng)用上踏出了堅(jiān)實(shí)的一步。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院《中國(guó)碳達(dá)峰碳中和路徑與政策建議》報(bào)告，到2050年，我國(guó)民用航空運(yùn)輸量將達(dá)到2019年的4.5倍，碳排放量將達(dá)到2019年的2.5倍。如果采用氫動(dòng)力飛機(jī)替代傳統(tǒng)飛機(jī)，可以使碳排放量降低50%以上。

由此看來，氫能航空的發(fā)展已是大勢(shì)所趨，但是氫動(dòng)力飛機(jī)的商業(yè)化落地仍存在諸多挑戰(zhàn)。

一方面，綠氫高昂的生產(chǎn)成本，讓其在飛行上高出傳統(tǒng)石化燃料的使用成本很多，難以形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，另一方面，氫動(dòng)力飛機(jī)需要新的地面設(shè)施，氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等各環(huán)節(jié)都需要開發(fā)與建設(shè)，此外，在氫能市場(chǎng)運(yùn)行與監(jiān)管制度上，各國(guó)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的情況下，氫能航空發(fā)展也會(huì)被拖慢。

4、航運(yùn)

航運(yùn)業(yè)的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術(shù)和燃料的開發(fā)及商業(yè)化，氫動(dòng)力船舶基于燃料電池的氫能應(yīng)用模式，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，可以適應(yīng)未來綠色船舶市場(chǎng)需求，并且具有廣闊應(yīng)用前景。

通過氫燃料電池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)河和沿海船運(yùn)電氣化，通過生物燃料或零碳?xì)錃夂铣砂钡刃滦腿剂峡蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船運(yùn)脫碳。我國(guó)部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國(guó)產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進(jìn)步相繼啟動(dòng)了氫動(dòng)力船舶研制。

現(xiàn)階段，氫動(dòng)力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場(chǎng)景，以客船、渡船、內(nèi)河貨船、拖輪等類型為主;海上工程船、海上滾裝船、超級(jí)游艇等大型氫動(dòng)力船舶研制是當(dāng)前的國(guó)際趨勢(shì)，采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)同樣具有良好前景。

總體而言，氫動(dòng)力船舶整體處于前期探索階段，相關(guān)技術(shù)尚未成熟，發(fā)展氫動(dòng)力船仍有多項(xiàng)技術(shù)需要突破，如高效低碳的氫氣制取技術(shù)、大規(guī)模低成本的氫氣運(yùn)輸技術(shù)、船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)、船舶氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、船舶多能源協(xié)同控制技術(shù)等。

工業(yè)領(lǐng)域

1、石油化工

我國(guó)石化化工領(lǐng)域主要涉氫的行業(yè)包括煤化工、天然氣化工、石油化工、焦?fàn)t氣化工、氯堿化工、精細(xì)化工等，主要產(chǎn)品有合成氨、過氧化氫(雙氧水)等無機(jī)化工產(chǎn)品，甲醇、烯烴、乙二醇等有機(jī)化工產(chǎn)品，成品油、合成天然氣等能源化工產(chǎn)品，還有多種精細(xì)化工、化工新材料等產(chǎn)品。

化工行業(yè)當(dāng)中，大部分氫氣用于加氫處理、加氫裂化和脫硫，由于優(yōu)質(zhì)低硫燃料的需求激增，以及輕質(zhì)低硫燃油的減少，氫的需求量在不斷增長(zhǎng)。過去氫氣本身是化工的副產(chǎn)品之一，然而現(xiàn)在需量增加，導(dǎo)致供需失衡，石化工業(yè)目前也在采取天然氣為原料進(jìn)行氫氣的制備。

該領(lǐng)域氫氣需求的增多，能夠以規(guī)模效益來降低氫氣供應(yīng)鏈成本，另一方面氫氣可作為燃料和化工原料幫助工業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳，目前，化工行業(yè)用氫主要依賴化石能源、工業(yè)副產(chǎn)物制取，未來通過低碳綠氫替代應(yīng)用潛力巨大。

目前國(guó)內(nèi)已有化工行業(yè)應(yīng)用綠氫的示范項(xiàng)目陸續(xù)落地，例如寧東的全國(guó)最大光伏制氫耦合煤化工項(xiàng)目，每年可減少煤炭資源消耗約38萬噸、二氧化碳排放約66萬噸、化工裝置碳排放總量的5%。有機(jī)構(gòu)推算，到2030年，中國(guó)化工行業(yè)可再生氫消費(fèi)量將達(dá)到376萬噸，是中國(guó)最大的可再生氫需求市場(chǎng)。

2、鋼鐵工業(yè)

氫在鋼鐵行業(yè)可應(yīng)用于氫冶金、燃料等多個(gè)方面，以氫冶金規(guī)模最大。氫冶金通過使用氫氣代替碳在冶金過程中的還原作用，從而實(shí)現(xiàn)源頭降碳，是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的革命性技術(shù)。

氫冶金技術(shù)分為高爐氫冶金和非高爐氫冶金兩個(gè)大類。高爐氫冶金是指通過在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體替代部分碳還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)“部分氫冶金”，非高爐氫冶金技術(shù)以氣基豎爐法為主流。目前我國(guó)豎爐氫冶金技術(shù)處于起步階段，同時(shí)受氫氣制備和儲(chǔ)運(yùn)、高品質(zhì)精礦等條件制約，距離大規(guī)模應(yīng)用和全生命周期深度降碳仍有一定距離。

2022年2月，工信部、國(guó)家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出將制定氫冶金行動(dòng)方案，加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。

從長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)來看，利用可再生氫的低碳冶煉技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)完全脫碳最關(guān)鍵、最具前景的解決方案之一。

3、綠色甲醇

根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，甲醇可分為黑色甲醇、灰色甲醇、藍(lán)色甲醇以及綠色甲醇。黑色甲醇是以煤炭為原料，灰色甲醇是以天然氣為原料，藍(lán)色甲醇是從廢水、工業(yè)副產(chǎn)品中生產(chǎn)。綠色甲醇可通過多種方式生產(chǎn)，涵蓋生物質(zhì)甲醇、e-甲醇、液態(tài)陽(yáng)光甲醇等，總的來說是以生物質(zhì)為原料，在生產(chǎn)過程中使用綠電。其中，液態(tài)陽(yáng)光甲醇是利用光伏、風(fēng)電、水電等清潔能源耦合CO2制取。每生產(chǎn)1噸甲醇可轉(zhuǎn)化CO2 1.375噸。目前全球綠色甲醇市場(chǎng)仍處于發(fā)展初期，行業(yè)產(chǎn)能較少，在全球甲醇市場(chǎng)的占比不足百分之一。

建筑供熱

氫能可以與天然氣混合，通過現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送到建筑終端，用于供暖、熱水、烹飪等。氫能也可以通過燃料電池為建筑提供電力和熱力，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，提高能源效率和可靠性。

從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)角度分析，氫能與建筑一體化有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 提高能源使用效率，氫能為建筑供電的同時(shí)，可將燃料電池產(chǎn)生的余熱用于建筑供熱，綜合能源利用效率可達(dá)95%;

2. 電網(wǎng)停電時(shí)不會(huì)影響室內(nèi)照明，同時(shí)可保障手機(jī)和電腦等低功耗設(shè)備的供電，保障日常生活持續(xù)的熱水供應(yīng)和冬季地暖供熱，保障家庭應(yīng)急供能;

3. 可再生能源發(fā)電或太陽(yáng)能光伏發(fā)電直接電解水制造氫氣，氫氣通過管道輸送至氫能建筑，通過分布式燃料電池為氫能建筑提供電力和熱力，每年二氧化碳排放量減少1.3Mt。

電力系統(tǒng)

氫能源在電力領(lǐng)域的用途包括發(fā)電、儲(chǔ)能、遠(yuǎn)距離傳輸和供應(yīng)電力等。氫氣可以通過氫能源發(fā)電廠將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)還可以通過太陽(yáng)能電池板將氫能轉(zhuǎn)化為電能，或者通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能。

氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少對(duì)煤炭的使用，減少CO2的排放，且發(fā)電效率很高。

氫能既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為原料應(yīng)用于燃料電池，還可以轉(zhuǎn)換成同態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料例。

20世紀(jì)70年代以來，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家加快了氫能發(fā)電技術(shù)的研究步伐，目前，通過氫能發(fā)電在部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入了建設(shè)試點(diǎn)的階段。

軍事領(lǐng)域

氫能源在軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其是氫燃料電池應(yīng)用于，可以提供靜謐性和高效能，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)的隱身至關(guān)重要。此外，氫能源也可以用于產(chǎn)生持續(xù)電流，提高能量轉(zhuǎn)換率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的推進(jìn)效果。

例如，德國(guó)制造的212 A型常規(guī)就采用了燃料電池和柴電動(dòng)力聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng), 據(jù)報(bào)道該型的水中連續(xù)潛航就能達(dá)到2~3周。單靠燃料電池航行時(shí),其航速可達(dá)8節(jié);當(dāng)以4.5節(jié)航速潛航時(shí),該電池系統(tǒng)還可提供11 千瓦的生活用電,同時(shí)續(xù)航力可達(dá)2315 千米 ,潛航時(shí)間達(dá)278小時(shí)。

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