碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径

　　摘要：氢能是未来能源系统清洁转型的重要二次能源。本文首先调研分析了美国、欧盟、日本既有的氢能研发总体战略及其实施情况;结合氢能源的优势和未来全球碳减排的任务，分析了氢能关键技术研发、产业化发展、交通运输行业推广应用情况;从技术角度比较了美国、欧盟、日本的氢能技术推广策略，指出我国氢能研发技术的国际差距。结合实际统计数据，分析了我国铁路、公路、水运和民航等运输方式的碳排放水平。在氢能既有特性参数基础上，测算了氢能在道路、铁路等不同领域应用的碳减排效果。结果发现：氢能替代公路货运10%，可减碳7000万t;1000万t氢用于替代道路货运可获得近1亿t的碳减排量。本文研究提出了氢能研发与应用策略，建立可再生能源与氢能综合互补调节机制，如近期利用西部地区可再生发电的弃电降低电解水制氢成本，利用灰氢替代燃油，中远期推广扩大氢燃料电池市场等。本文还研究了交通运输业适合氢能发展的重点领域,分析表明：2060年氢能在道路交通中的应用如能达到4000万t，可望实现交通运输业减碳约4亿t。本文结合我国国情提出了碳中和目标下将氢能技术与产品推广到大功率、长距离以及冬季低温地区客货运输领域，与既有电动汽车发展战略一道打造绿色交通体系的对策与建议。

　　关键词：综合交通;碳中和;氢能;交通能源战略;交通政策;发展路径

　　1清洁能源概念及效能

　　能源是支撑人类社会运行与发展的基本要素，传统化石能源的大规模利用产生的排放所引发的气候变暖和各类环境问题已受到全球关注。为应对环境问题，各国加强了新能源的研发和清洁能源的推广利用。清洁能源(即绿色能源)一般指对环境友好，即排放污染物少或无的能源，包括核能和可再生能源两大类。

　　碳中和论文范例： 新能源在碳中和中的地位与作用

　　可再生能源指原材料可以再生的能源，如水电能、风电能、太阳能、生物(沼气)能、地热能(包括地源和水源)等。核能指通过消耗铀燃料产生的能量，它不属于可再生能源。事故、战争或恐怖主义袭击是核电站建设与运行的风险因素，目前，几乎所有国家都无法保证核能发电机构，即核电站的绝对安全，客观上影响了核电的推广。

　　1.1氢能的概念与效能

　　氢是世界上最丰富的物质，构成宇宙质量的75%，在地球上主要以化合形态出现。氢燃烧的产物是水，热值仅次于核能，是汽油的3倍、煤的4.3倍。氢能源可储藏，能用于发电、制作交通工具的燃料电池等。氢能使用无温度限制，这使氢能对不同应用环境有更好的适应性。消耗相同质量的氢气、煤和石油，氢气的能量最大，这可以增加汽车、飞机、轮船、潜艇的续航里程，对于重载货运(如公路货运、远洋海运与内河水运等)、长距离客运、航空与航天等运载工具有重要意义。不过，氢能不像煤、石油、天然气等一次能源可直接开采，而需通过利用其他能源来制取。

　　按照制氢过程的污染程度可将氢能分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢一般指用化石燃料制成的氢，如石油、天然气、煤炭制氢;蓝氢指由配套碳捕捉(CarbonCaptureandStorage,CCS)技术的化石燃料制成的氢;绿氢则指通过可再生能源(如风电、水电、太阳能)制成的氢。绿氢制造无碳排放，是真正的清洁能源;但氢气越清洁，制造成本越高。许多国家都制定了氢能开发规划。在我国“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的目标下，氢能的效能优势同样具有广泛的应用潜力和价值。

　　1.2氢能的生产与应用

　　氢能的生产方式有十余种，常用的有三大类：化石燃料制氢(包括煤制氢、天然气制氢等)、工业副产物制氢(包括焦炉煤气制氢、氯碱副产制氢、轻烃裂解制氢等)以及可再生能源制氢(包括甲醇制氢、水电解制氢、风能制氢、太阳能制氢等)。目前，制氢过程的排放水平是影响碳中和目标下制氢技术选择的关键，而制氢成本是影响推广应用的决定因素。

　　氢能可通过燃料电池转变为电能，加上废热利用，总效率可达80%以上。氢气除热值高外，火焰传播速度更快，点火能量更低，氢能汽车比汽油车总燃料效率高约20%。燃料电池是将燃料的化学能转换成电能的一种化学装置，也称化学发电器。燃料电池被誉为继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四代发电技术。对燃料电池而言，含有氢原子的物质都可以作为燃料，如天然气、石油、煤炭等化石产物以及沼气、酒精、甲醇等。燃料电池没有机械传动环节，有害气体排放极少，使用寿命长。目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%，液氢燃料电池的比能量可达镍镉电池的800倍。

　　交通运输工具应用的燃料电池技术主要有固体氧化物燃料电池(SOFC)和氢燃料电池(RFC)以及甲醇燃料电池(DMFC)。固体氧化物燃料电池应用前景广泛，已成为美国燃料电池研究的重点领域。德国推出了多种燃氢汽车，制氢成本是氢燃料电池研发与应用的瓶颈。不少发达国家将大型燃料电池开发作为能源技术的重点研究领域，可望取代传统发电机及内燃机。

　　2部分国家氢能研发战略分析

　　不少国家推出了氢能研发战略，简要分析美国、欧洲、日本等发达国和地区的氢能研发与应用情况。氢气应用范围很广，包括交通运输、工业燃料、发电等。氢能产业链一般分为上、中、下游三大环节，上游是氢气制备，中游是氢能储运，下游是氢气应用。

　　2.1美国

　　(1)氢能研发总体战略作为最早将氢能纳入能源战略的国家，美国2002年在《国家氢能发展路线图》明确了氢能发展目标及路线，其2014年的《全面能源战略》明确了氢能在交通运输业中的作用。2019年的《氢经济路线图》从实施角度提出要扩大氢能在交通、分布式电源、家用热电联产等领域的应用。美国能源部2020年发布的《氢能计划发展规划》细化了氢能研发实施方案，指出要打破机构和市场壁垒、促进氢能研发涉及的燃料电池和燃气轮机技术的应用，形成氢能应用网络。

　　(2)氢能应用及产业规划氢能研发涉及的两个重点领域是燃料电池系统研发和加氢站建设。美国一直支持鼓励燃料电池的研发，2018年以来，先后投入6800万美元用于研发。燃料电池应用涉及运输(包括汽车(分为客车、轻型车和叉车)、飞机、船舶)、储能、发电等领域，而燃料电池汽车是汽车产业的重要方向。根据美国《氢能经济路线图》，2019年拥有燃料电池车约7600辆，计划到2022年达到5万辆，2025年达到20万辆。通过成立专门的机构，美国建立了多渠道氢能研发投资机制，扶持相关产业发展;通过政府、研究机构和企业的产学研合作平台，推进燃料电池的发展。

　　加氢站是氢能应用中最重要的基础设施。为推动燃料电池汽车保有量的增长，美国积极发展加氢站等配套基础设施。加氢站网络建设依赖于商业模式完善以及政府支持两大策略。加氢站建设采用“以站促车”的商业模式，通过建设加氢站网络解决燃料电池汽车的动力供应问题，从而促进燃料电池汽车的发展。此外，政府对加氢站建设提供支持，一方面对加氢站建设提供指导意见，另一方面在资金上也提供扶持。

　　2.2欧盟

　　(1)氢能研发总体战略欧盟

　　2020年7月发布的《气候中性的欧盟氢能源战略》发展蓝图中提到要打造可再生氢能源体系，在2050年前，逐步扩大可再生氢能源与可再生新能源的部署。近期可通过利用其他形式的低碳氢能，迅速减少制氢中的碳排放量，促进可再生能源的使用。欧盟氢能发展分为3个阶段[3]：第1阶段是2020—2024年，战略目标是在欧盟安装至少6千兆瓦的可再生氢能电解槽，可再生能源制氢年产量达100万吨t，对现有氢气生产进行脱碳处理;第2阶段是2025—2030年，使氢能真正成为能源系统的一部分，其目标是2030年安装40千兆瓦以上的可再生氢能电解槽，其制氢年产量达1000万t;第3阶段是2030—2050年，可再生氢技术达到成熟，并大规模应用于所有难以脱碳行业(如陆上货运、航空、海运等)。

　　(2)氢能应用及产业规划

　　过去十几年，欧盟低碳化重点集中在发电领域，电力占欧洲终端能源结构的20%。交通和供热(包括建筑和工业)合计占欧洲终端能源消费的77%[4]，是未来氢能应用的重要领域。《欧盟氢能路线图》[5]提出，2030年车辆市场将达到乘用车370万辆、轻型商用车50万辆、重型载货车和公交车4.5万辆、列车570辆。电动汽车目前在乘用车领域已占先机，但对于一些载荷重、行驶距离长的运输汽车，如长途客车、城市出租车、长途重型货运卡车等，燃料电池汽车具有更明显的优势。

　　2018年欧盟管道天然气占供暖一次能源的40%[4]，氢能代替天然气供暖是欧盟向低碳转型的重要方向。2018年6月，欧盟热电联产促进协会发布《热电联产在欧盟未来能源系统中的作用》提出了氢能在供热领域的发展蓝图。2030年，欧盟20%的电力和25%的热能将由热电联产提供，可再生能源至少占热电联产的1/3，这将为欧盟23%的碳减排目标和18%的能源效率目标做出贡献。

　　2.3日本

　　(1)氢能研发总体战略日本政府2019年修订的《氢能与燃料电池战略路线图》，重点规划了燃料电池技术、氢供应链及电解技术领域，提出将车载用燃料电池、定制用燃料电池、水制氢等项目作为优先发展领域。目前，日本正考虑降低制氢成本，将自己定位为燃料电池技术出口国。此外，日本也在寻求使用化石燃料并利用碳捕集和储存技术生产氢，此技术在经济上具有较大竞争力。日本《氢能与燃料电池战略路线图》将氢气研发推广分为以下3个阶段[6]：2022年前从技术上论证从国外储存和运输氢气的可行性;2030年左右全面引进氢气发电;2050年左右实现家庭完全使用不含CO2的氢气。日本政府与企业为促进燃料电池汽车商业化，一直致力于降低其成本。“路线图”对氢燃料电池汽车价格提出了具体要求：2025年前氢燃料电池汽车与混合动力汽车价格相差不大于70万日元，燃料电池系统造价应降至5000日元·kW-1，储氢罐造价降至30万日元。

　　(2)氢能应用及产业规划日本《氢能源基本战略》明确了氢能应用的两大领域：一是运输工具(燃料电池汽车);二是家用燃料电池热电联供;将这两大领域打造为氢能发展的支柱产业。燃料电池汽车主要用于乘用车、叉车、货车以及巴士。日本氢燃料电池汽车的动力性能及续驶里程已接近传统燃油汽车水平[7]，销量保持稳步增长，2020年新增761辆，累计推广超过3900辆。日本还计划加快普及氢燃料电池汽车，2040年氢燃料电池汽车保有量将增至300~600万辆。

　　家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM)原材料是天然气，产品是电和热，能源综合利用效率达97%，在该领域全球领先。该项目2005年由政府主导启动并补贴，使用的燃料电池主要有固体高分子型燃料电池(PEFC)和固体氧化物型燃料电池(SOFC)两类。PEFC技术成熟，价格较低，在日本市场占比累计超过80%;SOFC技术先进，但造价较高，发展潜力较大[8]。日本家用燃料电池热电联供系统2009年已进入商业推广，计划2030年实现装机量累计530万套。

　　2.4氢能技术发展特点

　　从全球看，制氢主要以传统能源的化学重整技术为主，2017年这类制氢原料占96%，另外4%左右来自电解水[9]。美国、欧盟、日本等在燃料电池、燃料电池汽车的研究以及商业化方面发展都较迅速。美国的质子膜纯水电解制氢技术世界领先，且掌握着液氢储气罐、储氢罐等核心技术[10]，液氢产量、规模及价格有较大优势;美国燃料电池乘用车和叉车制造及市场保有量也居世界领先水平。

　　日本在家庭燃料电池热电联供固定电站和燃料电池汽车产业发展及商业化方面最成功，预计2050年燃油汽车将全面向燃料电池汽车过渡。欧盟为实现减排目标，高度重视燃料电池技术的研发，其固体氧化物型燃料电池技术国际领先。固体氧化物型燃料电池输出功率大、生产成本低以及使用寿命长、污染小，在燃料电池汽车以及家庭微型热电联供等方面运用广泛。美国、欧盟、日本均以汽车作为燃料电池移动端最重要的领域，但重点发展的车型各有侧重。

　　美国、日本重点在乘用车，而欧盟优先发展的是行驶里程长且载荷大的商务车和卡车。美国在加氢站建设方面采取“以站促车”的商业模式，加州地区建立的加氢站网络已基本可保障燃料电池汽车的自由行驶。日本以东京、大阪、名古屋、福冈四大都市区为中心打造加氢站网络，形成了区域联动氢能供应网络。欧盟加氢站分布围绕主要城市及其连接的走廊展开，如德国已建、在建及规划中的加氢站基本覆盖了德国七大都市区。

　　3氢能研发及其在我国碳中和战略中的地位

　　3.1我国氢能发展政策

　　2020年4月，国家能源局印发的《中华人民共和国能源法(征求意稿)》提到优先发展可再生能源，支持开发应用替代油气的新型燃料和工业原料，并将氢能纳入能源范畴。同年12月《新时代中国能源发展》白皮书中提出加速发展绿氢提取、储运和应用等氢能产业链，促进氢能燃料电池技术链、氢能燃料电池汽车产业链发展。国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出在氢能与储能等科技和产业领域布局一批未来产业，加速氢能产业孵化计划实施。除了国家层面上陆续出台的氢能产业发展相关政策规范外，京津冀、长三角、珠三角以及川渝等经济较发达地区也推出了氢能产业发展指导意见及规划。

　　3.2我国氢能产业链现状

　　氢能产业链的上游是制氢。我国氢能源主要来源于煤炭制氢(灰氢)，煤制氢气占2020年氢气总产能的62%。制氢工业以技术引进为主，较成熟的技术有化石燃料制氢、工业副产制氢以及可再生能源制氢3种，其中工业副产制氢已实现商业化。技术上看，要降低碳排放，制造真正的清洁能源“绿氢”，需采用可再生能源制氢技术，电解水是该技术的核心，包括碱性电解水、质子交换膜(PEM)电解水、固体氧化物电解水等技术。

　　碱性电解水技术商业模式较成熟，但具有一定安全隐患。PEM电解水制氢具有较好反应性和灵活度，未来或成为制氢的主流技术。电解水制氢成本相对较高，我国目前利用绿色途径电解水所占比例很小，仅占1%[13]。不过，我国煤资源相对丰富和廉价，在水制氢成本降下来之前，未来规模化制氢或应以煤制氢为重点。

　　4结论与建议

　　通过上述分析，可以得到以下结论：

　　(1)氢能是未来全球能源体系中的重要组成部分。据欧盟相关研究，2050年全球氢能源市场规模将达2.3万亿欧元，2/3的汽车将配备氢燃料电池驱动装置。氢能源在交通运输领域的航空、水(海)运、长距离道路货物运输等领域具有不可替代的应用价值。我国500km以上长途货运在宁夏、内蒙古、吉林、河南、河北、甘肃、陕西等中西部省份占比超过50%，是未来氢能应用的重点区域。

　　(2)从全生命周期角度看，氢能在碳中和战略中具有较电力更大的优势。2018年全球发电结构中煤电占38%，而2020年我国发电量中燃煤火力发电占比更是高达68.5%。预计2050年我国煤电仍将占20%(EIA机构预测我国2050年煤电将占30%)，据此估算电力排放因子为0.10057kgCO2·kWh-1，显著高于氢能。

　　(3)降低绿氢成本是发展氢能的重大战略问题。

　　2018年绿氢成本约4~8美元·kg-1，到2030年可望降到2.5~5.0美元·kg-1，2050年可降至1.6~3.3美元·kg-1。这个离巴黎气候协定要求的“2030年1.8~3.2美元·kg-1、2050年0.9~2.0美元·kg-1”仍有不少差距。我国目前氢燃料车成本高，约为燃油车的2倍、电动车的5倍;氢燃料的研发与推广仍需要较大力度的前期政策支持。2060碳中和目标的实现还有近40年，可以采用从近期灰氢燃烧取代石化燃料逐步过渡到中远期大面积推广氢燃料电池的技术路线。

　　(4)氢能减碳效果显著。

　　美国2050年氢能总需求量预计在6300万t，届时氢能将占终端能耗的14%[21]。日本尽管目前大部分氢还是“灰氢”，但2050年预测氢能需求将达约2000万t，并拟扩大氢能源在交通行业的应用。2020年中国氢气年产量2050万t，《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》估算2060年预计增加至1.3亿t左右。不过，目前我国氢气还不是绿氢，离清洁氢能质量要求仍有较大差距。2050年氢能在能源体系中占比将达10%，氢能需求量接近6000万t。2060年氢能在道路运输中的应用如能达到4000万t可望实现4亿t减碳量，这对我国2030年交通运输行业11亿t左右的达峰排碳量[22]的降低具有重要意义。

　　(5)减碳目标任重道远。

　　中共中央国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[23]提出2030年非化石能源消费比重将达到25%左右，并将2060年非化石能源消费比重定在80%以上的较高水平。意见第12条提出“积极发展非化石能源：统筹推进氢能‘制储输用’全链条发展”，对氢能研发与应用提出了更高要求。2019年我国能源消费总量48.6亿吨标准煤，煤炭约占57.7%[24]。国务院《2030年前碳达峰行动方案》[25]提出要推动运输工具低碳转型，扩大电力、氢能、天然气等新能源、清洁能源在交通运输行业的应用，2030年当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右。

　　参考文献

　　[1]国家市场监督管理总局.综合能耗计算通则(GB/T2589-2020)[S].北京：国家标准化管理委员会,2021.[StateAdministrationforMarketRegulation.Generalrulesforcalculationofthecomprehensiveenergyconsumption(GB/T2589-2020)[S].Beijing:StandardizationAdministration,2021.]

　　[2]UnitedStatesDepartmentofEnergyandUnitedStatesDepartmentofTransportation.HydrogenPosturePlan:AnIntegratedResearch,DevelopmentandDemonstrationPlan[EB/OL].(2014-03)[2020-10-12]. https://www.energy.gov/sites/default/files/2014/03/f11/hydrogen_posture_plan_dec06.pdf.

　　[3]EuropeanCommission.Ahydrogenstrategyforaclimate-neutralEurope[EB/OL].(2020-07-08)[2021-10-01]. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301.

　　[4]SRINIVASANS.Hydrogen:Themissingpieceofthezero-carbonpuzzle[R].America:IHSMarkitReport,2018. https://ihsmarkit.com/Info/1118/hydrogen-missing-piece-zero-carbon-puzzle.html

　　[5]FuelCellsandHydrogen,JointUndertaking.HydrogenroadmapEurope:AsustainablepathwayfortheEuropeanenergytransition[EB/OL].(2019-02-11)[2021-10-01].https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/Hydrogen%20Roadmap%20Europe_Report.pdf.

　　作者：毛保华*1a,1b，卢霞1a，黄俊生1a，何天健1a，陈海波2

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