毛保華，盧霞，黃俊生，何天健，陳海波

（1.北京交通大學(xué)，a.綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.中國綜合交通研究中心，北京 100044；2.利茲大學(xué)，交通研究所，利茲 LS2 9JT，英國）

1 清潔能源概念及效能

能源是支撐人類社會(huì)運(yùn)行與發(fā)展的基本要素，傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模利用產(chǎn)生的排放所引發(fā)的氣候變暖和各類環(huán)境問題已受到全球關(guān)注。為應(yīng)對(duì)環(huán)境問題，各國加強(qiáng)了新能源的研發(fā)和清潔能源的推廣利用。

清潔能源(即綠色能源)一般指對(duì)環(huán)境友好，即排放污染物少或無的能源，包括核能和可再生能源兩大類。可再生能源指原材料可以再生的能源，如水電能、風(fēng)電能、太陽能、生物(沼氣)能、地?zé)崮?包括地源和水源)等，如圖1所示。核能指通過消耗鈾燃料產(chǎn)生的能量，它不屬于可再生能源。事故、戰(zhàn)爭或恐怖主義襲擊是核電站建設(shè)與運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素，目前，幾乎所有國家都無法保證核能發(fā)電機(jī)構(gòu)，即核電站的絕對(duì)安全，客觀上影響了核電的推廣。

圖1 人類社會(huì)運(yùn)行的能源種類Fig.1 Type of energies used by human beings society

1.1 氫能的概念與效能

氫是世界上最豐富的物質(zhì)，構(gòu)成宇宙質(zhì)量的75%，在地球上主要以化合形態(tài)出現(xiàn)。氫燃燒的產(chǎn)物是水，熱值僅次于核能，是汽油的3 倍、煤的4.3倍，如表1所示。氫能源可儲(chǔ)藏，能用于發(fā)電、制作交通工具的燃料電池等。氫能使用無溫度限制，這使氫能對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境有更好的適應(yīng)性。消耗相同質(zhì)量的氫氣、煤和石油，氫氣的能量最大，這可以增加汽車、飛機(jī)、輪船、潛艇的續(xù)航里程，對(duì)于重載貨運(yùn)(如公路貨運(yùn)、遠(yuǎn)洋海運(yùn)與內(nèi)河水運(yùn)等)、長距離客運(yùn)、航空與航天等運(yùn)載工具有重要意義。不過，氫能不像煤、石油、天然氣等一次能源可直接開采，而需通過利用其他能源來制取。按照制氫過程的污染程度可將氫能分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。

表1 主要燃料熱值比較表Table 1 Comparison of calorific value of main fuel

灰氫一般指用化石燃料制成的氫，如石油、天然氣、煤炭制氫；藍(lán)氫指由配套碳捕捉(Carbon Capture and Storage, CCS)技術(shù)的化石燃料制成的氫；綠氫則指通過可再生能源(如風(fēng)電、水電、太陽能)制成的氫。綠氫制造無碳排放，是真正的清潔能源；但氫氣越清潔，制造成本越高。

許多國家都制定了氫能開發(fā)規(guī)劃。在我國“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)下，氫能的效能優(yōu)勢同樣具有廣泛的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

1.2 氫能的生產(chǎn)與應(yīng)用

氫能的生產(chǎn)方式有十余種，常用的有三大類：化石燃料制氫(包括煤制氫、天然氣制氫等)、工業(yè)副產(chǎn)物制氫(包括焦?fàn)t煤氣制氫、氯堿副產(chǎn)制氫、輕烴裂解制氫等)以及可再生能源制氫(包括甲醇制氫、水電解制氫、風(fēng)能制氫、太陽能制氫等)。目前，制氫過程的排放水平是影響碳中和目標(biāo)下制氫技術(shù)選擇的關(guān)鍵，而制氫成本是影響推廣應(yīng)用的決定因素。

氫能可通過燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，加上廢熱利用，總效率可達(dá)80%以上。氫氣除熱值高外，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤c(diǎn)火能量更低，氫能汽車比汽油車總?cè)剂闲矢呒s20%。

燃料電池是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的一種化學(xué)裝置，也稱化學(xué)發(fā)電器。燃料電池被譽(yù)為繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。對(duì)燃料電池而言，含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物以及沼氣、酒精、甲醇等。燃料電池沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有害氣體排放極少，使用壽命長。目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%，液氫燃料電池的比能量可達(dá)鎳鎘電池的800倍。

交通運(yùn)輸工具應(yīng)用的燃料電池技術(shù)主要有固體氧化物燃料電池(SOFC)和氫燃料電池(RFC)以及甲醇燃料電池(DMFC)。固體氧化物燃料電池應(yīng)用前景廣泛，已成為美國燃料電池研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。德國推出了多種燃?xì)淦?，制氫成本是氫燃料電池研發(fā)與應(yīng)用的瓶頸。不少發(fā)達(dá)國家將大型燃料電池開發(fā)作為能源技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，可望取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)。

2 部分國家氫能研發(fā)戰(zhàn)略分析

不少國家推出了氫能研發(fā)戰(zhàn)略，簡要分析美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國和地區(qū)的氫能研發(fā)與應(yīng)用情況。氫氣應(yīng)用范圍很廣，包括交通運(yùn)輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等。氫能產(chǎn)業(yè)鏈一般分為上、中、下游三大環(huán)節(jié)，上游是氫氣制備，中游是氫能儲(chǔ)運(yùn)，下游是氫氣應(yīng)用。

2.1 美國

(1)氫能研發(fā)總體戰(zhàn)略

作為最早將氫能納入能源戰(zhàn)略的國家，美國2002年在《國家氫能發(fā)展路線圖》明確了氫能發(fā)展目標(biāo)及路線，其2014年的《全面能源戰(zhàn)略》明確了氫能在交通運(yùn)輸業(yè)中的作用。2019年的《氫經(jīng)濟(jì)路線圖》從實(shí)施角度提出要擴(kuò)大氫能在交通、分布式電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用。美國能源部2020年發(fā)布的《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》細(xì)化了氫能研發(fā)實(shí)施方案，指出要打破機(jī)構(gòu)和市場壁壘、促進(jìn)氫能研發(fā)涉及的燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的應(yīng)用，形成氫能應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

(2)氫能應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃

氫能研發(fā)涉及的兩個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是燃料電池系統(tǒng)研發(fā)和加氫站建設(shè)。美國一直支持鼓勵(lì)燃料電池的研發(fā)，2018年以來，先后投入6800萬美元用于研發(fā)。燃料電池應(yīng)用涉及運(yùn)輸(包括汽車(分為客車、輕型車和叉車)、飛機(jī)、船舶)、儲(chǔ)能、發(fā)電等領(lǐng)域，而燃料電池汽車是汽車產(chǎn)業(yè)的重要方向。根據(jù)美國《氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》，2019年擁有燃料電池車約7600輛，計(jì)劃到2022年達(dá)到5萬輛，2025年達(dá)到20萬輛。通過成立專門的機(jī)構(gòu)，美國建立了多渠道氫能研發(fā)投資機(jī)制，扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；通過政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，推進(jìn)燃料電池的發(fā)展。圖2描述了美國向氫經(jīng)濟(jì)過渡經(jīng)歷的幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的階段。

圖2 美國燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃Fig.2 US fuel cell vehicle development plan

加氫站是氫能應(yīng)用中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。為推動(dòng)燃料電池汽車保有量的增長，美國積極發(fā)展加氫站等配套基礎(chǔ)設(shè)施。加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依賴于商業(yè)模式完善以及政府支持兩大策略。加氫站建設(shè)采用“以站促車”的商業(yè)模式，通過建設(shè)加氫站網(wǎng)絡(luò)解決燃料電池汽車的動(dòng)力供應(yīng)問題，從而促進(jìn)燃料電池汽車的發(fā)展。此外，政府對(duì)加氫站建設(shè)提供支持，一方面對(duì)加氫站建設(shè)提供指導(dǎo)意見，另一方面在資金上也提供扶持。

2.2 歐盟

(1)氫能研發(fā)總體戰(zhàn)略

歐盟2020年7月發(fā)布的《氣候中性的歐盟氫能源戰(zhàn)略》發(fā)展藍(lán)圖中提到要打造可再生氫能源體系，在2050年前，逐步擴(kuò)大可再生氫能源與可再生新能源的部署。近期可通過利用其他形式的低碳?xì)淠?，迅速減少制氫中的碳排放量，促進(jìn)可再生能源的使用。

歐盟氫能發(fā)展分為3 個(gè)階段[3]：第1 階段是2020—2024年，戰(zhàn)略目標(biāo)是在歐盟安裝至少6千兆瓦的可再生氫能電解槽，可再生能源制氫年產(chǎn)量達(dá)100 萬噸t，對(duì)現(xiàn)有氫氣生產(chǎn)進(jìn)行脫碳處理；第2 階段是2025—2030年，使氫能真正成為能源系統(tǒng)的一部分，其目標(biāo)是2030年安裝40 千兆瓦以上的可再生氫能電解槽，其制氫年產(chǎn)量達(dá)1000萬t；第3階段是2030—2050年，可再生氫技術(shù)達(dá)到成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于所有難以脫碳行業(yè)(如陸上貨運(yùn)、航空、海運(yùn)等)。

(2)氫能應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃

過去十幾年，歐盟低碳化重點(diǎn)集中在發(fā)電領(lǐng)域，電力占?xì)W洲終端能源結(jié)構(gòu)的20%。交通和供熱(包括建筑和工業(yè))合計(jì)占?xì)W洲終端能源消費(fèi)的77%[4]，是未來氫能應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

《歐盟氫能路線圖》[5]提出，2030年車輛市場將達(dá)到乘用車370 萬輛、輕型商用車50 萬輛、重型載貨車和公交車4.5 萬輛、列車570 輛。電動(dòng)汽車目前在乘用車領(lǐng)域已占先機(jī)，但對(duì)于一些載荷重、行駛距離長的運(yùn)輸汽車，如長途客車、城市出租車、長途重型貨運(yùn)卡車等，燃料電池汽車具有更明顯的優(yōu)勢。

2018年歐盟管道天然氣占供暖一次能源的40%[4]，氫能代替天然氣供暖是歐盟向低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。2018年6月，歐盟熱電聯(lián)產(chǎn)促進(jìn)協(xié)會(huì)發(fā)布《熱電聯(lián)產(chǎn)在歐盟未來能源系統(tǒng)中的作用》提出了氫能在供熱領(lǐng)域的發(fā)展藍(lán)圖。2030年，歐盟20%的電力和25%的熱能將由熱電聯(lián)產(chǎn)提供，可再生能源至少占熱電聯(lián)產(chǎn)的1/3，這將為歐盟23%的碳減排目標(biāo)和18%的能源效率目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

2.3 日本

(1)氫能研發(fā)總體戰(zhàn)略

日本政府2019年修訂的《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，重點(diǎn)規(guī)劃了燃料電池技術(shù)、氫供應(yīng)鏈及電解技術(shù)領(lǐng)域，提出將車載用燃料電池、定制用燃料電池、水制氫等項(xiàng)目作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。目前，日本正考慮降低制氫成本，將自己定位為燃料電池技術(shù)出口國。此外，日本也在尋求使用化石燃料并利用碳捕集和儲(chǔ)存技術(shù)生產(chǎn)氫，此技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上具有較大競爭力。

日本《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》將氫氣研發(fā)推廣分為以下3 個(gè)階段[6]：2022年前從技術(shù)上論證從國外儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣的可行性；2030年左右全面引進(jìn)氫氣發(fā)電；2050年左右實(shí)現(xiàn)家庭完全使用不含CO2的氫氣。

日本政府與企業(yè)為促進(jìn)燃料電池汽車商業(yè)化，一直致力于降低其成本?！奥肪€圖”對(duì)氫燃料電池汽車價(jià)格提出了具體要求：2025年前氫燃料電池汽車與混合動(dòng)力汽車價(jià)格相差不大于70 萬日元，燃料電池系統(tǒng)造價(jià)應(yīng)降至5000日元·kW-1，儲(chǔ)氫罐造價(jià)降至30萬日元。

(2)氫能應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃

日本《氫能源基本戰(zhàn)略》明確了氫能應(yīng)用的兩大領(lǐng)域：一是運(yùn)輸工具(燃料電池汽車)；二是家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供；將這兩大領(lǐng)域打造為氫能發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

燃料電池汽車主要用于乘用車、叉車、貨車以及巴士。日本氫燃料電池汽車的動(dòng)力性能及續(xù)駛里程已接近傳統(tǒng)燃油汽車水平[7]，銷量保持穩(wěn)步增長，2020年新增761 輛，累計(jì)推廣超過3900 輛。日本還計(jì)劃加快普及氫燃料電池汽車，2040年氫燃料電池汽車保有量將增至300萬～600萬輛。

家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)(ENE-FARM)原材料是天然氣，產(chǎn)品是電和熱，能源綜合利用效率達(dá)97%，在該領(lǐng)域全球領(lǐng)先。該項(xiàng)目2005年由政府主導(dǎo)啟動(dòng)并補(bǔ)貼，使用的燃料電池主要有固體高分子型燃料電池(PEFC)和固體氧化物型燃料電池(SOFC)兩類。PEFC 技術(shù)成熟，價(jià)格較低，在日本市場占比累計(jì)超過80%；SOFC技術(shù)先進(jìn)，但造價(jià)較高，發(fā)展?jié)摿^大[8]。日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)2009年已進(jìn)入商業(yè)推廣，計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)裝機(jī)量累計(jì)530萬套。

2.4 氫能技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

從全球看，制氫主要以傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整技術(shù)為主，2017年這類制氫原料占96%，另外4%左右來自電解水[9]。

美國、歐盟、日本等在燃料電池、燃料電池汽車的研究以及商業(yè)化方面發(fā)展都較迅速。美國的質(zhì)子膜純水電解制氫技術(shù)世界領(lǐng)先，且掌握著液氫儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氫罐等核心技術(shù)[10]，液氫產(chǎn)量、規(guī)模及價(jià)格有較大優(yōu)勢；美國燃料電池乘用車和叉車制造及市場保有量也居世界領(lǐng)先水平。日本在家庭燃料電池?zé)犭娐?lián)供固定電站和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展及商業(yè)化方面最成功，預(yù)計(jì)2050年燃油汽車將全面向燃料電池汽車過渡。歐盟為實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，高度重視燃料電池技術(shù)的研發(fā)，其固體氧化物型燃料電池技術(shù)國際領(lǐng)先。固體氧化物型燃料電池輸出功率大、生產(chǎn)成本低以及使用壽命長、污染小，在燃料電池汽車以及家庭微型熱電聯(lián)供等方面運(yùn)用廣泛。

美國、歐盟、日本均以汽車作為燃料電池移動(dòng)端最重要的領(lǐng)域，但重點(diǎn)發(fā)展的車型各有側(cè)重。美國、日本重點(diǎn)在乘用車，而歐盟優(yōu)先發(fā)展的是行駛里程長且載荷大的商務(wù)車和卡車。

美國在加氫站建設(shè)方面采取“以站促車”的商業(yè)模式，加州地區(qū)建立的加氫站網(wǎng)絡(luò)已基本可保障燃料電池汽車的自由行駛。日本以東京、大阪、名古屋、福岡四大都市區(qū)為中心打造加氫站網(wǎng)絡(luò)，形成了區(qū)域聯(lián)動(dòng)氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。歐盟加氫站分布圍繞主要城市及其連接的走廊展開，如德國已建、在建及規(guī)劃中的加氫站基本覆蓋了德國七大都市區(qū)。

研究發(fā)現(xiàn)：美國和歐盟主要靠政策法規(guī)推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，日本更多通過能源結(jié)構(gòu)調(diào)整推動(dòng)。各國加氫站布局方式雖有不同，但均以政策推動(dòng)為主，市場推動(dòng)為輔。表2歸納了各國氫能應(yīng)用的基本特征。

表2 各國氫能應(yīng)用對(duì)比Table 2 Comparison of hydrogen energy application in different countries

不難看出：氫作為一種多用途的能源載體和化學(xué)原料，具有將可再生能源、核能和化石燃料結(jié)合起來的優(yōu)勢，其生產(chǎn)和應(yīng)用將能幫助經(jīng)濟(jì)中3個(gè)最耗能的運(yùn)輸、發(fā)電和制造業(yè)脫碳。

3 氫能研發(fā)及其在我國碳中和戰(zhàn)略中的地位

3.1 我國氫能發(fā)展政策

2020年4月，國家能源局印發(fā)的《中華人民共和國能源法(征求意稿)》提到優(yōu)先發(fā)展可再生能源，支持開發(fā)應(yīng)用替代油氣的新型燃料和工業(yè)原料，并將氫能納入能源范疇。同年12月《新時(shí)代中國能源發(fā)展》白皮書中提出加速發(fā)展綠氫提取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫能燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出在氫能與儲(chǔ)能等科技和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域布局一批未來產(chǎn)業(yè)，加速氫能產(chǎn)業(yè)孵化計(jì)劃實(shí)施。

除了國家層面上陸續(xù)出臺(tái)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)政策規(guī)范外，京津冀、長三角、珠三角以及川渝等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)也推出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見及規(guī)劃。

3.2 我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游是制氫。我國氫能源主要來源于煤炭制氫(灰氫)，煤制氫氣占2020年氫氣總產(chǎn)能的62%。制氫工業(yè)以技術(shù)引進(jìn)為主，較成熟的技術(shù)有化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及可再生能源制氫3 種，其中工業(yè)副產(chǎn)制氫已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。技術(shù)上看，要降低碳排放，制造真正的清潔能源“綠氫”，需采用可再生能源制氫技術(shù)，電解水是該技術(shù)的核心，包括堿性電解水、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水、固體氧化物電解水等技術(shù)。堿性電解水技術(shù)商業(yè)模式較成熟，但具有一定安全隱患。PEM 電解水制氫具有較好反應(yīng)性和靈活度，未來或成為制氫的主流技術(shù)。電解水制氫成本相對(duì)較高，我國目前利用綠色途徑電解水所占比例很小，僅占1%[13]。不過，我國煤資源相對(duì)豐富和廉價(jià)，在水制氫成本降下來之前，未來規(guī)?；茪浠驊?yīng)以煤制氫為重點(diǎn)。

氫能產(chǎn)業(yè)的中游是氫的儲(chǔ)運(yùn)。氫在一般狀態(tài)下為氣態(tài)且密度低，高密度氫儲(chǔ)運(yùn)方式有：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫以及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等。目前應(yīng)用廣泛的是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，航天領(lǐng)域低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用已進(jìn)入示范階段。氫氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞绞侨萜鬟\(yùn)輸和管道運(yùn)輸，采用容器運(yùn)輸時(shí)，氫氣以壓縮氣體或液體的形式運(yùn)輸，成本較高。氫氣與天然氣性質(zhì)相似，也可采用管道運(yùn)輸，但與天然氣相比，氫氣擴(kuò)散損失較高，且管道材料吸附氫氣會(huì)產(chǎn)生脆性易斷裂，這將增加運(yùn)輸及維護(hù)成本，這兩種方式的運(yùn)輸方式尚不成熟。

氫能產(chǎn)業(yè)下游是氫能應(yīng)用，主要應(yīng)用于燃料電池、加氫站以及傳統(tǒng)化石工業(yè)等領(lǐng)域。加氫站是氫能應(yīng)用中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)2021年中國氫能聯(lián)盟舉辦的“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇中公布的數(shù)據(jù)，我國2020年底已建成加氫站128 座。2016年發(fā)布的《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》規(guī)劃2030年加氫站將達(dá)1000座。

3.3 我國氫能研發(fā)與國際差距

我國高度重視應(yīng)對(duì)氣候變化領(lǐng)域的科技創(chuàng)新。在《“十三五”應(yīng)對(duì)氣候變化的科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》和國家科技計(jì)劃部署下，已建立一系列與氣候變化及碳中和相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)與基地，形成了一支有一定規(guī)模的研發(fā)隊(duì)伍。

從零碳電力能源、零碳非電能源、燃料/原料非過程替代、CO2捕獲利用及封存(CCUS)/碳匯與負(fù)排放、集成耦合與優(yōu)化這5 類碳減排技術(shù)看，在與氫能相關(guān)的零碳非電能源技術(shù)方面，我國啟動(dòng)了氫能、生物質(zhì)燃料的研發(fā)，建立了氫能制-儲(chǔ)-運(yùn)-用研發(fā)體系。但成熟度較低，僅部分制氫技術(shù)、供暖技術(shù)與生物質(zhì)制備燃料技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)示范；化學(xué)儲(chǔ)氫、氫燃料/原料利用等領(lǐng)域落后于國際水平。

我國已出臺(tái)一系列推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。2016年制定的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》[14]提出2030年要攻克燃料電池核心關(guān)鍵技術(shù)，建立燃料電池材料供給體系，實(shí)現(xiàn)燃料電池和氫能的推廣應(yīng)用。在氫能產(chǎn)業(yè)鏈方面，提出了研究制氫技術(shù)，開發(fā)儲(chǔ)運(yùn)氫氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用一體化，并在加氫站等方面進(jìn)行攻關(guān)。在燃料電池方面，要攻克質(zhì)子交換膜燃料電池、甲醇重整制氫燃料電池以及燃料電池分布式發(fā)電等技術(shù)。2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》提到加快化石能源制氫+CCUS 技術(shù)研究。目前我國在CCUS 技術(shù)集成、海底封存以及工業(yè)應(yīng)用與國際先進(jìn)水平相差較大，在氨分解重整制氫、燃料電池汽車用氫氣純化技術(shù)等領(lǐng)域起步較晚。

在氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)方面，國內(nèi)高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)相對(duì)成熟，主要運(yùn)輸方式為集裝格和長管拖車，其中長管拖車設(shè)備發(fā)展比較成熟，但大規(guī)模、長距離運(yùn)輸技術(shù)仍落后于國際水平。

我國加氫站建設(shè)與國外也有一定差距。2020年，國內(nèi)有80余座加氫站在運(yùn)營，但尚未制訂統(tǒng)一的加氫站規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，且加氫站的關(guān)鍵核心零部件及一些技術(shù)尚未國產(chǎn)化。國家計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)加氫站現(xiàn)場儲(chǔ)氫、制氫模式的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用。

4 氫能源在我國運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用前景分析

4.1 氫燃料電池車輛與電動(dòng)汽車的互補(bǔ)性

2012年國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》提出：2020年純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛，累計(jì)產(chǎn)銷量超過500 萬輛。發(fā)展電動(dòng)汽車是我國交通運(yùn)輸業(yè)碳減排的重要戰(zhàn)略。據(jù)《2020年汽車工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》，2020年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛，其中純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷量分別為136.5 萬輛和136.6 萬輛。2020年國務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，在國家和地方政策的雙重扶持下，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)已從導(dǎo)入期向成長期過渡。公共充電樁保有量從2015年的約5.8 萬個(gè)增加至2020年6月底的55.8萬個(gè)，電動(dòng)汽車銷量連續(xù)多年領(lǐng)先于世界。

電動(dòng)汽車大規(guī)模商用化引發(fā)了發(fā)電模式以及電動(dòng)汽車難以勝任的運(yùn)輸問題。目前，純電動(dòng)汽車電池壽命短、續(xù)航時(shí)間較短、成本高，還存在穩(wěn)定性和安全性不足問題，難以滿足大功率、長距離以及低溫地區(qū)的運(yùn)輸需求。發(fā)達(dá)國家將氫能作為未來重要能源，推動(dòng)氫燃料電池汽車商業(yè)化的思路值得借鑒。將氫燃料電池作為汽車、水運(yùn)甚至軌道交通的能源，符合科學(xué)構(gòu)建未來國家能源體系需求。總體上看，我國氫燃料電池車輛的發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)集中在重型卡車、長距離客貨運(yùn)輸(包括水運(yùn)與軌道交通)以及冬季低溫地區(qū)客貨運(yùn)輸3個(gè)領(lǐng)域，與既有電動(dòng)汽車政策形成互補(bǔ)。

4.2 氫能替代運(yùn)輸業(yè)既有能源形式的效果

從全球來看，2020年石油仍占據(jù)能源結(jié)構(gòu)的最大份額31.2%[15]。我國是油氣進(jìn)口大國，1/2以上的石油消耗于交通系統(tǒng)[16]?！吨袊鴼淠茉醇叭剂想姵禺a(chǎn)業(yè)白皮書2020》認(rèn)為2060年氫能在我國終端能源消費(fèi)中將占20%左右，可再生能源制氫產(chǎn)量將達(dá)到1 億t，其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4051 萬t；2025年電解水制氫成本將降至25 元·kg-1；2030年將進(jìn)一步降至15 元·kg-1，達(dá)到與配套CCUS 的煤制氫競爭的水平[17]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前交通領(lǐng)域CO2碳排放約占全國總排放量的10%左右。我國2020年鐵路運(yùn)輸電氣化水平已達(dá)72.8%，而全國發(fā)電量中燃煤火力發(fā)電占比達(dá)68.5%，可以說化石燃料仍是我國交通運(yùn)輸行業(yè)的最主要能源。道路運(yùn)輸是碳排放的大戶，歐洲國家道路碳排放占比除希臘為85%外，其他國家均超過90%。我國公路運(yùn)輸碳排放占74%，而周轉(zhuǎn)量僅占21%左右。公路、鐵路、水運(yùn)、航空完成的換算周轉(zhuǎn)量占比與排放并非線性相關(guān)，具體如表3所示。

表3 2019年各交通方式周轉(zhuǎn)量能耗Table 3 Energy consumption of turnover of various transportation modes in 2019

從表3可以看出，公路運(yùn)輸單耗大，排放率高；未來節(jié)油減排潛力也十分有限[20]。水運(yùn)與民航也是難以電氣化的運(yùn)輸領(lǐng)域。表4推算了氫能用于替代不同市場份額的公路貨運(yùn)、鐵路貨運(yùn)與鐵路客運(yùn)3種方式任務(wù)下的減排效果。

表4 擴(kuò)大氫能市場份額的效果Table 4 Effect of expanding market share of hydrogen energy

可以看出，氫能在替代公路貨運(yùn)方面的減排效果是最顯著的。氫能替代10%以燃油為燃料的公路運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量，碳排放減少量可望超過7000 萬t。圖3描述了1000萬t氫能用于替代等量現(xiàn)有能源下在公路貨運(yùn)、鐵路貨運(yùn)與客運(yùn)中可能獲得的碳減排數(shù)量。

圖3 氫能對(duì)燃油與電力的替代效果Fig.3 Substitution effect of hydrogen energy for fuel oil and electricity

不難看出，氫能替代公路貨運(yùn)獲得的碳減排效果最顯著；1000 萬t 氫用于替代現(xiàn)有燃油貨運(yùn)汽車可望產(chǎn)生近1億t的降碳效果。如何發(fā)揮氫能在整個(gè)能源體系中不可替代的作用并取得好的碳減排效果值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與建議

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)氫能是未來全球能源體系中的重要組成部分。據(jù)歐盟相關(guān)研究，2050年全球氫能源市場規(guī)模將達(dá)2.3萬億歐元，2/3的汽車將配備氫燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置。氫能源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的航空、水(海)運(yùn)、長距離道路貨物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。我國500 km以上長途貨運(yùn)在寧夏、內(nèi)蒙古、吉林、河南、河北、甘肅、陜西等中西部省份占比超過50%，是未來氫能應(yīng)用的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)從全生命周期角度看，氫能在碳中和戰(zhàn)略中具有較電力更大的優(yōu)勢。2018年全球發(fā)電結(jié)構(gòu)中煤電占38%，而2020年我國發(fā)電量中燃煤火力發(fā)電占比更是高達(dá)68.5%。預(yù)計(jì)2050年我國煤電仍將占20%(EIA 機(jī)構(gòu)預(yù)測我國2050年煤電將占30%)，據(jù)此估算電力排放因子為0.10057 kgCO2·kWh-1，顯著高于氫能。

(3)降低綠氫成本是發(fā)展氫能的重大戰(zhàn)略問題。2018年綠氫成本約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。這個(gè)離巴黎氣候協(xié)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。我國目前氫燃料車成本高，約為燃油車的2倍、電動(dòng)車的5倍；氫燃料的研發(fā)與推廣仍需要較大力度的前期政策支持。2060 碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還有近40年，可以采用從近期灰氫燃燒取代石化燃料逐步過渡到中遠(yuǎn)期大面積推廣氫燃料電池的技術(shù)路線。

(4)氫能減碳效果顯著。美國2050年氫能總需求量預(yù)計(jì)在6300 萬t，屆時(shí)氫能將占終端能耗的14%[21]。日本盡管目前大部分氫還是“灰氫”，但2050年預(yù)測氫能需求將達(dá)約2000萬t，并擬擴(kuò)大氫能源在交通行業(yè)的應(yīng)用。2020年中國氫氣年產(chǎn)量2050 萬t，《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》估算2060年預(yù)計(jì)增加至1.3億t左右。不過，目前我國氫氣還不是綠氫，離清潔氫能質(zhì)量要求仍有較大差距。2050年氫能在能源體系中占比將達(dá)10%，氫能需求量接近6000 萬t。2060年氫能在道路運(yùn)輸中的應(yīng)用如能達(dá)到4000 萬t 可望實(shí)現(xiàn)4 億t減碳量，這對(duì)我國2030年交通運(yùn)輸行業(yè)11億t左右的達(dá)峰排碳量[22]的降低具有重要意義。

(5)減碳目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。中共中央國務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》[23]提出2030年非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，并將2060年非化石能源消費(fèi)比重定在80%以上的較高水平。意見第12 條提出“積極發(fā)展非化石能源：統(tǒng)籌推進(jìn)氫能‘制儲(chǔ)輸用’全鏈條發(fā)展”，對(duì)氫能研發(fā)與應(yīng)用提出了更高要求。2019年我國能源消費(fèi)總量48.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭約占57.7%[24]。國務(wù)院《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》[25]提出要推動(dòng)運(yùn)輸工具低碳轉(zhuǎn)型，擴(kuò)大電力、氫能、天然氣等新能源、清潔能源在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用，2030年當(dāng)年新增新能源、清潔能源動(dòng)力的交通工具比例達(dá)到40%左右。

能源結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵因素，預(yù)計(jì)2030年我國一次能源消費(fèi)上限在60億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，非化石能源應(yīng)在15 億t 以上。從2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)角度看，應(yīng)著力強(qiáng)化氫能戰(zhàn)略的實(shí)施、控制化石能源的比重。我國氫能發(fā)展應(yīng)注重以下4方面：

首先，正視我國氫能研發(fā)整體水平與發(fā)達(dá)國家間的差距，系統(tǒng)研究存在的短板，從國家層面制定可操作的頂層氫能發(fā)展路線圖，健全政策保障體系，加快氫能研發(fā)與應(yīng)用步伐。

其次，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度充分調(diào)動(dòng)地方政府與企業(yè)的積極性，從國家與地方兩級(jí)政府層面，建立研發(fā)“前”補(bǔ)貼與推廣“后”獎(jiǎng)勵(lì)兩種機(jī)制，通過技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用相結(jié)合的方式著力推進(jìn)氫能行業(yè)的發(fā)展。

第三，應(yīng)盡快研究出臺(tái)有利于氫能產(chǎn)品(如氫能汽車)推廣應(yīng)用的市場鼓勵(lì)機(jī)制，通過類似的如已經(jīng)實(shí)施的電動(dòng)汽車推廣與補(bǔ)貼策略，從市場(用戶)端奠定氫能技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)，與電動(dòng)汽車一起打造未來綠色交通運(yùn)輸體系。

第四，建立完善可再生能源與氫能綜合互補(bǔ)調(diào)節(jié)機(jī)制，利用可再生能源發(fā)電的棄電生產(chǎn)氫能，可再生能源電力消納保障機(jī)制。例如，西北地區(qū)棄風(fēng)棄電可用于電解水制氫，2019年我國棄風(fēng)電量達(dá)169億kWh，其中西北地區(qū)占比超過60%；利用這些棄電可大幅度降低制氫成本，僅這些棄電就可制氫約50 萬t，替代西部各省公路長距離貨運(yùn)的減碳效果可達(dá)500萬t。

致謝

本文作者感謝王慶云教授在本文研究與撰寫過程中的指導(dǎo)與幫助。