本文摘要：摘要：氫能是未來能源系統(tǒng)清潔轉型的重要二次能源。本文首先調研分析了美國、歐盟、日本既有的氫能研發(fā)總體戰(zhàn)略及其實施情況;結合氫能源的優(yōu)勢和未來全球碳減排的任務，分析了氫能關鍵技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、交通運輸行業(yè)推廣應用情況;從技術角度比較了美國、歐盟、日
摘要：氫能是未來能源系統(tǒng)清潔轉型的重要二次能源。本文首先調研分析了美國、歐盟、日本既有的氫能研發(fā)總體戰(zhàn)略及其實施情況;結合氫能源的優(yōu)勢和未來全球碳減排的任務，分析了氫能關鍵技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、交通運輸行業(yè)推廣應用情況;從技術角度比較了美國、歐盟、日本的氫能技術推廣策略，指出我國氫能研發(fā)技術的國際差距。結合實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了我國鐵路、公路、水運和民航等運輸方式的碳排放水平。在氫能既有特性參數(shù)基礎上，測算了氫能在道路、鐵路等不同領域應用的碳減排效果。結果發(fā)現(xiàn)：氫能替代公路貨運10%，可減碳7000萬t;1000萬t氫用于替代道路貨運可獲得近1億t的碳減排量。本文研究提出了氫能研發(fā)與應用策略，建立可再生能源與氫能綜合互補調節(jié)機制，如近期利用西部地區(qū)可再生發(fā)電的棄電降低電解水制氫成本，利用灰氫替代燃油，中遠期推廣擴大氫燃料電池市場等。本文還研究了交通運輸業(yè)適合氫能發(fā)展的重點領域,分析表明：2060年氫能在道路交通中的應用如能達到4000萬t，可望實現(xiàn)交通運輸業(yè)減碳約4億t。本文結合我國國情提出了碳中和目標下將氫能技術與產(chǎn)品推廣到大功率、長距離以及冬季低溫地區(qū)客貨運輸領域，與既有電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略一道打造綠色交通體系的對策與建議。
關鍵詞：綜合交通;碳中和;氫能;交通能源戰(zhàn)略;交通政策;發(fā)展路徑
1清潔能源概念及效能
能源是支撐人類社會運行與發(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注。為應對環(huán)境問題，各國加強了新能源的研發(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。
碳中和論文范例： 新能源在碳中和中的地位與作用
可再生能源指原材料可以再生的能源，如水電能、風電能、太陽能、生物(沼氣)能、地熱能(包括地源和水源)等。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與運行的風險因素，目前，幾乎所有國家都無法保證核能發(fā)電機構，即核電站的絕對安全，客觀上影響了核電的推廣。
1.1氫能的概念與效能
氫是世界上最豐富的物質，構成宇宙質量的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。氫能源可儲藏，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，這使氫能對不同應用環(huán)境有更好的適應性。消耗相同質量的氫氣、煤和石油，氫氣的能量最大，這可以增加汽車、飛機、輪船、潛艇的續(xù)航里程，對于重載貨運(如公路貨運、遠洋海運與內(nèi)河水運等)、長距離客運、航空與航天等運載工具有重要意義。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、藍氫和綠氫�；覛湟话阒赣没剂现瞥傻臍�，如石油、天然氣、煤炭制氫;藍氫指由配套碳捕捉(CarbonCaptureandStorage,CCS)技術的化石燃料制成的氫;綠氫則指通過可再生能源(如風電、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年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標下，氫能的效能優(yōu)勢同樣具有廣泛的應用潛力和價值。
1.2氫能的生產(chǎn)與應用
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(包括焦爐煤氣制氫、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下制氫技術選擇的關鍵，而制氫成本是影響推廣應用的決定因素。
氫能可通過燃料電池轉變?yōu)殡娔�，加上廢熱利用，總效率可達80%以上。氫氣除熱值高外，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀欤c火能量更低，氫能汽車比汽油車總燃料效率高約20%。燃料電池是將燃料的化學能轉換成電能的一種化學裝置，也稱化學發(fā)電器。燃料電池被譽為繼水力發(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。對燃料電池而言，含有氫原子的物質都可以作為燃料，如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物以及沼氣、酒精、甲醇等。燃料電池沒有機械傳動環(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化效率約為40%～60%，液氫燃料電池的比能量可達鎳鎘電池的800倍。
交通運輸工具應用的燃料電池技術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用前景廣泛，已成為美國燃料電池研究的重點領域。德國推出了多種燃氫汽車，制氫成本是氫燃料電池研發(fā)與應用的瓶頸。不少發(fā)達國家將大型燃料電池開發(fā)作為能源技術的重點研究領域，可望取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機。
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)達國和地區(qū)的氫能研發(fā)與應用情況。氫氣應用范圍很廣，包括交通運輸、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，中游是氫能儲運，下游是氫氣應用。
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)展目標及路線，其2014年的《全面能源戰(zhàn)略》明確了氫能在交通運輸業(yè)中的作用。2019年的《氫經(jīng)濟路線圖》從實施角度提出要擴大氫能在交通、分布式電源、家用熱電聯(lián)產(chǎn)等領域的應用。美國能源部2020年發(fā)布的《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》細化了氫能研發(fā)實施方案，指出要打破機構和市場壁壘、促進氫能研發(fā)涉及的燃料電池和燃氣輪機技術的應用，形成氫能應用網(wǎng)絡。
(2)氫能應用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃氫能研發(fā)涉及的兩個重點領域是燃料電池系統(tǒng)研發(fā)和加氫站建設。美國一直支持鼓勵燃料電池的研發(fā)，2018年以來，先后投入6800萬美元用于研發(fā)。燃料電池應用涉及運輸(包括汽車(分為客車、輕型車和叉車)、飛機、船舶)、儲能、發(fā)電等領域，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)濟路線圖》，2019年擁有燃料電池車約7600輛，計劃到2022年達到5萬輛，2025年達到20萬輛。通過成立專門的機構，美國建立了多渠道氫能研發(fā)投資機制，扶持相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展;通過政府、研究機構和企業(yè)的產(chǎn)學研合作平臺，推進燃料電池的發(fā)展。
加氫站是氫能應用中最重要的基礎設施。為推動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設施。加氫站網(wǎng)絡建設依賴于商業(yè)模式完善以及政府支持兩大策略。加氫站建設采用“以站促車”的商業(yè)模式，通過建設加氫站網(wǎng)絡解決燃料電池汽車的動力供應問題，從而促進燃料電池汽車的發(fā)展。此外，政府對加氫站建設提供支持，一方面對加氫站建設提供指導意見，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)展藍圖中提到要打造可再生氫能源體系，在2050年前，逐步擴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氫能，迅速減少制氫中的碳排放量，促進可再生能源的使用。歐盟氫能發(fā)展分為3個階段[3]：第1階段是2020—2024年，戰(zhàn)略目標是在歐盟安裝至少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100萬噸t，對現(xiàn)有氫氣生產(chǎn)進行脫碳處理;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1000萬t;第3階段是2030—2050年，可再生氫技術達到成熟，并大規(guī)模應用于所有難以脫碳行業(yè)(如陸上貨運、航空、海運等)。
(2)氫能應用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃
過去十幾年，歐盟低碳化重點集中在發(fā)電領域，電力占歐洲終端能源結構的20%。交通和供熱(包括建筑和工業(yè))合計占歐洲終端能源消費的77%[4]，是未來氫能應用的重要領域�！稓W盟氫能路線圖》[5]提出，2030年車輛市場將達到乘用車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。電動汽車目前在乘用車領域已占先機，但對于一些載荷重、行駛距離長的運輸汽車，如長途客車、城市出租車、長途重型貨運卡車等，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型的重要方向。2018年6月，歐盟熱電聯(lián)產(chǎn)促進協(xié)會發(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域的發(fā)展藍圖。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%的碳減排目標和18%的能源效率目標做出貢獻。
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》，重點規(guī)劃了燃料電池技術、氫供應鏈及電解技術領域，提出將車載用燃料電池、定制用燃料電池、水制氫等項目作為優(yōu)先發(fā)展領域。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存技術生產(chǎn)氫，此技術在經(jīng)濟上具有較大競爭力。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個階段[6]：2022年前從技術上論證從國外儲存和運輸氫氣的可行性;2030年左右全面引進氫氣發(fā)電;2050年左右實現(xiàn)家庭完全使用不含CO2的氫氣。日本政府與企業(yè)為促進燃料電池汽車商業(yè)化，一直致力于降低其成本。“路線圖”對氫燃料電池汽車價格提出了具體要求：2025年前氫燃料電池汽車與混合動力汽車價格相差不大于70萬日元，燃料電池系統(tǒng)造價應降至5000日元·kW-1，儲氫罐造價降至30萬日元。
(2)氫能應用及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃日本《氫能源基本戰(zhàn)略》明確了氫能應用的兩大領域：一是運輸工具(燃料電池汽車);二是家用燃料電池熱電聯(lián)供;將這兩大領域打造為氫能發(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，累計推廣超過3900輛。日本還計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300~600萬輛。
家用燃料電池熱電聯(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97%，在該領域全球領先。該項目2005年由政府主導啟動并補貼，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技術成熟，價格較低，在日本市場占比累計超過80%;SOFC技術先進，但造價較高，發(fā)展?jié)摿^大[8]。日本家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)2009年已進入商業(yè)推廣，計劃2030年實現(xiàn)裝機量累計530萬套。
2.4氫能技術發(fā)展特點
從全球看，制氫主要以傳統(tǒng)能源的化學重整技術為主，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。美國的質子膜純水電解制氫技術世界領先，且掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術[10]，液氫產(chǎn)量、規(guī)模及價格有較大優(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先水平。
日本在家庭燃料電池熱電聯(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，預計2050年燃油汽車將全面向燃料電池汽車過渡。歐盟為實現(xiàn)減排目標，高度重視燃料電池技術的研發(fā)，其固體氧化物型燃料電池技術國際領先。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)供等方面運用廣泛。美國、歐盟、日本均以汽車作為燃料電池移動端最重要的領域，但重點發(fā)展的車型各有側重。
美國、日本重點在乘用車，而歐盟優(yōu)先發(fā)展的是行駛里程長且載荷大的商務車和卡車。美國在加氫站建設方面采取“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，形成了區(qū)域聯(lián)動氫能供應網(wǎng)絡。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)。
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《新時代中國能源發(fā)展》白皮書中提出加速發(fā)展綠氫提取、儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈，促進氫能燃料電池技術鏈、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年遠景目標綱要提出在氫能與儲能等科技和產(chǎn)業(yè)領域布局一批未來產(chǎn)業(yè)，加速氫能產(chǎn)業(yè)孵化計劃實施。除了國家層面上陸續(xù)出臺的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關政策規(guī)范外，京津冀、長三角、珠三角以及川渝等經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)也推出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導意見及規(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)以技術引進為主，較成熟的技術有化石燃料制氫、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)制氫已實現(xiàn)商業(yè)化。技術上看，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，電解水是該技術的核心，包括堿性電解水、質子交換膜(PEM)電解水、固體氧化物電解水等技術。
堿性電解水技術商業(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性和靈活度，未來或成為制氫的主流技術。電解水制氫成本相對較高，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，我國煤資源相對豐富和廉價，在水制氫成本降下來之前，未來規(guī)�；茪浠驊悦褐茪錇橹攸c。
4結論與建議
通過上述分析，可以得到以下結論：
(1)氫能是未來全球能源體系中的重要組成部分。據(jù)歐盟相關研究，2050年全球氫能源市場規(guī)模將達2.3萬億歐元，2/3的汽車將配備氫燃料電池驅動裝置。氫能源在交通運輸領域的航空、水(海)運、長距離道路貨物運輸?shù)阮I域具有不可替代的應用價值。我國500km以上長途貨運在寧夏、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%，是未來氫能應用的重點區(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)電結構中煤電占38%，而2020年我國發(fā)電量中燃煤火力發(fā)電占比更是高達68.5%。預計2050年我國煤電仍將占20%(EIA機構預測我國2050年煤電將占30%)，據(jù)此估算電力排放因子為0.10057kgCO2·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碳中和目標的實現(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期大面積推廣氫燃料電池的技術路線。
(4)氫能減碳效果顯著。
美國2050年氫能總需求量預計在6300萬t，屆時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年預測氫能需求將達約2000萬t，并擬擴大氫能源在交通行業(yè)的應用。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年預計增加至1.3億t左右。不過，目前我國氫氣還不是綠氫，離清潔氫能質量要求仍有較大差距。2050年氫能在能源體系中占比將達10%，氫能需求量接近6000萬t。2060年氫能在道路運輸中的應用如能達到4000萬t可望實現(xiàn)4億t減碳量，這對我國2030年交通運輸行業(yè)11億t左右的達峰排碳量[22]的降低具有重要意義。
(5)減碳目標任重道遠。
中共中央國務院《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[23]提出2030年非化石能源消費比重將達到25%左右，并將2060年非化石能源消費比重定在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)籌推進氫能‘制儲輸用’全鏈條發(fā)展”，對氫能研發(fā)與應用提出了更高要求。2019年我國能源消費總量48.6億噸標準煤，煤炭約占57.7%[24]。國務院《2030年前碳達峰行動方案》[25]提出要推動運輸工具低碳轉型，擴大電力、氫能、天然氣等新能源、清潔能源在交通運輸行業(yè)的應用，2030年當年新增新能源、清潔能源動力的交通工具比例達到40%左右。
參考文獻
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作者：毛保華*1a,1b，盧霞1a，黃俊生1a，何天健1a，陳海波2
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