“氢能十解”系列专题 | 第五解：氢基能源应用拼图

交通领域应用 

化石能源清洁绿色替代是交通领域碳减排的路径之一，绿色氢基能源作为交通燃料，可以应用于公路交通、铁路交通、航空、航海等多种场景，是未来交通运输行业实现低碳转型的有效途径。

公路交通是交通运输领域碳排放的绝对主体和减排重点。氢基能源在公路交通运输领域的应用，主要包括氢基能源燃料电池及氢基能源内燃机两种方式。

氢燃料电池是目前在公路交通中应用较为成熟的绿色解决方案。我国氢燃料电池汽车的发展采取先商用车后乘用车路线，氢燃料电池汽车主要以客车、重型卡车、牵引车、城市物流车为切入，逐步过渡到乘用车领域。相对于发展趋于成熟的纯电动汽车，氢燃料电池汽车适合固定路线、中长途干线和高载重场景。据中国汽车工业协会数据显示，2022年我国重型卡车销售量为67.19万辆，其中氢燃料重型卡车销售量为2382辆，渗透率为0.35%，预计随着氢能源产业政策、氢燃料电池技术、加氢站等配套设施的发展，氢燃料电池汽车规模将迎来加速发展的契机。

氢基能源中甲醇是公路交通领域的最佳替代燃料选项，甲醇可用作内燃机中的汽油添加剂或替代品，也可应用于改装的柴油发动机车辆，应用场景丰富。甲醇具有以下优点：一是常温常压下呈液态，便于储运；二是成分单一，燃烧相对清洁；三是甲醇作为含氧燃料，可以有效改善发动机燃烧反应，提高能源转换效率，相比按汽油等热值计算平均能量转换效率可提高20%以上。工业和信息化部发布的《“十四五”工业绿色发展规划》明确提出“促进甲醇汽车等替代燃料汽车推广”。目前我国甲醇汽车已具备完整的政策许可、行政管理许可、技术标准许可、市场准入许可和运行保障许可等相关许可，建成了完整的产品技术链、产业链和供应链，构建了甲醇乘用车、甲醇混合动力乘用车、甲醇商用车、甲醇自卸车、甲醇危化品运输车、甲醇增程电动车等组成的多元化产品体系，甲醇汽车产业即将迎来快速发展的历史机遇。

氢基能源在铁路交通领域的应用主要是氢基能源燃料电池替代传统内燃机为火车提供新的动力来源，氢基动力火车的优点在于不需要对现有铁路轨道进行电气化改造即可以实现铁路运输行业的减排。法国、德国和英国等欧洲国家均已出台国家铁路网络清洁改造升级计划，但在我国铁路高电气化率的背景下，氢基动力火车需求相对有限。

从技术来看，氢动力火车仍处于研发试验阶段。2022年，世界上第一列纯氢动力客运火车在德国正式运营，续航里程达1000公里，最高时速达140公里；2021年，中国试运行国内首台氢燃料电池混合动力火车，满载氢气可连续运行24.5小时，平直道最大可牵引载重可超过5000吨；2022年，中国建成了世界首个重载铁路加氢科研示范站，为氢动力火车供应氢能燃料。

航空业的碳减排很难通过电气化实现，氢基能源为航空业提供了可能的减碳方案。目前氢能飞机的动力主要包括氢燃料电池、燃氢发动机等，相较于氢燃料电池，燃氢发动机的发展较为缓慢，这跟氢燃料与航空煤油的许多特性的不同有密切关系，航空发动机从燃油到燃氢，对结构设计尤其是燃烧室的设计带来了较大的挑战。

氢动力飞机可能成为中短距离航空飞行的减碳方案，但在长距离航空领域，仍须依赖航空燃油，因此发展绿色航油将是实现减碳目标最重要的措施。绿色航空煤油是指从非化石资源而来的C8～15液体烃类燃料，根据美国环球油品公司的生命周期分析，绿色航油的温室气体排放量比石油基航空燃料减少65%～85%。

绿色航空煤油可以通过对植物油、地沟油或其它高含油生物燃料加氢精制生成；也可以通过将纤维素、木质素等生物质气化生成合成气，经费托合成工艺后，再加氢裂化、加氢异构改质生成。清华大学研究团队通过设计指向含芳环航煤馏分为目标产物的工艺路线，从热力学上实现一步生产航空煤油，目前已完成100吨/年的小型生产实验。目前，全球绿色航油主要从生物油脂的加绿氢精制生产，售价在2700～3100美元/吨，价格是石油基航煤的4倍左右。

美国、英国、欧盟等发达国家和地区已经出台绿色航空发展的顶层战略规划，预计绿氢将在未来航空业低碳转型中发挥重要作用。

《2023年国际海事组织船舶温室气体减排战略》明确提出到2030年国际航运业二氧化碳排放量比2008年减少30%以上，并在2050年前后实现净零排放，氢基燃料作为航运领域的重要碳减排方案，迎来重要发展机遇。目前氢基燃料在航运中的应用主要包括燃料电池和甲醇燃料两种解决方案。

我国企业和机构基于国产化氢能燃料电池已经启动了氢动力船舶研制，目前的氢动力船舶主要用于湖泊、内河、近海场景，作为小型船舶的主动力或大型船舶的辅助动力。2023年10月，我国首艘氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟1”号首航，标志着氢燃料电池技术在我国内河船舶应用实现零的突破。

绿色甲醇作为国际上公认的清洁燃料，甲醇可以实现船舶低改装成本下柴油的部分或完全替代。目前日本、新加坡等国家已明确将绿色甲醇作为船舶运输的燃料，根据船舶经纪公司Braemar估算，到2030年，仅国际航运巨头马士基一家对于绿色甲醇的全球需求量即将达到600万吨，绿色甲醇在船舶航运领域应用市场空间巨大。

我国船舶和船舶动力制造行业也在积极推进内河航运、江海直达、近海运输甲醇燃料动力船舶的制造。2017年中国船级社发布《船舶应替代燃料指南》，为甲醇作为船舶动力提供了技术标准和应用指南；以中船重工为主的研究机构也在积极研发直喷甲醇发动机、甲醇燃料加注单元等甲醇船舶的核心装置。

电力领域应用

氢基能源可以运用在电力系统“源-网-荷-储”的各环节。在源端，可通过气电掺氢和煤电掺氨的方式降低发电端的碳排放；在网端，氢基能源可以通过管道长距离运输作为特高压电力输送的一种有效补充；在负荷端，电解水制氢是一种柔性负荷，可为电力系统提供需求侧灵活响应；在储端，氢基能源可以通过燃料电池回流到电力系统中，氢基能源可作为一种具备长时储存能力的“过程性能源”，可以实现跨日、月、季节的长时储能，对构建新型电力系统意义重大。

氢气可借助较为完善的家庭天然气管网，以一定比例掺入天然气中，用于建筑的能源需求。

目前世界许多国家已经逐步开展天然气管网掺氢项目示范，其中英国、法国的示范项目最高掺氢比例已达20%。国内首条掺氢高压输气管道工程包头—临河输气管道工程于2023年3月在巴彦淖尔市临河区正式开工，最大输气能力可达12亿标方/年，可实现最高掺氢比例10%；2023年4月，宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范平台，397公里长的天然气管线掺氢比例已逐步达到24%，经过了100天的测试运行，整体运行安全稳定，创造了国内外天然气管道掺氢输送的新纪录。

从国内外示范工程及研究表明，掺氢比例在10%至20%之间是可行的，据公开数据显示，预计2050年全球10%的建筑供热和8%的建筑供能将由氢气提供，每年可减排7亿吨二氧化碳。

氢基能源可以通过燃料电池的形式参与建筑供能。氢基燃料电池热电联供系统是指通过能量梯级利用的方式，同时实现对建筑的供电和供热，将具有较高利用价值的高品位能量用于发电，而剩余的温度较低的低品位能量则用于供热，其系统综合能量利用率可达80~90%。

基于氢基燃料电池搭建的热电联供系统采用在负荷中心建立分布式发电系统的形式，可以为楼宇、小区等民用用户以及工业用户提供热，并承担部分用电负荷，结合天然气管道掺氢，可以实现电、热、气三联供。目前，以日本、韩国、欧洲为代表的国家已实现了氢燃料电池微型热电联供商业化；我国建筑领域热电联供目前仍处于研发试验阶段，河北省、广州市、上海市等多地规划提出要推广氢燃料电池热电联供试点项目，探索家用和商用氢燃料电池热电联供模式，助力建筑领域节能减排。

“氢能十解”为作者对于行业的粗浅理解，本文章部分数据及图片引自国际可再生能源机构、国家统计局、国家能源局、中国电力企业联合会、中国产业发展促进会氢能分会、水电水利规划设计总院、电力规划设计总院等单位发布的数据及相关报告，如有不足之处，请多包涵。本文章相关内容、数据及观点仅供参考，不构成投资等决策依据，作者不对因使用本文章内容导致的损失承担任何责任。