碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径

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。 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。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，如图1所示。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，如表1所示。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Carbon Capture and Storage,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。图2描述了美国向氢经济过渡经历的几个相关联的阶段。 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