氢能作为传统的工业原料和新兴的燃料能源，其应用十分广泛，并且相关的产业链条还在不断扩张中。综合来看，目前氢的主要应用方向主要集中在交通、工业、储能和建筑等领域。氢能应用可以渗透到传统能源的各个方面，包括交通运输、燃料电池、氢能冶金、化工产业、建筑供暖、发电等。目前我国氢气95%用作制氨、炼化等传统石油化工生产的原材料、仅5%用于可再生能源储能发电和氢燃料电池为核心的能源网络，但是随着氢燃料电池技术、氢冶金技术等的推进，氢能有望在交通、能源、工业、建筑等领域“多点开花”。本文主要探讨了氢能在交通和储能方面的应用。
图1 氢能应用场景举例
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交通领域
在交通领域，氢能主要应用于氢能源汽车、重型机械、航空船舶等方面。世界主要发达国家一直十分注重氢能在交通领域的发展，并投入了大量的人力、物力和财力进行技术攻关。目前，美国、日本和韩国在氢燃料电池汽车应用技术方面处于世界领先水平，欧盟也在2019年初发布了交通运输领域的《欧洲氢能路线图》。
图2 欧洲氢能路线图部署的燃料电池汽车车型和发展路径
氢动力汽车是氢能主要利用方式之一，氢的热能高，每千克氢能产生33.6kW/h能量，是汽油的2.8倍，且氢的燃点很低，火焰的传播速度较快，比汽油汽车具有更高的燃料利用率，也不会排出污染气体、温室气体。当前，大部分的氢能汽车都是汽油和氢气混合同时燃烧的掺氢汽车，纯氢汽车目前还在研发中。掺氢汽车相对而言，更少受到氢气成本较高的影响，也有利于在贫油区推广、改善发动机燃烧情况。我国的氢能应用遵循氢燃料电池商用车先于乘用车发展的特点，在产业补贴和国家政策支持下，中国氢燃料电池客车、物流车等商用车的应用领先于其他氢燃料电池车型。
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氢燃料电池汽车
氢燃料电池汽车作为氢能重要的下游应用领域，已进入示范导入期。随着加氢站等基础设施建设日益完善，制氢、储氢等环节技术的不断突破，燃料电池汽车低排放、加氢时间短、续航里程长的优势将逐渐显现，产销量将呈现上升趋势。氢燃料电池汽车将以客车和城市物流车为切入领域，向乘用车拓展，再向其他交通领域布局。逐步建立完备的燃料电池材料、部件、系统制备与生产产业链。据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测，到2035年，我国燃料电池汽车保有量将达到100万辆左右。2050年燃料电池汽车保有量将达到1000万辆。
图3 国内近年来燃料电池车销售情况（单位：辆）
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氢能两轮车
对比氢能汽车等应用，氢能两轮车（包括氢能摩托、氢能自行车等）轻量级应用在推广上有贴近消费者生活、市场规模大、试错成本较低等特点，属于重要的氢能应用领域。国际上对于氢能两轮车的研发已经较为成熟。铃木早在2006年就始投入具备环保面向的燃料电池摩托车的开发工作。2017年，铃木首台燃料电池摩托车BURGMAN Fuel-Cell作为伦敦市警务执勤车投放；世界上首辆氢能自行车可以追溯到2013年，由法国Pragma打造，后续法国、日本、德国等多家公司，也曾生产过氢能自行车。而国内拓展这一领域的代表企业有永安行、畔星科技、九号公司、宗申氢能、攀业氢能、安泰创明研究院等。
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氢能海运船舶
随着航运业迅速发展，柴油机动力船舶引发的环境问题日益显现。2020年我国航运业的二氧化碳排放量占交通运输领域排放量的12.6%。氢能作为清洁能源有望在航运领域减碳中发挥积极作用。
氢及氨基燃料是航运领域碳减排方案之一。通过氢燃料电池技术可实现内河和沿海船运电气化，通过生物燃料或零碳氢气合成氨等新型燃料可实现远洋船运脱碳。我国部分企业和机构基于国产化氢能和燃料电池技术进步已经启动了氢动力船舶研制。
现阶段，氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，作为小型船舶的主动力或大型船舶的辅助动力。预计到2030年我国将构建氢动力船设计、制造、调试、测试、功能验证、性能评估体系，建立配套的氢气“制储运”基础设施，扩大内河/湖泊等场景的氢动力船舶示范应用规模，完善水路交通相关基础设施；到2060年完成我国水路交通运输装备领域碳中和目标，在国际航线上开展氢动力船舶应用示范，提升我国氢动力船舶产业的国际竞争力。
此外，我国支持氢能船舶产业发展的政策体系正在不断完善。去年11月
由中国船级社编制的《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则》在武汉通过专家评审；今年6月，交通运输部、国家铁路局、中国民用航空局、国家邮政局四部门联合印发《贯彻落实<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>的实施意见》：有序开展氢燃料电池车辆、船舶试点，探索氢、氨等新型动力船舶应用。
相关统计数据显示，世界范围内，船舶用燃料电池的市场容量大约有160GW。根据交通运输部水科院的数据和专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约400艘和200艘，氢燃料电池系统市场规模将达到200亿元。
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航空领域
随着能源加速向低碳化、无碳化演变，航空业也面临能源体系变革带来的新挑战。氢能源为低碳化航空提供了可能，氢能可以减少航空业对原油的依赖，减少温室及有害气体的排放。相比于化石能源，燃料电池可减少75%-90%的碳排放，在燃气涡轮发动机中直接燃烧氢气可减少50%-75%的碳排放，合成燃料可减少30%-60%的碳排放。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。预计2060年氢气能提供5%左右航空领域能源需求。
美国、英国、欧盟等发达国家和地区纷纷出台涉及氢能航空发展的顶层战略规划。从发达国家发布的规划可以看出，氢能航空的发展是一个异常漫长的过程。从现在到2035年主要是发展基础性技术，开展航空试验，小范围展开核心氢能组件应用和验证；到2050年完成远程客机验证机和大规模的氢燃料加注基础设施建设，在航空领域实现更大规模应用。
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氢能轨道交通
氢燃料列车同样迎来了光明的发展机遇，与目前的高铁和交通轨道相比，以氢燃料做动力的列车具有以下优势：一是成本更低。氢能源轨道交通因免掉了传统电气化铁路的接触网、变电所等复杂工程问题，其一次性建设成本和全寿命周期运营成本，比传统高铁低10%—20%左右，同时，建设周期短，运营维护更简单。第二，更加绿色低碳。采用氢能源作为动力，从制氢到用氢，全产业链都是低碳的。高铁靠电力驱动，电气化铁路在使用阶段是环保的，但目前我国60%的电力来源于火电，源头上还是有空气污染问题。所以从全产业链角度来看，氢能源轨道交通更加低碳环保。根据测算，一列时速160公里的氢能源市域动车，一天来回跑500公里，一年大概可以减少1万多公斤二氧化碳的排放，减碳效果非常明显。所以，氢能源列车是轨道交通领域实现“双碳”目标的一个重要手段。
国内氢能轨道交通领域的探索自2015年开始，彼时世界首列氢能有轨电车在南车青岛四方机车车辆股份有限公司竣工下线。到2019年，佛山高明低地板有轨电车成为世界首条商业运营的氢能有轨电车示范线，氢能轨道交通的发展愈发受到社会各界的广泛关注。
据相关数据统计，两轮车作为重要的交通工具之一，全球每年的销量接近2.5亿辆，市场空间超过5000亿元。我国作为两轮车的生产大国，每年生产1.1亿辆，销售0.6亿辆，占全球销售额的1/4。自2019年新国标正式实施起，两轮车市场迎来了新一轮换购利好。如果氢能两轮车能够实现量产化规模效应，将成为两轮车市场的有力角逐者。
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氢储能及在发电方面应用
新能源是全球具有战略性和先导性的新兴产业。对新能源和可再生能源的研究和开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的关键问题。对中国这样一个能源生产和消费大国来说，既有节能减排的需求，也有能源增长以支撑经济发展的需要。开发多种形式的新能源，提高各种能源协调高效运行是中国目前要解决的首要问题。在传统能源和各种形式的新能源交替共存的非常时期，储能产业是各种能源形式紧密结合的“软化剂”，是优化能源结构，避免能源浪费的关键支撑。不管是节能减排，充分利用传统能源，还是大规模发展新能源，提高新能源的渗透率，都离不开储能技术的密切配合。
储能技术分为物理储能、化学储能及热储能。物理储能包括机械储能（抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能）与电磁储能（超级电容器、超导储能）；化学储能基于电化学原理进行储电，如铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，实现热能的直接利用或热发电。这些技术的主要目的均是储电，利于充放电短周期内的就地使用，若需要进行长周期的储能，如不同季节，储电则会受到其容量的限制。
目前，大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能可实现商业化。但抽水蓄能电站的建设受到地理条件的严格限制，尤其中国可再生能源集中地水资源有限，难以满足建造抽水蓄能电站的需求。压缩空气储能容量大、寿命长、经济性能好、充放电循环多，但目前还存在传统压缩空气储能系统需要燃烧化石能源、小型系统的效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点。
图4 抽水储能示意图
氢能是一种理想的二次能源，燃烧产物为水，是最环保的能源形式，它既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中，如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等。氢储能能量密度高、运行维护成本低、可长时间存储且可实现过程无污染，是少有的能够储存百GW·h以上，且可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备技术方式，被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。对可再生和可持续能源系统而言，氢气是一种极好的能量存储介质。氢气作为能源载体的优势在于：
图5 氢储能示意图
氢储能发电技术是一种利用氢气作为能源储存介质，在电力生产过剩时使用冗余电力制造氢气并储存，在电网电力生产不足时将储存的氢气通过燃料电池来生产电力或转化为甲烷，为常规燃气涡轮发电机提供动力的技术。在世界范围内，氢储能发电技术被认为是一种用作平衡可再生能源装机容量较高的电网供需的潜在解决方案。氢能发电具备能源来源简单、丰富、存储时间长、转化效率高、几乎无污染排放等优点，是一种应用前景广阔的储能及发电形式，可以解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，提高电力系统安全性、可靠性、灵活性，并大幅度降低碳排放，推进智能电网和节能减排、资源可持续发展战略。然而，氢气制备价格，大规模氢气储存的安全及投资，氢燃料电池的效率及相关电力市场的政策、法规及服务等都被认为是氢储能技术推广的重要影响因素。国内外围绕氢能的研究开展已久，但关于氢储能在电力系统中的应用，尤其是在可再生能源发电中的应用还鲜有研究。
在氢储能发电技术方面，欧洲的发展相对成熟，有完整的技术储备和设备制造能力，也有多个配合新能源接入使用的氢储能系统的示范项目。如美国、日本都将氢能发电作为电网新能源应用长期的重点发展方向进行战略规划。目前，国际上小型氢能“发电站”开始进入推广期，大型氢能发电示范站也在逐步建设中。从国内情况看，中国电解水制氢技术的基础较好，包括零部件控制、集成等方面的相关产业链也在逐步形成。发展氢能已列入国家的重大发展项目之列，国家电网公司也正在进行氢能储能发电的前瞻性研究。
目前我国已有多座在建和示范运行的氢储能设施。去年3月，国家发改委发布的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》指出，研究探索可再生能源发电制氢支持性电价政策，完善可再生能源制氢市场化机制，健全覆盖氢储能的储能价格机制，探索氢储能直接参与电力市场交易。氢储能作为一种能与可再生能源进行天然匹配的能源技术方式，正在被看见。
总之，氢能与电能将是未来能源应用的主要表现形式，为了未来的能源和全球经济安全，必须大力发展氢气储能及发电技术，充分将氢能和电能合理而高效的结合，同时发挥氢气可以作为储能介质的优势，克服可再生能源间歇性弊端，才能实现能源革命的顺利过度，促使“氢能经济”早日到来。
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工业领域
氢能利用是工业领域深度脱碳的重要实现路径。随着国家碳达峰、碳中和“顶层设计”的落地，氢能产业不断获得国家政策的加持，氢在多个难以脱碳领域的“不可替代性”正备受关注，工信部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》提出，提升清洁能源消费比重，鼓励氢能等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。传统的冶金、水泥、化工等难以脱碳的领域，除来自国家碳减排政策越来越大的压力外，欧美发达国家设置的绿色能源和绿色产品壁垒也已影响到这些行业的出口和销售，而这类传统工业领域要达到减碳的目的，用氢能、绿电等替代传统化石能源是唯一的选择。
工业部门用氢需求大，因此能够以规模效益来降低氢能供应链成本；同时，工业企业决策相对集中，可在基础设施等方面率先行动，并带动全社会氢能发展。未来氢能在工业领域的应用前景广泛，氢能炼钢、绿氢化工和天然气掺氢将成为主要应用场景。
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目前，中国能源企业也在进行天然气管网掺氢的尝试和部署，力图突破天然气掺氢技术瓶颈，积累天然气掺氢与管道适应性的相关数据，撰写天然气管道掺氢的规范和标准，促进能源产业体系升级，助力中国在世界第三轮能源更替过程中掌握主动赢得先机。
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其它工业应用
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图1 氢能建筑用燃料电池热电联供技术示意图
天然气掺氢供暖供电：加拿大、美国和西欧等主要供暖市场已有成功经验，将一定比例的氢气混合到天然气管网中，对锅炉和煤气灶等最终使用设备几乎没有影响。
热电联供应用模式：利用氢燃料电池为建筑、社区等供热，并作为备用电源，与电力、热力等能源品种互联互补，提高能源利用效率。
氢气可以通过纯氢或者与天然气混合输送，使用纯氢方式传输对管道要求更高。氢气还可能导致钢制天然气管道的安全风险，需要用聚乙烯管道取代现有管道。这种投资对于较大的商业建筑或地区供暖网络来说可能具有经济意义，但对于较小的住宅单元来说则可能成本过高。
因此，早期氢气在建筑中的使用将主要是混合形式。氢气与天然气混合，按体积计算的比例可以达到20%，而无需改造现有设备或管道。和使用纯氢相比，将氢气混合到天然气管道中可以降低成本，平衡季节性用能需求。随着氢气成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然气基础设施和有机会获得低成本氢气的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使用氢气。
挪威船级社DNV预测，在2030年代后期，纯氢在建筑中的使用有望超过混合氢气；到2050年，氢气在建筑供暖和供热能源总需求中约占比3-4%。
从经济性的角度看，未来氢能将首先在交通运输系统中应用，替代燃油；其次在钢铁冶金行业和发电/热电联供中应用，替代煤炭和天然气；最后在含氢的化学产品生产领域应用，替代部分煤炭和石油。总之，在“双碳”目标下，氢能行业将迎来大发展是必然趋势。我国具有发展氢能的先天优势，正在构建成熟的氢能技术链与产业链，并加快实施“氢能中国”战略。随着技术的进步与行业布局的完善，氢能作为一种有着诸多无可比拟优势的能源，将在我国以及全球实现能源转型与碳中和目标中承担重要的战略地位。
