【关注】一文了解氢能可以应用在哪些领域- 大数跨境

新鼎资本

2024-06-13

双碳大背景下，氢能作为一种储量大、污染小、热值高、可再生的清洁能源，为各行业脱碳提供了重要途径，目前氢能的应用已经渗透到传统能源的各个方面，主要应用在交通和工业领域，同时，氢能在建筑、发电、军事等领域也有广泛应用。氢能在交通领域可作为燃料电池的燃料用于氢燃料电池乘用车、公交车等，在工业领域可替代传统参与化工行业的多个环节，在建筑领域可代替传统燃料进行供暖，在发电领域可通过燃料电池将氢能转化成电能。

一、交通领域

交通领域是目前氢能应用相对比较成熟的领域，氢能源在交通领域的应用包括公路、铁路、航空和海运等，其中，氢燃料电池汽车是氢能源在交通领域的主要应用手段。

1、公路

近年来，中国氢燃料电池汽车发展迅速，目前以氢气作为汽车能源的方式有两种，一种是氢气作为燃料供内燃机燃烧，就是氢内燃机，另一种是现在主流的氢燃料电池技术，主要是利用质子交换膜和催化剂，让氢气和氧气发生电化学反应，产生电流并生成水，电流经过逆变器、控制器等装置，给电动机供电，驱动汽车前进。

与纯电动汽车和传统燃油车相比，燃料电池汽车具有温室气体排放低、燃料加注时间短、续航里程高等优点，较适用于中长距离或重载运输，当前燃料电池汽车产业政策也优先支持商用车发展，现阶段国内燃料车以客车和重卡等商用车为主，乘用车主要用来租赁。但是，从当前的发展状况看，氢动力车距离大规模的产业化应用还有很长距离，车用氢燃料电池关键核心技术，以及制氢、储氢、加氢等核心技术面临的问题很大程度上限制了氢能源汽车在市场上的大规模推广。

燃料电池车适合重型和长途运输，在行驶里程要求高、载重量大的市场中更具竞争力，未来发展方向为重型卡车、长途运输乘用车等，中国氢能联盟研究院预测，到2030年我国燃料电池车产量有望达到62万辆/年。

2、铁路

氢能在铁路交通领域的应用主要是与燃料电池结合构成动力系统，替代传统的内燃机。

与传统柴油火车相比，氢动力火车主要具有以下优点：

（1）零排放：氢能源列车在运行过程中只排放水蒸气，并不产生任何温室效应或者空气污染物；

（2）可持续：如果氢气是通过可再生能源（如太阳能、风能）电解水制取的话，那么整个过程就是完全清洁和可持续的；

3. 运行效率高：氢能源列车利用燃料电池将化学能直接转化为电能，并通过外部回路驱动牵引电机等设备工作，避免了传统发电方式中由于燃料燃烧、蒸汽涡轮、发电机等多个环节所造成的大量能量损耗，而且燃料电池还可以利用制动回馈技术将制动时产生的动能转化为电能储存起来；

4. 运营成本降低：氢能源列车不需要依赖于线路牵引供电系统，这样就省去了铺设和维护接触网或者第三轨等设施所需的巨额投资，而且由于氢气具有较高的储能密度，一次加注就可以支持长时间长距离地行驶，这样就减少了充换电站或者换乘站点等基础设施建设和运营费用；

5. 安全性高：现代技术已经可以保证氢气在储存、输送和使用过程中达到高标准的安全性要求，由于没有火花塞或者火焰等高温元件，在碰撞事故中也不会引起火灾或者爆炸。

3、航空

航空业碳排量主要来自于化石能源燃烧，氢能可以减少航空业对原油的依赖，减少温室及有害气体排放。

目前，航空领域利用氢能提供动力的技术路线主要有3种：

（1）使用氢燃料电池通过化学反应产生电能，为电动机提供电力；

（2）通过氢燃料在燃烧室内燃烧，推动涡轮并带动风扇产生推力；

（3）通过点燃更大流量的氢气以驱动涡轮、产生动力，从而使发动机获得更大的功率密度。

前两种技术路线功率密度较小更适用于小型飞机，对于更大重量的民航客机一般选择第三种技术路线，但三种路线都需要解决液氢或气氢储存、输送、安全等问题。

今年3月，国内首款氢燃料内燃机飞机验证机在沈阳某机场完成首飞。此飞机搭载了一汽集团研发的2.0L零排放增压直喷氢内燃机，使用高压气态储氢，储氢重量4.5kg，巡航速度180km/h，氢内燃机最大热效率大于43%，综合热效率大于40%，留空时间大于1小时。

这款飞机是国内自主研发制造的第一架以氢内燃机为动力的通航飞机，其成功起飞意味着中国在航空领域氢能应用上踏出了坚实的一步。

由此看来，氢能航空的发展已是大势所趋，但是氢动力飞机的商业化落地仍存在诸多挑战。

一方面，绿氢高昂的生产成本，让其在飞行上高出传统石化燃料的使用成本很多，难以形成大规模商业化应用，另一方面，氢动力飞机需要新的地面设施，氢气的储存、运输、加注等各环节都需要开发与建设，此外，在氢能市场运行与监管制度上，各国没有统一的标准，这样的情况下，氢能航空发展也会被拖慢。

4、航运

航运业的碳减排主要取决于氢、氨等新型低碳技术和燃料的开发及商业化，氢动力船舶基于燃料电池的氢能应用模式，兼顾能源高效利用、零排放、船舶舒适度提升，可以适应未来绿色船舶市场需求，并且具有广阔应用前景。

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相继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，以客船、渡船、内河货船、拖轮等类型为主；海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶研制是当前的国际趋势，采用氢燃料电池动力系统同样具有良好前景。

总体而言，氢动力船舶整体处于前期探索阶段，相关技术尚未成熟，发展氢动力船仍有多项技术需要突破，如高效低碳的氢气制取技术、大规模低成本的氢气运输技术、船舶大容量储氢技术、船舶氢内燃机技术、船舶多能源协同控制技术等。

二、工业领域

1、石油化工

我国石化化工领域主要涉氢的行业包括煤化工、天然气化工、石油化工、焦炉气化工、氯碱化工、精细化工等，主要产品有合成氨、过氧化氢（双氧水）等无机化工产品，甲醇、烯烃、乙二醇等有机化工产品，成品油、合成天然气等能源化工产品，还有多种精细化工、化工新材料等产品。

化工行业当中，大部分氢气用于加氢处理、加氢裂化和脱硫，由于优质低硫燃料的需求激增，以及轻质低硫燃油的减少，氢的需求量在不断增长。过去氢气本身是化工的副产品之一，然而现在需量增加，导致供需失衡，石化工业目前也在采取天然气为原料进行氢气的制备。

该领域氢气需求的增多，能够以规模效益来降低氢气供应链成本，另一方面氢气可作为燃料和化工原料帮助工业实现减碳，目前，化工行业用氢主要依赖化石能源、工业副产物制取，未来通过低碳绿氢替代应用潜力巨大。

目前国内已有化工行业应用绿氢的示范项目陆续落地，例如宝丰能源在宁东建立的全国最大光伏制氢耦合煤化工项目，每年可减少煤炭资源消耗约38万吨、二氧化碳排放约66万吨、化工装置碳排放总量的5%。有机构推算，到2030年，中国化工行业可再生氢消费量将达到376万吨，是中国最大的可再生氢需求市场。

2、钢铁工业

氢在钢铁行业可应用于氢冶金、燃料等多个方面，以氢冶金规模最大。氢冶金通过使用氢气代替碳在冶金过程中的还原作用，从而实现源头降碳，是钢铁行业实现双碳目标的革命性技术。

氢冶金技术分为高炉氢冶金和非高炉氢冶金两个大类。高炉氢冶金是指通过在高炉中喷吹氢气或富氢气体替代部分碳还原反应实现“部分氢冶金”，非高炉氢冶金技术以气基竖炉法为主流。目前我国竖炉氢冶金技术处于起步阶段，同时受氢气制备和储运、高品质精矿等条件制约，距离大规模应用和全生命周期深度降碳仍有一定距离。

2022年2月，工信部、国家发改委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，指出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。

从长期发展趋势来看，利用可再生氢的低碳冶炼技术将成为钢铁行业完全脱碳最关键、最具前景的解决方案之一。

3、绿色甲醇

根据生产工艺不同，甲醇可分为黑色甲醇、灰色甲醇、蓝色甲醇以及绿色甲醇。黑色甲醇是以煤炭为原料，灰色甲醇是以天然气为原料，蓝色甲醇是从废水、工业副产品中生产。绿色甲醇可通过多种方式生产，涵盖生物质甲醇、e-甲醇、液态阳光甲醇等，总的来说是以生物质为原料，在生产过程中使用绿电。其中，液态阳光甲醇是利用光伏、风电、水电等清洁能源耦合CO₂制取。每生产1吨甲醇可转化CO₂1.375吨。目前全球绿色甲醇市场仍处于发展初期，行业产能较少，在全球甲醇市场的占比不足百分之一。

三、建筑供热

氢能可以与天然气混合，通过现有的天然气管网输送到建筑终端，用于供暖、热水、烹饪等。氢能也可以通过燃料电池为建筑提供电力和热力，实现热电联供，提高能源效率和可靠性。

从技术或经济角度分析，氢能与建筑一体化有以下优点：

PART

提高能源使用效率，氢能为建筑供电的同时，可将燃料电池产生的余热用于建筑供热，综合能源利用效率可达95%；

PART

电网停电时不会影响室内照明，同时可保障手机和电脑等低功耗设备的供电，保障日常生活持续的热水供应和冬季地暖供热，保障家庭应急供能；

PART

可再生能源发电或太阳能光伏发电直接电解水制造氢气，氢气通过管道输送至氢能建筑，通过分布式燃料电池为氢能建筑提供电力和热力，每年二氧化碳排放量减少1.3Mt。

四、电力系统

氢能源在电力领域的用途包括发电、储能、远距离传输和供应电力等。氢气可以通过氢能源发电厂将氢气转化为电能，同时还可以通过太阳能电池板将氢能转化为电能，或者通过燃料电池将氢能转化为电能。

氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术，使用燃料电池发电技术，可以减少对煤炭的使用，减少CO₂的排放，且发电效率很高。

氢能既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为原料应用于燃料电池，还可以转换成同态氢用作结构材料例。

20世纪70年代以来，美国和日本等发达国家加快了氢能发电技术的研究步伐，目前，通过氢能发电在部分发达国家已经陆续进入了建设试点的阶段。

五、军事领域

氢能源在军事领域有广泛的应用，尤其是氢燃料电池应用于，可以提供静谧性和高效能，这对于实现的隐身至关重要。此外，氢能源也可以用于产生持续电流，提高能量转换率，从而实现更高效的推进效果

例如，德国制造的212A型常规就采用了燃料电池和柴电动力联合推进系统, 据报道该型的水中连续潜航就能达到2~3周。单靠燃料电池航行时,其航速可达8节;当以4.5节航速潜航时,该电池系统还可提供11千瓦的生活用电,同时续航力可达2315千米 ,潜航时间达278小时。

来源：氢能源与燃料电池

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