雙碳大背景下，氫能作為一種儲(chǔ)量大、污染小、熱值高、可再生的清潔能源，為各行業(yè)脫碳提供了重要途徑，目前氫能的應(yīng)用已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)能源的各個(gè)方面，主要應(yīng)用在交通和工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)，氫能在建筑、發(fā)電、軍事等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。氫能在交通領(lǐng)域可作為燃料電池的燃料用于氫燃料電池乘用車(chē)、公交車(chē)等，在工業(yè)領(lǐng)域可替代傳統(tǒng)參與化工行業(yè)的多個(gè)環(huán)節(jié)，在建筑領(lǐng)域可代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料進(jìn)行供暖，在發(fā)電領(lǐng)域可通過(guò)燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化成電能。

一、交通領(lǐng)域

交通領(lǐng)域是目前氫能應(yīng)用相對(duì)比較成熟的領(lǐng)域，氫能源在交通領(lǐng)域的應(yīng)用包括公路、鐵路、航空和海運(yùn)等，其中，氫燃料電池汽車(chē)是氫能源在交通領(lǐng)域的主要應(yīng)用手段。

1、公路

近年來(lái)，中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展迅速，目前以氫氣作為汽車(chē)能源的方式有兩種，一種是氫氣作為燃料供內(nèi)燃機(jī)燃燒，就是氫內(nèi)燃機(jī)，另一種是現(xiàn)在主流的氫燃料電池技術(shù)，主要是利用質(zhì)子交換膜和催化劑，讓氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流并生成水，電流經(jīng)過(guò)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。

與純電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，燃料電池汽車(chē)具有溫室氣體排放低、燃料加注時(shí)間短、續(xù)航里程高等優(yōu)點(diǎn)，較適用于中長(zhǎng)距離或重載運(yùn)輸，當(dāng)前燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)政策也優(yōu)先支持商用車(chē)發(fā)展，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)燃料車(chē)以客車(chē)和重卡等商用車(chē)為主，乘用車(chē)主要用來(lái)租賃。但是，從當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r看，氫動(dòng)力車(chē)距離大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)距離，車(chē)用氫燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)，以及制氫、儲(chǔ)氫、加氫等核心技術(shù)面臨的問(wèn)題很大程度上限制了氫能源汽車(chē)在市場(chǎng)上的大規(guī)模推廣。

不過(guò)，日后，隨著工藝技術(shù)不斷成熟，燃料電池汽車(chē)成本有很大下降空間，曾有媒體推斷，燃料電池系統(tǒng)的成本將從2015年的30,200美元/輛降低到2030年的4,300美元/輛，單位成本則有望從2015年的380美元/千瓦時(shí)降低到2030 年的54美元/千瓦時(shí)，降幅為86%，是推動(dòng)氫燃料汽車(chē)成本下降的主要?jiǎng)恿Α?/p>

燃料電池車(chē)適合重型和長(zhǎng)途運(yùn)輸，在行駛里程要求高、載重量大的市場(chǎng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)發(fā)展方向?yàn)橹匦涂ㄜ?chē)、長(zhǎng)途運(yùn)輸乘用車(chē)等，中國(guó)氫能聯(lián)盟研究院預(yù)測(cè)，到2030年我國(guó)燃料電池車(chē)產(chǎn)量有望達(dá)到62萬(wàn)輛/年。

2、鐵路

氫能在鐵路交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是與燃料電池結(jié)合構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。

與傳統(tǒng)柴油火車(chē)相比，氫動(dòng)力火車(chē)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 零排放：氫能源列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中只排放水蒸氣，并不產(chǎn)生任何溫室效應(yīng)或者空氣污染物；

2. 可持續(xù)：如果氫氣是通過(guò)可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）電解水制取的話，那么整個(gè)過(guò)程就是完全清潔和可持續(xù)的；

3. 運(yùn)行效率高：氫能源列車(chē)?yán)萌剂想姵貙⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)外部回路驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)等設(shè)備工作，避免了傳統(tǒng)發(fā)電方式中由于燃料燃燒、蒸汽渦輪、發(fā)電機(jī)等多個(gè)環(huán)節(jié)所造成的大量能量損耗，而且燃料電池還可以利用制動(dòng)回饋技術(shù)將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)；

4. 運(yùn)營(yíng)成本降低：氫能源列車(chē)不需要依賴(lài)于線路牽引供電系統(tǒng)，這樣就省去了鋪設(shè)和維護(hù)接觸網(wǎng)或者第三軌等設(shè)施所需的巨額投資，而且由于氫氣具有較高的儲(chǔ)能密度，一次加注就可以支持長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離地行駛，這樣就減少了充換電站或者換乘站點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；

5. 安全性高：現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以保證氫氣在儲(chǔ)存、輸送和使用過(guò)程中達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，由于沒(méi)有火花塞或者火焰等高溫元件，在碰撞事故中也不會(huì)引起火災(zāi)或者爆炸。

但是現(xiàn)階段發(fā)展氫動(dòng)力火車(chē)也存在一些挑戰(zhàn)，一方面，氫燃料電池電堆成本高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，組成氫動(dòng)力系統(tǒng)后（含儲(chǔ)氫和散熱系統(tǒng)等）成本將進(jìn)一步增加，搭載氫能源系統(tǒng)的車(chē)輛成本較高。另一方面，由于技術(shù)不成熟、需求少等因素，目前加氫站等氫能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)尚不完善。

3、航空

航空業(yè)碳排量主要來(lái)自于化石能源燃燒，氫能可以減少航空業(yè)對(duì)原油的依賴(lài)，減少溫室及有害氣體排放。

目前，航空領(lǐng)域利用氫能提供動(dòng)力的技術(shù)路線主要有3種：

1. 使用氫燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為電動(dòng)機(jī)提供電力；

2. 通過(guò)氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，推動(dòng)渦輪并帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力；

3. 通過(guò)點(diǎn)燃更大流量的氫氣以驅(qū)動(dòng)渦輪、產(chǎn)生動(dòng)力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率密度。

前兩種技術(shù)路線功率密度較小更適用于小型飛機(jī)，對(duì)于更大重量的民航客機(jī)一般選擇第三種技術(shù)路線，但三種路線都需要解決液氫或氣氫儲(chǔ)存、輸送、安全等問(wèn)題。

今年3月，國(guó)內(nèi)首款氫燃料內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)在沈陽(yáng)某機(jī)場(chǎng)完成首飛。此飛機(jī)搭載了一汽集團(tuán)研發(fā)的2.0L零排放增壓直噴氫內(nèi)燃機(jī)，使用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫重量4.5kg，巡航速度180km/h，氫內(nèi)燃機(jī)最大熱效率大于43%，綜合熱效率大于40%，留空時(shí)間大于1小時(shí)。

這款飛機(jī)是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)制造的第一架以氫內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)，其成功起飛意味著中國(guó)在航空領(lǐng)域氫能應(yīng)用上踏出了堅(jiān)實(shí)的一步。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院《中國(guó)碳達(dá)峰碳中和路徑與政策建議》報(bào)告，到2050年，我國(guó)民用航空運(yùn)輸量將達(dá)到2019年的4.5倍，碳排放量將達(dá)到2019年的2.5倍。如果采用氫動(dòng)力飛機(jī)替代傳統(tǒng)飛機(jī)，可以使碳排放量降低50%以上。

由此看來(lái)，氫能航空的發(fā)展已是大勢(shì)所趨，但是氫動(dòng)力飛機(jī)的商業(yè)化落地仍存在諸多挑戰(zhàn)。

一方面，綠氫高昂的生產(chǎn)成本，讓其在飛行上高出傳統(tǒng)石化燃料的使用成本很多，難以形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，另一方面，氫動(dòng)力飛機(jī)需要新的地面設(shè)施，氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等各環(huán)節(jié)都需要開(kāi)發(fā)與建設(shè)，此外，在氫能市場(chǎng)運(yùn)行與監(jiān)管制度上，各國(guó)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的情況下，氫能航空發(fā)展也會(huì)被拖慢。

4、航運(yùn)

航運(yùn)業(yè)的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術(shù)和燃料的開(kāi)發(fā)及商業(yè)化，氫動(dòng)力船舶基于燃料電池的氫能應(yīng)用模式，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，可以適應(yīng)未來(lái)綠色船舶市場(chǎng)需求，并且具有廣闊應(yīng)用前景。

通過(guò)氫燃料電池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)河和沿海船運(yùn)電氣化，通過(guò)生物燃料或零碳?xì)錃夂铣砂钡刃滦腿剂峡蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船運(yùn)脫碳。我國(guó)部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國(guó)產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進(jìn)步相繼啟動(dòng)了氫動(dòng)力船舶研制。

現(xiàn)階段，氫動(dòng)力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場(chǎng)景，以客船、渡船、內(nèi)河貨船、拖輪等類(lèi)型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級(jí)游艇等大型氫動(dòng)力船舶研制是當(dāng)前的國(guó)際趨勢(shì)，采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)同樣具有良好前景。

總體而言，氫動(dòng)力船舶整體處于前期探索階段，相關(guān)技術(shù)尚未成熟，發(fā)展氫動(dòng)力船仍有多項(xiàng)技術(shù)需要突破，如高效低碳的氫氣制取技術(shù)、大規(guī)模低成本的氫氣運(yùn)輸技術(shù)、船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)、船舶氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、船舶多能源協(xié)同控制技術(shù)等。

二、工業(yè)領(lǐng)域

1、石油化工

我國(guó)石化化工領(lǐng)域主要涉氫的行業(yè)包括煤化工、天然氣化工、石油化工、焦?fàn)t氣化工、氯堿化工、精細(xì)化工等，主要產(chǎn)品有合成氨、過(guò)氧化氫(雙氧水)等無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，甲醇、烯烴、乙二醇等有機(jī)化工產(chǎn)品，成品油、合成天然氣等能源化工產(chǎn)品，還有多種精細(xì)化工、化工新材料等產(chǎn)品。

化工行業(yè)當(dāng)中，大部分氫氣用于加氫處理、加氫裂化和脫硫，由于優(yōu)質(zhì)低硫燃料的需求激增，以及輕質(zhì)低硫燃油的減少，氫的需求量在不斷增長(zhǎng)。過(guò)去氫氣本身是化工的副產(chǎn)品之一，然而現(xiàn)在需量增加，導(dǎo)致供需失衡，石化工業(yè)目前也在采取天然氣為原料進(jìn)行氫氣的制備。

該領(lǐng)域氫氣需求的增多，能夠以規(guī)模效益來(lái)降低氫氣供應(yīng)鏈成本，另一方面氫氣可作為燃料和化工原料幫助工業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳，目前，化工行業(yè)用氫主要依賴(lài)化石能源、工業(yè)副產(chǎn)物制取，未來(lái)通過(guò)低碳綠氫替代應(yīng)用潛力巨大。

目前國(guó)內(nèi)已有化工行業(yè)應(yīng)用綠氫的示范項(xiàng)目陸續(xù)落地，例如寶豐能源在寧東建立的全國(guó)最大光伏制氫耦合煤化工項(xiàng)目，每年可減少煤炭資源消耗約38萬(wàn)噸、二氧化碳排放約66萬(wàn)噸、化工裝置碳排放總量的5%。有機(jī)構(gòu)推算，到2030年，中國(guó)化工行業(yè)可再生氫消費(fèi)量將達(dá)到376萬(wàn)噸，是中國(guó)最大的可再生氫需求市場(chǎng)。

2、鋼鐵工業(yè)

氫在鋼鐵行業(yè)可應(yīng)用于氫冶金、燃料等多個(gè)方面，以氫冶金規(guī)模最大。氫冶金通過(guò)使用氫氣代替碳在冶金過(guò)程中的還原作用，從而實(shí)現(xiàn)源頭降碳，是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的革命性技術(shù)。

氫冶金技術(shù)分為高爐氫冶金和非高爐氫冶金兩個(gè)大類(lèi)。高爐氫冶金是指通過(guò)在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體替代部分碳還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)“部分氫冶金”，非高爐氫冶金技術(shù)以氣基豎爐法為主流。目前我國(guó)豎爐氫冶金技術(shù)處于起步階段，同時(shí)受氫氣制備和儲(chǔ)運(yùn)、高品質(zhì)精礦等條件制約，距離大規(guī)模應(yīng)用和全生命周期深度降碳仍有一定距離。

2022年2月，工信部、國(guó)家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出將制定氫冶金行動(dòng)方案，加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。

從長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，利用可再生氫的低碳冶煉技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)完全脫碳最關(guān)鍵、最具前景的解決方案之一。

3、綠色甲醇

根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，甲醇可分為黑色甲醇、灰色甲醇、藍(lán)色甲醇以及綠色甲醇。黑色甲醇是以煤炭為原料，灰色甲醇是以天然氣為原料，藍(lán)色甲醇是從廢水、工業(yè)副產(chǎn)品中生產(chǎn)。綠色甲醇可通過(guò)多種方式生產(chǎn)，涵蓋生物質(zhì)甲醇、e-甲醇、液態(tài)陽(yáng)光甲醇等，總的來(lái)說(shuō)是以生物質(zhì)為原料，在生產(chǎn)過(guò)程中使用綠電。其中，液態(tài)陽(yáng)光甲醇是利用光伏、風(fēng)電、水電等清潔能源耦合CO2制取。每生產(chǎn)1噸甲醇可轉(zhuǎn)化CO2 1.375噸。目前全球綠色甲醇市場(chǎng)仍處于發(fā)展初期，行業(yè)產(chǎn)能較少，在全球甲醇市場(chǎng)的占比不足百分之一。

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三、建筑供熱

氫能可以與天然氣混合，通過(guò)現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送到建筑終端，用于供暖、熱水、烹飪等。氫能也可以通過(guò)燃料電池為建筑提供電力和熱力，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，提高能源效率和可靠性。

從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)角度分析，氫能與建筑一體化有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 提高能源使用效率，氫能為建筑供電的同時(shí)，可將燃料電池產(chǎn)生的余熱用于建筑供熱，綜合能源利用效率可達(dá)95%；

2. 電網(wǎng)停電時(shí)不會(huì)影響室內(nèi)照明，同時(shí)可保障手機(jī)和電腦等低功耗設(shè)備的供電，保障日常生活持續(xù)的熱水供應(yīng)和冬季地暖供熱，保障家庭應(yīng)急供能；

3. 可再生能源發(fā)電或太陽(yáng)能光伏發(fā)電直接電解水制造氫氣，氫氣通過(guò)管道輸送至氫能建筑，通過(guò)分布式燃料電池為氫能建筑提供電力和熱力，每年二氧化碳排放量減少1.3Mt。

四、電力系統(tǒng)

氫能源在電力領(lǐng)域的用途包括發(fā)電、儲(chǔ)能、遠(yuǎn)距離傳輸和供應(yīng)電力等。氫氣可以通過(guò)氫能源發(fā)電廠將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)還可以通過(guò)太陽(yáng)能電池板將氫能轉(zhuǎn)化為電能，或者通過(guò)燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能。

氫能發(fā)電可以用來(lái)解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問(wèn)題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少對(duì)煤炭的使用，減少CO2的排放，且發(fā)電效率很高。

氫能既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為原料應(yīng)用于燃料電池，還可以轉(zhuǎn)換成同態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料例。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家加快了氫能發(fā)電技術(shù)的研究步伐，目前，通過(guò)氫能發(fā)電在部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入了建設(shè)試點(diǎn)的階段。

五、軍事領(lǐng)域

氫能源在軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其是氫燃料電池應(yīng)用于，可以提供靜謐性和高效能，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)的隱身至關(guān)重要。此外，氫能源也可以用于產(chǎn)生持續(xù)電流，提高能量轉(zhuǎn)換率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的推進(jìn)效果。

例如，德國(guó)制造的212 A型常規(guī)就采用了燃料電池和柴電動(dòng)力聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng), 據(jù)報(bào)道該型的水中連續(xù)潛航就能達(dá)到2~3周。