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第21卷 第6期 2021 年 12 月 交通运输系统工程与信息 Journal of Transportation Systems Engineering and Ination Technology Vol.21 No.6 December 2021 文章编号 1009-6744202106-0234-10中图分类号 U8文献标志码 A DOI10.16097/ki.1009-6744.2021.06.027 碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径 毛保华*1a,1b， 卢霞 1a， 黄俊生1a， 何天健1a， 陈海波2 1. 北京交通大学， a. 综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室， b. 中国综合交通研究中心， 北京 100044； 2. 利兹大学， 交通研究所， 利兹 LS2 9JT， 英国 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。 关键词综合运输； 碳中和； 氢能； 交通能源战略； 交通政策； 发展路径 On Development Path of Hydrogen Energy Technology in Chinas Transportation System Under Carbon Neutrality Goal MAO Bao-hua* 1a, 1b, LU Xia1a, HUANG Jun-sheng1a, HO Tin-kin1a, CHEN Hai-bo2 1a. Key Laboratory of Transport Industry of Big DataApplication Technologies for Comprehensive Transport, Ministry of Transport, 1b. Integrated Transport Research Center of China, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Institute for Transport Studies, University of Leeds, LS2 9JT, UK AbstractAbstract Hydrogen energy is an important secondary energy for the clean transation of the future energy system. In this paper, we first investigate the research, development, and implementation strategy of hydrogen energy in the USA, EU, and Japan. With the advantages of hydrogen energy and the future task of global carbon emissions reduction, we then analyze the key technologies research, industrial development, and transportation industry application on hydrogen energy. The promotion strategies of hydrogen energy technologies in the USA, EU, and Japan are compared from the technical point of view. And the gap in hydrogen energy technologies between China and the countries was pointed out. Based on the actual statistical data, the carbon emissions of railway, highway, water, and air transportation in China are analyzed. With the characteristic parameters of hydrogen energy, the effect of hydrogen energy application on carbon emission reduction is calculated in different fields, such as road and railway. The results show that the carbon emissions are reduced by 70 million tons if the hydrogen energy can reach 10 in energy consumption of road freight transportation, using 10 million tons of hydrogen could reduce nearly 100 million tons of carbon emissions. We 收稿日期 2021-09-29修回日期 2021-11-02录用日期 2021-11-04 基金项目 国家自然科学基金/National Natural Science Foundation of China71901022； 基本科研业务费科研学术活动资助项 目/The Fundamental Research Funds for the Central Universities2019JBM334, 2018JBM313。 作者简介 毛保华1963- ， 男， 湖南祁阳人， 教授， 博士。*通信作者 第21卷 第6期碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径 propose the research and application strategy of hydrogen energy and establish the comprehensive complementary regulation mechanism of renewable energy and hydrogen energy. For example, the abandoned electricity of renewable power generation in western China can be used recently to reduce the cost of hydrogen production from electrolytic water, gray hydrogen can be used to replace fuel oil, and the market of the hydrogen fuel cell can be expanded in the medium and long term. We also study the key fields which are suitable for hydrogen energy development in the transportation industry. The analysis shows that if the application of hydrogen energy in road transportation can reach 40 million tons in 2060, it is expected to achieve a carbon emission reduction of about 400 million tons in the transportation industry. Under the goal of the carbon neutrality, we propose suggestions of promoting hydrogen energy technology and products in passenger and freight transportation of high-power, long-distance, and low-temperature areas and building a green transportation system together with the existing development strategy of electric vehicles. KeywordsKeywords integrated transportation; carbon neutral; hydrogen energy; transportation energy strategy; transportation policy; development path 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。 图 1 人类社会运行的能源种类 Fig. 1 Type of energies used by human beings society 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。 表 1 主要燃料热值比较表 Table 1 Comparison of calorific value of main fuel 燃料 氢气 天然气 汽油 标准煤 主要成分 H2 CH4 C8H18 C 热值/kJg-1 143 58 48 33 来源 根据文献1整理 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 235 交通运输系统工程与信息2021年12月 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4060， 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。 图 2 美国燃料电池汽车发展规划 Fig. 2 US fuel cell vehicle development plan 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 236 第21卷 第6期碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径 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， 迅速减少制氢中的碳排放量， 促进可再生能 源的使用。 欧盟氢能发展分为 3 个阶段 3 第 1 阶段是 20202024年， 战略目标是在欧盟安装至少6千兆 瓦的可再生氢能电解槽， 可再生能源制氢年产量达 100万吨t， 对现有氢气生产进行脱碳处理； 第2阶 段是20252030年， 使氢能真正成为能源系统的 一部分， 其目标是2030年安装40千兆瓦以上的可 再生氢能电解槽， 其制氢年产量达1000万t； 第3阶 段是20302050年， 可再生氢技术达到成熟， 并大 规模应用于所有难以脱碳行业如陆上货运、 航空、 海运等。 2 氢能应用及产业规划 过去十几年， 欧盟低碳化重点集中在发电领 域， 电力占欧洲终端能源结构的20。交通和供热 包括建筑和工业合计占欧洲终端能源消费的 774， 是未来氢能应用的重要领域。 欧盟氢能路线图 5提出， 2030年车辆市场将 达到乘用车370万辆、 轻型商用车50万辆、 重型载 货车和公交车4.5万辆、 列车570辆。电动汽车目 前在乘用车领域已占先机， 但对于一些载荷重、 行 驶距离长的运输汽车， 如长途客车、 城市出租车、 长途重型货运卡车等， 燃料电池汽车具有更明显 的优势。 2018 年欧盟管道天然气占供暖一次能源的 404， 氢能代替天然气供暖是欧盟向低碳转型的 重要方向。2018年6月， 欧盟热电联产促进协会发 布 热电联产在欧盟未来能源系统中的作用 提出 了氢能在供热领域的发展蓝图。2030年， 欧盟20 的电力和25的热能将由热电联产提供， 可再生能 源至少占热电联产的1/3， 这将为欧盟23的碳减 排目标和18的能源效率目标做出贡献。 2.3 日本 1 氢能研发总体战略 日本政府2019年修订的 氢能与燃料电池战 略路线图 ， 重点规划了燃料电池技术、 氢供应链及 电解技术领域， 提出将车载用燃料电池、 定制用燃 料电池、 水制氢等项目作为优先发展领域。目前， 日本正考虑降低制氢成本， 将自己定位为燃料电池 技术出口国。此外， 日本也在寻求使用化石燃料并 利用碳捕集和储存技术生产氢， 此技术在经济上具 有较大竞争力。 日本 氢能与燃料电池战略路线图 将氢气研 发推广分为以下3个阶段6 2022年前从技术上论 证从国外储存和运输氢气的可行性； 2030年左右全 面引进氢气发电； 2050年左右实现家庭完全使用不 含CO2的氢气。 日本政府与企业为促进燃料电池汽车商业化， 一直致力于降低其成本。“路线图” 对氢燃料电池汽 车价格提出了具体要求 2025年前氢燃料电池汽车 与混合动力汽车价格相差不大于70万日元， 燃料 电池系统造价应降至5000日元kW -1， 储氢罐造价 降至30万日元。 2 氢能应用及产业规划 日本 氢能源基本战略 明确了氢能应用的两 大领域 一是运输工具燃料电池汽车； 二是家用燃 料电池热电联供； 将这两大领域打造为氢能发展的 支柱产业。 燃料电池汽车主要用于乘用车、 叉车、 货车以 及巴士。日本氢燃料电池汽车的动力性能及续驶 里程已接近传统燃油汽车水平7， 销量保持稳步增 长， 2020年新增761辆， 累计推广超过3900辆。日 本还计划加快普及氢燃料电池汽车， 2040年氢燃料 电池汽车保有量将增至300万600万辆。 家用燃料电池热电联供系统ENE-FARM原 材料是天然气， 产品是电和热， 能源综合利用效率 达97， 在该领域全球领先。该项目2005年由政 府主导启动并补贴， 使用的燃料电池主要有固体高 分子型燃料电池PEFC和固体氧化物型燃料电池 SOFC两类。PEFC技术成熟， 价格较低， 在日本 市场占比累计超过80； SOFC技术先进， 但造价较 高， 发展潜力较大8。日本家用燃料电池热电联供 系统2009年已进入商业推广， 计划2030年实现装 机量累计530万套。 2.4 氢能技术发展特点 从全球看， 制氢主要以传统能源的化学重整技 术为主， 2017年这类制氢原料占96， 另外4左右 来自电解水9。 美国、 欧盟、 日本等在燃料电池、 燃料电池汽车 的研究以及商业化方面发展都较迅速。美国的质 子膜纯水电解制氢技术世界领先， 且掌握着液氢储 237 交通运输系统工程与信息2021年12月 气罐、 储氢罐等核心技术10， 液氢产量、 规模及价格 有较大优势； 美国燃料电池乘用车和叉车制造及市 场保有量也居世界领先水平。日本在家庭燃料电 池热电联供固定电站和燃料电池汽车产业发展及 商业化方面最成功， 预计2050年燃油汽车将全面 向燃料电池汽车过渡。欧盟为实现减排目标， 高度 重视燃料电池技术的研发， 其固体氧化物型燃料电 池技术国际领先。固体氧化物型燃料电池输出功 率大、 生产成本低以及使用寿命长、 污染小， 在燃料 电池汽车以及家庭微型热电联供等方面运用广泛。 美国、 欧盟、 日本均以汽车作为燃料电池移动 端最重要的领域， 但重点发展的车型各有侧重。美 国、 日本重点在乘用车， 而欧盟优先发展的是行驶 里程长且载荷大的商务车和卡车。 美国在加氢站建设方面采取 “以站促车” 的商 业模式， 加州地区建立的加氢站网络已基本可保障 燃料电池汽车的自由行驶。日本以东京、 大阪、 名 古屋、 福冈四大都市区为中心打造加氢站网络， 形 成了区域联动氢能供应网络。欧盟加氢站分布围 绕主要城市及其连接的走廊展开， 如德国已建、 在 建及规划中的加氢站基本覆盖了德国七大都市区。 研究发现 美国和欧盟主要靠政策法规推动氢 能产业发展， 日本更多通过能源结构调整推动。各 国加氢站布局方式虽有不同， 但均以政策推动为 主， 市场推动为辅。表2归纳了各国氢能应用的基 本特征。 表 2 各国氢能应用对比 Table 2 Comparison of hydrogen energy application in different countries 基本特征 氢能研 发水平 未来氢能占 比2050年 氢能成本 加氢站 建设 应用领域 美国 燃料电池已用于客运 和商用车辆、 叉车以 及固定电源和备用电 源。在发电方面， 先 进的技术已经使能够 燃烧氢/天然气混合燃 料的大框架涡轮机商 业化 14 以低于2美元kg-1的 成本生产无碳氢 已建成 145 个加氢站 包括试验项目 燃料电池车、 加氢站 欧盟 氢能作为建筑和交通运输业燃料在 试验阶段， 未形成规模化商业应 用。正研究长途卡车采用氢燃料电 池的可行性。目前氢燃料电池动力 系统核心技术成熟度较低。未来燃 料电池堆技术的发展可助推燃料电 池汽车的市场应用 1314 化石能源氢1.5欧元kg-1， 具有碳捕 捉功能化石能源氢2欧元kg-1， 可 再生氢2.55.5欧元kg-1 至少有18个国家已有或正在建设加 氢站 燃料电池车、 供热系统 日本 燃料电池电堆技术上取得突破， 解 决了汽车燃料电池成本高的难题， 燃料电池商业化应用世界领先。 燃料电池汽车车载供氢系统由压 力容器供氢、 储氢合金储氢发展到 高压氢瓶储氢， 燃料电池电堆由外 协供应发展到汽车公司如丰田自 产， 已实现商业化销售 氢、 氨将占能源结构的10 2.09美元kg-1 该成本不包括碳捕获和储存 142 燃料电池车、 家用燃料电池热 电联供 数据来源 根据文献3、 11、 12整理。 不难看出 氢作为一种多用途的能源载体和化 学原料， 具有将可再生能源、 核能和化石燃料结合 起来的优势， 其生产和应用将能帮助经济中3个最 耗能的运输、 发电和制造业脱碳。 3氢能研发及其在我国碳中和战略中的 地位 3.1 我国氢能发展政策 2020年4月， 国家能源局印发的 中华人民共 和国能源法征求意稿 提到优先发展可再生能源， 支持开发应用替代油气的新型燃料和工业原料， 并 将氢能纳入能源范畴。同年12月 新时代中国能 源发展 白皮书中提出加速发展绿氢提取、 储运和 应用等氢能产业链， 促进氢能燃料电池技术链、 氢 能燃料电池汽车产业链发展。国家 “十四五” 规划 和2035年远景目标纲要提出在氢能与储能等科技 和产业领域布局一批未来产业， 加速氢能产业孵化 计划实施。 除了国家层面上陆续出台的氢能产业发展相 关政策规范外， 京津冀、 长三角、 珠三角以及川渝等 经济较发达地区也推出了氢能产业发展指导意见 及规划。 3.2 我国氢能产业链现状 氢能产业链的上游是制氢。我国氢能源主要 来源于煤炭制氢灰氢， 煤制氢气占2020年氢气总 产能的62。制氢工业以技术引进为主， 较成熟的 238 第21卷 第6期碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径 技术有化石燃料制氢、 工业副产制氢以及可再生 能源制氢3种， 其中工业副产制氢已实现商业化。 技术上看， 要降低碳排放， 制造真正的清洁能源 “绿氢” ， 需采用可再生能源制氢技术， 电解水是该 技术的核心， 包括碱性电解水、 质子交换膜PEM 电解水、 固体氧化物电解水等技术。碱性电解水 技术商业模式较成熟， 但具有一定安全隐患。 PEM电解水制氢具有较好反应性和灵活度， 未来 或成为制氢的主流技术。电解水制氢成本相对较 高， 我国目前利用绿色途径电解水所占比例很小， 仅占113。不过， 我国煤资源相对丰富和廉价， 在 水制氢成本降下来之前， 未来规模化制氢或应以 煤制氢为重点。 氢能产业的中游是氢的储运。氢在一般状态 下为气态且密度低， 高密度氢储运方式有 低温液 态储氢、 高压气态储氢、 固态储氢以及有机液态储 氢等。目前应用广泛的是高压气态储氢， 航天领域 低温液态储氢、 固态储氢， 有机液态储氢应用已进 入示范阶段。氢气运输的主要方式是容器运输和 管道运输， 采用容器运输时， 氢气以压缩气体或液 体的形式运输， 成本较高。氢气与天然气性质相 似， 也可采用管道运输， 但与天然气相比， 氢气扩散 损失较高， 且管道材料吸附氢气会产生脆性易断 裂， 这将增加运输及维护成本， 这两种方式的运输 方式尚不成熟。 氢能产业下游是氢能应用， 主要应用于燃料电 池、 加氢站以及传统化石工业等领域。加氢站是氢 能应用中最重要的基础设施。根据2021年中国氢 能联盟举办的 “十四五” 氢能产业发展论坛中公布 的数据， 我国 2020 年底已建成加氢站 128 座。 2016年发布的 中国氢能产业基础设施发展蓝皮 书 规划2030年加氢站将达1000座。 3.3 我国氢能研发与国际差距 我国高度重视应对气候变化领域的科技创 新。在 “十三五” 应对气候变化的科技创新专项规 划 和国家科技计划部署下， 已建立一系列与气候 变化及碳中和相关的研究机构与基地， 形成了一支 有一定规模的研发队伍。 从零碳电力能源、 零碳非电能源、 燃料/原料非 过程替代、 CO2捕获利用及封存CCUS/碳汇与负 排放、 集成耦合与优化这5类碳减排技术看， 在与 氢能相关的零碳非电能源技术方面， 我国启动了氢 能、 生物质燃料的研发， 建立了氢能制-储-运-用 研发体系。但成熟度较低， 仅部分制氢技术、 供暖 技术与生物质制备燃料技术实现了工业示范； 化学 储氢、 氢燃料/原料利用等领域落后于国际水平。 我国已出台一系列推动氢能产业发展的政 策。2016年制定的 能源技术革命创新行动计划 20162030年 14提出2030年要攻克燃料电池核 心关键技术， 建立燃料电池材料供给体系， 实现燃 料电池和氢能的推广应用。在氢能产业链方面， 提 出了研究制氢技术， 开发储运氢气技术， 实现氢气 制取、 储运、 应用一体化， 并在加氢站等方面进行攻 关。在燃料电池方面， 要攻克质子交换膜燃料电 池、 甲醇重整制氢燃料电池以及燃料电池分布式发 电等技术。2019年发布的 中国氢能源及燃料电池 产业白皮书 提到加快化石能源制氢CCUS技术 研究。目前我国在CCUS技术集成、 海底封存以 及工业应用与国际先进水平相差较大， 在氨分解 重整制氢、 燃料电池汽车用氢气纯化技术等领域 起步较晚。 在氢能储运技术方面， 国内高压气态储运技术 相对成熟， 主要运输方式为集装格和长管拖车， 其 中长管拖车设备发展比较成熟， 但大规模、 长距离 运输技术仍落后于国际水平。 我国加氢站建设与国外也有一定差距。2020 年， 国内有80余座加氢站在运营， 但尚未制订统一 的加氢站规范和标准， 且加氢站的关键核心零部件 及一些技术尚未国产化。国家计划2030年实现加 氢站现场储氢、 制氢模式的标准化和推广应用。 4氢能源在我国运输业中的应用前景分析 4.1 氢燃料电池车辆与电动汽车的互补性 2012年国务院印发的 节能与新能源汽车产业 发展规划20122020年 提出 2020年纯电动和 插电式混合动力汽车生产能力达200万辆， 累计产 销量超过500万辆。发展电动汽车是我国交通运 输业碳减排的重要战略。据 2020年汽车工业经济 运行情况 ， 2020年国内新能源汽车产销分别完成 136.6万辆和136.7万辆， 其中纯电动和插电式混合 动力汽车产销量分别为136.5万辆和136.6万辆。 2020年国务院印发的 新能源汽车产业发展规划 20212035年 ， 在国家和地方政策的双重扶持 下， 电动汽车产业已从导入期向成长期过渡。公共 充电桩保有量从2015年的约5.8万个增加至2020 年6月底的55.8万个， 电动汽车销量连续多年领先 于世界。 239 交通运输系统工程与信息2021年12月 电动汽车大规模商用化引发了发电模式以及 电动汽车难以胜任的运输问题。目前， 纯电动汽车 电池寿命短、 续航时间较短、 成本高， 还存在稳定性 和安全性不足问题， 难以满足大功率、 长距离以及 低温地区的运输需求。发达国家将氢能作为未来 重要能源， 推动氢燃料电池汽车商业化的思路值得 借鉴。将氢燃料电池作为汽车、 水运甚至轨道交通 的能源， 符合科学构建未来国家能源体系需求。总 体上看， 我国氢燃料电池车辆的发展重点应集中在 重型卡车、 长距离客货运输包括水运与轨道交通 以及冬季低温地区客货运输3个领域， 与既有电动 汽车政策形成互补。 4.2 氢能替代运输业既有能源形式的效果 从全球来看， 2020年石油仍占据能源结构的最 大份额31.215。我国是油气进口大国， 1/2以上的 石油消耗于交通系统16。中国氢能源及燃料电池 产业白皮书2020 认为2060年氢能在我国终端能 源消费中将占20左右， 可再生能源制氢产量将达 到1亿t， 其中交通运输领域用氢4051万t； 2025年 电解水制氢成本将降至25元kg-1； 2030年将进一 步降至15元kg-1， 达到与配套CCUS的煤制氢竞 争的水平17。 据不完全统计， 目前交通领域CO2碳排放约占 全国总排放量的10左右。我国2020年铁路运输 电气化水平已达72.8， 而全国发电量中燃煤火力 发电占比达68.5， 可以说化石燃料仍是我国交通 运输行业的最主要能源。道路运输是碳排放的大 户， 欧洲国家道路碳排放占比除希腊为85外， 其 他国家均超过90。我国公路运输碳排放占74， 而周转量仅占21左右。公路、 铁路、 水运、 航空完 成的换算周转量占比与排放并非线性相关， 具体如 表3所示。 表 3 2019年各交通方式周转量能耗 Table 3 Energy consumption of turnover of various transportation modes in 2019 交通方式 公路运输 铁路运输 水路运输 航空运输 换算周转量/ 亿吨公里 44888.6 60522.2 104043.3 1105.9 周转量 占比/ 21.3 28.7 49.5 0.5 能耗 占比/ 50.0 36.5 5.8 7.7 推算方式 能效比 0.43 0.79 8.53 0.06 排放 占比/ 74 8 8 10 推算方式 排放率 3.47 0.28 0.16 20.00 注 推算方式能效比方式周转量占比/方式能耗占比耗能相同情况下， 周转量越大， 能效越高； 推算方式 排放率方式排放占比/方式周转量占比周转量相同时， 排放越高， 排放率越高。根据文献18， 货物周转 量和旅客周转量存在换算关系。换算吨公里货物吨公里旅客人公里折算系数。铁路客运折算系数为 1 t人 -1 ， 公路客运为0.1 t人 -1 ， 水路客运为1 t人 -1 ， 民航客运国内航线为72 kg人 -1 。数据根据文献 18-19整理。 从表3可以看出， 公路运输单耗大， 排放率高； 未来节油减排潜力也十分有限20。水运与民航也 是难以电气化的运输领域。表4推算了氢能用于 替代不同市场份额的公路货运、 铁路货运与铁路客 运3种方式任务下的减排效果。 表 4 扩大氢能市场份额的效果 Table 4 Effect of expanding market share of hydrogen energy 替代领域 碳减排效果/万t 公路货运 铁路货运 铁路客运 不同氢能替代比例 1 710 40 20 2 1430 80 40 3 2140 120 60 4 2860 160 80 5 3570 210 100 6 4290 250 120 7 5000 290 140 8 5720 330 160 9 6430 370 180 10 7150 410 200 可以看出， 氢能在替代公路货运方面的减排效 果是最显著的。氢能替代10以燃油为燃料的公 路运输周转量， 碳排放减少量可望超过7000万t。 图3描述了1000万t氢能用于替代等量现有能源下 在公路货运、 铁路货运与客运中可能获得的碳减排 数量。 不难看出， 氢能替代公路货运获得的碳减排效 果最显著； 1000万t氢用于替代现有燃油货运汽车 可望产生近1亿t的降碳效果。如何发挥氢能在整 个能源体系中不可替代的作用并取得好的碳减排 效果值得进一步研究。 240 第21卷 第6期碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径 图 3 氢能对燃油与电力的替代效果 Fig. 3 Substitution effect of hydrogen energy for fuel oil and electricity 5结论与建议 通过上述分析， 可以得到以下结论 1 氢能是未来全球能源体系中的重要组成部 分。据欧盟相关研究， 2050年全球