文：東灘智庫
氫能作為一種清潔高效的新能源，由于其靈活高效、清潔低碳、應用廣泛，正在成為全球爭相發展的未來能源新星。日美歐多個國家制定氫能發展戰略，儲氫、運氫、加氫等氫能基礎設施建設加快，氫燃料電池在商用車等領域率先開展示范應用。碳中和戰略是推動氫能發展的主要動力，隨著氫能技術突破和規模化應用，氫能全產業鏈將迎來發展爆發期。
一、氫能儲能
目前在儲能領域，抽水蓄能系統占據絕對主導，電化學儲能、氫能儲能、飛輪儲能等新的儲能技術也在不斷發展。氫能能量密度高，運行維護成本低，可同時適用于極短或極長時間供電的能量儲備，是少有的能夠儲存上百GWh以上的儲能形式，被認為是極具潛力的新型大規模儲能技術。相對而言，電池只是一個短周期、高頻率、分布式的儲能裝置。
根據國際氫能委員會預計，到2050年氫能將承擔全球18%的能源終端需求。《歐盟氫能戰略》提出，在2024年之前可再生能源綠色制造氫達到100萬噸，2030年達到1000萬噸。中國的氫能和燃料電池發展了20年，現在也正處于向規模產業化發展的階段，未來5年應該會有大規模的發展，而且國家的補貼政策也即將開始，這將給氫能發展帶來很大動力。
大規模利用可再生能源富余電力制氫，即電轉氣（P2G）技術已為市場普遍看好。風電、光伏出力受限時，利用富余的可再生能源進行制氫，并作為備用能源儲存下來；在負荷高峰期發電并網，提高新能源的消納能力，減少棄風、棄光，增強電網可調度能力并確保電網安全。未來隨著規模化的氫儲能系統的應用，可利用儲氫實現跨季調峰等應用。
二、集中發電/分布式發電
1、分布式發電
利用燃料電池開展分布式發電，被視為電網削峰填谷的一種解決方案，具備4大優點：一是穩定性好：不受天氣、時間和區域影響；二是發電效率高，理論成本低；三是天然氣屬于低碳清潔能源；四是與現有加氣站等基礎設施相匹配。
目前，全球燃料電池分布式發電主要由美國、韓國和日本三個國家推動。其中，美國以Bloom Energy為代表，主要發展SOFC大型商用分布式發電；韓國以斗山集團為代表，主要發展PAFC大型商用分布式發電；日本以松下和東芝為代表，主要發展PEMFC小型家用分布式發電。
氫燃料電池在大型數據中心等領域輔助供能方面有較大的應用前景。眾多知名數據中心開始追求100%可再生能源供電目標，光伏等新能源加上儲能系統供電成為數據中心的新型解決方案，氫燃料電池與UPS系統結合，可以幫助數據中心實現節能管理。
2、冷熱電聯供
相比天然氣發電，利用氫燃料發電是替代火力發電的一種更佳的低碳化方案。在技術上，首先可以從氫燃料與天然氣混燃發電開始突破，開發利用余熱進行甲基環己烷（MCH）、氨等氫載體的脫氫反應技術，高效脫氫工藝可進一步降低成本，與此同時加快脫硝燃燒器和非噴淋脫硝技術的開發。2020年小型純氫燃料熱電聯產的發電效率已提高到27%，到2030年有望全面實現商業化應用。
利用氫燃料電池也可以實現冷熱電聯供。近期，由東方氫能、東方鍋爐與華電集團四川分公司三方聯手打造的100kW級商用氫燃料電池冷熱電聯供系統已正式交付，它打通了制氫、氫氣發電、供熱制冷等環節，進一步拓寬氫能示范應用領域，開辟可再生能源制氫及氫能綜合利用的新路徑。
三、氫動力汽車
1、氫燃料電池汽車
氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑，當前全球多個國家都在積極布局氫燃料電池汽車產業鏈。截至2020年底，我國累計接入燃料電池車超6000量，TOP10企業累計接入5300輛，占比達88.3%。從技術發展看，近年來氫燃料電池汽車功率逐年提升，2018年大多為30KW，2019年集中在40KW-50KW，2020年大多為60-80KW，2021年將以80KW為主。
氫燃料電池整車市場，以客車、重卡為主的商用車成主流市場。在氫能客車滲透率不斷提高的同時，重卡成為新的市場重點。一方面，在當前補貼條件下，燃料電池重卡已經進入平價區域，另一方面，燃料電池因高能量密度、長續航歷程，運營階段零排放的特點，成重載領域電動化的最優方案。
國內氫燃料電池汽車市場需求旺盛，預計未來主體需求逐步從商用車向乘用車轉化。由于不同地區能源結構差異和氫能特性，燃料電池和純電動車將進入長期共存、互為補充的應用局面。根據中國氫能聯盟預計，2050年中國氫燃料電池產量達到520萬輛/年。
2、氫燃料發動機
近期，中國工信部研究推動將氫氣內燃機納入氫能發展戰略，氫氣內燃機有望成為新賽道。氫燃料發動機通過使用從汽油發動機使用的燃料供應和噴射系統改進而來的氫氣噴射系統產生動力。氫燃料內燃機可以在傳統發動機的基礎上進行改造，適應性強，更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車。
上世紀70年代后，德國、日本、美國、中國都有氫內燃機的技術投入。2007年，寶馬推出迄今為止氫內燃機汽車最接近量產的產品Hydrogen 7。近年來，福特、豐田等汽車公司也積極推動氫燃料發動機研發。英國工程機械制造巨頭JCB發布了一款氫燃料活塞發動機，在成本、重量上都比傳動的電機、電池或燃料電池更有優勢。
四、氫動力船舶
1、氫燃料電池船舶
從技術層面看，氫燃料電池在船舶領域應用具有三大優勢，相較傳統燃油船舶與動力電池船舶均有占優。氫燃料電池船舶基礎技術成熟但成本高昂，船舶用氫燃料電池模組實現從200kw擴展至兆瓦級，電能效率突破55%。
目前氫能船舶領域還沒有成熟的商用船只，技術研發正積極實現降低成本和全環節技術鏈條整合，推動形成圍繞氫燃料電池船舶的完整產業鏈。自2018年以來，中國相繼出臺多項政策，從技術研發、落地推廣等角度推動氫燃料電池船舶發展，預計2025年氫燃料電池系統改造船數量和新建氫燃料電池船舶數量將分別達到400艘和200艘。
2、氫燃料發動機船舶
日本《綠色增長戰略》提出，到2050年將現有傳統燃料船舶全部轉化為氫、氨、液化天然氣（LNG）等低碳燃料動力船舶，促進面向近距離、小型船只使用的氫燃料電池系統和電推進系統的研發和普及；推進面向遠距離、大型船只使用的氫、氨燃料發動機以及附帶的燃料罐、燃料供給系統的開發和實用化進程。
全球船用發動機領導者瓦錫蘭預計，將在2021年內推出氨混合燃料發動機，于2023年推出純氨燃料發動機，并將于2025年推出純氫燃料發動機。中國船舶等企業也在積極研發氫氨發動機、氫燃料燃氣輪機。
五、氫動力航空
航空業每年排放9億噸以上的二氧化碳，氫能是發展低碳航空的主要途徑。氫能在飛機上的應用有以下四種途徑：直接在燃氣輪機中燃燒，通過燃料電池用于推進或非推進能源系統，燃料電池和燃氣輪機的混合動力組合，氫基合成燃料。
氫氣可以與二氧化碳結合，產生一種不需要改變現有飛機基礎設施的“過渡”燃料。考慮到航空部門的低資產周轉率，氫基燃料是航空業在2050年前實現有意義脫碳的主要途徑。目前，全球排名前10大的機場都在探索或已經部署了加氫基礎設施，用于輔助交通和物流。對于通勤類客機和支線客機，燃料電池推進是最節能、最環保、最經濟的選擇。針對短程客機，混合動力（氫氣燃燒和燃料電池)可能為****方案。歐美中短途的小型氫動力飛機項目正在興起。針對遠程客機，合成燃料可能是更具成本效益的脫碳效益的解決方案。
空客已制定氫能源飛機技術路線圖：2021年進行地面演示；2023年氫燃料技術驗證機首飛；2024年確定氫燃料飛機選型；2025年氫燃料驗證機首飛；2035年氫燃料飛機交付；將氫燃料推廣應用到空客全系產品，包括直升機產品；在大型客機上采用氫能源。
六、氫能冶金
氫能冶金是金屬冶煉行業碳減排的一種重要途徑，目前的研發應用主要集中在鋼鐵領域。短期內以高爐富氫為主，未來逐步推進氣基豎爐富氫。國內鋼鐵行業未來一段時間仍以長流程為主，現階段應推廣灰氫+高爐富氫的氫能煉鋼工藝，隨著未來條件成熟，更適宜氫氣煉鋼的富氫氣基豎爐直接還原工藝在國內占比將逐步提升。
目前，國內多個大型鋼企在推進氫煉鋼生產線改造和建設，就已有高爐富氫工藝對現有高爐進行改造，或者建設氣基還原工廠，進行氫能煉鋼，在為下游提供鋼鐵產品的同時實現碳減排。預計2060年，氫冶金粗鋼產量將達4.36億噸，其中采用富氫高爐工藝粗鋼產量為2.26億噸，氣基豎爐工藝粗鋼產量為2.1億噸；生鐵產量將達3.44億噸，其中富氫高爐生鐵產量為1.97億噸，氣基豎爐工藝生鐵產量為1.47億噸。
七、建筑供熱
與天然氣相比，氫氣密度較低，單位質量的燃燒熱遠大于天然氣；氫更容易點燃且其火焰速率要遠快于天然氣；氫氣在空氣中擴散系數高，不易造成擴散后的聚集進而危險性降低。
在現有天然氣管道中摻雜氫氣，滿足建筑領域供熱需求，同時減少碳排放量。近中期實施中低比例摻氫，在氫氣濃度（體積最高為10-20%）相對較低的情況下，無需對基礎設施和終端應用進行重大改變，投資成本較低。若混合比例為5%，每年將減少約20萬噸二氧化碳排放。
我國天然氣摻氫尚處于研發試驗階段，主要由資金實力雄厚的國有企業開展實施，實際投產運行天然氣摻氫示范項目的企業很少，部分企業發明了相關的研究專利，但未落實到具體的項目實踐中。
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