交通运输系统工程与信息JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnologyISSN1009-6744,CN11-4520/U《交通运输系统工程与信息》网络首发论文题目：碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径作者：毛保华，卢霞，黄俊生，何天健，陈海波收稿日期：2021-10-02网络首发日期：2021-11-18引用格式：毛保华，卢霞，黄俊生，何天健，陈海波．碳中和目标下氢能源在我国运输业中的发展路径[J/OL]．交通运输系统工程与信息.https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4520.U.20211117.1434.025.html网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。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LS29JT，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：综合交通；碳中和；氢能；交通能源战略；交通政策；发展路径OnDevelopmentPathofHydrogenEnergyTechnologyinChina'sTransportationSystemUnderCarbonNeutralityGoalMAOBao-hua1a,1b,LUXia1a,HUANGJun-sheng1a,HOTin-kin1a,CHENHai-bo2(1a.KeyLaboratoryofTransportIndustryofBigDataApplicationTechnologiesforComprehensiveTransport,MinistryofTransport,1b.IntegratedTransportResearchCenterofChina;BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2InstituteforTransportStudies,UniversityofLeeds,LS29JT,UK)Abstract:Hydrogenenergyisanimportantsecondaryenergyforthecleantransformationofthefutureenergysystem.Inthispaper,wefirstinvestigatetheresearch,development,andimplementationstrategyofhydrogenenergyintheUSA,EU,andJapan.Withtheadvantagesofhydrogenenergyandthefuturetaskofglobalcarbonemissionsreduction,wethenanalyzethekeytechnologiesresearch,industrialdevelopment,andtransportationindustryapplicationonhydrogenenergy.ThepromotionstrategiesofhydrogenenergytechnologiesintheUSA,EU,andJapanarecomparedfromthetechnicalpointofview.AndthegapinhydrogenenergytechnologiesbetweenChinaandthecountrieswaspointedout.Basedontheactualstatisticaldata,thecarbonemissionsofrailway,highway,water,andairtransportationinChinaareanalyzed.Withthecharacteristicparametersofhydrogenenergy,theeffectofhydrogenenergyapplicationoncarbonemissionreductioniscalculatedindifferentfields,suchasroadandrailway.Theresultsshowthatthecarbonemissionsarereducedby70milliontonsifthehydrogenenergycanreach10%inenergyconsumptionof收稿日期：2021-10-02修回日期：2021-11-02基金项目：国家自然科学基金/NationalNaturalScienceFoundationofChina(71901022)；基本科研业务费科研学术活动资助项目(2019JBM334,2018JBM313)。作者简介：毛保华（1963-），男，湖南祁阳人，教授，博士。通信作者：bhmao@bjtu.edu.cn网络首发时间：2021-11-1814:06:57网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4520.U.20211117.1434.025.htmlroadfreighttransportation,using10milliontonsofhydrogencouldreducenearly100milliontonsofcarbonemissions.Weproposetheresearchandapplicationstrategyofhydrogenenergyandestablishthecomprehensivecomplementaryregulationmechanismofrenewableenergyandhydrogenenergy.Forexample,theabandonedelectricityofrenewablepowergenerationinwesternChinacanbeusedrecentlytoreducethecostofhydrogenproductionfromelectrolyticwater,grayhydrogencanbeusedtoreplacefueloil,andthemarketofthehydrogenfuelcellcanbeexpandedinthemediumandlongterm.Wealsostudythekeyfieldswhicharesuitableforhydrogenenergydevelopmentinthetransportationindustry.Theanalysisshowsthatiftheapplicationofhydrogenenergyinroadtransportationcanreach40milliontonsin2060,itisexpectedtoachieveacarbonemissionreductionofabout400milliontonsinthetransportationindustry.Underthegoalofthecarbonneutrality,weproposesuggestionsofpromotinghydrogenenergytechnologyandproductsinpassengerandfreighttransportationofhigh-power,long-distance,andlow-temperatureareasandbuildingagreentransportationsystemtogetherwiththeexistingdevelopmentstrategyofelectricvehicles.Keywords:integratedtransportation;carbonneutral;hydrogenenergy;transportationenergystrategy;transportationpolicy;developmentpath1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.1Typeofenergiesusedbyhumanbeingssociety1.1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。表1主要燃料热值比较表Table1Comparisonofcalorificvalueofmainfuel燃料主要成分热值/(kJ·g-1)氢气H2143天然气CH458汽油C8H1848（标准）煤C33来源：根据文献[1]整理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(CarbonCaptureandStorage,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。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：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40%～60%，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.2USfuelcellvehicledevelopmentplan来源：根据文献[2]整理。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2020—2024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2025—2030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2030—2050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77%[4]，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40%[4]，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300~600万辆。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Table2Comparisonofhydrogenenergyapplicationindifferentcountries基本特征美国欧盟日本氢能研发水平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，已实现商业化销售未来氢能占比（2050年）14%13%~14%氢、氨将占能源结构的10%氢能成本以低于2美元·kg-1的成本生产无碳氢化石能源氢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2.5~5.5欧元·kg-12.09美元·kg-1（该成本不包括碳捕获和储存）加氢站建设已建成145个加氢站（包括试验项目）至少有18个国家已有或正在建设加氢站142应用领域燃料电池车、加氢站燃料电池车、供热系统燃料电池车、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1%[13]。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(2016—2030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（2012—2020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（2021—2035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。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31.2%[15]。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32019年各交通方式周转量能耗Table3Energyconsumptionofturnoverofvarioustransportationmodesin2019交通方式换算周转量/亿吨公里周转量占比/%能耗占比/%推算方式能效比排放占比/%推算方式排放率公路运输44888.621.350.00.43743.47铁路运输60522.228.736.50.7980.28水路运输104043.349.55.88.5380.16航空运输1105.90.57.70.061020.00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1t·人-1，公路客运为0.1t·人-1，水路客运为1t·人-1，民航客运国内航线为72kg·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Table4Effectofexpandingmarketshareofhydrogenenergy替代领域不同氢能替代比例1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%碳减排效果/万t公路货运710143021402860357042905000572064307150铁路货运4080120160210250290330370410铁路客运20406080100120140160180200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。图3氢能对燃油与电力的替代效果Fig.3Substitutioneffectofhydrogenenergyforfueloilandelectricity0.990.120.030.00.20.40.60.81.01.2公路货运（燃油车）铁路客运（电动）公路客运（电动车）碳减排效果/亿t种类不难看出，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。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年全球氢能源市场规模将达2.3万亿欧元，2/3的汽车将配备氢燃料电池驱动装置。氢能源在交通运输领域的航空、水（海）运、长距离道路货物运输等领域具有不可替代的应用价值。我国500km以上长途货运在宁夏、内蒙古、吉林、河南、河北、甘肃、陕西等中西部省份占比超过50%，是未来氢能应用的重点区域。（2）从全生命周期角度看，氢能在碳中和战略中具有较电力更大的优势。2018年全球发电结构中煤电占38%，而2020年我国发电量中燃煤火力发电占比更是高达68.5%。预计2050年我国煤电仍将占20%（EIA机构预测我国2050年煤电将占30%），据此估算电力排放因子为0.10057kgCO2·kWh-1，显著高于氢能。（3）降低绿氢成本是发展氢能的重大战略问题。2018年绿氢成本约4~8美元·kg-1，到2030年可望降到2.5~5.0美元·kg-1，2050年可降至1.6~3.3美元·kg-1。这个离巴黎气候协定要求的“2030年1.8~3.2美元·kg-1、2050年0.9~2.0美元·kg-1”仍有不少差距。我国目前氢燃料车成本高，约为燃油车的2倍、电动车的5倍；氢燃料的研发与推广仍需要较大力度的前期政策支持。2060碳中和目标的实现还有近40年，可以采用从近期灰氢燃烧取代石化燃料逐步过渡到中远期大面积推广氢燃料电池的技术路线。（4）氢能减碳效果显著。美国2050年氢能总需求量预计在6300万t，届时氢能将占终端能耗的14%[21]。日本尽管目前大部分氢还是“灰氢”，但2050年预测氢能需求将达约2000万t，并拟扩大氢能源在交通行业的应用。2020年中国氢气年产量2050万t，《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》估算2060年预计增加至1.3亿t左右。不过，目前我国氢气还不是绿氢，离清洁氢能质量要求仍有较大差距。2050年氢能在能源体系中占比将达10%，氢能需求量接近6000万t。2060年氢能在道路运输中的应用如能达到4000万t可望实现4亿t减碳量，这对我国2030年交通运输行业11亿t左右的达峰排碳量[22]的降低具有重要意义。（5）减碳目标任重道远。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》[23]提出2030年非化石能源消费比重将达到25%左右，并将2060年非化石能源消费比重定在80%以上的较高水平。意见第12条提出“积极发展非化石能源：统筹推进氢能‘制储输用’全链条发展”，对氢能研发与应用提出了更高要求。2019年我国能源消费总量48.6亿吨标准煤，煤炭约占57.7%[24]。国务院《2030年前碳达峰行动方案》[25]提出要推动运输工具低碳转型，扩大电力、氢能、天然气等新能源、清洁能源在交通运输行业的应用，2030年当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右。能源结构是实现碳中和的关键因素，预计2030年我国一次能源消费上限在60亿t标准煤左右，非化石能源应在15亿t以上。从2060年实现碳中和目标角度看，应着力强化氢能战略的实施、控制化石能源的比重。我国氢能发展应注重以下4方面：首先，正视我国氢能研发整体水平与发达国家间的差距，系统研究存在的短板，从国家层面制定可操作的顶层氢能发展路线图，健全政策保障体系，加快氢能研发与应用步伐。其次，从产业发展角度充分调动地方政府与企业的积极性，从国家与地方两级政府层面，建立研发“前”补贴与推广“后”奖励两种机制，通过技术研发与产业化应用相结合的方式着力推进氢能行业的发展。第三，应尽快研究出台有利于氢能产品（如氢能汽车）推广应用的市场鼓励机制，通过类似的如已经实施的电动汽车推广与补贴策略，从市场（用户）端奠定氢能技术的应用基础，与电动汽车一起打造未来绿色交通运输体系。第四，建立完善可再生能源与氢能综合互补调节机制，利用可再生能源发电的弃电生产氢能，可再生能源电力消纳保障机制。例如，西北地区弃风弃电可用于电解水制氢，2019年我国弃风电量达169亿kWh，其中西北地区占比超过60%；利用这些弃电可大幅度降低制氢成本，仅这些弃电就可制氢约50万t，替代西部各省公路长距离货运的减碳效果可达500万t。致谢：本文作者感谢王庆云教授在本文研究与撰写过程中的指导与帮助。参考文献[1]国家市场监督管理总局.综合能耗计算通则(GB/T2589-2020)[S].北京：国家标准化管理委员会,2021.[StateAdministrationforMarketRegulation.Generalrulesforcalculationofthecomprehensiveenergyconsumption(GB/T2589-2020)[S].Beijing:StandardizationAdministration,2021.][2]UnitedStatesDepartmentofEnergyandUnitedStatesDepartmentofTransportation.HydrogenPosturePlan:AnIntegratedResearch,DevelopmentandDemonstrationPlan[EB/OL].(2014-03)[2020-10-12].https://www.energy.gov/sites/default/files/2014/03/f11/hydrogen_posture_plan_dec06.pdf.[3]EuropeanCommission.Ahydrogenstrategyforaclimate-neutralEurope[EB/OL].(2020-07-08)[2021-10-01].https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301.[4]SRINIVASANS.Hydrogen:Themissingpieceofthezero-carbonpuzzle[R].America:IHSMarkitReport,2018.https://ihsmarkit.com/Info/1118/hydrogen-missing-piece-zero-carbon-puzzle.html[5]FuelCellsandHydrogen,JointUndertaking.HydrogenroadmapEurope:AsustainablepathwayfortheEuropeanenergytransition[EB/OL].(2019-02-11)[2021-10-01].https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/Hydrogen%20Roadmap%20Europe_Report.pdf.[6]氢燃料电池战略协议会.氢燃料电池战略路线图[EB/OL].(2019-03-12)[2021-10-01].https://www.meti.go.jp/press/2018/03/20190312001/20190312001.html[7]甄子健.日本燃料电池汽车产业化技术及战略路线图分析[J].电工电能新技术,2016,35(7):50-54.[ZHENZJ.AnalysisofJapanesefuelcellvehicleindustrializationtechnologyandstrategicroadmap[J].AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy,2016,35(7):50-54.][8]YodaM,InoueS,TakuwaY,etal.DevelopmentandCommercializationofNewResidentialSOFCCHPSystem[J].ECSTransactions,2017,78(1):125-132.[9]国际可再生能源机构(IRENA).Hydrogenfromrenewablepower:Technologyoutlookfortheenergytransition[EB/OL].(2018-09)[2021-10-20].https://www.irena.org/publications/2018/Sep/Hydrogen-from-renewable-power.[10]邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望[J].中国科学院院刊,2019,34(4):469-477.[SHAOZG,YIBL.Currentsituationandprospectofhydrogenenergyandfuelcelldevelopment[J].BulletinofChineseAcademyofSciences,2019,34(4):469-477.][11]Departmentofenergy.Hydrogenprogramplan[EB/OL].(2020-11-12)[2021-10-23].https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/hydrogen-program-plan-2020.pdf.[12]日本内阁官方.氢能基本战略.[EB/OL].(2017-12-26)[2021-10-20].https://www.cas.go.jp/jp/seisaku/saisei_energy/pdf/hydrogen_basic_strategy.pdf.[13]陈宇,张小玉,张荣沛.中国氢能产业链现状及前景展望[J].新型工业化,2021,11(4):176-180,182.[CHENY,ZHANGXY,ZHANGPR.CurrentsituationandprospectofChina'shydrogenenergyindustrychain[J].TheJournalofNewIndustrialization,2021,11(4):176-180,182.][14]国家能源局.能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)[EB/OL].(2011-10-28)[2021-10-1].http://www.nea.gov.cn/2016-06/01/c_135404377.htm.[15]BP.StatisticalReviewofWorldEnergy[EB/OL].(2021-07)[2021-10-20]https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html.[16]彭宏勤,张国伍.新技术对“十四五”及2035年交通运输系统发展的影响:“交通7+1论坛”第五十七次会议[J].交通运输系统工程与信息,2021,21(4):1-5.[PENGHQ,ZHANGGW.TheImpactofNewTechnologiesontransportSystemDevelopmentinthe14thFive-yearPlanand2035:57thmeetingofthetransport7+1Forum[J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2021,21(4):1-5.][17]中国氢能源及燃料电池产业创新联盟编著.中国氢能源及燃料电池产业白皮书[M].北京:人民日报出版社,2020.[ChinaHydrogenEnergyandFuelCellIndustryInnovationAlliance.WhitepaperofhydrogenenergyandfuelcellindustryinChina[M].Beijing:People’sDailyPress,2020.][18]王庆一.2020能源数据[R].北京:绿色创新发展中心,2021.[WANGQY.2020Energydata.[R].Beijing:InnovativeGreenDevelopmentProgram,2021.][19]国家统计局.国家数据[EB/OL].(1997-04-14)[2021-10-19]https://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.[20]程颖,张佳乐,张少君,等.大型货运车辆生态驾驶及节油潜力评估[J].交通运输系统工程与信息,2020,20(6):253-258.[CHENGY,ZHANGJY,ZHANGSJ,etal.EvaluationofEco-drivingBehaviorandFuel-savingPotentialofLargeFreightVehicles[J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2020,20(6):253-258.][21]FuelCell&HydrogenEnergyAssociation.RoadmaptoaUShydrogeneconomy[EB/OL].(2000-06-29)[2019-11-06].https://cafcp.org/sites/default/files/Road%2BMap%2Bto%2Ba%2BUS%2BHydrogen%2BEconomy%2BFull%2BReport.pdf.[22]陆潘涛,韩亚龙,戴瀚程.1.5ºC和2ºC目标下中国交通部门2050年的节能减排协同效益[J].北京大学学报(自然科学版),2021,57(3):517-528.[LUPT,HANYL,DAIHC.Co-benefitsofDecarbonizingChina’sTransportSectorinEnergySavingandEmissionReductionunder1.5-and2-degreeTargetsin2050[J].ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,2021,57(3):517-528.][23]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》[EB/OL].(202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