蔡仕荆

面对碳排放快速增长带来的威胁，世界各国正抓紧制定减排路线图，通过立法、投资及税收等政策措施推动减排。截至2022年4月，已有140多个国家宣布本世纪中叶实现碳中和，其中也包括我国对国际社会作出的庄严承诺。

在双碳工作的推动下能源结构转型有望加快推进，化石能源生产与利用将面临更严格的碳排放约束，氢能凭借其来源丰富、储能效率高、应用广泛、绿色低碳等特性，被认为是实现全球碳中和的战略性能源载体。当前，全球多个国家和地区相继出台具有实操性的氢能战略和氢能发展路线图，主要以氢能在交通运输领域的应用为主，因而氢能在交通领域热度不断上升，很多人对氢能认识也局限在交通领域的应用中，实际上氢燃料电池汽车只是氢能诸多应用场景中的一个突破口，长远来看，以工业、发电、建筑等为代表的非交通部门也是氢能应用的重要领域，在这些难以完全脱碳的领域，氢能具有极大的应用潜力。

适逢我国《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》发布，本文通过梳理氢能在不同领域的脱碳减排潜力，以期更加客观和清醒地认识氢能的角色、作用及发展意义。

图1.氢能主要的脱碳减排过程图

1.在交通运输领域中的应用

现今的交通运输行业几乎全部依靠化石燃料供能，根据国际能源署数据统计：2021年全球能源相关二氧化碳排放量增长6%，达到363亿吨，相当于130亿吨标准煤产生的排放量，其中交通领域二氧化碳排放总量占比约14%，占比能源消费总量的30%。作为排放大户的汽车与交通行业成了其中的“硬骨头”，零碳排放和广泛的适应性让氢能可以依托燃料电池技术成为交通运输部门快速减排的少数选择之一。

氢燃料电池汽车是氢能高效利用的最有效途径，当前全球多个国家都在积极布局氢燃料电池汽车产业链。截至2021年底，全球氢燃料电池汽车的保有量已超4万辆，其中乘用车集中在中美日韩四国，商用车的应用主要在中国，初步估算，每年减少碳排放可达1500万吨。随着氢能供应体系不断完善，高效燃料电池技术的不断进步，燃料电池汽车有望迎来大规模推广应用，根据中国氢能联盟预计，2050年中国氢燃料电池汽车产量达到520万辆/年，预计可减少二氧化碳排放约26.5亿吨。

氢燃料电池在功率和续航时间要求非常高的重型矿用卡车等领域提供了一种可行的替代方案。氢燃料电池具有能量密度较高、加注时间较短、耐低温等特点，能够对柴油重卡进行有效替代，进而实现交通领域清洁低碳发展。我国的重型卡车保有量保持稳步增长态势,目前国内重型卡车保有量达到850万辆左右，现在的燃油重卡每年消耗1亿多吨柴油，如果全部用氢能重卡替代，每年的用氢量为1000多万吨，这批重卡“柴改氢”空间巨大。有专家预测，到2050年，将有超过50%重型柴油卡车将氢燃料电池作为发动机，有专家预测，到2050年，将有超过50%重型柴油卡车将氢燃料电池作为发动机，预计可节省柴油1.91亿升，减少碳排放5.1亿吨。

随着燃料电池技术的进步，氢能将逐步拓展到船舶、无人机等对于续航能力和能量密度较高的交通领域。2020年我国交通领域碳排放9.3亿吨，占全国终端碳排放的15%。道路交通碳排放占90%，其中航空、船舶大概占6%，铁路约1%。可知，与公路交通相比，航空、船舶和铁路交通产生的碳排放量较小，但实现减排面临较大的技术挑战，虽然氢燃料电池船舶或以氢为燃料的飞机等技术已经存在。目前氢在海事、铁路和航空领域的应用处于示范阶段，还没有大规模的商业化应用，而全球碳排放交易体系的不断扩大为氢能在这些领域的应用提供了潜在的空间。

2.在建筑领域的应用

在建筑领域，氢气可作为燃料直接掺入天然气，提高燃烧效率，降低排放。根据IEA《Cross-cutting:Hydrogen》报告数据，在不考虑气源碳排放的情况下，向天然气中掺入5%比例的氢气大约减少2%的碳排放，如果将掺混比例提高到20%将最多减少7%的碳排放。在碳中和背景下，各国政府将天然气掺氢项目作为氢能应用场景探索大力推广，国外在2008年开始已有关于绿氢掺入天然气管道比例的研究，近年来，荷兰、日本、英国、德国等国家更是开展了相关示范项目，掺氢比例更高达20%。我国辽宁朝阳可再生能源掺氢示范项目是国内首个天然气掺氢示范项目，也是首次尝试将电解水制得氢气掺入天然气中，绿氢与天然气掺混后供燃气锅炉使用，并将终端应用场景设置在厨房等民用领域示范。

在建筑领域，也可以通过分布式能源供应实现热电联供。在建筑业的应用主要集中在大型商用分布式供能和小型家用热电联产。日本作为燃料电池分布式能源系统推广最多的国家，截至2020年底，日本已推动近40万户家庭使用了燃料电池Ene-Farm分布式电站。以家庭为单位来看，安装Ene-Farm的一户日本普通家庭，每年可减少23%的石油、天然气等一次能源消费量，相当于减少38%（1330kg）的二氧化碳排放。根据Hydrogen Council，至2050年，10%的建筑供热，8%的建筑供能将由氢气提供，每年可减少700Mt二氧化碳。

3.在工业领域中的应用

在工业领域，使用氢气或混合燃料设备，可实现提供高温的同时减少或消除碳排放，全球工业部门45%的碳排放来自钢铁，水泥，合成氨，乙烯等生产过程，氢能具有工业原料和能源产品的双重属性，被认为是解决工业脱碳的重要可行方案。

氢冶金是将氢气代替焦炭作为高炉的还原剂，以减少乃至完全避免冶炼生产中的二氧化碳排放。目前以铁矿石为原料的钢铁冶炼仍大量依赖于煤炼焦，使用焦炭作还原剂和能源。在碳中和背景下，实现碳减排的途径需要以氢气作为还原剂进行碳代替，即“以氢代碳”。因为氢冶金与传统的高炉流程相比以氢气代替高炉冶炼使用的碳作为钢铁的还原剂，能省去前端焦化、烧结、求团这些工序，减少冶炼过程中VOC污染物和二氧化碳排放量。近二十年来，世界其他产钢大国已经进行了一系列“氢能冶金”方面的探索，如瑞典钢铁HYBRIT项目、德国蒂森克虏伯高炉喷氢项目、日本COURSE50技术、韩国的全氢高炉等，但都还未进入工业化实施。

氢气为化工领域提供清洁低碳的原料。在化工领域一直是氢气重要的应用领域，但始终以灰氢为主。2020年，全球氢气需求达到9000万吨，其中绝大部分用于炼油和工业用途。发展“绿氢化工”是石化化工行业实现深度脱碳的重要举措。比如，甲醇和合成氨是氢气应用规模最大的两个领域，全球每年有超过10%的氢气用于生产甲醇的工艺流程，超过37%的氢气用于合成氨工艺，发展绿氢代替灰氢生产绿色化工产品，将有效降低相关领域的碳排放。

近年来，各国将氢能视为深度脱碳及实现清洁能源转型的重要途径，并着力部署大规模电解水制氢产业与技术开发，扩大以绿氢为代表的清洁氢在工业领域的应用。随着可再生能源制氢成本的进一步降低，未来在化工领域实现灰氢替代、在工业领域提供高品质热源等也有很好应用前景。

4.在电力领域中的应用

电力行业是用能大户也是碳排放大户，碳排放约55%来自电力行业，而电力行业碳排放80%来自燃煤发电。为实现碳中和目标，全球多个国家均已采取措施降低煤电比重，重点发展可再生能源发电，未来，可再生能源将可以满足2030年前全球电力需求增长的80%。据测算，在碳中和的目标下，2050年中国非化石发电量占总发电量的比例需要超过90%，燃烧煤炭发电比例则要降到5%以下。

氢储能发电技术被认为是一种用作平衡可再生能源装机容量较高的电网供需的潜在解决方案。由于风电光伏存在着波动性、间歇性与不稳定性等特点，风电光伏装机的跨越式增长会带来消纳难题，而氢储能将成为破解这一难题重要途径，氢储能作为稳定电力系统运行的重要手段，将越来越承担系统调节和保障稳定的重要作用。当风电、光伏出力受限时，利用富余的可再生能源进行制氢，并作为备用能源储存下来，在电网电力生产不足时将储存的氢气通过燃料电池来生产电力或转化为甲烷，为常规燃气涡轮发电机提供动力。

无论是分布式光储配套还是集中式可再生能源储能协同，氢储能发电技术与可再生能源的结合不仅可以有效提升可再生能源发电可靠性和稳定性，还可以显著降低电力系统的碳排放，助力碳中和目标的实现。

5.结论

碳中和共识为氢能发展按下了加速键，这意味着未来全球能源格局和能源体系将发生深度变化。氢能在推动化石能源低碳化、节能化，以及带动可再生能源发展的角色将越来越凸显，有望在碳中和路径中发挥重要作用，助力电力、交通、工业、建筑等用能大户实现深度减碳目标。