存儲方式

氫氣存儲密度

各國氫氣管道長度

（四）應用

氫是一種高度通用的基礎化學品，有兩個主要用途：材料應用和能源應用。工業(yè)中最重要的材料應用是氨合成，主要用于生產含氮肥料和甲醇合成。此外，氫氣是煉油廠原油精煉的副產品，特別是石腦油的催化重整；另一方面，它用于精煉廠中的油產品的加工和精煉－例如加氫處理和加氫裂化等工藝等。氫的能源應用主要涉及將氫氣中的能量轉化為熱能、電力或電能。然而，氫現在很少被使用作為熱機的能量源。

對于能源應用，燃料電池已成為氫氣使用的主要焦點。與熱機相比，燃料電池能提供更高的電效率和整體效率。燃料電池原理是在19世紀被發(fā)現的：隨著燃料的不斷供應，化學能直接轉化為電能。作為電解的逆過程，H2和氧同時重新組合成產生H2O的直流電。

近年來燃料電池已經取得了一些重大技術進步。現在可用的許多不同電池類型在它們使用的電解質（離子導體）和它們的操作溫度方面具有很大不同。低溫電池允許動態(tài)負載響應，而高溫電池有利于連續(xù)負載，并且對燃料質量的波動更具彈性。此外，在外部或內部重整之后，一些燃料電池類型也可以使用其他含氫燃料（例如天然氣或甲醇）。

目前世界市場以質子交換膜燃料電池（PEMFC）為主，其功率密度、靈活性和降低成本的潛力使得其最適合于移動應用。并行開發(fā)的是固體氧化物燃料電池（SOFC），其主要應用于連續(xù)的家用能源供應和發(fā)電廠。

在燃料電池的電極上使用的催化劑對系統(tǒng)成本和性能具有巨大影響。研究更節(jié)約成本和更經濟的催化劑材料的工作也正在進行中。

全球氫氣用途

P2X路徑

5種燃料電池

（五）固定能源應用

在數量和裝機容量方面，固定式燃料電池是燃料電池系統(tǒng)全球市場發(fā)展的重要推動力。

燃料電池正在越來越多地以應急發(fā)電機組或不間斷電源（UPS）的形式被用作發(fā)電機和可充電電池的備用電源。由于燃料電池產生電能和熱能，它們在電廠和建筑部門的電力和供熱供應中用于熱電聯(lián)產（CHP）裝置正在增加。

微型熱電聯(lián)供燃料電池系統(tǒng)由于其較高的整體效率，逐漸成為節(jié)能型家用能源供應的一種有富有前景的新選擇。用于家庭能源供應的燃料電池通常使用天然氣（通過額外的外部或內部甲醇重整）�；�于質子交換膜燃料電池PEMFC和固體氧化物燃料電池SOFC的第一批商用微型熱電聯(lián)產裝置現在可用于例如建筑領域的建設。戶用燃料電池系統(tǒng)的主要示范項目和市場啟動計劃已經在德國、歐洲和日本引入，名稱分別為“Callux”、“ene．field”和“Ene－Farm”。截至2016年底，在Ene－Farm計劃下日本已經安裝了近20萬個微型熱電聯(lián)產裝置；到2030年，日本政府計劃安裝530萬個熱電聯(lián)產裝置。

燃料電池微型熱電聯(lián)產或小型熱電聯(lián)產裝置在建筑領域的經濟效率取決于各自的電力和天然氣零售價格。熱電聯(lián)產技術在建筑物中的廣泛應用將需要（在短期內）進一步的臨時資金支持以促進市場開發(fā)。

（六）移動應用

氫可用作移動應用的能源。最初，它也在內燃機中進行了測試，但在運輸領域，氫氣現在幾乎只用于燃料電池。太空旅行為氫和燃料電池技術的發(fā)展提供了歷史和技術動力。

原則上，氫燃料電池系統(tǒng)幾乎適用于所有運輸工具，但其技術成熟度根據運輸方式及其使用方式而變化。產品的技術成熟度可以根據美國太空管理局NASA開發(fā)的技術準備水平（TRL）來確定。TRL規(guī)模從1級到9級。充分的技術成熟度，這意味著至少在使用領域中已經證明的功能（＝TRL8），是在相應的移動應用領域推動市場發(fā)展的關鍵先決條件。

用于物料搬運的叉車或牽引車等工業(yè)卡車在技術上幾乎完全成熟，并且已經處于商業(yè)化的早期階段。乘用車已達到批量生產，而公交車則緊隨其后。物料搬運設備的制造數量最多。今天，在北美，擁有超過11000輛叉車和拖車的車隊正在運營。燃料電池乘客汽車現在提供與內燃機驅動相同的功能（例如性能，加油時間，有效范圍或舒適性）。由于很多項目屬于公共資助項目，公共汽車經歷了比任何其他交通工具更密集的車隊測試。

在火車、輪船和飛機方面仍有許多發(fā)展工作要做：輕軌車輛和商用車輛（包括卡車）可能會受益于目前公認的公共汽車或乘用車技術。目前還沒有商用飛機或商船的計劃，但他們可以使用燃料電池作為輔助動力裝置（APU）的有效能源。

（七）車輛所有權成本

購買或持有車輛時最重要的考慮因素之一是經濟性：所涉及的所有權成本。這些包括購買成本、燃料的持續(xù)成本或與里程或運輸性能相關的成本。一旦具有不同傳動系的車輛的成本足夠相似，其他非經濟決策因素就會發(fā)揮作用。

在現有的購買和燃料成本結構下，燃料電池乘用車尚不具備競爭力。但是，在一個雄心勃勃的氣候行動方案中，尤其是隨著技術的快速進步以及生產和市場開發(fā)的規(guī)模效應不斷增加，汽車燃料電池技術將很快變得更具成本效益。此外，氫氣的生產成本可能會在中長期內下降，這與較低的技術和基礎設施成本相結合，可以使氫氣作為燃料能夠更便宜地分銷和占據市場。

同時，由于更復雜的廢氣處理內燃機車輛正在變得更加昂貴。在城市和大都市地區(qū)，由于對空氣質量和尾氣排放的更嚴格規(guī)定，內燃機車輛越來越受到當地使用限制。因此，與內燃機乘用車相比，由氫驅動的（局部）無排放燃料電池乘用車變得越來越有吸引力，而不僅僅是基于成本的原因。

一旦燃料電池乘用車和電池電動車的購買成本之間的差距隨著生產數量的增加而逐漸消失，燃料電池乘用車就成為（本地）無排放電池電動車的真正替代品。這是因為，在購買成本相同的同等條件下，燃料電池電動車輛還提供了超過電池電動車輛的額外優(yōu)勢，例如更大的舒適性、更長的續(xù)航里程和更短的充電時間。相反，如果要在舒適性、續(xù)航里程或充電時間方面改進電池電動車輛，它們將變得更昂貴并且將失去其優(yōu)于燃料電池電動車輛的經濟優(yōu)勢。

（八）加氫站基礎設施

移動氫能的發(fā)展和擴展將需要新的基礎設施來為燃料電池電動汽車（FCEV）提供全面的供應網絡。截至2017年初，全球約有280個加氫站和約4000輛燃料電池車。到目前為止，加氫站和燃料電池車隊多集中在美國、西歐和亞洲的日本。近年來，基礎設施和車隊的發(fā)展大大加快。

加氫站包括以下技術組件：儲氫罐，壓縮機，預冷器／蒸發(fā)器和分配器。到目前為止，加氫站大多是定制的。通過技術組件的模塊化和批量化生產可以降低制造成本。此外，國際認可的氫能專用標準將為加油站網絡的安全和有效擴展做出重大貢獻。由于監(jiān)管和技術標準化以及規(guī)模效應，預計未來幾年內氫能將有大幅降低50％的成本潛力。

根據容量、設計和利用情況，一般和特定的加油站基礎設施成本會有所不同。通過選擇合適的規(guī)模和供應概念，可以調整加氫站網絡以滿足需求，并且可以通過逐步擴展來降低基礎設施成本。然而，在市場增長階段開始時存在加氫站嚴重利用不足的風險，因此在早期階段需要為基礎設施擴展提供財務支持。

網絡發(fā)展也必須與氫以及氫能車隊的擴展同步。為實現此目的在領先地區(qū)（北美，西歐和日本／亞洲）提出了一系列氫氣倡議。

（九）能源與環(huán)境：燃料電池電動車的場景

運輸是一個重要的能源消耗和排放部門。在全球范圍內，道路交通在2014年造成約5．7億噸的二氧化碳排放，公路車輛的二氧化碳排放量在1990年至2014年期間增加了71％。鑒于全球道路交通量仍在增加，盡管采取措施避免交通或將其轉移到公共交通或更環(huán)保的交通方式，減少機動車的能源消耗和負面環(huán)境影響更為重要。

氫能燃料電池電動汽車（FCEV）比內燃機推動的乘用車效率更高。因此，FCEV可以為能源供應的多樣化和機動公路運輸的節(jié)能做出重要貢獻。

如果氫氣來自可再生能源，則整個供應鏈中的特定溫室氣體排放量非常低。再加上效率更高的動力傳動系統(tǒng)，到2050年，與距離相關的溫室氣體排放量將顯著降低至1．13億個左右。此項結果是基于預計到2030年歐盟和美國的年度燃料電池車登記量將增加到100萬個。到2050年，在這三個地區(qū)，每年新登記的人數將增加到1000萬。

根據假定的年平均車輛里程數，特定（與距離相關）的車輛能耗和所用燃料的溫室氣體因子，估計2050年的1．13億輛燃料電池電動車的氫消耗約為1000萬噸氫（每年）。如果要用燃料電池電動汽車取代高效的汽油乘用車，到2050年，這將節(jié)省－取決于更換車輛的設計（僅混合動力或汽油）－38至68萬噸汽油和超過1．9億噸與運輸有關的二氧化碳排放量。

考慮到從現在到2050年的整個時期，與被替換的汽油車相比，可以降低超過1．5億噸的溫室氣體排放量。

2、政策要求為氫經濟提供幫助

氫作為能源以及燃料電池作為能量轉換器，在能源轉型和實現將全球溫度上升控制在2°C的氣候政策目標中發(fā)揮著重要作用。近年來，氫生產和應用技術取得了重大進展。盡管如此，氫氣和燃料電池在全球能源系統(tǒng)中實現廣泛的商業(yè)用途方面仍處于起步階段。因此，它們需要政府和整個社會的進一步支持和資助。

需要采取哪些行動和措施才能使氫和燃料電池最終成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱之一？下面我們列出整個氫氣供應和使用鏈的十個關鍵要求，這些要求可能有助于改善未來氫能經濟的總體條件。這些措施中的每一項本身都很重要，但理想情況下，它們應被視為一系列連貫的措施，其中各個步驟相互建立－或者甚至更好地與其他部門的措施相協(xié)調。

（一）制造

基于電解和低排放重整的氫生產方法的持續(xù)發(fā)展必須得到支持，以及包括專注于制造成本、效率和使用靈活性的量身定制的研發(fā)政策。財政激勵措施將是必要的，特別是在市場進入初期階段，通過基于可再生能源電力電解或通過沼氣重整來提高綠色氫氣的產量。

（二）儲存和運輸

從長遠來看，必須（進一步）改善氫的大規(guī)模儲存和運輸選擇。其中一個方面是在大容量儲罐（洞穴）中儲存由剩余可再生電力產生的氫氣。此外，在儲存介質（氫化物、液體和吸附劑儲存系統(tǒng)）領域需要更多的商業(yè)前基礎研究。最后，必須酌情開發(fā)氫輸送基礎設施（如液態(tài)氫輸送以及氫氣管道）。

（三）燃料電池

通過技術多樣化的研發(fā)資金，必須在制造成本和效率以及長期穩(wěn)定性方面支持作為最重要的氫能源技術的移動和固定燃料電池的進一步發(fā)展。

（四）固定應用

盡管近年來取得了重大進展，但緊急備用電源和不間斷電源以及微型熱電聯(lián)產燃料電池系統(tǒng)仍需要進一步的技術資金支持。在進入市場時，至少需要短期的財務和或政策支持。

（五）移動應用

燃料電池電動汽車是電動汽車。應通過公共采購計劃，直接財政獎勵或車輛的特權地位（例如，禁止進入某些城市地區(qū)的禁令）暫時支持購買燃料電池乘用車和公共汽車。在成熟的可持續(xù)技術（例如貨車、鐵路、船舶、飛機）組合非常有限的地區(qū)開發(fā)替代技術需要進一步的研發(fā)資金。

（六）基礎設施／加氫站

加氫站的擴建，特別是在利用率低的引導階段，需要政府分擔經濟負擔和風險。國家對基礎設施的資助應該在這方面發(fā)揮作用。應酌情以協(xié)調的方式擴大氫能基礎設施，實現全國覆蓋的長期目標。

（七）能源和燃料

綠色氫氣的使用需要建立適當的激勵機制，例如，將其與歐盟的燃料溫室氣體減排目標相抵消，或者通過擴大儲能和需求側管理的容量市場。關于電力產生的氫氣，需要與其他諸如電力存儲或Power－to－X計劃建立公平的競爭環(huán)境。由于電解制氫不是（可再生）電的最終消費者，所以其不應該承擔額外負擔。不同產品的區(qū)別被對待必須被消除。

（八）技術可接受性

對于大多數終端用戶來說，氫（尚）不為大眾所了解。相反，對于絕大多數消費者而言，氫氣和使用它的技術仍然是新的。新能源技術需要開放，愿意學習和使未來用戶熟悉。因此，如果這些技術要獲得用戶和整個社會的認可，教育和相關技術信息的傳播至關重要。

這需要適當的溝通策略和規(guī)范來建立經驗和承諾。

（九）協(xié)同

為了加快建立全球氫能經濟，需要通過城市、地區(qū)和國家之間以及相關經濟運營商之間的合作來創(chuàng)造協(xié)同效應。將生產和消費部門聯(lián)系起來也很重要，對電池系統(tǒng)和燃料電池等創(chuàng)新技術的全面協(xié)調也很重要。

翻譯：Klara＠ERR能研微訊團隊

校核：Mirakuru＠ERR能研微訊

編輯：Yeti＠ERR能研微訊團隊

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