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隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益嚴重，尋找一種清潔、高效、可持續的能源形式變得越來越重要。
氫能作為一種新型的能源形式，因其具有高能量密度、零排放、易于儲存和使用等優點，備受關注。本文將從多個角度分析氫能在多元場景中的應用。
一、氫能在化工領域的應用展望
石油化工領域，氫氣是合成氮、合成甲醇、石油精煉和煤化工行業中的重要原料，是我國氫能應用的重要方向，一方面石油化工行業氫氣需求巨大，能夠以規模效益來降低氫氣供應鏈成本，另一方面氫氣可作為燃料和化工原料幫助工業實現減碳。
中國氫能聯盟數據顯示，2019年合成氨、甲醇、石油煉化與化工、農化等其他領域所需氫氣分別占比32%、27%、25%和16%。
目前，化工行業用氫主要依賴化石能源、工業副產物制取，未來通過低碳綠氫替代應用潛力巨大。
圖表：2019年化工行業氫能消費領域分布
資料來源：中國氫能聯盟
目前，中國的化工行業仍然屬于化石燃料為主的高耗能高碳排放行業。
石油煉化與化工對氫氣的需求量巨大，大型煉化廠幾乎都在廠區建設了制氫設備，采取天然氣重整或煤氣化制氫；合成氨、甲醇的生產在中國則以煤化工為主要路徑，工廠大多采用煤氣化制氫的傳統方式獲取氫氣。
未來，隨著工業脫碳要求的提高，配備CCUS技術生產的藍氫將作為向綠氫過渡階段的主要氫源，后續隨著可再生能源制氫成本的下降，傳統煉化、化工生產用氫氣將逐步替代為綠氫，實現化工領域的深度脫碳。
隨著可再生能源發電價格持續下降，到2030年國內部分地區有望實現綠氫平價，綠氫將進入工業領域，逐漸成為化工生產常規原料；同時，在政策引導下，灰氫、藍氫的碳排放成本不斷提升，可再生能源生產綠氫的成本優勢也將不斷凸顯。
二、氫能在鋼鐵領域的應用展望
2021年，我國粗鋼產量10.33億噸，碳排放總量超過18億噸，占工業碳排放的20%、全國碳排放總量的15%，是制造業31個門類中碳排放量最大的行業。
2022年2月，工信部、國家發改委、生態環境部聯合發布《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，指出將制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發應用。
從長期發展趨勢來看，利用可再生氫的低碳冶煉技術將成為鋼鐵行業完全脫碳最關鍵、最具前景的解決方案之一。
氫冶金技術利用氫作為還原劑代替碳還原，是減少長流程煉鋼CO2排放，助力鋼鐵行業從“炭冶金”走向“氫冶金”，實現綠色可持續發展。
圖表：氫冶金技術分類及優缺點
資料來源:根據公開資料整理
根據《碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究》分析，根據氫冶金成本變化、技術成熟度及氫資源可用性等因素影響，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73億-2.02億二氧化碳減排任務由氫冶金完成。
預計到2050年氫冶金鋼產量為0.96億-1.12億噸，占全國鋼鐵行業年生產總量的14%-16%，基于氫冶金的氫氣需求約為852萬-980萬噸。
三、氫能在儲能領域的應用展望
在新能源體系下，氫能被視為與電能互補的優質二次能源。通過“可再生能源（風能、水能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能等）發電→多余電量電解水制氫→氫氣多種介質形態儲運→氫能發電”完整的能源轉換鏈條，氫作為能量儲存的載體，是實現可再生能源大規模、跨季節存儲及運輸的最佳方案。
根據《電力行業碳達峰碳中和發展路徑研究》顯示，2019年我國電力占終端能源消費比重為26%，據國網能源研究院預測，2050年電力在終端能源消費比重將達到50%，同時2050年我國能源清潔化率（非化石能源占一次能源的比重）也將達到50%，可再生能源發電的長期空間巨大。
平價后行業發展將由政策驅動轉變為消納驅動，電網消納能力將成為制約行業發展的首要因素，同時可再生能源發電存在波動性，也導致可再生能源得不到充分利用。可再生能源發電產生的波動性和消納問題需依靠儲能來解決。
隨著可再生能源發電裝機規模的擴大，傳統電力系統調峰儲能方式將遭遇天花板，儲能需求將應運提高，到2030年可再生能源功率調節缺口將達到1200GW，到2050年將擴大至2600GW。
國家能源局、科學技術部《“十四五”能源領域科技創新規劃》明確提出“推動氫能與可再生能源融合發展”，與其他新型儲能技術相比，氫能與電能同屬二次能源，更容易耦合電能、熱能、燃料等多種能源并與電能一起建立互聯互通的現代能源網絡。更為重要的是，氫能可實現不連續生產和大規模儲存，這將顯著增加電力網絡的靈活性。
電氫耦合能源網絡將成為構建現代能源體系的重要途徑。電氫能源體系將為開發我國豐富的可再生能源提供可靠的載體并培育適合的產業生態，氫能有望成為我國重要的出口能源重構世界能源格局。
四、氫能在發電領域的應用展望
純氫氣、氫氣與天然氣的混合可以為燃氣輪機提供動力，從而實現發電行業的脫碳，氫能發電主要有兩類應用方向，分別為大型固定式氫燃料電池發電站、分布式氫能發電。
-大型固定式氫燃料電池發電站：通過磷酸燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等技術實現電解水的逆反應發電，美國、韓國、日本等國正大力推進固定式燃料電池發電站項目建設，目前韓國六家發電公司已部署了超過300兆瓦的燃料電池發電項目。
-分布式氫能發電：主要可應用于固定或移動式電站、氫能充電站、備用峰值電站、備用電源、熱電聯供系統等發電設備。2021年天能電池推出的“天安”系列甲醇燃料電池發電機，能實現>95%甲醇水催化轉換效率，氫氣純度99.99%，一氧化碳含量低于2ppm，可以作為備用、應急電源應用于國內外通信基站、邊防哨所、海島燈塔、數據中心、醫院工廠等場所。
這兩種氫能發電均存在成本較高的問題。目前，燃料電池發電成本大約在2.5-3元/度，而中國傳統發電方式的電價都在1元/度以下，例如，風電發電成本約為0.5元/度，太陽能發電成本最低約0.25元/度，而火電發電成本大約在0.25元-0.5元/度，核電發電成本大約在0.5元/度。
五、氫能在交通領域的應用展望
交通作為引領氫能產業快速發展的重要領域，正在成為各國布局氫能應用率先啟動的場景，以氫能車輛落地最為迅速，在軌道交通、船舶、航空等交通細分領域也在不斷拓展。
1、氫能在汽車領域應用展望
我國氫燃料電池汽車的發展采取先商用車后乘用車路線，發改委《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》中提出，到2025年，基本掌握核心技術和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛。
氫燃料電池汽車主要以客車、重型卡車和牽引車、城市物流車為切入領域，重點在可再生能源制氫和工業副產氫豐富的區域推廣應用。相對于發展趨于成熟的純電動汽車，氫燃料電池汽車適合固定路線、中長途干線(400-800公里左右)、高載重場景。
中國提出于2030年實現“碳達峰”，力爭于2060年前實現“碳中和”。“3060”目標的提出推動了以氫能及氫燃料電池為代表的新能源技術的應用，交通領域的碳減排也成為大勢所趨。商用車碳排放占據全部車輛碳排放的比例接近77%，其中中重型貨車碳排放占比達61%，是未來新能源替代的關鍵車型。
2022年我國商用車保有量為3328.6萬輛，其中重卡保有量約800萬輛。據中國汽車工業協會數據顯示，2022年我國重卡累計銷售量為67.19萬輛，同比大幅下滑51.8%；氫燃料重卡銷售量為2382輛，同比上漲215%，但滲透率僅為0.35%。
重卡更新迭代周期平均為7-8年，迭加“雙碳”與氫能源產業政策、氫燃料電池技術成熟與成本、加氫站配套建設速度等因素，綜合預測，2030年氫燃料電池重卡銷售可達6萬輛，滲透率超過5%。
2、氫能在海運船舶領域應用展望
隨著航運業迅速發展，柴油機動力船舶引發的環境問題日益顯現。2020年我國航運業的二氧化碳排放量占交通運輸領域排放量的12.6%。氫能作為清潔能源有望在航運領域減碳中發揮積極作用。
氫及氨基燃料是航運領域碳減排方案之一。通過氫燃料電池技術可實現內河和沿海船運電氣化，通過生物燃料或零碳氫氣合成氨等新型燃料可實現遠洋船運脫碳。我國部分企業和機構基于國產化氫能和燃料電池技術進步已經啟動了氫動力船舶研制。
現階段，氫動力船舶通常用于湖泊、內河、近海等場景，作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。預計到2030年我國將構建氫動力船設計、制造、調試、測試、功能驗證、性能評估體系，建立配套的氫氣“制儲運”基礎設施，擴大內河/湖泊等場景的氫動力船舶示范應用規模，完善水路交通相關基礎設施；到2060年完成我國水路交通運輸裝備領域碳中和目標，在國際航線上開展氫動力船舶應用示范，提升我國氫動力船舶產業的國際競爭力。
圖表:我國氫能動力船舶發展路線圖
資料來源:根據公開資料整理
在全球船舶領域，2021年10月28日，國際可再生能源署(IRENA)發布報告稱，氨在海運領域將成為清潔燃料的主力軍，挪威化肥巨頭雅苒國際出資建造的全球第一艘用氨能驅動的貨船雅苒·伯克蘭號，已于2021年11月22日下水首航。
圖表：航運燃料中不同能源使用量占比預測
資料來源:英國勞氏船級社
3、氫能在航空領域應用展望
隨著能源加速向低碳化、無碳化演變，航空業也面臨能源體系變革帶來的新挑戰。
氫能源為低碳化航空提供了可能，氫能可以減少航空業對原油的依賴，減少溫室及有害氣體的排放。相比于化石能源，燃料電池可減少75%-90%的碳排放，在燃氣渦輪發動機中直接燃燒氫氣可減少50%-75%的碳排放，合成燃料可減少30%-60%的碳排放。
氫動力飛機可能成為中短距離航空飛行的減碳方案，但在長距離航空領域，仍須依賴航空燃油。預計2060年氫氣能提供5%左右航空領域能源需求。
氫能為航空業提供了可能的減碳方案，美國、英國、歐盟等發達國家和地區紛紛出臺涉及氫能航空發展的頂層戰略規劃。
從發達國家發布的規劃可以看出，氫能航空的發展是一個異常漫長的過程。從現在到2035年主要是發展基礎性技術，開展航空試驗，小范圍展開核心氫能組件應用和驗證；到2050年完成遠程客機驗證機和大規模的氫燃料加注基礎設施建設，在航空領域實現更大規模應用。
圖表：全球氫能動力飛機發展路線圖
資料來源:根據公開資料整理
六、氫能在建筑供熱領域的應用展望
以具備電、熱、冷等供能需求且適合氫能應用推廣的區域、公共設施或建筑為典型場景，開展多種先進燃料電池技術與儲供氫技術的融合示范，建設熱電聯供、固定式發電等分布式能源示范項目。
在住宅建筑領域，75%的傳統能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合(氫氣摻混比例為0~20%)，通過基于燃氣輪機或燃料電池的CHP技術，利用現有建筑和能源網絡基礎設施提供靈活性和連續性的熱能、電力供應，從而取代化石燃料CHP。
國內正推進“氫能進萬家”示范運行，全國首個“氫能進萬家”智慧能源示范社區——丹青苑于2021年11月在在佛山市南海區丹灶鎮投運。
